联合利用走时与波形反演技术研究地壳三维速度结构(Ⅰ)——理论与方法

论述地震波走时反演技术中的阻尼最小二乘方法。为了提高解的唯一性,我们把人工地震资料的解释结果作为该方法的特定约束条件。同时还论述了波形反演技术中的遗传算法．     

利用区域地震体波走时评价华北地区三维地壳速度结构模型

本研究利用国家地震台网131个地震台站2009—2016年记录的1 749次近震的初至P波和S波走时数据,与采用快速行进方法正演计算得到的华北地区4个三维地壳速度模型对应的走时数据进行对比,通过统计分析的方法,评价这4个速度模型与真实地下结构的近似程度。结果表明:4个速度模型在大范围内存在较高的一致性,在整个研究区内（111°E—119.5°E,37°N—42°N）,Shen等的模型（简称“S模型”）相对优于Fang等的模型（简称“F模型”）和Duan等的模型（简称“D模型”）,Laske等的Crust1.0模型（简称“C模型”）相对较差。我们认为该结果与上述几个模型所使用的数据及其分辨率有关。对于研究区域内的构造单元,D模型在燕山褶皱带西南部、太行山山前构造带西北部和沧县隆起区表现较好,F模型在太行山隆起区中部、沧县隆起北部、黄骅凹陷区和燕山褶皱带表现较好,S模型在西部地块、山西凹陷区、太行山山前构造带和冀中凹陷区表现较好,C模型无明显连片表现较好区域。      

新丰江水库三维速度结构和震源参数的联合反演

本文对ACH方法做简化处理,先以一个地震为单元形成子矩阵,并将慢度扰动用一平均量来代替;在修正参数时,震源部分按常规进行,对慢度部分则利用代数重建技术将其分配到各个块体上.数值模拟结果表明,该方法能很好地反演震源位置和速度结构.运用新丰江遥测台网的数据进行研究,表明地震强活动区位于大坝附近,特别是在人字石断裂和高寨断裂的交汇处,震源集中沿罗坑-双下、葫芦凹-燕岩和黄竹蒿3条地震带,呈密集的高倾角分布,地震活动主要与北北西向构造和东西向构造有关,而与地表甚为发育的北东东向构造关系不大.速度图像中的低速区对应地表的破碎区,即地震带区域,也是该区重磁异常急剧变化的区域;而高速区内地震较少.上述特征同水的渗透作用有密切关系.     

新丰江水库三维速度结构和震源参数的联合反演

本文对ACH方法做简化处理,先以一个地震为单元形成子矩阵,并将慢度扰动用一平均量来代替;在修正参数时,震源部分按常规进行,对慢度部分则利用代数重建技术将其分配到各个块体上.数值模拟结果表明,该方法能很好地反演震源位置和速度结构.运用新丰江遥测台网的数据进行研究,表明地震强活动区位于大坝附近,特别是在人字石断裂和高寨断裂的交汇处,震源集中沿罗坑—双下、葫芦凹—燕岩和黄竹蒿3条地震带,呈密集的高倾角分布,地震活动主要与北北西向构造和东西向构造有关,而与地表甚为发育的北东东向构造关系不大.速度图像中的低速区对应地表的破碎区,即地震带区域,也是该区重磁异常急剧变化的区域;而高速区内地震较少.上述特征同水的渗透作用有密切关系.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

华北地区地壳P波和S波速度结构的双差层析成像

基于华北地区(37°N—42°N,113.5°E—118.5°E)133个固定地震台站收集到的P波和S波震相数据,利用双差层析成像法反演了该地区地壳三维速度结构并对所用地震进行了重定位.结果显示:地震走时残差均方根的平均值由重定位前的0.265 s下降至0.008 s;重定位后的震源主要分布于6—16 km深度范围内;...     

