面波频散与接收函数联合反演南北地震带北段壳幔速度结构

通过对南北地震带北段区域所布设的676个流动地震台站观测资料进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了研究区内地壳厚度、沉积层厚度的分布情况以及地壳上地幔高分辨率S波速度结构成像结果.反演结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向外总体逐渐变薄,秦岭造山带地壳厚度较同属青藏高原东北缘的北祁连块体明显减薄;鄂尔多斯盆地及河套盆地分布有非常厚的沉积层,阿拉善块体部分区域也有一定沉积层分布,沉积层与研究区内盆地位置较为一致;松潘—甘孜块体、北祁连造山带等青藏高原东北缘总体表现为S波低速异常;在中下地壳,松潘—甘孜块体下方的低速体比北祁连造山带下方的低速体S波速度值更小、分布深度更浅,更有可能对应于部分熔融的地壳;鄂尔多斯盆地在中下地壳以及上地幔内有着较大范围的高速异常一直延伸到120 km以下,而河套盆地地幔只在80 km以上部分有着高速异常的分布,此深度可能代表了河套盆地的岩石圈厚度,来自深部地幔的热物质上涌造成了该区域的岩石圈减薄;阿拉善块体在地壳和上地幔都表现出高低速共存的分布特征,暗示阿拉善块体西部岩石圈可能受青藏高原东北缘的挤压作用发生改造.

     

青藏高原东北缘噪声层析成像研究

利用青海、甘肃和宁夏3个区域地震台网两年的波形数据,通过地动噪声层析成像方法给出了青藏高原东北缘8—40 s的瑞雷面波二维群速度结构和三维地壳上地幔顶部的剪切波速度结构。研究结果显示,相比传统的面波层析成像方法,噪声层析成像给出的短周期面波信息能够较好地约束地壳和上地幔顶部结构。8 s和10 s周期的群速度图像与沉积层和基底结晶深度有关,具体而言:祁连山和西秦岭造山带表现为高速体特征,柴达木盆地、河西走廊和鄂尔多斯西缘表现为低速特征;周期为15 s和20 s的瑞雷面波群速度图像反映的是中地壳结构,15 s周期群速度图像上造山带下方高速体向北和向东方向扩展,20 s周期群速度图像呈现大范围低速体,推测为中下地壳低速层影响所致;30 s和40 s周期的群速度图像反映的是莫霍面深度附近的速度结构,具体表现为青藏高原大范围的低速体,向北和向东逐渐表现为高速体,说明青藏高原的莫霍面深度较深,且向北和向东逐渐减薄。另外,三维剪切波速度结构显示祁连地块和甘孜地块中地壳存在大范围低速层,且由柴达木盆地东侧深部的低速层连接,该低速层可能是青藏高原物质北移的一个通道。      

基于背景噪声研究青藏高原东北缘瑞利波相速度和方位各向异性

本研究收集了甘肃、青海、宁夏等118个宽频带数字地震台站的连续波形资料,利用噪声互相关,经过计算和筛选,在5~38 s范围内,共得到5773条瑞利波相速度频散曲线.然后采用1°×1°的网格划分,反演获得青藏高原东北缘相速度和方位各向异性分布.结果表明：短周期8~12 s内,鄂尔多斯从低速异常变为高速异常;该周期范围内各向异性结果与区域断裂走向有很好的一致性.18~25 s周期内,祁连地块、松潘-甘孜地块、羌塘地块低速异常范围逐渐变大,随周期增加地壳低速异常与人工探测结果相符;鄂尔多斯表现为速度随周期增加逐渐变大,说明其中下地壳速度相对偏高,不存在低速异常;该周期范围内的各向异性特征表现为,祁连地块和松潘甘孜地块大致呈NW-SE方向,而青藏高原内部快波方向显示了顺时针旋转的形态.在30~35 s范围内面波速度主要受莫霍面深度和莫霍面附近介质速度的影响,与地壳厚度分布有非常好的吻合.综合不同方法获得的各向异性研究结果,支持印度-欧亚板块的碰撞使青藏高原东北缘地壳发生缩短和逐渐隆升的观点,认为整个岩石圈的垂直缩短变形是青藏高原东北缘的主要形成机制.

