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.     

利用SV分量接收函数反演地壳横波速度结构

详细讨论了远震体波SV分量接收函数的特点及其在反演地壳S波速度结构中的优势．与径向接收函数类似，SV分量接收函数可通过对远震体波的SV分量直接反褶积P分量获得．研究分析表明:与径向接收函数相比，SV分量接收函数的振幅随震中距的变化更加稳定，波形简单且突出了对结构最敏感的PS转换波信息．理论数值实验显示:在反演地壳S波速度结构时，SV分量接收函数比径向接收函数具有更好的收敛性．作为实例，利用SV分量接收函数反演方法反演了海拉尔台下的S波速度结构．      

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.     

核幔边界反射P波对接收函数影响的研究

远震P波接收函数是探测壳幔结构的有效方法,它采用平面波入射假定,将入射波视为具有相同射线参数的单一震相.然而,在一定震中距时,核幔边界反射P波(如PcP震相)会进入接收函数提取窗口,其射线参数与直达P波相差较大,可能导致提取的接收函数存在偏差.本文理论测试了不同震源机制,震中距以及震源深度等情况下核幔边界反射P波对远震P波接收函数的影响,并结合实际观测资料进行对比分析.测试结果显示,与走滑断层产生的PcP震相对接收函数影响较小不同,倾滑断层产生的PcP震相会使接收函数出现虚假震相并降低直达P波及后续震相的振幅,从而干扰壳幔间断面(如410 km和660 km间断面)的识别,并导致反演的台站下方S波速度降低达到5%.进一步分析倾滑型地震对接收函数波形影响发现,当震源深度小于300 km时,PcP震相导致接收函数直达P波振幅要低于4%.在震源深度在300～450 km、震中距为50°～60°、断层倾角在大约30°～60°,以及震源深度大于450 km、震中距为50°～60°、断层倾角大约25°～65°情况下影响可达20%.接收函数叠加方法可以有效压制结果中PcP震相导致的虚假信号,但是仍然无法完全去除PcP对接收函数振幅的影响,叠加后直达P波振幅降低仍然能够达到4%.本文结果表明,在计算接收函数时,剔除掉产生较强PcP的特定震源机制、震中距和震源深度的地震事件有助于反演精确的壳幔结构.     

中国境内天山的岩石圈速度结构——P波与S波接收函数的联合反演

通过合成地震图的计算,本文系统地分析研究了S波接收函数的运动学及动力学特征,并在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,进一步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. 利用本文发展的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法和沿独库公路布设的由51个宽频带流动地震台站组成的地震台阵记录的远震体波波形数据得到了中国境内天山300 km深度范围地壳上地幔的P波和S波速度结构,得到了中国境内天山的岩石圈结构和造山动力学模型的一些新认识.     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

接收函数反演地壳S波速度结构的有效约束方法

本文通过对径向接收函数和垂直向接收函数进行低通滤波,获取了S波视速度随低通滤波参数的变化曲线,然后利用经验关系将它转换成了台站下方的S波速度结构,并以此作为接收函数反演的初始模型.理论数值实验表明:由于初始模型的S波速度值提供了有效的约束,即使Moho面深度并不准确,但反演迭代过程还是快速地向真解逼近.另外,通过给观测波形加入10%的噪声,在保持S波速度不变的情况下,分别对波速比进行5%的正负扰动(即泊松比分别扰动为0.23和0.27),反演结果仍然快速向真解收敛.对保山台记录的远震接收函数反演结果表明:用本文方法反演所得结果与测深结果较为一致.这充分说明只要S波速度值(而非泊松比)能够提供有效的约束,接收函数的反演过程对P波速度的选取并不敏感.     

