青藏高原东北缘及周边地区基于程函方程的面波层析成像

利用"中国地震科学台阵探测"在南北地震带北段布设的670套宽频带地震台站记录到的面波资料,使用新近发展的程函方程面波层析成像方法,获得了青藏高原东北缘及周边地区12~60 s周期范围比以往成像结果具有更高分辨率的瑞利面波相速度分布图像.青藏高原东北缘的祁连褶皱系西段、秦岭褶皱系西段和松潘—甘孜褶皱系,在16~60 s周期范围内均显示出明显的低速异常分布,表明该地区的地壳力学强度较低,在强烈的构造应力作用下易发生形变.与西段不同,祁连褶皱系东段和秦岭褶皱系中段的相速度分布特征揭示,其中下地壳的速度明显高于高原内部区域.鄂尔多斯块体整体上表现为稳定块体具有的高速特征,但其西部边缘在中上地壳的速度比块体中部地区偏低,且存在一定的不均匀性.鄂尔多斯块体西北缘的临河断陷盆地和西缘的银川断陷盆地,在较短的周期范围内（12~20 s）表现为局部低速特征,但与银川断陷盆地不同,临河断陷盆地的低速特征可一直延续至60 s周期以上,表明该盆地下方地壳及上地幔速度明显偏低,可能与深部热作用有关.阿拉善块体与其北部地区的速度差异主要表现在中上地壳,这一现象值得今后进一步探讨.基于程函方程面波层析成像方法给出了青藏高原东北缘及周边地区高分辨率的成像结果,揭示了以往面波层析成像难以获得的深部细节特征,为该地区的深部构造研究提供了新的信息.     

蒙古中南部地区与青藏高原东北缘地震面波层析成像

青藏高原东北缘与蒙古高原分别受到印度-欧亚板块碰撞的直接影响和远场效应作用,对这两个地区开展深入研究对我们了解碰撞导致的变形和构造运动、以及碰撞作用的边界范围有着重要意义。基于现有的台阵观测数据,我们分别开展了蒙古中南部地区与青藏高原东北缘的地震面波层析成像。1蒙古中南部地区位于中亚造山带腹地的蒙古地区,是公认的研究大陆岩石圈变形的关键地区之一。由于之前地震资料的不足,我们对其认识十分匮乏。本研究收集了架设在蒙古中南部的69个地震台站观测数据。运用小波变换频时分析技术提取了7 181条瑞利波和901条勒夫波台站间相速度频散。采用连续分区(continuous regionalization)方法构建了蒙古中南部地区12~80s周期内的相速度及其方位各向异性分布图。与已有结果相比,本文结果具有更高的分辨率。基于获得的纯路径频散,遵循Montagner提出的各向异性表述,采用非线性最小二乘算法,我们逐点反演了研究区内每个网格点下的相关参数,获得了蒙古高原中南部地区三维SV波的速度结构分布。结果表明:(1)中戈壁带在整个地壳和上地幔顶部都表现为低速异常,且深度大致延伸到70km左右,其各向异性强度较弱且快波方向较为杂乱。地质资料也显示,在中戈壁带有大量分布的新生代火山岩,可以推断出露的火山岩跟中戈壁带地壳和上地幔顶部的低速结构有直接关系,且中戈壁带下方可能存在垂向的地幔流。(2)在蒙古主断裂带(MML)两侧,S波速度结构与方位各向异性都表现出极大的差异,证实了该断裂带的存在且可能延伸到整个岩石圈。(3)在断裂带MML以南的南戈壁带,地壳内方位各向异性表现为NNE-SSW方向,推测跟印度-欧亚板块碰撞产生的远程效应有关。进入上地幔后,南戈壁带相速度方位各向异性主要表现为NWW-SEE方向,非常接近APM方向。这可能表明南戈壁带上地幔方位各向异性受地幔流动的影响。地壳与上地幔表现出来的完全不同的方位各向异性特征,可能暗示南戈壁带地壳与上地幔变形是解耦的。(4)杭爱—肯特山盆地及其周边地区的方位各向异性在我们给出的周期范围内基本上保持为NNW-SSE方向,表现出垂直连贯变形的特征。其快波方向垂直于贝加尔湖裂谷,与裂谷张开的方向一致,我们推测该区域的应力场受到贝加尔湖裂谷的控制。2青藏高原东北缘利用青藏高原东北缘地区固定和流动地震台网2007年8月~2012年1月期间记录的远震波形,运用小波变换频时分析方法分别测定了1 216和653条周期为15~140s的台站间基阶瑞利波相速度和群速度频散曲线。通过对上述频散进行反演,重构了青藏高原东北缘分辨率高达0.5°×0.5°的二维相速度和群速度分布图。然后通过对所提取到的每个网格点瑞利波相速度和群速度频散进行联合反演,得到了研究区下方一维S波速度结构。最后通过线性插值,得到了青藏高原东北缘下方地壳上地幔三维S波结构。结果表明:(1)在本文的速度结构图上,班公—怒江缝合带下方存在显著的深达180km的高速异常,我们推断位于班公—怒江缝合带下面的高速块体可能就是印度板块,这表明印度板块的前缘已经俯冲到了班公—怒江缝合带附近。(2)我们的结果显示,在青藏高原东北缘的柴达木盆地北部和祁连山地块下面100~250km深处存在板片状高速异常体。结合已有的研究结果和该高速异常体的形态,我们推测此高速异常体可能就是亚洲板块,其前缘已经抵达柴达木盆地北部,且没有明显的向南俯冲的迹象。(3)在印度、亚洲岩石圈地幔中间,我们可以看到显著的延伸到250km深度的低速异常,此低速且低阻异常体的深度远超过南侧的印度板块和北侧的亚洲板块,可能是地幔物质底辟上涌现象造成的。     

