Vp/Vs Anisotropy and Implications for Crustal Composition Identification and Earthquake Prediction

Abstract: The ratio of P- to S-wave velocities (Vp/Vs) is regarded as one of the most diagnostic properties of natural rocks. It has been used as a discriminant of composition for the continental crust and provides valuable constraints on its formation and evolution processes. Furthermore, the spatial and temporal changes in Vp/Vs before and after earthquakes are probably the most promising avenue to understanding the source mechanics and possibly predicting earthquakes. Here we calibrate the variations in Vp/Vs in dry, anisotropic crustal rocks and provide a set of basic information for the interpretation of future seismic data from the Wenchuan earthquake Fault zone Scientific Drilling (WFSD) project and other surveys. Vp/Vs is a constant (Ф0) for an isotropic rock. However, most of crustal rocks are anisotropic due to lattice-preferred orientations of anisotropic minerals (e.g., mica, amphibole, plagioclase and pyroxene) and cracks as well as thin compositional layering. The Vp/Vs ratio of an anisotropic rock measured along a selected pair of propagation-vibration directions is an apparent value (Фij) that is significantly different from the value for its isotropic counterpart (Ф0). The usefulness of apparent Vp/Vs ratios as a diagnostic of crustal composition depends largely on rock seismic anisotropy. A 5% of P- and S-wave velocity anisotropy is sufficient to make it impossible to determine the crustal composition using the conventional criteria (Vp/Vs≤1.756 for felsic rocks, 1.7561.944 fluid-filled porous/fractured or partially molten rocks) if the information about the wave propagation-polarization directions with respect to the tectonic framework is unknown. However, the variations in Vp/Vs measured from borehole seismic experiments can be readily interpreted according to the orientations of the ray path and the polarization of the shear waves with respect to the present-day principal stress directions (i.e., the orientation of cracks) and the frozen fabric (i.e., foliation and lineation).     

利用主被动微波数据联合反演土壤水分

在黑河中游干旱区水文试验的基础上,以临泽站为研究区域,探讨主被动微波数据联合反演土壤水分的方法。针对ALOS/PALSAR数据,使用AIEM理论模型计算地表的同极化后向散射系数,Oh半经验模型描述交叉极化散射特征,通过对大量后向散射模拟数据的分析,建立裸露地表粗糙度计算模型;利用模拟数据分析地表辐射亮温随土壤水分和粗糙度的变化规律,在此基础上构建NN模型结合粗糙度计算结果和辐射计飞行数据反演研究区域的土壤水分。地面同步测量数据的验证结果表明,该方法充分发挥了主被动微波数据各自的优势,同时避免了主被动协同过程中的尺度问题,为流域尺度的土壤水分监测提供了一种新的有效途径。     

南海张裂过程及其对晚中生代以来东南亚构造的启示——IODP建议书735-Full介绍

南海的形成揭示了大陆边缘张裂和盆地形成的复杂模式,尽管已经进行了广泛研究,但是关于基底岩石和深海盆沉积层的精确年代数据还很缺乏,这使得对南海张裂年代的估计存在很大的误差,对张裂机制和历史的各种假设没有得到验证.同时只有对南海的张裂过程有了精确地分析与刻画,才能更好地理解西太平洋边缘海盆地的形成以及它们在印支块体受印度-欧亚板块碰撞而向东南挤出、青藏高原隆升中可能起到的作用.2009年正式提交的国际综合大洋钻探计划(IODP)建议书735-Full建议在南海深海盆内的4个站位上实施钻探.这4个站位分布在南海盆地4个不同的次级构造单元上(南海东北部、西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆),这样的站位设计会确保完成本建议书的整体研究目标,即揭示南海的张裂历史和它对晚中生代以来东南亚构造的启示.位于南海盆地最东北部的站位有助于确定该区域地壳的属性和验证古南海是否存在,位于西北次海盆的站住可能会提供南海的最早张裂年代,另外2个分别位于东部次海盆和西南次海盆的站位将重点确定2个次海盆的绝对年龄、基底矿物成分与磁化率以及2个次海盆的相对张裂次序.这些站位的水深大约在2 910～4 400 m,钻探深度预计到海底以下大约700～2 200 m,总的钻透深度为5 959 m,其中5 359 m穿透沉积层,另外600 m或400 m钻入基底.所有这些站位的位置是由已有的地球物理观测数据所确定,目前计划收集更多的地质与地球物理数据以满足IODP对井位调查数据的要求.     