青藏高原地震波三维速度结构的研究

根据青藏高原及其邻区的模拟地震台站和宽频带数字地震记录资料,采用区域体波层析成你和瑞利面波层析成像,反演得到了青藏高原地区的三维地震波速度结构。两种层析成像方法得到的地壳上地幔P波和S波速度结构的结果非常相似,它们显示,青藏高原南部的拉萨块体的上地壳存在明显的低速区,青藏高原北部的羌塘地区的下地壳和上地幔顶部相对速度较低。这些结果与青藏高原南、北部处于碰撞过程中的不同阶段有关。     

联合多源数据反演郯庐断裂带南段地壳三维速度结构

郯庐断裂带南段位于不同块体交汇区, 高分辨率的地壳速度结构有助于理解该地区的构造特征及成因.本文基于多源数据, 利用2015年安徽实验中气枪的体波和高频面波, 2008—2018年区域地震体波信号以及背景噪声面波频散等资料, 将不同来源、不同周期的面波频散数据和体波走时进行联合反演, 获取了郯庐断裂带南段的高精度地壳速度结构.研究结果表明: (1)加入面波信息进行联合反演后, 获取的P波和S波速度模型的分辨能力较单一体波数据反演在中下地壳均有显著提升.(2)郯庐断裂带是控制区域异常的主要因素, 两侧具有明显的速度差异.地震主要发生在断层附近, 集中分布于高低速交界区.(3)秦岭—大别造山带下方5~10 km深度存在明显的高速异常体, 对应于超高压变质岩, 是大陆深俯冲经历超高压变质作用后折返上升到中上地壳形成的.(4)长江中下游成矿带的矿集区呈现高的P波和S波速度值, 可能是陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和一系列成矿作用共同造就的.

     

福建地区地壳上地幔顶部三维速度 结构及构造意义

地壳介质的非均一性对反演上地幔顶部速度和地壳厚度具有重要影响。文中对福建地区地壳上地幔顶部的速度结构进行联合反演,结果显示福建地区地壳浅层主要以高速异常特征为主,与区域内山脉特征相对应,而在中下地壳主要以低速异常为主,区域内速度异常与区域断裂构造密切相关。该结论进一步证实沿政和-大埔断裂带存在低速带,但低速异常主要出现在深20～30km的中下地壳部分,与前人所得的低速异常区相比范围更大,出现深度更深。联合反演结果显示福建陆域地壳厚度为28～35km,地壳在沿海地区偏薄,向内陆逐渐变厚,与接收函数的结果较为一致,且发现沿永安-晋江断裂东侧存在显著的地壳减薄特征。上地幔顶部速度结果显示在政和-大埔断裂带西侧以高速异常为主,在福州盆地及沿海区域表现为低速异常。     

近震体波走时与重力联合反演华北地区地壳上地幔顶部P波速度结构

华北是克拉通破坏的典型案例, 也是陆内强震活动最为强烈、频繁的地区之一, 对该区壳幔速度结构进行研究, 可为深化认识克拉通的形成演化、板内强震与火山发生机理等研究提供重要的深部约束. 利用202个固定台站、360个流动台站所记录到的天然地震事件P波资料和实测布格重力异常, 采用近震体波走时与重力联合反演方法获得了地壳、上地幔顶部P波速度结构. 重力资料的引入不仅对壳幔结构进行了更合理的约束, 而且有效提高了浅层和边缘射线分布稀疏区的成像能力. 联合成像结果显示, 鄂尔多斯地块和华北平原浅层表现为明显的低速异常, 可能与其存在厚的松软沉积层有关; 鄂尔多斯东部上地壳存在明显的P波高速异常, 推测该高速异常与古元古代孔兹岩带的形成有关.大同火山区15~25 km和25~40 km表现为明显的低速异常, 且这两个低速层是连通的, 推测与地幔热物质上涌导致的多期次岩浆侵位有关. 三河—平谷8.0级地震和邢台7.2级地震震源都位于脆性的上地壳, 均下伏低速异常, 推测在区域动力环境加载作用下, 韧性的壳内蠕变导致脆性上地壳岩石中弹性应变能的局部积累, 从而引起地震的发生.

