利用接收函数两步反演法研究小江断裂带及邻区地壳S波速度结构

文中基于2011年9月2日—2014年1月16日小江断裂带及邻区48个台站的远震三分量波形数据提取径向P波接收函数,采用两步反演法和Bootstrap重采样技术反演了各台站下方的S波速度结构,对小江断裂带及邻区的地壳深部结构进行了研究。结果表明：1)研究区地壳的S波速度在横向和垂向上都存在明显的非均匀特性,近地表处有2～4km厚的低速沉积层;中上地壳的S波速度呈高、低速相间分布;在20～35km的深度范围内存在明显的低速层,主要间断分布于小江断裂以西的川滇菱形块体和红河断裂以南的印支块体内部,另外在师宗-弥勒断裂附近也有局部分布。2)小江断裂带中、北段壳内低速层较为发育,以中段最为突出,最厚约达28km;南段在15～25km深度范围内存在明显的高速区。3)研究区的泊松比普遍较低(平均为0.24),呈不均匀分布,且横向变化剧烈,小江断裂带的泊松比总体呈北段较高、南段次之、中段低的分段特征;研究区壳内低速分布与泊松比间的对应关系不明显,大部分低速层似乎缺少发生部分熔融的条件,其地球物理结果的差异和不一致说明壳内低速层的变形演化机制及物理特性较为复杂。     

天山地壳上地幔的S波速度结构

2003年4月—2004年9月，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室横跨天山布设了由60个观测台站组成的流动宽频带地震台阵。其中，沿奎屯-库车横跨天山的观测剖面共有51个台站，剖面长度近500 km。利用接收函数方法（刘启元等，1996，2005），得到了沿该剖面的接收函数和100 km深度范围内的地壳上地幔Ｓ波速度结构。与前人的探测结果相比，本文的结果进一步揭示了横跨中国境内天山造山带地壳结构的横向变化，给出了天山地壳变形和盆山耦合关系的新证据。结果表明     

天山造山带地区瑞利面波相速度与方位各向异性

天山造山带作为世界上陆内最大的造山带之一,现今地震活动频繁,造山运动强烈,是开展陆内造山和内陆地震活动研究的天然试验场.本文利用整个天山造山带地区国内及国际台网的108个地震台站连续三年的背景噪声资料,提取了8~50 s周期的瑞利面波相速度频散曲线,并构建了整个天山造山带地区的二维瑞利面波相速度与方位各向异性分布图像.结果表明：浅部结构与地表的地质构造单元具有较大的相关性.低波速异常主要分布于沉积层厚度较大的盆地地区,而高波速异常主要分布于构造活动比较活跃的山脉地区.东天山地区中下地壳存在比较弱的低波速异常,而塔里木盆地和准噶尔盆地汇聚边缘的上地幔区域则表现为明显的高波速异常,各向异性快波方向呈现近NS向的特征,暗示着塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈已经俯冲至东天山的下方.中天山地区的中下地壳至上地幔区域均呈现为明显的低波速异常,且各向异性快波方向变化比较复杂,表明中天山地区的整个岩石圈结构已经弱化,热物质上涌可能对介质的方位各向异性有一定的影响.西天山及帕米尔高原的上地幔区域存在低波速异常,各向异性表现为NW-SE方向,可能与欧亚板块的大陆岩石圈南向俯冲有关.塔里木盆地内部存在相对弱的低波速异常,推测塔里木盆地可能已经受到上涌的地幔热物质的侵蚀和破坏.

     

华北克拉通中西部地壳S波速度结构及其地质意义

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一.我们利用布设于华北中部的ChinArray计划461个宽频带地震台阵的连续波形资料, 基于背景噪声成像技术, 获得了克拉通中西部5~45 s的Rayleigh波群速度频散曲线, 并利用线性反演方法获得了研究区地壳上地幔顶部的S波速度结构.密集流动地震台阵使我们能够揭示研究区精细的地壳上地幔顶部速度变化, 以深入探讨华北克拉通中西部深部结构及其对岩浆和地震的控制作用.8 km深度的S波速度切片显示低速与高速异常分别与地表的盆地和山脉对应良好.不同经度和纬度方向的S波速度剖面均表明, 西部克拉通地壳大致可以分为上、中、下地壳三层.克拉通西部鄂尔多斯块体的下地壳S波速度介于3.7~3.8 km·s^-1, 暗示其下地壳以长英质岩石为主.大同火山区下方的S波低速异常从中地壳延伸至上地幔顶部, 推测源自软流圈的地幔热流提供了近垂直的主干上涌通道, 并控制了该区新生代岩浆活动.强震集中分布在上地壳高速体内部或高低速相间区, 其下地壳乃至上地幔顶部都呈现明显的低速异常, 推测源自上地幔/下地壳的深部热流沿地壳尺度的陡深断裂上侵, 诱发上覆高应力刚性块体发生蠕动破裂与应力释放, 进而诱发大震.

