地壳浅部S波速度结构的多频接收函数两步反演法及其在中国东北盆-山构造区的应用

地壳浅部(<10km)速度模型既是地壳结构与变形研究和资源勘探前景评估的基础,又可为壳幔深部结构成像等研究提供先验信息.针对区域尺度结构,被动源方法相比主动源方法具有明显优势.被动源方法中,基于接收函数和/或体波振幅比的成像方法由于具有较高空间分辨率,近年来受到广泛关注.然而,盆地松散沉积层内部的反射混响常导致此类方法表现出较强的多解性及不确定性,限制了其应用.因此,本文提出一种基于多频径向接收函数波形及其与垂向接收函数振幅比的两步反演法,以约束地壳浅部S波速度结构.理论测试表明,两步反演策略能有效降低反演多解性、提高结果稳定性.将该方法应用于一条横跨中国东北沉积盆地的线性地震台阵数据,获得了地壳浅部S波速度精细结构图像.结果显示,盆地与山地地壳浅部结构差异显著:二连盆地浅部(<1.0km)和松辽盆地浅部(<2.5km)速度较低(<2.8km s^(-1)),反映低速沉积层;松辽盆地7km以深地壳速度较高(3.4~3.8km s^(-1)),可能反映早白垩世镁铁质岩浆侵入体.此外,成像结果中速度异常分布与盆地内大型断裂、隆起及沉积凹陷等构造的地表位置吻合,速度异常延深深度也与已有地震勘探结果相吻合.这些观测表明,两步反演法能有效约束松散沉积盆地S波速度随深度变化特征,并实现区域尺度地壳浅部结构高精度成像.

基于短周期密集台阵的广州—佛山地区地壳浅部三维S波速度结构研究

广州—佛山地区位于珠三角经济区的核心地带,三条区域性断裂从中交错穿过.广州—佛山地区精细的地壳浅部三维S波速度结构,对于研究区内的城市规划建设、地震灾害评估、强地面运动模拟等具有重要意义.本文利用布设于广州—佛山地区短周期密集地震台阵中的1104个台站记录到的连续波形数据,采用背景噪声互相关方法计算了台站对间的互相关函数并进一步提取到周期范围在0.1~5 s内的39488条高质量面波群速度频散曲线,然后通过基于射线追踪的面波直接反演方法计算得到了研究区内0.3~3 km深度的高分辨率三维S波速度结构.结果显示:研究区内地壳浅部S波速度横向差异显著,其中南部的珠江三角洲断陷盆地S波速度结构相对较为复杂,而北部的广花盆地内部S波速度结构则表现相对简单.研究区内的低速异常主要位于断裂附近,且大都位于断裂的下降盘.珠江三角洲内三水盆地东缘表现为马鞍状低速异常,向下最大延伸至2 km,低速体南北两侧边界与控盆断裂位置基本一致.广花盆地内部存在两个平行排列的高速异常,中间夹持一平行构造走向的低速异常,总体速度结构特征符合广花盆地为一复式向斜的地质构造背景.低速异常向下延伸至1.4 km深度处,可能指示了卷入向斜地层的最大埋深.沿广州—从化断裂发育条带状低速异常,与沿断裂形成的沉积地层有关.条带状异常在浅部分为两段,表明广州—从化断裂在历史上可能具有分段活动性.玉带公园周围被高速异常环绕,异常向上延伸至距地表约1.3 km处,结合研究区已有资料推测该高速异常可能为早期岩浆侵入在地壳浅部的反映.

基于接收函数的淮安地区地壳厚度及S波速度结构研究

利用淮安区域地震监测波形资料,有效提取P波接收函数,计算了台站下方地壳厚度并反演出S波速度结构,获取较为可靠的地下深部结构和一维速度模型。从结果来看,淮安市地壳厚度较薄,且具有较大的波速比,速度结构在上地壳内呈逐渐增大的趋势特征,结合区域地质和淮安市近年来的发震特点,认为淮安地区上地壳是区域能量释放的主要空间。

中国西部地区地壳上地幔S波速度结构

利用10～184S基阶瑞利波频散曲线反演得到了中国西部及邻近区域地壳上地幔（0～300krn）的S波速度结构。反演采用了传统的两步法，即通过时频分析获得频散曲线后，首先利用Occam方法反演出各周期面波速度在二维网格结点上的分布，然后反演每个结点下方的S波速度结构，从而给出研究区域的三维速度结构。