南海东北部海陆深地震联测与滨海断裂带两侧地壳结构分析

南海东北部首次成功实施海陆联合深地震探测,填补了海陆过渡带深地震探测的空白. 利用该次海陆联测地震数据,通过数据处理、震相分析、射线追踪、走时模拟等方法,获得了滨海断裂带附近的纵波地壳速度结构,探明了海陆联测剖面中滨海断裂带可能位置. 地壳速度结构为陆壳结构,地壳厚度由陆地向海区逐步变薄;在上地壳下部普遍存在一层速度为5.5～5.9km·s-1、厚度为2.5～4.0km的低速层,并向海区方向减薄,该区未发现明显的高速层. 滨海断裂带为一纵向低速带,位于南澳台东南35km处,对应于重、磁异常带,断裂带断至莫霍面,是华南陆区正常型陆壳与海区减薄型陆壳的分界地壳断裂.     

阿尔泰-阿尔金地学断面地壳结构

根据阿尔泰—阿尔金地学断面的地震纵、横波资料,建立了地壳速度及泊松比结构. 测区的地壳具有明显的三分结构特征,其纵波速度自上而下依次为6.0～6.3km/s、6.3～6.6km/s及6.9～7.0km/s;阿尔泰南缘的地壳最厚,为56km,准噶尔盆地的地壳最薄,为46km,大部分地区的地壳厚度为50km 左右. 准噶尔盆地与天山之间上地幔顶部的纵波速度为7.7～7.8km/s ;阿尔泰南缘及塔里木盆地上地幔顶部的纵波速度较高,为7.9～8.0km/s. 测线南部,包括东天山及塔里木东缘,自地表至30km深处的地壳纵波速度低,泊松比为0.25,表明上地壳主要为石英及花岗质成分;而测线北部(包括阿尔泰及准噶尔盆地)的中、上地壳则呈现较高的泊松比（0.26～0.27）,可能为基性地壳的体现. 厚15～30km的下地壳纵波速度（6.9～7.0km/s）较高,泊松比为0.26～0.28,可能以镁铁质的麻粒岩成分为主. 位于天山及其南侧地壳中部的低速层（VP=5.9km/s, σ=0.25）则可能为晚古生代的构造热事件中的花岗质侵入岩.     

A reanalysis of the Apollo light scattering observations, and implications for lunar exospheric dust

Conspicuous excess brightness, exceeding that expected from coronal and zodiacal light (CZL), was observed above the lunar horizon in the Apollo 15 coronal photographic sequence acquired immediately after orbital sunset (surface sunrise). This excess brightness systematically faded as the Command Module moved farther into shadow, eventually becoming indistinguishable from the CZL background. These observations have previously been attributed to scattering by ultrafine dust grains (radius ∼0.1 microns) in the lunar exosphere, and used to obtain coarse estimates of dust concentration at several altitudes and an order-of-magnitude estimate of ∼10⁻⁹ g cm⁻² for the column mass of dust near the terminator, collectively referred to as model “0”.We have reanalyzed the Apollo 15 orbital sunset sequence by incorporating the known sightline geometries in a Mie-scattering simulation code, and then inverting the measured intensities to retrieve exospheric dust concentration as a function of altitude and distance from the terminator. Results are presented in terms of monodisperse (single grain size) dust distributions. For a grain radius of 0.10 microns, our retrieved dust concentration near the terminator (∼0.010 cm⁻³) is in agreement with model “0” at z=10 km, as is the dust column mass (∼3–6×10⁻¹⁰ g cm⁻²), but the present results indicate generally larger dust scale heights, and much lower concentrations near 1 km (<0.08 cm⁻³ vs. a few times 0.1 cm⁻³ for model “0"). The concentration of dust at high altitudes (z>50 km) is virtually unconstrained by the measurements. The dust exosphere extends into shadow a distance somewhere between 100 and 200 km from the terminator, depending on the uncertain contribution of CZL to the total brightness. These refined estimates of the distribution and concentration of exospheric dust above the lunar sunrise terminator should place new and more rigorous constraints on exospheric dust transport models, as well as provide valuable support for upcoming missions such as the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE).     