     

青藏高原东北缘及邻区Rayleigh和Love波背景噪声层析成像

基于青藏高原东北缘及邻区流动密集地震台阵——喜马拉雅二期2013年12月至2015年8月期间的三分量连续波形数据,采用背景噪声成像方法获得了Rayleigh波周期为6~30 s和Love波6~25 s的二维相速度.6~12 s Rayleigh和Love波相速度在鄂尔多斯盆地及银川—河套地堑呈现明显的低速异常,而在西秦岭造山带和中亚造山带则显示高速异常.16~25 s的相速度同时受中下地壳及上地幔顶部速度结构和地壳厚度影响.此周期范围内,位于青藏高原的祁连地块和松潘甘孜地块北部呈现大范围相速度低速异常,青藏高原周边的鄂尔多斯和西秦岭造山带表现为高速异常.青藏高原与周边块体相速度的横向不均匀性,可能反映了构造活动或者地壳厚度的差异.此外,中亚造山带在周期16~20 s时,Rayleigh波相速度高低相间,但Love波大范围高速异常,两者差异可能反映了径向各向异性的影响.

     

青藏高原东北缘祁连山西段与东段岩石圈结构差异研究

作为青藏高原东北缘的祁连山,其东段与西段的地貌以及新生代地表变形样式差异显著.在新生代青藏高原向北东扩展这一共同构造背景之下,引起祁连山东段和西段这些差异的深部原因尚不清晰.本文基于一条宽频密集台站观测剖面,利用P波速度结构约束下接收函数和面波频散的联合反演方法给出祁连山东段的壳内及岩石圈地幔结构.结合前人在青藏高原东北缘的研究成果,对比祁连山东段和西段的岩石圈结构,探讨东、西段壳内变形方式的差异,从而揭示引起祁连山东西段这些差异背后的可能原因.东西段岩石圈结构的差异主要有：1) 壳内低速层差异.在20~40 km的深度处,祁连西段(测线BB′)中地壳存在壳内低速物质(3.2~3.4 km·s^-1),而祁连东段(测线AA′)的中地壳并不存在低速层; 2) 岩石圈地幔差异.祁连西段的岩石圈地幔低速异常表现为分块的特征,而祁连东段的岩石圈地幔表现为比较统一的高速体.通过对比研究发现祁连西段壳内强度相对软弱,地壳的缩短变形程度更大,表现为高海拔的山脉以及更厚的地壳,而祁连东段壳内变形及缩短程度相对较弱,表现为地势相对较平坦的临夏盆地和陇中盆地以及较薄的地壳厚度.东、西段壳内强度以及变形方式的差异可能与深部岩石圈地幔的结构相关.

     

青藏高原瑞利波相速度与深部结构的横向变化

利用中美合作在青藏高原布设的11台 PASSCAL 宽频带数字地震仪记录到的瑞利面波资料,测得青藏高原内不同块体的瑞利面波相速度(周期为10——120s),并反演了不同路径的地壳上地幔 S 波速度结构,发现青藏高原 S 波速度结构的横向变化显著.亚东——安多裂谷带的面波频散与相邻的块体差异最大,温泉至日喀则路径的相速度比其它路径的相速度明显偏高.该路径的地壳平均速度为3.79km/s,比其它路径的地壳平均速度3.40——3.50km/s高得多.青藏高原内不同块体的地壳中均有低速层存在,但低速层的厚度和速度不尽相同.位于北部的松潘甘孜块体。其地壳较薄约为65km,Sn 速度为4.48km/s,而且在约120km 深处的上地幔中存在一厚度为60km,速度为4.15km/s 的上地幔低速层.其它路径的上地幔速度相近,均没有明显的上地幔低速层出现.羌塘块体与拉萨块体的瑞利波相速度和 S 波速度结构极为相似,上地幔顶部的速度较松潘甘孜块体略高.在青藏高原广大地区中,地壳的平均速度低,普遍存在地壳低速层;上地幔顶部的横波速度为4.50——4.65km/s,上地幔中或者没有低速层或者低速层埋藏较深.      