大别造山带地壳S波速度结构

在大别造山带深地震测深剖面H维P波地壳速度结构的基础上,从地震记录的水平分量得到S波地壳速度结构,并用P波和S波的资料共同约束地壳的组成.剖面上大多数炮点的记录均显示了清晰的Sg和SmS震相.在埠塔寺炮和金拱炮的记录上还较清晰地显示出莫霍界面的反射转换震相PmS,表明在相应的范围内莫霍界面是一级间断面.在Pn和SmS震相都比较强的记录截面图上缺少相应的Sn震相,表示在上地幄顶部泊松比随深度急剧增大,在这一深度上物质可能存在局部熔融状态.剖面的地壳泊松比模型表明,上地壳在深度10km以内泊松比为025左右,仅北淮阳弧后复理石带较低,为0.23；扬子板块和华北板块的下地壳泊松比为0.26-0.27；在大别选山带,上地壳下部泊松比为0.22-0.24,而下地壳泊松比为0.27-0.30,其中超高压变质带最高.P、S波速度和泪松比表明超高压变质带下地壳主要由基性麻粒岩组成.大别造山带中、下地壳组成的横向不均匀性反映了在三叠纪造山作用期间扬子板块向华北板块俯冲,以及存在与地慢物质相联系的岩浆侵入体.

青藏高原及其邻区地壳上地幔S波速度结构

利用CDSN、IRIS、GEOSCOPE等台网 33个数字台站及部分数字流动台的长周期面波资料 ,采用改进的Occam网格反演方法 ,在获得中国大陆及其邻近区域 (5°～ 5 5°N ,6 8°～ 15 0°E) 1°× 1°的 7～ 184s周期Rayleigh波群速度频散的基础上 ,进一步反演青藏高原及邻区 (2 0°～ 40°N ,75°～ 10 5°E)内每个经纬度节点介质的S波速度结构 ,获得了 0～ 42 0km深度地壳上地幔的三维速度分布。研究结果显示 :青藏高原不但具有厚壳 (6 0～ 70km)和厚岩石圈 (超过 2 0 0km) ,而且高原深部结构和速度分布存在明显的横向变化和分区特征。

福建地区地壳上地幔S波速度结构与泊松比

利用在福建地区布置的12个宽频带数字地震流动台站和8个固定台站记录的远震P波波形数据进行接收函数计算,运用H-k搜索叠加方法得到了研究区的平均地壳厚度H与波速比k(=VP/VS),并运用接收函数反演方法得到了0～80km范围内的地壳和上地幔S波速度结构。H-k叠加结果表明,福建地区地壳厚度在28.4～32.8km范围内,从内陆到沿海变薄,从南到北变厚;沿着NW—SE方向,泊松比分布有分带特征,沿海地区泊松比高于内陆地区;同时表明,该地区地壳可分为上、中、下地壳,地壳结构横向差异较明显,多个台站下方可发现壳内低速层,沿海地区上地幔顶部平均速度相对低,可能暗示了深部存在热异常区域。

根据接收函数反演得到的首都圈地壳上地幔三维S波速度结构

利用2002-2003年中国地震局地质研究所台阵实验室以唐山大震区为中心布设的40个流动宽频带地震台站和首都圈数字台网的33个宽频带台站的远震数据,采用接收函数非线性反演方法得到其中72个宽频带台站下方60 km深度范围内的S波速度结构.根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度结构,并综合刘启元等(1997)用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了39°N-41°N ,114°E-7.19. 5°E区域内沿不同走向、不同深度S波速度分布.由于综合了利用首都圈数字地震台网的宽频带台站以及流动地震台阵的观测数据,本文给出了较前人同类研究空间分辨率更好的结果.结果表明:(1)研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂.在10-20 km深度范围内,研究区地壳具有高速和低速异常块体的交错结构.研究区中上地壳速度结构主要被与张渤地震带大体重合的NW向高速条带和穿越唐山大震区的NE向高速条带所控制,而其中下地壳的速度结构主要为延怀一三河一唐山地区上地幔隆起所控制.(2)研究区内存在若干壳内S波低速体,它们主要分布在唐山,三河及延怀盆地等地区.在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面的隆起和上地幔顶部速度结构的横向变化.(3)地表断层分布与地壳速度结构分区有较好的相关性,表明断层对不同块体有明显的控制作用.其中,宝坻断裂,香河断裂和唐山断裂均为超壳断裂.(4)首都圈内大地震的分布与壳内低速体及上地幔顶部的速度结构有密切关系.对于唐山大地震的成因,仅考虑板块作用引起的水平应力场是不够的,有必要充分重视由于上地幔变形引起的地壳垂直变形和上地幔物质侵人造成的热效应.

