南北地震带北段上地幔速度结构成象(Ⅲ)-应用和结果

根据地震波走时资料反演得出南北地震带北段地壳和上地幔速度结构,发现在该区上地壳存在三个近东西向的低速条带,其空间展布与该区内现今活动构速基本一致;上地幔速度分布显示在该区似有平行的北东和北西向低速条带相互穿插,总体呈现网状;海原—古浪断裂带在上下地壳及上地幔的速度结构中均表现出相应的低速带,表明它是切穿地壳的深大断裂。通过反演还发现青藏块体的东北部边界大致在天祝—兰州—静宁—千阳—略阳—江油一带。     

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.      

应用远震有限频率层析成像反演中国东北地区上地幔P波三维速度结构

选取黑龙江、 吉林、 辽宁、 内蒙古区域地震台网, 以及NECESSArray流动台阵记录的223个远震事件的波形资料, 采用多道互相关方法得到了22569个P波相对走时数据, 并计算了相应的走时灵敏度核, 应用有限频率层析成像反演得到中国东北地区上地幔600 km以上的P波三维速度结构模型, 利用检测板评估了反演结果的分辨率。 结果表明, 松辽盆地下方80~200 km的深度上呈主体的低速异常, 与这一地区上地幔浅部的高地温值和低密度的特征相互对应, 可能暗示了部分熔融的地幔。 南北重力梯度带两侧的速度结构明显不同, 这一差异可以延伸到200 km以下, 表明在中国东北地区南北重力梯度带有可能是一条上地幔内部结构的变化带, 或是深部结构的分界线。 长白山火山区下呈大范围的低速异常, 并可从上地幔浅部延伸到地幔转换带中, 推测此低速异常可能反映了地幔转换带内上涌的热物质, 上涌的原因则主要是受到太平洋板块俯冲运动的作用。     

背景噪声面波与布格重力异常联合反演:山西断陷带三维地壳结构

讨论了利用面波与布格重力异常联合反演三维地壳速度结构的新方法,并利用该方法联合反演获得山西断陷带地壳S波速度结构.通过建立速度与密度之间的经验关系,利用非线性迭代反演方法获得最终速度模型.结果显示,联合反演获得的速度模型可以同时提高对面波及重力数据的观测拟合程度,而面波单独反演得到的速度模型则无法很好的拟合重力观测数据.相比较,联合反演速度模型中的大同火山区中下地壳的低速异常幅值小于面波单独反演模型中低速异常体的幅值.联合反演速度模型结果揭示,吕梁山地区在中下地壳存在低速异常,并且和北部的大同火山区低速异常相连接,说明可能导致新生代以来大同火山区岩浆活动的上地幔构造活动(上地幔局部上涌,地幔柱)可能对山西断陷带的形成和构造活动起到了一定的控制作用,并且导致了吕梁山地区中下地壳的低速异常.     

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.     

环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构

利用环渤海地区的天然地震P波到时资料,采用纬度和经度方向分别为05°×06°的网格划分,反演了该地区地壳上地幔的三维P波速度结构.初步结果表明,环渤海地区地壳上地幔的速度结构具有明显的横向不均匀性：京津唐地区地壳中上部的速度异常反映了浅表层的地质构造特征,造山带和隆起区对应于高速异常,坳陷区和沉积盆地对应于低速异常;地壳下部出现大规模的低速异常与华北地区广泛存在的高导层相对应,估计与壳内的滑脱层和局部熔融、岩浆活动有关;莫霍面附近的速度异常反映了地壳厚度的变化及壳幔边界附近热状态的差异;上地幔顶部大范围的低速异常可能是上地幔软流层热物质大规模上涌所致.     

华北及邻区地壳上地幔三维速度结构的地震走时层析成像

利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构。地震走时的计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法。用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1km、10km、25km、42km、60km为节点作网格划分是合理的。研究区域内,秦岭—大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征：华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单。华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬子块体则正常或高速异常。自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定。华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动。华北地块地壳速度结构的主要特征是：①主要构造带（如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带）位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程。     

川滇地区速度结构的区域地震波形反演研究

利用云南数字地震台网的区域地震波形资料,对川滇地区的地壳上地幔速度结构进行了初步研究. 结果表明,川滇地区上地幔顶部P波速度较小,约78 km/s,P波速度在上地幔表现为较小的正速度梯度,S波在100～160 km深度范围内表现为弱低速层. 对于较短的观测路径,不同路径的平均P波和S波速度存在明显的横向变化. 与川滇菱形块体内部的速度结构不同,在块体边界附近可以观测到比较明显的上地壳低速层,我们认为它可能与块体边界的断裂带有关;川滇菱形块体内部存在的下地壳低速层,有利于块体向南滑动,而中上地壳没有明显低速结构,可能表明川滇菱形块体向南滑动的解耦深度至少在下地壳. 根据不同路径的反演结果,给出了云南中部地区地壳内部的平均速度结构.     