中国东南沿海岩石圈减薄的地震接收函数证据

晚中生代以来,中国东南大陆岩石圈受到大规模构造。岩浆活动的影响而被强烈改造,现今岩石圈是古老岩石圈被强烈减薄和置换后的结果,但这一由地球化学和岩石学研究提出的地球动力学模型一直缺乏可靠的地震学观测证据的支持。本文利用布设于中国东南沿海（福建）的两条宽频地震剖面的远震波形数据,提取P波接收函数（P-RF）和S波接收函数（S—RF）,从单台P-RF中识别出了在岩石圈底界LAB（Lithosphere-Asthenosphere Boundary）的转换震相Pls,分析结果得到LAB深度为60～70km,P波（Pls震相）和S波（Slp震相）接收函数的波形拟合反演和对比结果及对地壳和上地幔结构的成像进一步证明了上述结果。P波和S波接收函数偏移图像显示,LAB界面在60～70km的深度上沿北东向剖面平缓展布,在闽江河口处的上地幔顶部岩石圈结构有明显变化,P—RF的一次转换波Ps和多次波PpPs偏移图像显示了Moho界面跨过闽江断裂的突然下沉,前人的深地震测深研究亦得到相同的结果,结合闽江河口处地壳泊松比和地壳热流呈现局部异常高值等地质地球物理特征,推断闽江断裂深切壳、幔边界,并有可能影响到了更深部的岩石圈结构。     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得105～1050s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

基于sP前驱震相叠加研究南美中部地区岩石圈-软流圈边界形态

岩石圈-软流圈边界(lithosphere-asthenosphere boundary)是上地幔内具有负速度梯度的地震波速度界面.对俯冲带区域LAB开展地震学探测有助于进一步认识岩石圈和软流圈的相互作用以及与板块俯冲有关的地球动力学过程.本文收集了2006-2012年发生于南美中部地区4个深源地震的垂向宽频带波形资料,利用线性倾斜叠加处理得到了相对走时-慢度域的灰度图,并成功提取了sP在LAB底反射的前驱震相S_(LAB)P.基于改进的一维速度模型IASP91-SA计算得出了6个S_(LAB)P震相反射点的水平分布,并划分为西部(Ⅰ)和东部(Ⅱ)分区:分区工内LAB深度位于60~63 km,平均深度为61 km,起伏为3 km;分区Ⅱ内LAB深度位于78~82 km,平均深度为80 km,起伏为4 km.研究结果显示南美中部地区LAB深度自西向东呈变大的趋势,这可能反映了大陆岩石圈受改造程度的差异.我们推测在靠近海沟的地区,软流圈内部分熔融程度较高且熔体较为富集,对大陆岩石圈的侵蚀作用较强;在远离海沟的地区,软流圈内部分熔融程度降低且熔体分布减少,对大陆岩石圈的侵蚀作用减弱.     

帕米尔及邻区地壳上地幔P波三维速度结构的研究

研究了帕米尔及邻区(65°E-80°E,30°N-45°N,深度0-2km)的P波三维速度结构. 所使用的59054条初至P波到时数据取自ISC的73个台站对5402个地震的记录报告,这些地震和台站都在研究区内. 以水平面上1°×1°和不等的深度间隔(随深度在20-90km之间变化)划分网格并设置初始三维速度模型,用近似弯曲快速射线追踪方法计算走时和射线路径,用LSQR方法进行反演. 反演结果的分辨率用检验板方法进行了讨论,并引入了定量描述还原程度质量的两个参数. 初步结果表明:(1)天山山脉的km深度处,在东部和西部各有一个明显高速区,而在74°E、41°N附近的低速区可能与天山地表大断层在该处被大幅错开相关. 在75°E附近的天山山脉下,波速在40-60km深度偏高,而在60-90km深度(或更深)又偏低,反映了天山下方构造和物性的复杂性. (2)在由帕米尔构造"结"南侧往北直至天山以北的速度纵剖面上,显示了印度-欧亚板块在帕米尔构造"结"地区的强烈碰撞挤压作用:在抬高地面形成高原的同时,也把浅部速度较低的地壳岩石层介质俯冲拖曳到了深部.     