云南地区地壳中上部横波速度结构研究

根据云南地区的基阶瑞利波相速度频散资料 ,用面波层析成像方法反演得到该区域中上地壳S波速度结构 .给出了研究区域内在 4个深度上的S波速度水平分布图像和沿 10 0 .5°E、2 4°N、2 5°N、2 6°N及 2 7°N的S波速度 -深度剖面图 .结果表明 :在小江断裂与红河断裂围成的川滇菱形块体内 ,2 6～ 30km深度处的速度明显低于周边地区 ,其南段从地表到 15km深度均为明显的低速区域 .云南地区的强震 (M >6 .0 )震中位置与S波速度分布图像具有明显的相关性 ,主要分布于高速与低速的过渡区域 .

合肥市地壳浅部三维速度结构及城市沉积环境初探

合肥市位于合肥盆地东南缘,东侧紧邻郯庐断裂带,多条大型隐伏断裂穿过市区.为进一步认识合肥城市下方隐伏断裂的空间展布、性质,以及城市复杂的沉积环境,本文利用布设在合肥市区的58套三分量短周期地震仪组成的台阵,获得了37天的三分量连续波形数据,通过基于射线追踪的面波走时直接成像方法反演得到了合肥市地壳浅部0.6~3.6 km的三维剪切波速度结构,速度结构图像展现了地壳浅部的横向不均匀性和纵向成层性,揭示出NNE、NWW和近EW三组不同走向的隐伏断裂在城市地下浅部的构造特征.取得以下认识:(1)合肥市南、北方向在浅地表(2 km以内)存在显著速度差异,速度分界线位置与已知的近EW向的蜀山断裂一致,断裂南侧呈现低速凹陷,北侧则为高速隆起.低速中心深度达2~3 km,速度异常与该断裂在合肥盆地东部演化过程中的构造反转沉积了不同地层有关;(2)合肥市区存在明显的高速异常带,其走向、位置与穿过该区域的郯庐断裂带西支主干断裂相符,其中五河—合肥断裂在市区北部以东呈现低速凹陷特征,低速区范围与肥东凹陷晚白垩纪以来的沉积构造边界一致,认为肥东凹陷的最大沉积厚度可达2 km以上;(3)合肥市中心跨郯庐断裂带西支主干断裂之间呈现明显的凹、隆相间的复杂构造,推测其是在多组断裂的共同拉伸作用下形成的小型沉积盆地,沉积中心位于郯庐断裂带内部,最大厚度可达3~4 km.由于其展布方向在不同深度与该区域断裂的走向具有明显的相关性,推测不同深度的沉积形态与郯庐断裂带在不同时期的构造演化过程有关.

福建沿海地区地壳S波速度结构和泊松比分布特征

本文根据福建沿海地区人工地震测深剖面的单分量地震记录,对S波信息进行开发研究。通过对地震记录重新采样,数字处理与分析,获得了该区地壳S波速度模型,结果发现:福建沿海地区的地壳与上地慢S波速度结构可分为三层,即上地壳,中地壳和下地壳;在中地壳普遍发育一层速度为3.4——3.5km/s的低速层,厚度约3—4km;MOHO面深度,泉州以北最浅,仅为28km,宁德以南最深,为32km。 结合P波速度模型,我们获得了该区地壳平均泊松(Poisson)比模型。漳州盆地和福州盆地平均泊松比值表现出异常高值,而泉州、渔溪地带的平均泊松比为相对低值,结果显示:泊松比值的大小与断裂交汇区,特别是地热异常区具有良好的对应关系。

