沉积盆地地区地壳结构估计——预测反褶积方法消除接收函数多次波混响

接收函数方法被广泛地应用于地壳上地幔结构的研究中,H-κ叠加方法是其中最常用的方法之一.对于布设在基岩区台站计算的接收函数,H-κ叠加方法可以准确地估计台站下方地壳厚度和平均波速比,但是对于沉积盆地地区计算的接收函数,由于低速沉积层内会产生多次波混响,干扰甚至覆盖接收函数中莫霍面的转换波和多次波震相,从而影响H-κ叠加结果的准确性.为准确估计沉积盆地地区地壳结构,本文提出使用预测反褶积方法去除接收函数中低速沉积层内多次波混响,其中预测步长由接收函数归一化自相关函数获得,物理意义为沉积层内S波双程走时.合成接收函数和实测接收函数试验表明,本文提出的预测反褶积方法可以有效地去除沉积层多次波混响,并结合改进的H-κ叠加方法可以准确地估计沉积层下覆地壳厚度和平均波速比.相比于其他去除接收函数多次波混响的方法,本文提出的预测反褶积方法具有参数设定简单、运算量小、震相幅值较大等特点,适用于大批量数据处理.     

基于接收函数与背景噪声联合反演的研究与应用

本文回顾了接收函数线性反演及接收函数与频散曲线联合反演的理论.为了检验两种方法在实测数据中的应用效果,我们选择云南区域台网位于四个不同次级块体的四个台站为例:首先,计算了四个台站的远震P波接收函数;然后,分别运用接收函数线性反演和接收函数与背景噪声数据联合反演两种方法分别得到台站下方的S波速度结构;另外,运用H-k扫描方法验证两种反演方法获取的莫霍面深度的可靠性.在反演过程中,当我们提供具有深一些莫霍面的初始模型时,联合反演获取的莫霍面深度与H-k扫描结果具有很好的一致性,同时联合反演也能有效地捕捉低速层,对反演的S波速度也有较好的约束.由此推知,加入背景噪声相速度数据后的联合反演对初始模型的依赖性低于单独用接收函数反演的结果.     

S波接收函数方法研究进展

近年来发展起来的S波接收函数方法在探测岩石圈-软流圈边界(LAB)和岩石圈地幔速度结构方面显示了明显优势.本文详细介绍了S波接收函数的提取、S波接收函数偏移成像方法、P波和S波接收函数联合反演方法的相关理论及数据处理流程;概括总结了近年来应用该方法取得的一些重要研究成果;讨论了目前S波接收函数方法遇到的问题和发展前景.     

分析P、S波接收函数得到的云南岩石圈结构

P波接收函数通过分离间断面上产生的P-to-S转换波来测量间断面的深度,由于地壳多次相的干扰,导致这一方法用于测岩石圈—软流圈界面(LAB)受到了很大的限制.不过,S波接收函数可以克服这一问题,因为它分离S-to-P转换相,而这一转换相比入射S波提前到达台站,于是避开了迟到的地壳S波振荡相.然而,由于S波的频率比P波低,这将导致S波接收函数的分辨率较P波接收函数的低.为了作对比分析,本文利用云南地区13个固定台站记录的远震三分量资料,分离出台站下方的P、S波接收函数,而且这些接收函数被校正到67°的参考震中距处,以便进行叠加增强信噪比.最后将时间域的叠加信号转换到深度域,分别获取台站下方的地壳和岩石圈的厚度.结果表明:P波接收函数得到的地壳厚度在32~56 km之间,S波接收函数得到的地壳厚度在41~54 km之间,S波接收函数得到地壳厚度系统地偏大8~9 km;P波接收函数得到的LAB深度在65~110 km之间,S波接收函数得到的LAB深度在66~135 km之间,S波接收函数得到的LAB深度偏大15~20 km,最大偏差达到了25 km.     

