Moho反射波噪声干涉方法及其在青藏高原东北缘地壳结构成像的应用初探

基于南北地震带北段布设的密集流动地震台阵的连续波形记录,采用台阵噪声干涉技术获得了青藏高原东北缘Moho面PmP反射波,利用已有的区域三维地壳速度模型,采用沉积层校正方法建立研究区域的三维地壳初始模型,进而对噪声互相关函数进行基准面校正,然后采用共中心点叠加方法获得了研究区的地壳厚度分布.结果显示,青藏高原东北缘及周边不同块体地壳厚度差异显著,沿青藏高原北东向的扩展方向,地壳厚度逐渐变薄.祁连造山带中、西段地壳厚度约55~65 km,西秦岭造山带地壳厚度从西至东从53 km左右减小至42 km上下,阿拉善块体地壳厚度约50 km,鄂尔多斯块体西缘地壳厚度约40~45 km.六盘山断裂、海原断裂与天景山断裂附近呈现局部的地壳增厚,并且出现脉冲状Moho面反射震相,表明断裂带附近可能存在速度跃变较大的Moho面结构.祁连山北缘断裂出现叠置的反射震相,推测下地壳的逆冲形成了此类Moho结构.

瑞利波相速度和椭圆率与远震P波联合反演蒙古中南部地壳高分辨率S波速度结构

利用蒙古中南部台阵记录的连续背景噪声数据、天然地震面波数据和远震P波波形数据,开展瑞利波相速度、椭圆率和远震P波叠加波形的联合反演,建立了蒙古中南部地壳三维S波速度模型.结果显示,蒙古中南部的瑞利波相速度及椭圆率、沉积基底深度、莫霍面深度、地壳S波速度在蒙古—鄂霍茨克缝合线和蒙古主构造线南北两侧分布均有明显差异,暗示了这两条缝合线至少为地壳级别的分界.中戈壁火山和Bus-Obo火山在地壳内相互连通,在下地壳存在大面积低速层.我们推测杭盖穹隆上地幔热物质上涌在中戈壁带地壳底部形成岩浆囊,为这两座板内火山活动提供了岩浆来源.

阿尔山火山群面波层析成像

文中利用阿尔山火山群附近的29个宽频带流动地震台和其周边8个固定台站2019年5月—2021年12月期间的远震垂直向地震波形,通过频-时分析获取了11010条高质量的Rayleigh波基阶相速度频散,基于面波成像方法构建研究区地壳、上地幔的三维S波速结构。结果表明:在中、下地壳范围内,阿尔山火山群地区的S波速度表现出明显的低速异常,结合该地区高波速比的特征,推测阿尔山火山群可能存在地壳岩浆囊;在阿尔山火山群地区的40~150km深度内存在多处上低下高的S波速度异常结构,表明阿尔山火山群可能发生过岩石圈拆沉;阿尔山火山群东南侧上地幔的低速异常连通了软流圈和阿尔山火山群在地表出露的位置,结合前人的研究结果推测,此低速异常可能是松辽盆地岩石圈拆沉造成的软流圈物质上涌。

基于密集台阵的四川长宁页岩气开发区地震b值特征分析

随着川南页岩气快速规模化地开采,四川长宁地区地震频发,不仅发生了大量微地震而且伴随发生了多个中强地震,地震风险持续增高。本文基于长宁地区的107个密集台站在2021年4月28日至2022年6月30日期间所记录的连续波形使用深度学习震相拾取方法所构建的观测区高分辨率地震目录,通过最大似然法计算了四川长宁页岩气开发区频度−震级关系式中的b值,对b值的时空分布特征进行了分析。结果表明:长宁地区的平均b值为1.06,长宁—双河采卤区的b值为1.25,而长宁—昭通页岩气开采区的b值为1.01,这意味着页岩气开采区可能具有更高的应力水平;b值在空间分布上呈显著的非均匀性,这种非均匀性在一定程度上反映了地下介质的不均匀性;有感地震更倾向于在低b值区域发生,且地震发生前可能会出现b值下降的情况。

