南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

用Rayleigh面波方位各向异性研究中国大陆岩石圈形变特征

中国大陆地质构造历史非常复杂,岩石圈长期积累的形变较大,而利用地震面波传播的各向异性是研究岩石圈形变特征的强有力手段. 本文利用双台窄带通滤波-互相关方法与基于图像分析的相速度频散曲线提取技术,提取Rayleigh面波相速度频散资料,进而反演中国大陆及邻区20～120 s周期Rayleigh面波相速度方位各向异性空间分布图像. 检测板测试结果显示：中国大陆大部分区域的方位各向异性横向分辨率在5°左右. 各向异性研究结果表明：中国大陆地壳上地幔方位各向异性特征存在显著的空间差异,反映出形变特征的空间差异;104°E以东地区地壳上地幔各向异性弱于西部地区,表明其构造变形总体弱于西部地区. 青藏地块及其东缘地区地壳与上地幔顶部变形最为强烈. 但东部的局部地区如华南地块与珠江口地区、鄂尔多斯盆地西南缘以及秦岭-大别造山带,较强的各向异性显示这些区域在不同时期也经历了强变形. 青藏地块内中短周期快波方向自西向东顺时针旋转变化可能指示板块碰撞与挤压过程中软弱物质的流变方向. 青藏地块西部中下地壳和上地幔形变模式相似,可能处于壳幔耦合状态;而中东部及东缘地区地壳上地幔形变模式存在明显差异,壳幔似乎不具备垂直连贯的形变特征. 位于青藏地块北部的塔里木盆地、柴达木盆地以及祁连褶皱带同样经历了强变形. 包括四川盆地在内的上扬子地块快波方向的变化显示中地壳与下地壳上地幔形变模式不同,而形变特征一致的下地壳与上地幔应为强耦合. 大约以103°E为界,龙门山断裂带可分为南西段和北东段,南西段处于低速区,而北东段位于高速区,且方位各向异性强度明显大于南西段;2008年5月12日汶川M_S8.0级地震沿断裂带的单侧破裂模式除与北东段的高应力积累有关外,还可能与北东段地下介质物性存在密切关系,高速坚硬岩体的发育有利于应变能的积累与集中释放.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5-113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55-100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

青藏高原东北缘上地幔各向异性研究

通过分析位于青藏高原东北缘的区域数字地震台网30个台站的远震SKS波形资料,采用最小切向能量的网格搜索法和叠加分析方法求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了青藏高原东北缘上地幔各向异性图像.从得到结果看,青藏高原东北缘的各向异性快波方向基本上呈NW-SE方向,并有一顺时针旋转趋势,快、慢波时间延迟是0.70～1.51 s.青藏高原东北缘的SKS快波偏振方向与区域内主要构造断裂走向基本一致;各向异性快波偏振方向变化与区域内最小平均主压应力方向变化相似,也与由GPS测量得到的速度场方向变化相似.研究表明青藏高原东北缘上地幔物质在区域构造应力场的作用下,发生了顺时针旋转的形变以至流动,使得上地幔中橄榄岩的晶格排列方向平行于物质形变或流动方向,上地幔变形和上覆地壳变形可能存在垂直连贯变形特征.     

环渤海地区Pn波速度结构与各向异性

环渤海地区位于华北克拉通的中东部,是岩石圈破坏和减薄的主要地区,同时也是我国大陆东部强震的多发区和油气田产区,一直是国内外学者研究的重点区域.本研究利用环渤海地区1980—2015年期间中国地震台网高质量Pn波到时数据,反演得到环渤海地区Pn波速度结构及各向异性.结果显示,环渤海地区上地幔顶部的Pn波速度结构存在明显的横向不均匀性,且与区域地质构造有一定相关性.在地形隆起区,如太行山隆起、燕山隆起、鲁西隆起、胶辽隆起及苏鲁褶皱带地区,呈现为低波速异常,说明这些隆起区下方的上地幔存在热物质上涌,而凹陷地区,如华北盆地、南黄海北部盆地和南黄海南部盆地,则表现为高波速异常,说明这些凹陷地区上地幔顶部岩石圈强度较大.地壳内强震主要发生于低波速异常区和高低波速异常过渡带上,说明华北地区地壳强震的发生有可能受到上地幔深部构造的影响.太行山造山带地区Pn波各向异性快波方向为近NNE向,苏鲁褶皱带区域的Pn波各向异性快波方向为近NE向,与断裂带的走向基本一致,表明在地壳形变剧烈的地区,可能受上地幔顶部的深部动力学影响较大.华北盆地的北部和南部各向异性方向存在差异,可能与岩石圈的厚度及热状态的不均匀性有关.     