五大连池火山区地壳上地幔速度结构的接收函数反演

五大连池火山是全新世以来曾经喷发的近代火山群，该火山区小震活动频繁，被认为是活动的休眠火山．本文对该火山区的深部结构进行了接收函数反演和研究．研究结果表明:该火山区存在广泛分布的S波低速结构，个别低速结构赋存部位较浅，低速结构与地震活动性具有对应关系，火山区下部的莫霍界面不十分明显，存在岩浆上涌的条件．因此，我们认为该火山具有活动火山的深部结构特征，存在再次活动的基本条件．      

利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响*

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。     

利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。     

腾冲火山区S波速度结构接收函数反演

腾冲火山区临近印度板块与欧亚板块碰撞、俯冲的边界, 火山活动与构造环境关系密切. 采用远震接收函数反演的方法揭示了该区域的深部结构特征. 结果显示, 腾冲火山区S波低速结构明显受到NE向大盈江断裂的影响, 断裂的南部存在明显的S波低速结构, 断裂的北部低速结构不十分明显. 火山区存在浅部的低速结构, 低速结构与地震活动性存在对应关系. 证实了低速结构是火山区热活动的直接因素, 并认为腾冲火山区存在再次活动的基本条件.     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

川西地区壳幔结构与汶川MS8.0级地震的孕震背景

收集了四川数字地震台网记录的57个远震事件,并从宽频带数字化三分量地震记录中计算出了马尔康（MEK）、都江堰（YZP）、中江（JJS）、江油（ZJG）、广元（YTS）、康定（GDS）、汉源（XJP）、雅安（MDS）、峨眉山（EMS）、沐川（WMP）、仁寿（YGD）、荣县（HMS）等12个台站下方的远震P波径向接收函数.另外,引入地震勘探中的动校正技术,将各台的接收函数校正到67°的参考震中距处,然后对接收函数进行叠加以增强信号,并把叠加接收函数作为台站下方的平均接收函数.最后,利用台站下的平均接收函数反演得到S波速度结构.反演结果表明：以锦屏山—龙门山断裂为界,其西侧地壳厚达70 km,而东侧仅为50 km左右,Moho面在断裂下方形成了一个陡坎;川西地区的地壳速度结构与川中地区差异较大,主要表现在川西地区的中地壳存在厚度为8~22 km的低速层.在都江堰、雅安一带,低速层的厚度最大,其厚度在20~22 km之间,其上地壳为一个坚硬固体,在区域构造应力场作用下,形成了孕育大地震的构造环境.     

基于P波三重震相的下扬子克拉通地幔转换带顶部低速层初探

本文基于中国地震观测台网记录到的震中距为10°~23°之间琉球俯冲区一个中深源地震的P波三重震相信息,研究了下扬子克拉通转换带顶部P波速度结构.通过射线追踪和理论地震图与观测地震波形的对比,发现下扬子克拉通下方的410 km间断面为一厚度20 km的梯度带,其上存在一由西南向东北变厚的低速层,厚度变化40~57 km,P波速度减低2.7%~4.5%.该低速层可以被认为是由于地幔橄榄岩部分熔融引起的.     

Fine S wave velocity structure beneath Iwate volcano, northeastern Japan, as derived from receiver functions and travel times

A genetic algorithm inversion of receiver functions derived from a dense seismic network around Iwate volcano, northeastern Japan, provides the fine S wave velocity structure of the crust and uppermost mantle. Since receiver functions are insensitive to an absolute velocity, travel times of P and S waves propagating vertically from earthquakes in the subducting slab beneath the volcano are involved in the inversion. The distribution of velocity perturbations in relation to the hypocenters of the low-frequency (LF) earthquakes helps our understanding of deep magmatism beneath Iwate volcano. A high-velocity region (dV_S/V_S=10%) exists around the volcano at depths of 2–15 km, with the bottom depth decreasing to 11 km beneath the volcano’s summit. Just beneath the thinning high-velocity region, a low-velocity region (dV_S/V_S=−10%) exists at depths of 11–20 km. Intermediate-depth LF (ILF) events are distributed vertically in the high-velocity region down to the top of the low-velocity region. This distribution suggests that a magma reservoir situated in the low-velocity region supplies magma to a narrow conduit that is detectable by the hypocenters of LF earthquakes. Another broad low-velocity region (dV_S/V_S=−5 to −10%) occurs at depths of 17–35 km. Additional clusters of deep LF (DLF) events exist at depths of 32–37 km in the broad low-velocity zone. The DLF and ILF events are the manifestations of magma movement near the Moho discontinuity and in the conduit just beneath the volcano, respectively.     