2001年昆仑山口西MS8.1地震自发破裂过程数值模拟研究

2001年11月14日,青藏高原的东昆仑断裂带发生昆仑山口西MS8.1地震,现场考察和破裂过程反演结果表明这是一次破裂过程非常复杂的走滑地震事件.研究这次地震的自发破裂过程,对于认识大陆型特大地震的发生机理具有重要意义.本文利用曲线网格有限差分法对2001年昆仑山口西MS8.1地震的动力学破裂过程进行研究.首先建立能反映这次地震主要特征的三维非平面断层模型,并以地质考察、以及根据GPS和InSAR观测数据、远场地震记录得到的反演结果为约束,通过数值模拟重现了这次地震破裂过程的主要特征.在此基础上,进一步讨论了背景应力场、断层几何、摩擦系数对断层面滑移量分布、震源时间函数、破裂传播速度的影响.研究结果表明,昆仑山口西MS8.1地震发展成为具有超长破裂尺度的大型地震的重要原因可能是:青藏高原最大水平主压应力方向沿东向的顺时针旋转特征和断层面较低的动摩擦系数.并且沿昆仑山口西地震断层面的动摩擦系数可能是非均匀的,由此产生了沿断层走向复杂变化的应力降,从而导致超剪切破裂的发生,并控制了断层面滑移量分布.

长宁—昭通页岩气示范区小微地震地方性震级测定

利用长宁—昭通页岩气示范区高密度宽频带流动地震台阵观测资料,基于LOCFLOW流程,获得了2021年4—10月的108727个震级介于-0.1~5.2之间的地震事件精定位目录.鉴于LOCFLOW内置算法测量的震级与中国地震台网中心发布震级之间存在系统偏差,根据里克特震级的定义,分别基于参考震级校正和考虑台基校正的量规函数参数拟合反演两种方法,建立了适用于研究区的地方性震级公式.反演获得的量规函数能够更加准确地反映四川盆地南部研究区小微地震的振幅衰减特征,并获得研究区小微地震更加准确的地方性震级,可应用于页岩气开发区震级-频度关系等与震级相关的研究.

利用接收函数研究四川威远地区地壳结构特征

利用在威远地区布设的40台宽频带流动地震仪记录的远震波形数据,提取了径向P波接收函数.接收函数中可以看到清晰的Moho面转换波,并且在此震相之前存在一组正负相间的震相.通过合成测试,判断负震相C2为沉积层基底的PpSs+PsPs震相.通过拾取C2震相的到时,与建模合成的接收函数进行对比,得到了研究区沉积层厚度的分布.正震相C1可能是沉积层基底PpPs震相或康拉德界面转换波.在这两种情况下,C1震相的到时随射线参数的变化趋势相反,前者表现为负斜率,后者表现为正斜率.利用这一特征,对各台站C1震相的成因进行了分析,威远背斜之外主要为正斜率,推断存在Conrad界面.然后通过H-κ叠加估计了研究区地壳厚度和平均波速比,并使用共转换点(CCP)叠加方法获得了研究区Moho面和壳内界面的起伏形态.结果显示,研究区沉积层厚度在3.0~7.0 km之间,威远背斜较薄,自贡台凹较厚;研究区地壳厚度40.9~49.2 km,平均约44.1 km,整体上表现出背斜区域厚,向斜等区域薄的特征.在背斜之外的区域,Conrad界面埋深大约为19 km.本文推断威远背斜上、下地壳在挤压环境下均发生增厚,上地壳顶部沉积盖层在隆升过程中遭受剥蚀,而下地壳得到了相对完整的保存.研究区波速比横向变化较大,在1.71~1.92之间,平均约1.79,与全球大陆平均值相同.研究区存在两个高波速比区(>1.85),威远背斜东段与李家场褶皱交汇处可能存在小规模的地幔物质上涌;而自贡台凹在受到地壳顶部较厚沉积盖层影响的同时,中下地壳可能受到了川滇块体壳内热物质的影响,使地壳平均波速比明显增高.威远背斜核部和自流井背斜东南区域地壳平均波速比相对较低,其地壳成分可能主要为长英质或中性岩石.

基于压缩感知理论的远震P波数据重建研究

本文将基于压缩感知理论的地震观测数据重建方法用于天然远震事件的P波到时处理之中,基于曲波(curvelet)变换,建立基于L_(1)范数的正则化反演模型,并采用迭代收缩阈值算法(ISTA)求解该模型。针对在内蒙古布设的流动地震台阵记录到的远震波形数据,对其进行稀疏采样,采用稀疏反演重建方法对欠采样数据进行重建,并拾取重建数据的P波到时,之后开展远震P波层析成像进行验证。研究结果表明,远震天然地震观测数据在曲波变换中表现出稀疏性,可利用压缩感知方法实现远震P波数据的完备化处理。基于内蒙古流动地震台阵数据三维P波成像也表明,基于压缩感知的数据重建技术可以提高地震层析成像的分辨率,且压缩感知采集技术在天然地震研究中具有潜在的应用价值。

计算台站接收函数的最大熵谱反褶积方法

提出一种在时间域采用最大熵谱反褶积提取台站接收函数的方法 ,以最大熵作为自相关函数和互相关函数的递推准则 ,利用Toeplitz方程及Levinson递推算法 ,得到预测误差滤波系数的递推公式 ,从而计算台站接收函数 .外推运算过程中 ,反射系数总是小于 1,保证了最大熵谱反褶积的稳定性 .时窗外数据熵极大提高了接收函数的分辨率 .合成地震图与实测地震图的检验表明 ,最大熵谱反褶积是一种在时间域测定台站接收函数的有效方法 .