鄂尔多斯及邻区基于程函方程的面波层析成像

利用鄂尔多斯及邻区的固定台站和流动台站记录到的面波资料,使用基于程函方程的面波层析成像的新方法,得到了鄂尔多斯及邻区12~150 s周期的瑞利波相速度的分布图.短周期的相速度很好的揭示出鄂尔多斯及邻区的山脉隆起和拉张盆地等引起的高低速异常的分布特征.中等周期的相速度显示鄂尔多斯盆地内部为显著的高速异常,而它的四周逐渐地被低速异常所包围.大同火山区的低速异常在垂向上进行不断的延伸和扩展,推测是由于其下方的岩浆上涌引起地壳和上地幔顶部升温造成的.长周期的相速度显示鄂尔多斯盆地下方在岩石圈深度范围内,以北纬38°为界南北部岩石圈的差异比较明显,呈现南部厚北部薄的特点.研究发现研究区从西到东岩石圈逐渐减薄,这可能是由于受到太平洋板块俯冲引起的地幔热物质上涌和运移的影响.

     

华北东北部的面波相速度层析成像研究

本文用华北临时地震台阵197个宽频带台站2006年12月～2007年6月记录的面波资料,用双台法测定了435条路径上周期8～75 s的基阶瑞利波相速度频散曲线.通过Ditmar & Yanovskaya 方法反演得到33个周期分辨率为30～50 km的相速度分布图像.分析研究了4个具有代表性周期的相速度分布图像,这些图像揭示了华北东北部地壳上地幔速度结构的横向非均匀性质.10 s周期的相速度分布图像清晰地勾绘出了华北东北部盆地与山区及其内部次级构造单元的边界,平原与山区的相速度存在明显的差异;华北东北部6级以上的强震大都分布在16 s周期高相速度与低相速度急剧变化的过渡带上,规模较大的断裂也大部分位于过渡带的边界附近;在研究区域中部,26 s周期的相速度出现一个明显的呈北东向展布的相速度梯度带,该梯度带与重力梯度带位置相近,说明该重力梯度带两侧的地壳速度结构差异较大.     

广东及其邻域噪声面波层析成像

通过收集广东及其邻域104个固定地震台站近10个月的垂直分量连续波形数据资料, 使用地震背景噪声互相关格林函数方法, 获得了大部分台站对的背景噪声互相关曲线. 基于这些对称叠加的互相关曲线, 利用时频分析方法, 进一步提取了该地区周期为5—40 s的基阶瑞雷波群速度频散曲线. 其噪声来源分析结果显示: 广东及其邻域的噪声场来源有很强的方向性, 短周期(5—10 s)噪声主要来自东南方向, 范围基本与海岸线分布一致, 可能是由于近海水陆相互作用产生的;较长周期 (15—30 s) 噪声主要来自三大洋的方位. 以这些提取的噪声面波资料为基础, 采用噪声面波层析成像方法反演得到了该地区周期为5—28 s的瑞雷波群速度层析成像图, 从该图可以看出, 广东及其邻域地下结构的横向变化总体较小, 沉积层厚度较薄, 地壳中可能普遍存在一个低速层;从研究区历史地震的分布及其表层地质构造的发育特征来看, 地震主要分布在高、低速过渡带附近, 表明面波群速度与地震之间具有较强的耦合关系;从群速度的低速异常特征来看, 广东及其邻域普遍分布的温泉和高地热主要受深部构造的控制和影响.     