     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测,得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ,Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层,各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９,６．３,６．６,６．９ｋｍ／ｓ;Ｖｓ值为３．２,３．５,３．７,３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ,中天山最厚,达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明,天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区,其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

大别造山带地壳S波速度结构

在大别造山带深地震测深剖面H维P波地壳速度结构的基础上,从地震记录的水平分量得到S波地壳速度结构,并用P波和S波的资料共同约束地壳的组成.剖面上大多数炮点的记录均显示了清晰的Sg和SmS震相.在埠塔寺炮和金拱炮的记录上还较清晰地显示出莫霍界面的反射转换震相PmS,表明在相应的范围内莫霍界面是一级间断面.在Pn和SmS震相都比较强的记录截面图上缺少相应的Sn震相,表示在上地幄顶部泊松比随深度急剧增大,在这一深度上物质可能存在局部熔融状态.剖面的地壳泊松比模型表明,上地壳在深度10km以内泊松比为025左右,仅北淮阳弧后复理石带较低,为0.23;扬子板块和华北板块的下地壳泊松比为0.26-0.27;在大别选山带,上地壳下部泊松比为0.22-0.24,而下地壳泊松比为0.27-0.30,其中超高压变质带最高.P、S波速度和泪松比表明超高压变质带下地壳主要由基性麻粒岩组成.大别造山带中、下地壳组成的横向不均匀性反映了在三叠纪造山作用期间扬子板块向华北板块俯冲,以及存在与地慢物质相联系的岩浆侵入体.     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测，得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ，Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层，各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９，６．３，６．６，６．９ｋｍ／ｓ；Ｖｓ值为３．２，３．５，３．７，３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ，中天山最厚，达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明，天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区，其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

大别造山带地壳S波速度结构

在大别造山带深地震测深剖面H维P波地壳速度结构的基础上,从地震记录的水平分量得到S波地壳速度结构,并用P波和S波的资料共同约束地壳的组成.剖面上大多数炮点的记录均显示了清晰的Sg和SmS震相.在埠塔寺炮和金拱炮的记录上还较清晰地显示出莫霍界面的反射转换震相PmS,表明在相应的范围内莫霍界面是一级间断面.在Pn和SmS震相都比较强的记录截面图上缺少相应的Sn震相,表示在上地幄顶部泊松比随深度急剧增大,在这一深度上物质可能存在局部熔融状态.剖面的地壳泊松比模型表明,上地壳在深度10km以内泊松比为025左右,仅北淮阳弧后复理石带较低,为0.23；扬子板块和华北板块的下地壳泊松比为0.26-0.27；在大别选山带,上地壳下部泊松比为0.22-0.24,而下地壳泊松比为0.27-0.30,其中超高压变质带最高.P、S波速度和泪松比表明超高压变质带下地壳主要由基性麻粒岩组成.大别造山带中、下地壳组成的横向不均匀性反映了在三叠纪造山作用期间扬子板块向华北板块俯冲,以及存在与地慢物质相联系的岩浆侵入体.     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测，得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ，Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层，各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９，６．３，６．６，６．９ｋｍ／ｓ；Ｖｓ值为３．２，３．５，３．７，３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ，中天山最厚，达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明，天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区，其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

新疆天山中段地壳和上地幔顶部P波速度结构研究

天山造山带一直以来是研究盆山耦合作用的理想场所, 深入理解这一地区的壳幔结构对认识天山造山带深部动力学过程具有重要意义.本研究基于2009—2020年新疆区域数字地震台网固定台站、震后架设应急流动台站以及部分宽频带流动地震台站记录到的MS≥1.5地震到时资料, 采用双差地震层析成像方法反演获得了新疆天山中段精细的地壳和上地幔顶部三维P波速度结构和地震震源参数.结果显示: 新疆天山中段具有复杂的深浅构造关系, 地壳浅部及上地壳P波速度结构与地表地质构造密切相关, 高速异常区对应于天山造山带, 低速异常区对应于沉积盆地.研究区中东段中地壳和下地壳存在较大范围低速区, 与两侧准噶尔盆地和塔里木盆地上地壳和中地壳低速区相连, 且准噶尔盆地和塔里木盆地下地壳及上地幔顶部双向均向新疆天山中段下方倾斜.结合前人诸多研究成果推测, 在南北向构造挤压作用下, 塔里木盆地与准噶尔盆地双向向天山造山带壳幔岩石圈发生"层间插入与俯冲削减".重定位后地震分布显示, 地震震源深度优势范围为0~25 km, 主要沿断裂带、盆山结合部以及不同块体接触部位分布, 且与壳内低速体有较好的相关性.这些结果可能为研究新疆天山中段地壳和上地幔顶部速度结构和动力学过程提供参考依据.     