利用双平面波干涉面波层析成像方法研究山西断陷盆地及鄂尔多斯地台三维速度结构

本文利用了北京大学在山西地堑的34个台站以及中国地震局台网中心在鄂尔多斯地区46个台站的远震波形数据,运用双平面波干涉的面波层析成像方法,提取瑞利面波相速度频散曲线,开展台阵覆盖区三维速度结构反演,据此分析了研究区地壳和上地幔的结构特征。结果表明,瑞利面波相速度分区特征显著,山西断陷盆地和渭河断陷盆地的相速度整体偏低。鄂尔多斯块体在莫霍面以下有明显高速异常,表明该地块为构造稳定的克拉通块体,鄂尔多斯块体的岩石圈下界面在120~140km的深度左右。与此相反,山西断陷盆地和渭河断陷盆地地下70~120km左右均有低速异常,显示这两个地区构造活动活跃,这也与该区域历史上多次发生强震是相符的。     

青藏高原东北缘-鄂尔多斯地壳上地幔地震层析成像研究

根据横跨青藏高原东北缘—鄂尔多斯地区的流动宽频带地震台阵和区域地震台网的走时数据,利用地震层析成像方法研究了该地区400km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构. 结果表明：青藏高原东北缘—鄂尔多斯地区地壳上地幔结构呈明显的横向不均匀性. 这种不均匀性体现在不同块体之间,同时也存在于块体内部;青藏高原东北缘上地幔P波平均速度低,而鄂尔多斯地块的P波平均速度高,这与两个地块的地质构造活动特征相吻合. 在青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的上地幔存在宽约200km的过渡带,该过渡带在地表的界限在兰州—海原之间,在上地幔表现为向东45°左右的倾斜条带,基本结构特征表现为高速与低速物质的混杂;青藏高原内部的柴达木地块平均速度偏低,而祁连地块的上地幔的平均速度偏高,两者相差约8髎;在泽库、兰州和海原地区的上地幔顶部有明显的低速体侵入特征.     

青藏高原东北缘地壳S波速度结构及其动力学含义--远震接收函数提供的证据

利用青海和甘肃地震台网2007-2009年记录的远震波形资料,提取多频段P波接收函数,反演得到了青藏高原东北缘及相邻地块下方0~100 km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明:(1)青藏高原东北缘的上、下地壳之间普遍存在一个S波速度低速层,其深度由南端的约35 km 向北变浅约为20 km,推测该低速层为一壳内滑脱层,表明东北缘地区的上地壳变形与下地壳解耦,从滑脱层的深度分布可以认为青藏高原东北缘的地壳缩短自南向北进行,现阶段以上地壳增厚为主;(2)昆仑-西秦岭造山带的下地壳厚度较北侧的祁连地块薄,一种推测是西秦岭造山带的下地壳抗变形能力更强,也可能这种差异在块体拼合前已经存在;(3)青藏高原东北缘及鄂尔多斯和阿拉善地块的下地壳S波速度随深度的增加而增加,这种正梯度增加的S波速度结构反映较高黏滞性的下地壳,推测青藏高原东北缘的地壳结构不利于下地壳流的发育.     

多种地震方法探测青藏高原东北缘地壳上地幔结构的研究进展

青藏高原东北缘地区在地形上处于青藏高原隆起区的东北边缘,青藏高原块体、鄂尔多斯块体和阿拉善块体交汇于此,是整个高原向大陆内部扩展的前缘部位,也是其最新的和正在形成的高原重要组成部分.区域内新生代构造变形和地震活动强烈,是研究青藏高原隆升、构造变形,探讨强地震发生的深部环境的最佳场所.为研究青藏高原东北缘地壳上地幔深部结构构造特征,近些年来开展了大量的地球物理探测工作.笔者收集了近三十年来在青藏高原东北缘展开的人工地震和天然地震观测工作,综合论述了人工源地震探测方法和天然地震成像方法(主要包括接收函数方法、地震层析成像方法、SKS剪切波分裂分析等)的发展和不同地震探测方法所取得的关于青藏高原东北缘壳幔速度结构、莫霍面形态、地壳上地幔各向异性研究等所取得的成果,总结分析了青藏高原东北缘地壳上地幔结构特征方面已达成的的一致观点以及有待进步一研究之处,并对比分析了不同方法之间的差异之处.     