利用Lg波Q值反双台层析成像方法研究青藏高原南部地区的地壳衰减

首次基于2017—2019年西藏自治区区域台网27个宽频带固定台站记录的757次地震的波形资料,利用反双台法开展了青藏高原南部地区1 Hz的Lg波Q值层析成像研究.研究中采用3.5—2.4 km/s的速度窗截取了1981条Lg波,计算得到13543条路径上的Q值,测试了1°×1°和0.5°×0.5°网格下的棋盘格恢复情...     

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.     

福建及其邻区背景噪声面波群速度层析成像

基于福建及邻区108个宽频带地震台站2016年6月到7月两个月垂直和水平分量波形连续记录, 利用相位加权叠加算法提高信噪比, 计算得到108个台站对的高质量经验格林函数。 对所获取的经验格林函数, 采用时频分析的方法在1~20 s频段内量取了大量高质量的Rayleigh波和Love波群速度频散数据。 在此基础上, 采用基于射线追踪的二维层析成像方法反演得到了福建及其邻区1~20 s的Rayleigh波和Love波群速度分布。 分辨率测试结果表明群速度分布的分辨率能达50 km。 成像结果显示1~10 s的群速度分布与地壳中上部地质特征有很好的一致性, 区内的福州盆地和漳州盆地在浅层结构中表现出明显的低速异常。 长周期的群速度则揭示了漳州西北的高地热区内中下地壳低速体, 政和-大埔断裂两侧的速度差异, 表明其可能是一个深大断裂, 并呈现明显的东西差异。     

华北地区瑞雷面波相速度层析成像

利用华北科学探测台阵190个宽频带台站和8个甚宽带台站2006年10月至2009年5月记录的远震垂直向资料,用小波变换频时分析方法测定了1587条独立路径的基阶瑞雷波相速度频散曲线,并使用Ditmar & Yanovskaya 方法反演得到111°~120°E,37°~42°N区域内、周期10~60 s的高分辨率相速度分布图像.本文的研究结果表明,华北地区的地壳上地幔横波速度结构存在横向非均匀性.短周期(如10 s)的相速度分布与地表地质构造具有明显的相关性,随着周期的增大(如15 s),地形的控制作用相对减弱.中周期(如30 s)的相速度分布差异暗示华北克拉通中、东部地区下地壳具有不同的物质组成,图中相速度梯度带与太行山重力梯度带位置十分相近,说明该重力梯度带两侧的地壳速度结构差异较大.与短周期相比,研究区内长周期(如60 s)相速度分布的横向非均匀性明显减弱,表明研究区上地幔顶部速度结构差异较地壳的小.与全球典型大陆克拉通相比,华北克拉通10~60 s的相速度频散明显偏低,其频散特征与全球典型裂谷地区相类似,这暗示华北克拉通已经遭受了明显的侵蚀与破坏.     

基于福建地区环境噪声瑞利面波群速度的层析成像分析

利用福建及其周边3省(浙江、江西、广东)数字地震监测台网的69个宽频带台站一年的噪声记录,采用互相关技术提取两两台站间的瑞利面波格林函数,反演得到了福建及其周边地区3个周期段(T=4s、T=10s、T=15s)的瑞利面波群速度分布图像。所得结果可为研究该地区的地壳构造、地热分布、地震活动等提供重要依据。     