首都圈地区SKS波分裂研究

通过分析首都圈数字地震台网的49个宽频带和甚宽带台站的远震SKS波形资料,采用最小切向能量的网格搜索法和叠加分析方法,求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了首都圈地区上地幔各向异性图象.首都圈地区的各向异性快波方向基本上呈WNW-ESE方向,快、慢波时间延迟为0.56-1.56 s.研究表明,首都圈地区上地幔存在明显的各向异性,引起各向异性的主要原因是研究区受太平洋板块俯冲作用下软流圈物质变形,使得上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿物质流动方向.另外,中国大陆受印度板块与欧亚板块的强烈碰撞,大陆西部地壳增厚隆起,同时造成物质东向挤出,使得首都圈地区上地幔物质沿快波方向变形.通过研究区各向异性快波方向和伸展运动方向与GPS测量得到的速度场对比分析,首都圈地区壳幔变形可能具有垂直连贯变形特征.     

用瑞利面波资料反演中国大陆东部地壳上地幔横波速度的三维构造

利用中国大陆东部21个台站的43条面波大圆路径上瑞利面波记录的双台资料,计算出双台间地震面波相速度频散,采用Tarantola概率反演的方法求得相速度频散曲线的分布,并由各处相速度频散曲线反演得到地壳上地幔的三维横波波速图像,进而得到中国东部地壳上地幔的S波速度结构.结果表明:我国大陆东部地壳厚度总体上呈东薄西厚的趋势,以105°E为界向西地壳厚度逐渐加深到55 km以上,其中有一个北东向的h形地壳厚度的坡度带.豫西及晋南地区为相对薄地壳的地区.大别山地区和泰山附近地区地壳变厚,但秦岭地区地壳不变厚.上地幔低速层上界面的深度在华北地区较浅,为80-90km,在鄂尔多斯、四川东部以及黔湘地区为120-130km.扬子地块东部及华南褶皱系中、东部上地幔顶部速度偏低使低速层的速度反差不明显.滇黔褶皱系的西部在200 km以内的上地幔中未出现低速层.     

中国东部上地幔各向异性研究

对布设在中国东部的固定和流动宽频带地震台网共65个台站记录作远震SKS波形资料偏振分析,采用SC方法和叠加分析求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了中国东部上地幔各向异性图像。中国东部的各向异性快波方向从华南的近EW方向到华北的NWW-SEE方向,再到东北的NW-SE方向,由南向北呈顺时针旋转的趋势。快、慢波时间延迟范围是0.41-1.52s。通过分析研究区各向异性特征,认为中国东部上地幔各向异性可能与中国大陆受印度板块与欧亚板块的碰撞以及太平洋板块和菲律宾海板块向欧亚板块下方的俯冲的共同作用有关。在中国西部地壳增厚隆起的同时,物质向东挤出,使得东部上地幔物质向东和东南方向流动。中国东部大陆岩石圈和岩石圈下的上地幔物质在板块的相互作用下产生变形,使上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿物质流动方向。各向异性快波方向与岩石圈的伸展方向和GPS得到的速度场方向一致,表明中国东部壳幔变形具有垂直连贯变形特征。     

基于背景噪声研究华北克拉通中部Rayleigh波相速度和方位各向异性

基于中国地震科学台阵探测项目在华北中部布设的306个台站记录的波形数据,利用背景噪声层析成像方法开展了 Rayleigh波相速度和方位各向异性研究.结果显示,短周期的相速度异常及其方位各向异性主要与地表构造相关,盆地表现为低速异常,造山带表现为高速异常,快波方向主要表现为NE-SW向,与断层走向以及构造单元走向一致.在中长周期,山西地堑南北段的相速度异常以及方位各向异性都表现出显著差异.北段表现为大范围的低速异常,而南段则转变为高速异常,北段显著的低速异常可能与第四纪大同火山群的岩浆活动有关,其中心位置随深度的变化可能代表了地幔热物质在地壳内上涌的通道,相速度异常的南北差异可能代表着岩浆活动只在北段比较活跃.方位各向异性在北段较弱且主要表现为NE-SW向,南段的方位各向异性较强且逐渐向E-W向转变.中下地壳对应的面波快波方向与该区域最大压应力方向比较吻合,推测山西地堑的地壳方位各向异性主要受地壳应力场的影响,但北段还受到岩浆活动影响.与前人SKS分裂的结果对比发现,北段的地壳以及上地幔顶部的快波方向与地幔的快波方向不一致,考虑到该区域受岩浆活动影响,面波方位各向异性的来源比较复杂,其壳幔变形模式有待进一步研究.而中南段下地壳以及上地幔表现为稳定的高速异常,其面波快波方向逐渐转变为E-W向,与SKS分裂快波方向大致吻合,符合垂直连贯变形模式.     