The velocity structure of the Carpathian zone from the ambient noise surface wave tomography

The dispersion curves of the Rayleigh wave group velocities are constructed along 60 interstation seismic paths in Central Europe based on the cross-correlation function of seismic noise. Together with the previous data (Yanovskaya and Lyskova, 2013), this information was used for reconstructing the three-dimensional distribution of S-wave velocities in the upper mantle of the Carpathian region. In the present work, the previous results are refined by expanding the data set by the additional seismic paths that intersect the Carpathian region and by modifying the procedure for constructing the locally averaged dispersion curves so as to obtain a more compact resolution. The results of the study suggest the complex, multidirectional character of the plate motion in the region.     

The velocity structure of the upper mantle of europe from the ambient noise surface wave tomography

The method for surface wave tomography based on the records of ambient seismic noise (Ambient Noise Tomography, ANT) is applied to the data from the East European and West European stations. In order to reduce the effects of the earthquakes at long periods, the cross correlation functions were calculated for the time interval of 2001–2003, when distinct clusters of the earthquakes were absent. Using the local dispersion curves in the range of 10–100 s, we reconstructed the vertical velocity sections at the nodes of the 3° × 3° grid. On the basis on these curves, we calculated the horizontal distributions of S-velocity variations in the upper mantle in the depth interval of 75–275 km and the vertical velocity sections along the profiles across the Vrancea zone and the region of the Baltic and Ukrainian shields. The velocity distribution in the Vrancea zone confirms the subduction of the ancient oceanic plate from the east westwards and the detachment of its bottom part, as hypothesized by some authors. Beneath the Baltic Shield lithosphere, there is a low-velocity zone, which can be interpreted as the asthenospheric layer. It is noted that the velocity distributions beneath the Baltic and Ukrainian shields are similar, which probably points to the genetic relationship between these two structures.     

Crustal S-wave velocity structure of the Yellowstone region using a seismic ambient noise method

The Yellowstone volcano is one of the largest active volcanoes in the world, and its potential hazards demand detailed seismological and geodetic studies. Previous studies with travel time tomography and receiver functions have revealed a low-velocity layer in the crust beneath the Yellowstone volcano, suggesting the presence of a magma chamber at depth. We use ambient seismic noise from regional seismic stations to retrieve short-period surface waves and then study the shallow shear velocity structure of the Yellowstone region by surface wave dispersion analysis. We first obtained a crustal model of the area outside of the Yellowstone volcano and then constructed an absolute shear wave velocity structure in combination with receiver function results for the crust beneath the Yellowstone volcano. The velocity model shows a low-velocity layer with shear velocity at around 1.3 km/s, suggesting that a large-scale magma chamber exists at shallow levels within the crust of the Yellowstone volcanic region.     

基于背景噪声研究青藏高原东缘三维横波速度结构

本文收集了四川、重庆、甘肃、青海、陕西地震台网的105个宽频带地震台站在2017年8月—2018年8月期间记录的连续波形数据,通过对台站记录的长时间背景噪声进行互相关计算,从而提取出瑞利面波经验格林函数,共获得5416条周期在5~40 s内的基阶瑞利面波频散曲线,用于反演青藏高原东缘地壳和上地幔顶部三维横波速度结构.研究结果表明青藏高原东缘地下速度结构呈现非常明显的横向不均匀性,地下浅层速度结构特征与研究区域的主要地质特征和地块单元非常吻合.青藏高原东缘下方的低速体在向东延伸过程中受到四川盆地刚性地壳的阻挡作用,一部分向南进入川滇地块,并在下方30 km处形成厚度约为15 km的大范围低速异常;另一部分向北延伸,并在塔藏断裂下方上涌和堆积,造成局部莫霍面下沉.此外,青藏高原东缘下方的低速体在东北方向跨越东昆仑断裂带进入柴达木地块,并到达西秦岭断裂带附近.其中,巴颜喀拉地块下方30 km处存在厚度约为15 km大范围的低速体,与青藏高原东缘隆起地形和地壳增厚有一定联系.且该低速体在柴达木地块下方变窄,与祁连地块地下30 km处厚度约为10 km的小范围低速体存在一定的连通性.但祁连地块低速体速度值略高于巴颜喀拉地块低速体速度值,这可能意味着祁连地块低速体相当于巴颜喀拉地块低速体的早期发育阶段.