共散射点道集与角道集串级优化叠前偏移速度分析

推导了基于角度域共成像点道集的叠前深度偏移层析速度分析公式,提出一种共散射点（CSP）道集与角道集串级优化叠前偏移的速度分析方法。该方法通过基于CSP道集的叠前时间偏移速度分析获取初始速度,利用基于角度域共成像点道集（ADCIGs）的叠前深度偏移速度分析进行速度更新。实现步骤概括为：将叠前地震数据映射为CSP道集,利用CSP道集叠加速度谱拾取能量团获取均方根（RMS）速度场;通过Dix公式将RMS速度转换为层速度作为层析的初始输入速度,基于ADCIGs实现叠前深度偏移层析速度反演,最终得到高精度的叠前偏移速度场。断层模型和实际资料试算结果验证了该方法的正确性和有效性。     

SH波上方垂直入射时界面附近椭圆夹杂与裂纹的动态响应

采用Green函数、保角映射等方法分析SH波上方垂直入射时弹性半空间中椭圆形弹性夹杂与任意方位裂纹的相互作用。首先,求解含椭圆形弹性夹杂的弹性半空间内任意一点承受时间谐和出平面线源荷载作用时的位移基本解,即Green函数,再结合裂纹切割法构造裂纹,得到SH波上方垂直入射时椭圆夹杂和裂纹同时存在条件下的位移场与应力场。作为算例,给出大量的数值结果,探讨不同参数情况下弹性夹杂周边动应力集中系数（DSCF）、地表位移及裂纹尖端动应力强度因子（DSIF）的分布规律,结果表明不同参数的变化会对三者的分布带来一定的影响。     

地应力测量的非弹性应变恢复法及应用实例

岩芯非弹性应变恢复法是近年来发展起来的比较经济有效的深部地应力测量方法,汶川5.12地震后,我国大陆首次将该方法应用于汶川地震断裂带科学钻的地应力测量.本文简述了该方法的原理、计算方法和汶川地震科学钻一号孔的典型结果.给出了一号孔在所测深度之处的三个主应力的大小和方向.三个主应力中,最大主应力和中间主应力近于水平,最小主应力近于直立.最大主应力方向为北西.在746 m深度,三个主应力的大小为25.2 MPa,21.5 MPa,18.5 MPa.这种应力状态可使龙门山断层产生逆冲兼右行走滑运动,与汶川5.12地震的断层运动一致.该方法得到的结果与震源机制解及其他地应力测量方法得到的结果吻合.测量结果表明,非弹性应变恢复法具有较大的实用价值.特别是在较大深度的钻孔和地层较破碎的复杂地质条件下,应力解除法、水压致裂法等难以实施时,此方法仍有可能获得较可靠的地应力数据,适应性更强.     

南海西北次海盆的磁条带重追踪及洋中脊分段性

由于缺少有效钻孔资料,对于南海扩张的时间一直存在较大的疑问.在南海三大海盆中,西北次海盆面积最小、磁条带特征不明显,因此对其扩张年代的争议最大.最新采集的高密度(小于10 km测线间距)船测地磁资料清晰地显示了西北次海盆磁条带的存在.在OBS和多道地震资料的约束下,利用船测地磁资料,本文对西北次海盆的地壳年龄进行了重追踪.根据定量的比较,西北次海盆的主体扩张始于35.8 Ma(C16n,2n),在34.7 Ma(C15)时其西南部开始扩张,扩张最终同时终止于33.2 Ma(C13n),整体的全扩张速率在40~50 mm/a之间.这表明南海的扩张可能首先起源于西北次海盆,在其结束扩张后,东部次海盆才开始打开(约30 Ma).得益于数据精度和密度的提高,利用化极后的磁力异常以及反演的磁化强度可以对西北次海盆进行二级中脊段的划分.我们共划分出六个中脊段和一个明确的转换断层.中脊的分段性与OBS反演的地壳厚度的变化相一致.转换断层东侧,中脊主体分为四个中脊段,每个中脊段长度均在30 km左右.转换断层西侧,存在一个长约50 km的中脊段和一个不确切的中脊段.中脊段上磁化强度的变化幅值和中脊段长度在整体上成正比.每个中脊段中央的磁化强度弱于中脊段两端的磁化强度,这与扩张速率相近的大西洋中脊的磁化强度特征一致.