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。     

根据接收函数反演得到的首都圈地壳上地幔三维S波速度结构

利用2002~2003年中国地震局地质研究所台阵实验室以唐山大震区为中心布设的40个流动宽频带地震台站和首都圈数字台网的33个宽频带台站的远震数据,采用接收函数非线性反演方法得到其中72个宽频带台站下方60 km深度范围内的S波速度结构.根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度结构,并综合刘启元等（1997）用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了39°N～41°N,114°E~119.5°E区域内沿不同走向、不同深度S波速度分布.由于综合了利用首都圈数字地震台网的宽频带台站以及流动地震台阵的观测数据,本文给出了较前人同类研究空间分辨率更好的结果.结果表明: (1)研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂.在10~20 km深度范围内,研究区地壳具有高速和低速异常块体的交错结构.研究区中上地壳速度结构主要被与张渤地震带大体重合的NW向高速条带和穿越唐山大震区的NE向高速条带所控制,而其中下地壳的速度结构主要为延怀—三河—唐山地区上地幔隆起所控制.(2)研究区内存在若干壳内S波低速体,它们主要分布在唐山,三河及延怀盆地等地区.在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面的隆起和上地幔顶部速度结构的横向变化.(3)地表断层分布与地壳速度结构分区有较好的相关性,表明断层对不同块体有明显的控制作用.其中,宝坻断裂,香河断裂和唐山断裂均为超壳断裂.(4)首都圈内大地震的分布与壳内低速体及上地幔顶部的速度结构有密切关系.对于唐山大地震的成因,仅考虑板块作用引起的水平应力场是不够的,有必要充分重视由于上地幔变形引起的地壳垂直变形和上地幔物质侵入造成的热效应.     

The effect of spatial variations in viscosity on the structure of mantle flows

According to an opinion widespread in the literature, high viscosity regions (HVRs) in the mantle always affect the structure of mantle flows, changing it in both the HVR itself and the entire mantle. Moreover, a simplified relation is often adopted according to which the flow velocity in the HVR decreases in inverse proportion to viscosity. Therefore, in order to treat a smoother value, some authors introduce a new variable equal to the product of the flow velocity and the viscosity value in a given place. On the basis of numerical modeling, this paper shows that HVRs of two types should be distinguished in the mantle. If an HVR is immobile, mantle flows actually do not penetrate it. If the viscosity increase is more than five orders, the HVR behaves as a solid and flow velocities within it almost vanish. However, if an HVR is free, it moves together with the mantle flow. Then, the general structure of flows changes weakly and flow velocities within the HVR become approximately equal to the average velocity of flows in the absence of the HVR. Horizontal layers and vertical columns differing in viscosity from the mantle behave as regions of the first type, whose flow velocities can differ by a few orders. However, even such large-scale regions as the continental lithosphere, whose viscosity is four to five orders higher than in the surrounding mantle, float together with continents at velocities comparable to mantle flows, i.e., behave as regions of the second type.     

华北文安-蔚县-察哈尔右翼中旗剖面S波资料的地质解释

通过对文安—蔚县—察哈尔右翼中旗深地震测深剖面S波资料的处理解释 ,获得本区二维壳幔速度结构和波速比结构。该区的上、中地壳主要由花岗岩组成 ,整体呈脆性 ,其速度比γ值为 1 72左右 ;下地壳的γ值一般为 1 78;上地幔顶部的γ值在 1 82左右 ,表明下地壳与上地幔顶部整体呈塑性的特征。根据波组及γ值横向变化特征 ,推断了该区的几条深大断裂 ,结合本地区的地震活动 ,推测地震的孕育发生不仅与构造相关 ,而且与该区的岩石性质有关     

Upper mantle structure in the ocean-continent transition zone: Kamchatka

We consider results from modeling the crustal and upper mantle velocity structure in Kamchatka by seismic tomography and compare these with gravity data and present-day tectonics. We found a well-pronounced (in the physical fields) vertical and lateral variation for the upper mantle and found that it is controlled by fault tectonics. Not only are individual lithosphere blocks moving along faults, but also parts of the Benioff zone. The East Kamchatka volcanic belt (EKVB) is confined to the asthenospheric layer (the asthenosphere lens) at a depth of 70–80 km; this lens is 10–20 km thick and seismic velocity in it is lower by 2–4%. The top of the asthenosphere lens has the shape of a dome uplift beneath the Klyuchevskoi group of volcanoes and its thickness is appreciably greater; overall, the upper mantle in this region is appreciably stratified. A low-velocity heterogeneity (asthenolith) at least 100 km thick has been identified beneath the Central Kamchatka depression; we have determined its extent in the upper mantle and how it is related to the EKVB heterogeneities. Gravity data suggest the development of a rift structure under the Sredinnyi Range volcanic belt. The Benioff zone was found to exhibit velocity inhomogeneity; the anomalous zones that have been identified within it are related to asthenosphere inhomogeneities in the continental and oceanic blocks of the mantle.     