     

中国东北地区地壳上地幔三维S波速度结构

收集了中国东北地区159个固定地震台2011年1月至2012年6月和27个流动地震台2011年1月至2011年6月间的垂向连续记录,根据噪声成像方法得到研究区（105°E-135°E, 39°N-52°N）较短周期（8~30 s）的瑞雷波群速度和相速度频散资料,再结合该区已有的天然地震长周期瑞雷波（36~145 s）的群速度频散资料,我们反演得到了中国东北地区200 km以浅深度范围内的三维壳幔S波速度结构,并得到了该区的岩石圈厚度分布图.结果表明：研究区中、下地壳S波速度结构的横向分布,在重力梯度带两侧有很大的不同,以东地区显示为大范围的高速,以西地区则呈现为大面积的低速;松辽盆地下方岩石圈地幔表现为显著的高速,岩石圈地幔底界面深度可能在90~100 km,薄的岩石圈盖层暗示东北地区的岩石圈可能发生了减薄;郯庐大断裂下方呈现出大范围的比较显著的低速特征,断裂下方上地幔顶部可能有热物质活动.     

3-D velocity structure beneath the crust and upper mantle of Aegean Sea region

The region of the Aegean Sea and the surrounding areas in the Eastern Mediterranean lies on the boundary zone between the Eurasian and the African plates. It is a zone of widespread extensive deformation and, therefore, reveals a high level of seismicity.Three-dimensional velocity structure, beneath the crust and upper mantle of the region between 33.0°N–43.0°N and 18.0°E–30.6°E, is determined.The data used are arrival times ofP-waves from 166 earthquakes, recorded at 62 seismological stations. In total, 3973 residual data are inverted.The resultant structure reveals a remarkable contrast of velocity. In the top crustal layer, low velocities are dominant in Western Turkey and on the Greek mainland, while a high velocity zone is dominant in the Ionian Sea and in the southern Aegean Sea.In the upper mantle, high velocity zones dominate along the Hellenic arc, corresponding to the subducting African plate and in the northern part of the region, corresponding to the subducting African plate and in the northern part of the region, corresponding to the margin of Eurasian plate.A low velocity zone is dominant in the Aegean Sea region, where large-scale extension and volcanic activity are predominant, associated with the subduction of the African plate.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P 波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5deg;times;0.5deg;的网格划分,反演得到了华北北部地区（111deg;E——120deg;E,37deg;N——42deg;N）深至400km 的地壳上地幔三维P 波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60——120km 深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km 深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km 以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200——300km 存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

Middle and upper crust shear-wave velocity structure of the Chinese mainland

In order to give a more reliable shallow crust model for the Chinese mainland, the present study collected many short-period surface wave data which are better sensitive to shallow earth structures. Different from traditional two-step surface wave tomography, we developed a new linearized surface wave dispersion inversion method to directly get a 3D S-wave velocity model in the second step instead of inverting for 1D S-velocity profile cell by cell. We convert all the regionalized dispersions into linear constraints for a 3D S-velocity model. Checkerboard tests show that this method can give reasonable results. The distribution of the middle-and upper-crust shear-wave velocity of the Chinese mainland in our model is strongly heterogeneous and related to different geotectonic terrains. Low-velocity anomalies delineated very well most of the major sedimentary basins of China. And the variation of velocities at different depths gives an indication of basement depth of the basins. The western Tethyan tectonic domain (on the west of the 95°E longitude) is characterized by low velocity, while the eastern Tethyan domain does not show obvious low velocity. Since petroleum resources often distribute in sedimentary basins where low-velocity anomaly appears, the low velocity anomalies in the western Tethyan domain may indicate a better petroleum prospect than in its eastern counterpart. Besides, low velocity anomaly in the western Tethyan domain and around the Xing’an orogenic belt may be partly caused by high crustal temperature. The weak low-velocity belt along ~105°E longitude corresponds to the N-S strong seismic belt of central China.     

A study on 3-D velocity structure of crust and upper mantle in Sichuan-Yunan region, China