用接收函数Ps转换波研究地壳各向异性--以哀牢山-红河断裂带为例

倾斜界面与各向异性介质均可使接收函数的切向分量产生明显的能量.通过对不同模型的理论接收函数的研究,可以发现倾斜界面产生的接收函数切向分量与各向异性介质产生的接收函数切向分量具有显著的差异,主要表现在到时差与周期性上.利用各向异性和倾斜界面造成的切向分量不同的周期性,可以通过加权叠加的方法突出各向异性或倾斜界面的影响,并可对接收函数径向、切向分量进行波形互相关计算,获取各向异性分裂参数.通过对布设于红河断裂附近的4个三分量宽频带流动台站的接收函数莫霍面Ps震相的研究,获得红河断裂附近的地壳各向异性快波方向为132°,快慢波时间延迟为024s.地壳各向异性快波方向与红河断裂带构造走向一致,与上地幔各向异性的快波方向相差近90°,表明红河断裂地区地壳与上地幔构造可能存在解耦现象.     

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.     

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...     

Azimuthal anisotropy of Rayleigh waves beneath the Tibetan Plateau and adjacent areas

The crustal and upper mantle azimuthal anisotropy of the Tibetan Plateau and adjacent areas was studied by Rayleigh wave tomography. We collected sufficient broadband digital seismograms trav-ersing the Tibetan Plateau and adjacent areas from available stations, including especially some data from the temporary stations newly deployed in Yunnan, eastern Tibet, and western Sichuan. They made an adequate path coverage in most regions to achieve a reasonable resolution for the inversion. The model resolution tests show that the anisotropic features of scope greater than 400 km and strength greater than 2% are reliable. The azimuthal anisotropy pattern inside the Tibetan Plateau was similar to the characteristic of tectonic partition. The crustal anisotropy strength is greater than 2% in most re-gions of East Tibet, and the anisotropy shows clockwise rotation surrounding the eastern Himalayan syntaxis. Vertically, the anisotropy direction indicates a coherent pattern within the upper crust, lower crust, and lithosphere mantle of the Tibetan Plateau, which also is consistent with GPS velocity field and SKS fast polarization directions. The result supports that the crust-mantle deformation beneath the Tibetan Plateau is vertically coherent. The anisotropy strength of crust and lithospheric upper mantle in Yunnan outside the Tibetan Plateau is lower than 2%, so SKS splitting from core-mantle boundary to station should largely be attributed to the anisotropy of asthenosphere.     

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.     

青藏高原东南缘基于程函方程的面波方位各向异性研究

青藏高原东南缘作为高原物质侧向挤出的前沿地带,是研究岩石圈变形机制、高原物质侧向逃逸和深部动力学等科学问题的关键地区之一.本文利用研究区内540个宽频带流动地震台站记录的远震面波资料,基于程函方程面波层析成像方法获得了青藏高原东南缘周期14~80 s瑞利面波相速度和方位各向异性分布图像.结果显示：14~20 s周期内,面波方位各向异性分布与断裂带的走向和最大主压应力的方向密切相关,可能受到了断裂带和区域构造应力场的共同作用.川滇菱形块体的北部次级块体及丽江—小金河断裂带附近随着面波周期的增加,各向异性快波方向从NS向逐步转变为NE-SW方向,并与断裂带大致平行,而其以南的攀枝花附近表现为高相速度和弱各向异性的特征.我们推测,在川滇菱形块体北部存在明显的下地壳流,流动方向与块体向南的挤出方向基本一致,该地壳流受到攀枝花附近的高速、高强度坚硬块体阻挡,其前缘向西南方向流动.川滇菱形块体中部地区由于坚硬块体的存在,下地壳没有明显的通道流.在红河断裂以西地区,30~60 s周期范围的面波各向异性快波方向和红河断裂大致平行,推测可能与渐新世至中新世早期印支地块向南东方向的挤出密切相关.研究区东北部,四川盆地南缘地壳各向异性以NE-SW和NEE-SWW向为主与SKS快波方向明显不同,推测主要与该地区地壳的早期构造变形有关同时也说明SKS各向异性主要来自上地幔介质;在研究区南部104°E以西的中长周期面波各向异性方向与SKS分裂研究获得的近EW快波方向基本一致,但在104°E以东地区面波各向异性较弱且快波方向与SKS的观测结果存在明显差异,我们推测东部SKS各向异性来源深度至少在150 km以下.     