青藏高原东部和周边地区地壳速度结构的背景噪声层析成像

利用连续地震背景噪声记录和互相关技术获得瑞利面波格林函数,进而反演获得了青藏高原东部和周边地区的地壳三维速度结构.地震数据源于北京大学宽频带流动观测地震台阵,国家数字测震台网数据备分中心提供的部分固定台站的连续记录及INDEPTH IV宽频带流动观测地震台阵.首先对观测数据进行处理和分析取得所有可能台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,反演得到了观测台阵下方周期从6~60 s的瑞利波相速度异常分布图像.并且进一步反演获得研究区域三维剪切波速度结构和莫霍面深度分布.短周期(6~14 s)相速度异常分布与地表地质构造特征吻合较好,在青藏高原和四川盆地之间存在一个明显的南北向转换带.而本文最重要的结果是周期大于25 s的相速度异常分布图像显示,以昆仑断裂带为界,柴达木盆地和祁连山脉地区呈现与青藏高原截然不同的中地壳速度结构,反而与青藏高原东缘地区和川滇菱形块体速度结构相似.反演获得的剪切波速度在27.5~45 km深度的切片也明显地揭示:青藏高原的松潘—甘孜地块和羌塘地块呈现均一的低速层;然而,柴达木盆地和祁连山脉地区则呈现较强的横向不均匀性,尤其是柴达木盆地的高速异常和四川盆地的高速异常相对应.这些结果为前人提出的青藏高原东北向台阶式增长模式提供了重要的地震学观测证据.与全球一维平均速度模型(AK135)相比较发现,本文测量和反演获得的研究区域内平均相速度和剪切波速度都比AK135模型慢很多,尤其是青藏高原的中地壳(25~40 km)剪切波速度显著低于全球平均速度模型.进一步的层析成像反演证实松潘—甘孜和羌塘地块中地壳(27.5~45 km)呈现大范围均一的低速层,为青藏高原可能存在大规模中下地壳"层流"提供地震学观测证据.在祁连山脉的27.5~45 km深度观测到的明显低速异常体可能对应于该造山带下地幔岩浆活动导致的底侵作用,表明引起该地区地壳增厚的主要机制可能是来自地幔岩浆的底侵作用.     

青藏高原东北缘远震P波走时层析成像研究

利用青藏高原东北缘地区固定地震台网2010年4月至2015年3月期间记录的远震事件,采用多道波形互相关方法（Multi-Channel Cross-Correlation）拾取了10697个有效P波相对走时残差数据,进而采用FMTT（Fast Marching Teleseismic Tomography）方法获得了青藏高原东北缘上地幔400 km深度范围内的P波速度结构,结果显示：秦祁地块下面存在深达70 km的高速异常,阻断了青藏高原块体中下地壳低速层向东北方向的延伸;40~140 km深度范围内,四川西南部存在一个低速区,该低速区穿过龙门山断裂带进入到四川盆地内部;祁连山造山带东部低速异常区从地壳一直延伸到上地幔400 km处,表明这里可能存在一个上地幔到地壳间的热流通道;松潘—甘孜地块分布大面积的低速异常区,而鄂尔多斯地块西南缘相对速度较高,这与青藏高原为软块体、介质密度低和鄂尔多斯块体为硬块体、介质密度高相吻合.

     

青藏高原东北缘地壳及上地幔顶部速度结构研究

本文利用青藏高原东北缘71个固定台站与418个流动台站记录到的天然地震事件资料,采用双差层析成像方法对近震走时数据进行反演,获得了研究区高分辨率的三维P、S波速度结构和地震重定位结果.研究结果表明,本文给出的P、S波速度模型较已有的全球模型能更好的解释体波走时与面波相速度观测资料.松潘—甘孜和祁连构造带下方20～40 ...     