Based on the first arrival P and S data of 4 625 regional earthquakes recorded at 174 stations dispersed in the Yunnan and Sichuan Provinces, the 3-D velocity structure of crust and upper mantle in the region is determined, incorporating with previous deep geophysical data. In the upper crust, a positive anomaly velocity zone exists in the Sichuan basin, whereas a negative anomaly velocity zone exists in the western Sichuan plateau. The boundary between the positive and negative anomaly zones is the Longmenshan fault zone. The images of lower crust and upper mantle in the Longmenshan fault, Xianshuihe fault, Honghe fault and others show the characteristic of tectonic boundary, indicating that the faults likely penetrate the Moho discontinuity. The negative velocity anomalies at the depth of 50 km in the Tengchong volcanic area and the Panxi tectonic zone appear to be associated with the temperature and composition variations in the upper mantle. The overall features of the crustal and the upper mantle structures in the Sichuan-Yunnan region are the lower average velocity in both crust and uppermost mantle, the large crustal thickness variations, and the existence of high conductivity layer in the crust or/and upper mantle, and higher geothermal value. All these features are closely related to the collision between the India and the Asia plates. The crustal velocity in the Sichuan-Yunnan rhombic block generally shows normal value or positive anomaly, while the negative anomaly exists in the area along the large strike-slip faults as the block boundary. It is conducive to the crustal block side-pressing out along the faults. In the major seismic zones, the seismicity is relative to the negative anomaly velocity. Most strong earthquakes occurred in the upper-mid crust with positive anomaly or normal velocity, where the negative anomaly zone generally exists below. Foundation item: National Scientific and Technological Development Program (95-973-02-02), the Climb Program (95-S-05-01) of National Scientific and Technological Ministry of China, and the State Natural Sciences Foundation of China (49874021). Contribution No. 02FE2004, Institute of Geophysics, China Seismological Bureau.     

荣昌及邻区上地壳三维地壳速度结构

经中国地震台网中心测定,北京时间2016年12月27日8时17分,重庆荣昌区发生MS 4.9地震,震中位于四川盆地东缘华蓥山基底断裂系中北段.该区域历史地震活动性较弱,20世纪80年代末,受天然气田废水回注影响,4.0级地震频发,截至2020年12月,已发生14次MS≥4.0地震.中等地震频发,被认为是人为注水使得中等...     

A study on 3-D velocity structure of crust and upper mantle in Sichuan -Yunnan region, China

Many evidences indicate that the collision of two plates deformed strongly the crust of the SYR, and the deformation has been continued up to the present. In addition, the SYR is in the south segment of the South-North Seismic Zone of China, which is one of the regions in the Chinese mainland, where the seismic activity is very high, and the strong earthquakes frequently occurred. Since the 1970s, a series of large earthquakes with magnitude M>7.0 occurred in SYR, such as the 1970 Tongha…     

中国东北地区地壳、上地幔速度结构及其对矿产能源形成的控制作用

中国东北地区处于古亚洲洋和滨太平洋构造域叠合部位, 地质构造极其复杂. 利用东北及华北地区部分台网所接收的近震及远震走时资料获得东北地区地壳与上地幔三维P波速度结构, 成像分辨率在80 km左右. 成像结果表明东北地区地壳与上地幔具有较强的横向不均匀性. P波速度异常走向大体呈北东向, 与该区地表构造走向一致. 5 km深度的速度异常与地表起伏形态有很好的对应关系: 阴山、燕山与大兴安岭造山带表现为高速异常; 渤海湾盆地, 松辽盆地表现为低速异常, 渤海湾低速异常一直延伸至 >200 km深度. 东北地区呈现两个明显的低速异常条带, 分别是沿着长白山一线与松辽盆地地区, 其中长白山低速异常延伸至400 km深度附近. 地幔转换带 (410~660 km)表现为显著高速异常体, 这与西向俯冲的高速太平洋板块在地幔转换带中的滞留相对应. 较高分辨率的三维速度成像结果表明东北地区构造演化 (如岩浆活动、岩石圈演化、深震与火山活动等) 与东北亚地区大地幔楔内软流圈上涌与西太平洋板块在地幔转换带中的滞留密切相关. 东北地区的岩浆活动在矿产与油气资源的形成过程中起着提供物源和深层控制作用.     

3-D seismic tomography for velocity and interface structure of the crust and upper mantle (theoretical part)

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ３－Ｄｓｅｉｓｍｉｃｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｖａｒｉｏｕｓｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓ．ＡｋｉａｎｄＬｅｅ（１９７６）ａｎｄＨａｗｌｅｙｅｔａｌ．（１９８１）ｉｎｖｅｒｔｅｄ３－Ｄｍｏｄｅ...