中国大陆Lg波衰减成像

本文利用2009-2019年间中国大陆固定台站记录的宽频带地震波形数据,采用反双台法,获得了约36万个台站对的Lg波Q值,并反演得到了中国大陆Lg波的衰减模型.结果显示,中国大陆Lg波衰减的Q值结构存在显著的横向非均一性.青藏高原、渤海湾盆地以及祁连山造山带等构造活动块体展现出明显的地壳低Q值强衰减特征,而华南块体、鄂尔多斯盆地以及塔里木盆地等相对稳定的地区则呈现地壳高Q值弱衰减特征.Lg波衰减与构造活动强度、松散沉积物、地下流体或部分熔融以及地质块体结构等因素密切相关.渤海湾盆地的强衰减主要由上地壳巨厚的松散沉积物和较高的地壳温度导致.青藏高原和祁连山造山带的地壳强衰减主要归因于现今活跃的构造活动、复杂的断裂系统和地质结构以及富含地下流体甚至是部分熔融等因素.华南造山带和大兴安岭地区的地壳弱衰减特征可能与侵入岩冷却形成高强度的结晶基底以及古老造山带地壳构造趋于稳定相关.

用Wiener滤波方法提取台站接收函数

本文提出了一种在时间域用Wiener滤波方法提取台站接收函数的方法 ,用远震P波波形的垂直分量为输入 ,接收函数作为滤波因子 ,远震P波波形的径向和切向分量作为期望输出 ,通过期望输出与实际输出的均方误差达极小 ,来提取接收函数。接收函数的计算可归结为Toeplitz方程的求解 ,可以采用Levinson递推算法。Toeplitz方程的非奇异性保证了Wiener滤波反褶积方法的稳定性。合成地震图与观测地震图的检验表明 ,用Wiener滤波方法测定台站接收函数是一种有效的时间域反褶积方法。

接收函数的克希霍夫2D偏移方法

本文将地震反射资料成像的Kirchhoff偏移方法引入到接收函数成像研究,提出了一种接收函数的Kirchhoff偏移方法,以适应介质速度的横向变化,提高接收函数成像的精度和分辨率.模型检验表明,与传统的水平分层的共转换点偏移叠加方法相比,Kirchhoff偏移方法能够实现转换波的有效归位,消除水平分层共转换点偏移叠加造成的假象.一个很重要的现象是,倾斜或弯曲界面的成像明显受控于远震的入射方向,其成像精度的提高有赖于不同方向接收函数的联合成像.

用小波变换方法反演接收函数

提出了一种用小波变换方法反演接收函数的新方法 .通过对接收函数作离散小波变换 ,将接收函数展开到不同分辨尺度 ,从一给定的初始模型出发 ,分别在不同分辨尺度上用广义线性反演方法 ,对展开后的接收函数进行反演 .并将低阶接收函数的反演结果作为高阶接收函数的初始模型 ,在大尺度空间找到包含全局极小值的一个邻域 ,并逐步缩小该邻域 .渐进地获取介质结构的跳变信息 ,从而保证反演结果稳定地收敛到全局极小点 ,降低接收函数波形反演对初始模型的依赖 ,尽可能克服波形反演的非唯一性 。

用多道反褶积方法测定台站接收函数

本文提出了一种在时间域用多道反褶积测定台站接收函数的方法,以提高台站接收函数的测量精度与分辨率.在单道反褶积的基础上,选取若干个质量较好的远震P波波形事件,构成多道信号,以垂直分量为输入,径向和切向分量作为期望输出,依据最小二乘,设计多道滤波器,提取接收函数.合成地震图与观测地震图的检验表明,多道滤波方法能有效地测定台站接收函数,特别是多道反褶积能够有效地恢复地壳上地幔间断面所产生的弱转换波震相.