南海瑞雷面波群速度层析成像及其地球动力学意义

南海处于欧亚板块、 菲律宾海板块、 太平洋板块和印度-澳大利亚板块的交汇处, 其地质和构造作用十分复杂．通过面波群速度成像, 给出了南海及邻区的三维横波速度分布并分析了其地球动力学意义．南海西部和南部新布设的地震台站使得利用单台法时路径覆盖比过去更好. 特别是在华南地区, 新的台站分布能够弥补该地区地震少且台站少造成的射线密度不够的缺点． 首先运用多重滤波法得到南海周边48个台站周期为14——130 s范围内的基阶瑞雷波频散曲线图; 接着通过子空间反演得到整个区域在不同周期时的群速度分布; 最后通过阻尼最小二乘反演得到不同深度切片上的横波速度分布及不同纵剖面上的横波速度分布． 结果显示: ① 海盆速度较高, 且速度分布很好地勾勒出海盆的轮廓. 浅层较高的横波速度说明海盆都具有洋壳性质, 而深部较高的横波速度则可能对应扩张中心生成洋壳后残留的高速物质． 不同海盆速度上的差异与它们的热流值和年龄大小一致．海盆下的高速异常在60 km以下消失, 且在一定深度范围内由低速区替代． 在低速区下200 km深度, 在南海海盆观测到一条NE-SW走向的高速异常, 可能与古俯冲带有关. ② 环南海出现明显的高速区, 对应俯冲带特征, 且这些高速区速度差异明显且有间断, 说明俯冲带的非均质性和俯冲角度的差异. ③ 在环南海高速区内侧（向南海侧）观测到不连续的低速区． 在浅层, 这些低速区反映了沉积层和地壳的厚度特征. 在地幔, 这些低速区可能对应于古太平洋俯冲带的地幔楔或者也可能反映了南海海盆停止扩张后残留的地幔熔融物质. ④ 南海海盆岩石圈的厚度为60——85 km．      

中国大陆及其邻域地壳上地幔速度结构的面波层析成像研究.

利用中国数字化地震台网（CDSN）11个台站和IRIS在中国周边的12个数字地震台站的长周期瑞利面波资料，根据面波群速度层析成像方法反演得到的10～92ｓ周期范围内的25个中心周期的群速度分布资料，用光滑约束的遗传算法反演得到了中国大陆及其邻域的地壳上地幔横波三维速度结构；给出了沿北纬30、38两条东西向剖面和沿东径90、120两条南北向剖面的地壳上地幔横波速度结构，并在４个不同深度的水平切片上展示了中国大陆及邻域的横波速度分布图象．      

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.

     

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.

     

甘东南地区基于射线追踪面波频散三维成像

利用甘肃东南部地区(32.2°~33.5°N,102.7°~105.5°E)62个流动台站的垂直分量连续背景噪声记录数据,经过处理得到了所有可能台站对的面波互相关函数和瑞利波相速度频散曲线,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法得到了观测台站下方5~20km深度范围内的剪切波速度分布图像。结果表明,5km深度对应的剪切波速度横向变化与地表断裂带分布和沉积层厚度存在一定的相关性,西秦岭北缘断裂带以北地区多为低速区,漳县盆地、临洮盆地低速是沉积层较厚(近几km)的一种表征;10km深度对应的剪切波速度在西秦岭北缘断裂以南、临潭—宕昌断裂、礼县—罗家堡断裂之间的区域为低速区,光盖山—迭山北麓断裂周围为高速区;在15km深度左右,迭部—白龙江断裂附近形成了高低速相间的分块结构;在18km深度左右,西秦岭北缘断裂带附近呈现高速特征,10~18km深度范围内速度随深度逐渐增加,其变化幅度一般为0.2km/s。     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

山西地区面波相速度分布图像

本文根据山西数字地震台网31个台站和周边河北、河南、陕西、内蒙数字地震台网6个台站2009年2月-2011年11月记录的面波资料,利用双台法测定了350条路径上周期8～75 s的基阶瑞利波相速度频散曲线.通过Ditmar&Yanovskaya方法反演得到33个周期分辨率为40～50 km的相速度分布图像.分析研究了4个具有代表性周期的相速度分布图像和3条不同方向的相速度剖面,这些图像揭示了山西地区地壳上地慢速度结构的横向非均匀性质和相速度纵向变化特征.10s周期的相速度分布图像显示出断陷带与两侧隆起区相速度存在明显的差异,凡个断陷盆地的最大沉降中心附近呈现低相速度异常;山西6级以上强震大都分布在15s周期高相速度与低相速度急剧变化的过渡带上;20～26 s周期的相速度以38°N为界呈现出南高北低格局,与山西断陷盆地带莫霍界面埋深南浅北深的结果相吻合;36 s～54 s周期相速度图像的低速区域逐渐收缩到大同一带,进一步说明南部区域在该周期反映的深度范围已进入上地慢,而大同盆地的低速可能与该区域的新生代火山群有关.沿113°E的南北相速度纵剖面显示周期25～75 s以38°N为界,南部相速度高、北部相速度低,证实了38°N线附近是晋北地块、晋南地块的“软”、“硬”块体的结合部位,可能是由于软流圈上涌幅度不同造成了深部速度的南北差异;其他两个横切裂谷的剖面显示出与人工地震测深剖面相似的特征.