2012年9月7日云南彝良Ms5.7、Ms5.6地震震源破裂特征与发震构造研究

基于中国国家和区域数字地震台网记录,采用CAP方法反演了2012年9月7日云南彝良5.7、5.6级地震的震源机制解和震源深度,并利用IRIS提供的远震记录深度震相(P、_PP、_SP)进一步确定了震源深度,最后结合地震序列分布、地震烈度分布和区域地质背景讨论了发震构造.结果显示彝良5.7级地震的震源机制解为节面I走向243°、倾角62°、滑动角149°,节面Ⅱ走向349°、倾角63°、滑动角32°;5.6级地震的震源机制解为节面I走向241°、倾角37°、滑动角162°,节面Ⅱ走向346°、倾角79°、滑动角54°,这两次地震的发震构造均为NE走向的石门断裂,震源矩心深度均为6 km左右,表明地震的能量释放主要发生在地壳浅部,这也是导致震区严重灾害的一个重要原因.     

Abel电离层掩星反演方法及误差分析

GNSS-LEO电离层无线电掩星技术是近年来发展的电离层探测新技术.为消除LEO轨道以上的电离层影响,改正TEC反演方法采用非掩星侧的观测数据进行电离层掩星反演.本文首次提出了一种新方法--基于历元差分的电离层反演方法;并将改正TEC与历元差分两种反演方法应用于模拟掩星观测数据反演,随后基于反演结果及误差分析得到一些有益的结论:历元差分反演精度较改正TEC反演精度均有所提高;不管是哪种方法,高轨(约800 km)反演结果要优于低轨(约500 km)的反演结果;随着剖面高度的降低,反演精度随之下降;反演误差主要集中在8至18时(当地时),主要分布在磁纬-30°至30°之间.     

A study on the uncertainties of the centroid depth of the 2013 Lushan earthquake from teleseimic body wave data

Centroid depth of earthquakes is essential for seismic hazard mitigation. But, various studies provided different solutions for the centroid depth of the damaging 2013 Lushan earthquake, thus hindering further studies of the earthquake processes. To resolve its centroid depth and assess the uncertainties, we apply the teleseismic cut and paste method to invert for centroid depth with teleseismic body waves in the epicentral distance of 30°–90°. We performed the inversion for P waves only as well the case of both P and SH waves and found that both cases lead to depth solutions with difference less than 0.5 km. We also investigated the effects on depth inversion from azimuth gap of seismic stations, source duration, and corner frequency of filter. These various tests show that even azimuthal distribution of seismic stations is helpful for accurate depth inversion. It is also found that estimate of centroid depth is sensitive to source duration. Moreover, the depth is biased to larger values when corner frequency of low-pass filter is very low. The uncertainty in the velocity model can also generate some error in the depth estimation (~1.0 km).With all the above factors considered, the centroid depth of Lushan earthquake is proposed to be around 12 km, with uncertainty about 2 km.     

2013年4月20日四川芦山MS7.0地震:一个高角度逆冲地震

利用中国地震台网和IRIS数据中心提供的近远震数字地震波形记录,首先读取P波初动方向,在考虑深度误差和速度模型引起的离源矢量误差基础上,利用网格搜索方法,计算了2013年4月20日四川芦山M_S7.0地震断层面解,其断层面走向/倾角/滑动角依次为212°/44°/92°.然后采用近远震波形联合反演方法(CAPjoint),反演了地震矩心深度和点源近似下双力偶解,表明地震发生在12 km深度,发震断层面参数为212°/47°/93°.通过分析波形反演中深度和震源区地震波速度模型对断层面倾角的影响,并结合短期余震机制解,认为芦山M_S7.0地震是一个高角度逆冲地震.     