接收函数方法应用的现状及其发展

利用远震PS转换波波形提取出的接收函数来研究地震台站下方地壳、上地幔速度间断面结构是有效的方法之一\[1\].最近几年，利用SP转换波波形的接收函数为进一步研究地壳、上地幔间断面提高了精度；并出现了利用SKS的Receiver Function及利用切向分量来研究地壳、上地幔的各向异性的研究.随着流动台阵和固定台阵地震数据资料的增加，台阵技术与接收函数的结合，为提高间断面精度提供了有利的技术保障.     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据,利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用;在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度,两者形成了不对称对冲构造;在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体,其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方;在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明,塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入;天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形,而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成;根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断,新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

华南上地幔P波速度结构

通过拟合15°-30°内的长周期P波走时及波形资料,得到了华南地区上地幔P波速度结构模型SC.研究结果表明,在华南地区的上地幔内无低速层存在,在405km和660km深度处仃一级间断面存在,速度跳跃分别为5.7％和4.6％.通过与欧洲西部上地幔模型K8,欧洲西北部上地幔模型S8和西藏地区上地幔模型QX8比较,我们发现各个构造区P波速度的过渡区是一致,但间断面的绝对深度不一样.     

中国西部及邻区岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用瑞利波群速度频散资料和层析成像方法,研究了中国西部及邻近区域(20°N—55°N,65°E—110°E)的岩石圈S波速度结构.结果表明这一地区存在三个以低速地壳/上地幔为特征的构造活动区域:西蒙古高原—贝加尔地区,青藏高原,印支地区.西蒙古高原岩石圈厚度约为80 km,上地幔低速层向下延伸至300 km深度,说明存在源自地幔深部的热流活动.缅甸弧后的上地幔低速层下至200 km深度,显然与印度板块向东俯冲引起俯冲板片上方的热/化学活动有关.青藏高原地壳厚达70 km,边缘地区厚度也在50 km以上并且具有很大的水平变化梯度,与高原平顶陡边的地形特征一致.中下地壳的平均S波速度明显低于正常大陆地壳,在中地壳20~40 km深度范围广泛存在速度逆转的低速层,这一低速层的展布范围与高原的范围相符.这些特征说明青藏高原中下地壳的变形是在印度板块的北向挤压下发生塑性增厚和侧向流动.地幔的速度结构呈现与地壳显著不同的特点.在高原主体和川滇西部地区上地幔顶部存在较大范围的低速,低速区范围随深度迅速减小;100 km以下滇西低速消失,150 km以下基本完全消失.青藏高原上地幔速度结构沿东西方向表现出显著的分段变化.在大约84°E以西的喀喇昆仑—帕米尔—兴都库什地区,印度板块的北向和亚洲板块的南向俯冲造成上地幔显著高速;84°E—94°E之间上地幔顶部速度较低,在大约150~220 km深度范围存在高速板片,有可能是俯冲的印度岩石圈,其前缘到达昆仑—巴颜喀拉之下;在喜马拉雅东构造结以北区域,存在显著的上地幔高速区,可能阻碍上地幔物质的东向运动.川滇西部岩石圈底界深度与扬子克拉通相似,约为180 km,但上地幔顶部速度较低.这些现象表明青藏高原岩石圈地幔的变形/运动方式可能与地壳有本质的区别.     

Shear velocity structure of crust and uppermost mantle in China from surface wave tomography using ambient noise and earthquake data

We present a 3D model of shear velocity of crust and upper mantle in China and surrounding regions from surface wave tomography.We combine dispersion measurements from ambient noise correlation and traditional earthquake data.The stations include the China National Seismic Network,global networks,and all the available PASSCAL stations in the region over the years.The combined data sets provide excellent data coverage of the region for surface wave measurements from 8 to 120 s,which are used to invert for 3D shear wave velocity structure of the crust and upper mantle down to about150 km.We also derive new models of the study region for crustal thickness and averaged S velocities for upper,mid,and lower crust and the uppermost mantle.The models provide a fundamental data set for understanding continental dynamics and evolution.The tomography results reveal significant features of crust and upper mantle structure,including major basins,Moho depth variation,mantle velocity contrast between eastern and western North China Craton,widespread low-velocity zone in midcrust in much of the Tibetan Plateau,and clear velocity contrasts of the mantle lithosphere between north and southern Tibet with significant E–W variations.The low velocity structure in the upper mantle under north and eastern TP correlates with surface geological boundaries.A patch of high velocity anomaly is found under the eastern part of the TP,which may indicate intact mantle lithosphere.Mantle lithosphere shows striking systematic change from the western to eastern North China Craton.The Tanlu Fault appears to be a major lithosphere boundary.