用宽频带远震接收函数研究青藏高原的地壳结构

为研究青藏高原的岩石层构造及其动力学过程，根据记录到的来自台站东北方向的大量宽频带远震林波波形资料，应用时间域的最大熵谱反褶积算法，得到了11个（全部）PASSCAL（地壳与岩石层的地震台阵研究计划）台站的接收函数．利用时间域广义线性反演的Jumping（跳动）算法，引入模型光滑度约束，并将合成地震图的Kennett完全算法及微分地震图的Randall快速算法用于接收函数的正演计算，由台站接收函数获得了各台站下方的一维S波速度分布．反演结果表明，青藏高原的Moho界面在班公—怒江缝合带附近存在明显的深度错断；在日喀则、拉萨、桑雄和安多等地的地壳内部，可以连续观测到三个显著的速度界面h1，h2和h3，其中h1和h2可以连续追踪到温泉、二道沟和不冻泉等地，而h3在班公—怒江缝合带以北消失；在日喀则、拉萨、桑雄、安多、二道沟和不冻泉等地有壳内低速层．关于班公—怒江缝合带附近Moho界面的错断现象，一个可能的解释是班公—怒江缝合带是印度地壳向欧亚下地壳挤入的前沿．

利用H-K叠加方法和CCP叠加方法研究中国东北地区地壳结构与泊松比

利用中国东北布设的流动地震台阵（116个）以及国家和区域台网（121个）的宽频带台站记录的824个远震事件，采用P波接收函数CCP叠加和H—K叠加两种方法获得了研究区详尽的地壳厚度图像．研究结果显示，两种方法获得的地壳厚度分布特征具有很好的一致性，中国东北下方地壳厚度存在明显的东西横向差异．重力梯度带西侧和佳木斯地块的台站下方地壳较厚，介于36～41km之间，而在兴蒙槽地褶带中重力梯度带往东从36krn减薄至34km左右．松辽盆地北侧、东侧和南侧地壳厚度较薄，为29～34km，反映了该区复杂的地壳变形过程．CCP剖面显示郯庐断裂深切地壳，敦化-密山断裂下方莫霍面出现错断．H—K叠加得到的地壳平均泊松比显示，东北地区绝大部分台站下方的泊松比值较大，0．24～0．29．长白山、松辽盆地东部、燕山台隆东部和大兴安岭北部，泊松比值达到0．27～0．30，可能有幔源物质上涌，下地壳铁镁组分含量增加．

用接收函数方法研究云南及其邻区地壳上地幔结构

利用云南和中国地震台网30个台站记录的远震资料,采用接收函数扫描法和线性反演方法对云南及其邻区的壳幔速度结构进行了研究,获得了研究区内地壳厚度、Vp/Vs以及壳幔速度的分布特征.利用接收函数扫描（H-k）法和线性反演方法获取的台站下方地壳厚度结果表明,研究区地壳厚度变化剧烈.速度结构研究结果表明,红河断裂以西的腾冲-保山地块和思茅地块,以及南华板块北部地区的台站（如攀枝花、丽江、东川、永胜等）下方地壳均存在下地壳低速层,且具有高的地壳平均Vp/Vs值.这些不仅暗示研究区的下地壳低速异常可能为高温甚至高温导致的部分熔融所致,同时,也意味着该区下地壳的物质易于发生塑性流动,为地壳的变形和增厚创造了条件.红河断裂带作为云南地区的一个主要边界断裂,其西侧地区地壳厚度变化较东侧剧烈,另一方面,红河断裂西侧的平均地壳Vp/Vs值较其东侧要高.综合前人关于研究区岩石圈速度结构、地热流值、重力场和上地幔各向异性等地球物理场的研究结果.我们推断,现今的思茅块体和保山-腾冲块体在大地构造上应归属于冈瓦纳板块.

青藏高原东北缘地壳S波速度结构与泊松比及其意义

利用甘肃地震台网16个台站记录的远震资料，采用最大熵谱反褶积方法，得到了各个台站的接收函数．采用接收函数扫描法和线性反演方法对研究区的壳幔结构进行了研究，这两种接收函数方法得出的结果具有很好的一致性．青藏高原东北缘地壳厚度变化剧烈，祁连块体为50～55km、柴达木块体和河西走廊为45km左右（合作台除外），由北向南，Moho界面呈中央下凹的准对称状．研究区地壳VP/VS于1．66～1．85（σ=0．215～0．294，均值0．254），其均值接近或略低于全球平均值；S波速度结构可见壳幔过渡带具有明显的突跳，结合其他地球物理学证据，推断该区可能不存在岩浆底侵作用和地壳部分熔融现象．该区地壳VP／VS值与地壳厚度呈反相关关系，推断该区地壳的主要组成成分以中酸性岩石为主，其45～55km厚的地壳可能主要是通过上地壳的叠置形成的．

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.