     

Three dimensional shear wave velocity structure of the crust and upper mantle beneath China from ambient noise surface wave tomography

We determine the three-dimensional shear wave velocity structure of the crust and upper mantle in China using Green's functions obtained from seismic ambient noise cross-correlation.The data we use are from the China National Seismic Network,global and regional networks and PASSCAL stations in the region.We first acquire cross-correlation seismograms between all possible station pairs.We then measure the Rayleigh wave group and phase dispersion curves using a frequency-time analysis method from 8 s to 60 s.After that,Rayleigh wave group and phase velocity dispersion maps on 1° by 1° spatial grids are obtained at different periods.Finally,we invert these maps for the 3-D shear wave velocity structure of the crust and upper mantle beneath China at each grid node.The inversion results show large-scale structures that correlate well with surface geology.Near the surface,velocities in major basins are anomalously slow,consistent with the thick sediments.East-west contrasts are striking in Moho depth.There is also a fast mid-to-lower crust and mantle lithosphere beneath the major basins surrounding the Tibetan plateau (TP) and Tianshan (Junggar,Tarim,Ordos,and Sichuan).These strong blocks,therefore,appear to play an important role in confining the deformation of the TP and constraining its geometry to form its current triangular shape.In northwest TP in Qiangtang,slow anomalies extend from the crust to the mantle lithosphere.Meanwhile,widespread,a prominent low-velocity zone is observed in the middle crust beneath most of the central,eastern and southeastern Tibetan plateau,consistent with a weak (and perhaps mobile) middle crust.     

利用背景噪声和接收函数研究华北克拉通地壳结构

收集华北克拉通地区188个宽频带流动台站观测资料进行处理.通过背景噪声面波数据和接收函数双重资料约束联合反演,得到了研究区沉积层厚度、地壳厚度及地壳S波速度结构.结果显示：(1)沉积盖层厚度与地质构造相对应,盆地区与隆起区分界明显.(2)研究区地壳厚度变化范围约29~46 km,自西向东逐渐变薄.(3)中、上地壳华北盆地S波速度偏高,可能与新生代以来多次沉降所造成的相对高的岩石强度有关;(4)下地壳S波速度显示研究区主要存在三个低速区,分别是唐山—天津周边、张北及太行山造山带地区;华北盆地存在显著高速异常,推测可能是由于华北盆地经历下地壳拆沉后,大规模的伸展作用相伴随的幔源基性铁镁质岩浆底侵至下地壳结晶所造成的.(5)多个发生过强震的区域表现出沉积层下方存在较大范围的(约10 km)高速体,并且高速体又被其下低S波速度包裹,壳内岩石强度的差异为应力积累及地震发生提供条件.

     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异：其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为：鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下...     

九嶷山及邻区地壳结构噪声成像及其对华南地区的构造演化启示

目前研究一般认为华南块体是由扬子块体和华夏块体在新元古代拼合形成,并同时形成位于扬子块体东南边缘的江南造山带.但是由于华南地区构造历史复杂,对于扬子块体与华夏块体的分界及构造属性仍存在较大争议.为了研究华南块体的地下速度结构及构造属性,我们利用块体交界处的九嶷山及其附近的流动和固定台网的地震波数据,采用地震背景噪声互相关方法反演研究区域2~40 s瑞利波群速度和相速度分布,并进一步得出了该区域地壳的精细三维S波速度结构.反演成像结果显示,扬子块体与华夏块体的地壳及上地幔的结构特征差异显著.10~20 km的S波速度分布图显示呈线性的、连续分布低速异常,可能为扬子块体与华夏块体的具体分界位置.结合华南地区地球化学研究结果和构造历史,该低速异常可能代表了来自上地壳的变质沉积岩,即沉积岩受到上地幔物质上涌或底侵作用的加热变质形成.成像结果对了解华南地区的构造演化历史提供了地震学约束.

     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中, 频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上, 提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性, 通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性, 通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性, 聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好, 精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中, 结果也验证了该方法的有效性.