西北太平洋俯冲地区410-km间断面上覆低速层探测

自20世纪90年代首次探测到410-km间断面上覆低速层以来,全球多个俯冲带和大陆克拉通地区都陆续发现了该低速层结构.对其特性及形成机理的探讨是深部地幔结构、物性和动力学研究的热点问题.本文聚焦于西北太平洋俯冲地区410-km间断面上覆低速层的探测及特性研究上.通过对发生于日本北海道地区两个中等深度地震区域波形资料的分析,利用三重震相波形拟合方法获得了我国东北及日本海西北部下方410-km间断面附近的P波速度结构.速度模型明确显示,410-km间断面上方存在厚~47±14 km,异常值~2%的低速层,横向展布近700 km.结合区域地震层析成像、矿物高温高压物理实验及动力学模拟结果,我们否定了"从下至上"的上涌热物质导致410-km间断面上覆低速层的模型;认为较老且快速俯冲的太平洋板块在地幔过渡带顶部脱水导致硅酸盐矿物的部分熔融,由于熔体密度较大能够稳定存在于410-km间断面之上,从而产生了观测到的横向展布较广的410-km间断面上覆低速层结构.     

中天山和塔里木盆地下方地幔转换带顶部P波速度结构探测

本文基于中国数字地震台网记录到的2016年1月12日发生于兴都库什—帕米尔地区的中源地震P波宽频带波形资料,利用P波三重震相方法研究了中天山和塔里木盆地北部410 km间断面起伏形态及间断面附近P波速度结构.通过波形拟合,我们发现中天山和塔里木盆地北部410 km间断面下沉约10 km;410 km间断面上方存在由塔里木盆地向中天山P波速度异常逐渐减小的约70 km厚的低速层(-3%~-1%).该低速层可能是地幔转换区物质上涌并部分脱水熔融及热效应共同作用的结果.另外我们发现中天山东北部约10~100 km深度范围内存在局部低速异常(约-6%),其很可能是上涌的软流圈物质.     

基于三重震相拟合的华南地区上地幔P波与S波速度结构

利用中国数字测震台网（CDSN）记录到的台湾地区两个地震事件6°~30°震中距范围的三重震相波形资料,基于观测与理论波形拟合法,获到华南地区上地幔P波和S波的最佳波形拟合速度模型及其V_P/V_S比值.与AK135模型相比,华南地区410 km深度上方存在明显低速层：S波低速区厚度约为70 km,速度降为2%~5%;而P波低速区厚度为70~230 km,速度降为5%~6%.另外,410 km间断面整体表现为一个梯度层,厚度约为10~40 km,V_P跃增量为4.0%~5.4%,而V_S跃增量为2.6%~11.7%.研究区内,低速层的V_P和V_S异常值大小和410 km间断面速度跃变量由北向南逐步减小.结合以往的接收函数和地震层析成像结果,华南地区410 km间断面上方的低速区可能与太平洋俯冲板块脱水有关.     

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.     

The upper mantle structure of the Tibetan Plateau and its implication for the continent-continent collision

The present continent had been assembled by the accretion of a series of terrains after their mutual colli-sions. Thus, the continental collision process plays an important role in the tectonics, the deformation and the movement in the continent. The Indo-Eurasian colli-sion had not only produced the grand geological structures and landscape, such as the Himalayan Mountain and the Tibetan Plateau, but also played a decisive role in the tectonic deformation and seismic-ity of Eastern Asia si…     

Crustal structures of the Weihe graben and its surroundings from receiver functions

We use 15 seismic stations,crossing the Qinling orogen(QO),Weihe graben(WG)and Ordos block(OB),to study the crustal structures by receiver functions(RFs)methods.The results show quite a difference in crustal structures and materials of three tectonic units(orogenic belt,extentional basin and stable craton).The average crustal thickness in the northern QO is 37.8 km,and Poisson ratio is 0.247,which indicates the increase of felsic materials in QO.In the southern OB,the average crustal thickness is 39.2 km and Poisson ratio is 0.265.Comparatively high value of Poisson ratio is related with old crystallized base in the lower crust and shallow sediments.The artificial RFs reveal that low-velocity and thick sediments have a significant effect on phases of the Mohorovi i discontinuity(Moho).As a result,the Moho phases in WG are tangled.S-wave velocity(VS)inversion shows that there are shallow sediment layers with 4–8 km’s thickness and high velocity zones in the middle-lower crust in WG.Complex Moho structure and high velocity zone may have been induced by the activities of the Weihe faults series.