Crustal structure of the northeastern Tibetan plateau,the Ordos block and the Sichuan basin from ambient noise tomography

We apply ambient noise tomography to significant seismic data resources in a region including the northeastern Tibetan plateau,the Ordos block and the Sichuan basin.The seismic data come from about 160 stations of the provincial broadband digital seismograph networks of China.Ambient noise cross-correlations are performed on the data recorded between 2007 and 2009 and high quality inter-station Rayleigh phase velocity dispersion curves are obtained between periods of 6 s to 35 s.Resulting Rayleigh wave phase velocity maps possess a lateral resolution between 100 km and 200 km.The phase velocities at short periods (20 s) are lower in the Sichuan basin,the northwest segment of the Ordos block and the Weihe graben,and outline sedimentary deposits.At intermediate and long periods (25 s),strong high velocity anomalies are observed within the Ordos block and the Sichuan basin and low phase velocities are imaged in the northeastern Tibetan plateau,reflecting the variation of crustal thickness from the Tibetan plateau to the neighboring regions in the east.Crustal and uppermost mantle shear wave velocities vary strongly between the Tibetan plateau,the Sichuan basin and the Ordos block.The Ordos block and the Sichuan basin are dominated by high shear wave velocities in the crust and uppermost mantle.There is a triangle-shaped low velocity zone located in the northeastern Tibetan plateau,whose width narrows towards the eastern margin of the plateau.No low velocity zone is apparent beneath the Qinling orogen,suggesting that mass may not be able to flow eastward through the boundary between the Ordos block and the Sichuan basin in the crust and uppermost mantle.     

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了"中国地震科学探测台阵-南北地震带南段"项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60 s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50 km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期(如10 s)的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15 s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期(如20~30 s)的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘-甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期(如40~60 s)的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动(如岩浆作用)有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60 s一直为较低的速度,尤其是到40 s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60 s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部(约100 km).     

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.

     

青藏高原P波速度层析成像与岩石圈结构

利用中国西部地震台网的数据,通过体波层析成像反演了青藏高原及邻域的三维P波速度结构.根据地壳和上地幔的速度变化和构造特征,重点讨论了下地壳流动、地幔上涌、岩石圈减薄以及与藏北新生代火山岩和藏南裂谷系的关系等问题.分析表明,青藏高原中、下地壳平均速度偏低,低速区主要分布在拉萨和羌塘块体内部,随着深度的增加逐渐扩大到松潘—甘孜块体.上述低速区之间多被高速带分隔,暗示地壳中、下部的韧性变形被限制在特定的区域,不太适于产生贯穿整个青藏高原的大规模横向流动.此外,地幔上涌也并非普遍发生于整个青藏高原,而是集中在羌塘、松潘—甘孜以及喜马拉雅东构造结附近,导致上述区域的岩石圈地幔较薄,并且伴生火山活动和岩浆作用.此外,由于印度大陆岩石圈在向北俯冲,板片下沉过程中引起地幔上涌,热流物质有可能上升进入地壳,这一作用对藏北新生代火山岩和藏南裂谷系的形成以及中、下地壳的韧性变形产生了明显的影响.

     

青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性研究

本研究使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设流动地震台站以及青藏高原周边地区固定地震台站记录到的波形资料,提取了大量高质量Pn波到时资料.联合中国地震台网观测报告,我们获得了一个新的青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区内上地幔顶部存在明显横向不均匀性.古老盆地和稳定地台区如四川盆地、柴达木盆地、拉萨地块和阿拉善块体呈现为明显高波速异常,而祁连山至西秦岭褶皱带和川滇菱形块体北部等为相对弱高波速异常.在龙日坝断裂带以东的松潘—甘孜地块往南沿安宁河—则木河断裂至川滇菱形块体南部显示为一条近南北向明显低波速异常.三江褶皱系、缅甸弧俯冲带以及四川盆地东南等地区为明显低波速异常.地壳强震多发生在高波速异常边缘或高低波速异常过渡带上,表明地壳强震的孕育可能还与地幔构造作用存在一定相关性.青藏高原东构造结的各向异性快波方向呈顺时针旋转分布,与印度—欧亚碰撞密切相关.龙门山断裂带东西两侧的各向异性快波方向发生明显变化,由其西侧松潘—甘孜地块下方的NE向转变为四川盆地下方的近EW向,说明青藏高原物质流动遇四川盆地后分为NE和SW向两支.在川滇地区26°N以南地区上地幔顶部各向异性呈现近NS向与地表GPS观测相一致,但与SKS分裂结果存在较大差异,可能表明地壳与上地幔顶部形变表现为耦合现象,而上地幔顶部至岩石圈内部则存在解耦现象.