基于抛物线密度模型的频率域三维界面反演及其在川滇地区的应用

密度界面反演作为了解地球内部结构的一种重要方法,长期以来都是重力学研究的主要内容.本文结合抛物线密度模型及频率域算法的优点,将抛物线密度函数应用于Parker-Oldenburg算法,经过理论推导得到了抛物线密度模型的频率域公式,从而建立了基于抛物线密度模型的三维密度界面重力异常正反演的算法和流程.理论模型数据试验表明本方法快速、有效,适用于大多数浅部比深部增加更快的实际地壳密度.研究中还利用该方法对川滇地区重力异常进行了反演,获得了该区的莫霍面深度分布,并与接收函数研究结果进行对比分析,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.     

勒夫波群速度频散与太平洋地壳及上地幔三维构造

应用现代适配滤波频时分析技术对SRO/GDSN长周期面波记录进行处理,获得穿过太平洋盆地的117条波路径的勒夫波频散数据。我们用改进的分格频散反演方法,从混合路径频散数据中提取出对应于构成整个太平洋盆地的10°×10°分格的纯路径频散数据。所获得的18s到215s范围内的28个周期的太平洋勒夫波群速度的横向分布,揭示了速度随海底年龄的增大而逐渐增加的总趋势,以及其它变化细节。例如,对于同一等年龄线区而言,北太平洋及南太平洋的群速度要比中太平洋的低0.1-0.3km/s。在分格模型反演的基础上得出的深至300km的三维剪切波速度结构提供了太平洋盆地地壳及上地幔横向不均匀性的详尽的描述。     

2013-2014年山东乳山地震序列发震构造初探

采用结合波形互相关技术的双差定位方法,对2013—2014年山东乳山地震序列重新定位,通过CAP及P波初动方法确定乳山序列较大地震的震源机制,在此基础上初步探讨乳山地震序列发震构造.结果显示,乳山序列呈现NW向展布,地震密集分布在8km×3km范围,震源深度分布在4~10km,4~7km区间相对集中.较大地震震源机制的节面Ⅰ方向与序列地震优势分布方向基本一致.综合考虑精确定位结果及较大地震震源机制,并结合震区附近地震资料,初步推测乳山地震序列发震断层为NW方向、近直立的走滑型隐伏断裂.     

FOCAL MECHANISM OF THE AUGUST 8, M7.0 SICHUAN JIUZHAIGOU AND AUGUST 9, M6.6 XINJIANG JINGHE EARTHQUAKES OF 2017

The W-phase is a long period phase arriving between the P and S wave phases of a seismic source, theoretically representing the total near-and far-field long-period wave-field. Recent study suggests that the reliable source properties of earthquake with magnitude greater than ~M_W4.5 can be rapidly inverted by using the W-phase waveform data. With the advantage of W-phase, most of major earthquake research institutes in the world have adopted the W-phase based inversion method to routinely assess focal mechanism of earthquake, such as the USGS and GFZ. In this study, the focal mechanism of the August 8, 2017 M7.0 Sichuan Jiuzhaigou and August 9, 2017 M6.6 Xinjiang Jinghe earthquakes were investigated by W-phase moment tensor inversion technique using global seismic event waveform recordings provided by Incorporated Research Institutions for Seismology, Data Management Center. To get reliable focal mechanism, we strictly select raw waveform data and carry out inversion in stages. At first, we discard waveform without correct instrument information. Then we carry out an initial inversion using selected waveform data to get primary results. Using the preliminary results as input, we carry out grid-search based inversion to find the final optimal source parameters. The inverted results indicate that the August 8, M7.0 Sichuan Jiuzhaigou shock resulted from rupturing on a NW-trending normal fault with majority of strike-slip movement. The parameters of two nodal planes are strike 152.7°, dip 61.4°, rake -4.8° and strike 245.0°, dip 85.8°, rake -151.3° respectively, and focal depth is 14.0km. The August 9, Xinjiang Jinghe M6.6 shock resulted from rupturing on a south-dipping thrust fault with left-lateral strike-slip. The parameters of two nodal planes are strike 100.6°, dip 27.5°, rake 114.1° and strike 259.3°, dip 65.1°, rake 78.0°, and the focal depth is 16.0km. The direction of two nodal planes is consistent with regional seismotectonic background.