郯庐断裂带中南段的岩石圈精细结构

郯庐断裂带是中国东部规模最大的构造活动带,有着复杂的形成演化历史,对中国东部的区域构造、岩浆活动、矿产资源的形成和分布以及现代地震活动都有重要控制作用.2010年在郯庐断裂带中南段的江苏宿迁市附近,采用深地震反射探测方法对郯庐断裂带及其两侧地块的岩石圈结构进行了解剖.结果表明,该区莫霍面和岩石圈底界均向西倾,其中,地壳厚度约为31~36km,岩石圈厚度约为75~86km,且岩石圈厚度在郯庐断裂带下方出现突变.郯庐断裂带在剖面上表现为由多条主干断裂组成的花状构造,其内部发育有断陷盆地和挤压褶皱,具有伸展、挤压和走滑并存的构造形迹,暗示郯庐断裂带的形成和演化经历了多期复杂的构造活动.这一断裂带错断了近地表沉积层,向下切割莫霍面和岩石圈地幔,属岩石圈尺度的深大断裂构造系统.软流圈高温高压热物质沿断裂带的上涌、岩浆底侵或热侵蚀作用造成岩石圈出现拉张伸展和岩石圈减薄,并可能使岩石圈组构及其物质成分发生改变.本项研究结果不但可进一步加深对郯庐断裂带深、浅部结构的认识,而且还可为分析研究华北克拉通东部的深部过程和浅部构造响应提供资料约束.     

S-wave velocity structure in Tangshan earthquake region and its adjacent areas from joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion*

Using the seismic records of 83 temporary and 17 permanent broadband seismic stations deployed in Tangshan earthquake region and its adjacent areas (39°N–41.5°N, 115.5°E–119.5°E), we conducted a nonlinear joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion. We obtained some detailed information about the Tangshan earthquake region and its adjacent areas, including sedimentary thickness, Moho depth, and crustal and upper mantle S-wave velocity. Meanwhile, we also obtained the v_P/v_S structure along two sections across the Tangshan region. The results show that: (1) the Moho depth ranges from 30 km to 38 km, and it becomes shallower from Yanshan uplift area to North China basin; (2) the thickness of sedimentary layer ranges from 0 km to 3 km, and it thickens from Yanshan uplift region to North China basin; (3) the S-wave velocity structure shows that the velocity distribution of the upper crust has obvious correlation with the surface geological structure, while the velocity characteristics of the middle and lower crust are opposite to that of the upper crust. Compared with the upper crust, the heterogeneity of the middle and lower crust is more obvious; (4) the discontinuity of Moho on the two sides of Tangshan fault suggests that Tangshan fault cut the whole crust, and the low v_S and high v_P/v_S beneath the Tangshan earthquake region may reflect the invasion of mantle thermal material through Tangshan fault.     

长白山火山区壳幔S波速度结构研究

利用面波层析成像和远震接收函数方法对长白山地区的地壳上地幔速度结构进行了研究。结果表明:长白山火山区附近存在岩石圈减薄、上地幔软流圈增厚以及上地幔S波速度降低等与上地幔高温物质有关的现象,它表明长白山的岩浆系统一直延伸到上地幔软流圈范围。天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层,在离天池火山口较近的WQD台附近,低速层顶部埋深约8km,厚度近20km,S波最小速度约2.2km/s。在距离天池火山北部50km的EDO台地壳中没有明显的低速层。火山区S波速度结构总体表现出距离天池越近,地壳的V_P/V_S越大,低速层的厚度和幅度增加的特征,表明天池火山口附近地壳内部存在高温物质或岩浆囊。CBS台站不同方位的接收函数及反演结果表明,地表低速层厚度以及莫霍面深度存在随方位的变化。地表低速层在南部方向明显较厚,莫霍面深度在南部天池火山口方向存在小幅度抬升。CBS台站附近特殊的近地表速度结构可能是该台站记录的火山地震波形主频较低的主要因素。天池火山口附近莫霍面的小幅度抬升意味着存在与火山作用有关的壳幔物质交换通道