腾冲及其邻区地壳S波速度结构

利用腾冲及其邻区架设的23个台站的远震波形资料,应用接收函数及时间域的线性反演方法反演了各台站下方的S波速度结构,分析该区域的地壳速度结构特征,结果表明:腾冲及其邻区莫霍面深度为39 km左右,整个研究区域地壳厚度从南(32 km)到北(42 km)逐渐增加。不同深度的S波速度结构显示,腾冲附近的中下地壳(30 km附近)呈现为明显低速区,该低速区以腾冲为中心展布,范围约为30 km。低速异常区域与地壳内的岩浆活动和部分熔融物质有关,深部熔融物质为腾冲地区带来了丰富的地热资源。

汶川地震区地壳上地幔三维S波速度结构初步研究

2008年5月12日汶川MW7.9地震发生在龙门山断裂带。龙门山断裂带及其邻域的地壳上地幔三维速度结构的研究对于理解汶川大地震的动力学背景具有重要的意义。2006年10月至2009年10月,在国家重大基础研究项目（973）的支持下,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区（26°-32°N,100°-105°E）布设了由297台宽频带数字地震仪组成的流动观测台阵（简称川西台阵）。根据川西台阵记录的环境噪声和远震波形数据,利用噪声成像技术和接收函数方法,我们研究了川西地区（29°-32°N,100°-105°E）地壳上地幔100km深度范围内的三维S波速度结构。本文得到的结果为研究川西高原和四川盆地的地壳结构提供了新的高分辨率观测证据。我们的结果表明：

三峡水库坝址及邻区中上地壳S波速度结构

利用三峡数字地震台网记录的Sg波到时资料,采用地震层析成像技术,重建了三峡水库坝址及邻区中上地壳的三维速度图象,研究了地壳深部构造,主要结论是:①黄陵背斜的岩性具有固结程度高、岩体均匀完整、埋藏深度至少达14km的特征;②秭归盆地与边缘构造由于岩层一致,而速度结构相同;构造变形的强度决定了秭归盆地及周缘区域沉积层的厚度分布和速度结构特征;③中上地壳中存在上地幔部分熔融物质,主要分布在秭归盆地和培石附近下方;④结晶基底的构造不均匀,顶面和底面起伏变化大,厚度和速度变化较大;⑤速度梯度带与重力梯级带位置一致,重力梯级带成因需要考虑深部构造和介质因素.

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.

由微振动记录用剥层法研究浅层S波速度结构

根据江苏华电句容发电一期2×1000 MW发电机组场地情况,布设了三角形嵌套和同心圆台阵进行微振动观测,采用空间自相关法计算频散曲线,并用剥层法反演得到该工程场地浅部的S波速度结构。反演结果与钻孔探测结果吻合较好,表明用微振动台阵记录反演浅部地壳S波速度结构在工程上是可行的。该方法具有不需要人工源,对避开噪声要求不苛刻、成本低且精度可满足工程要求等优点,故有良好的应用前景。

根据环境地震噪声和远震瑞雷波分析得到的台湾海峡地壳和上地幔S波速度结构

虽然台湾西部的造山运动逐渐减弱，但台湾海峡的确还发生大、小地震。主要由于后勤原因，以前的研究基本没触及该地区。然而该地区的整体地壳构造具有特殊意义，因为它可能提供造山运动之前原始台湾的线索。通过将使用台站对从环境地震噪声提取的时域经验格林函数（TDEGF）与传统面波双台法（TS）相结合，我们能构建出5～120s之间的瑞雷波相速度频散曲线。使用台湾和海峡两岸的台湾宽频带地震台阵（BATS）的台站，我们能够获得该地区不同地方的平均一维Vs结构。如预期所料，结果显示在地壳上部15km内有显著的剪切波速度差异。总的来说，中国大陆沿海地区上地壳和台湾岛西南海域上地壳分别出现最高Vs和最低Vs，它们相差约0．6～1．1km／s。对于海峡的不同地方，海峡中部上地壳Vs结构比北部和南部低约0．1～0．2km／s。台湾海峡地下的上地幔Vs结构（莫霍面-150km）比AK135模型低约0．1～0．3km／s。整体地壳厚度约为30km，比台湾岛下的地壳厚度更薄且变化更小。使用水深超过1000m海域中的短周期频散数据反演地震波速度结构除大陆架外还应将水层考虑进去。

云南数字地震台站下方的S波速度结构研究

通过对云南数字地震台站的宽频带远震接收函数反演 ,获得了云南地区数字地震台站下方 0— 1 0 0km深度范围的S波速度结构 .结果表明 ,云南地区地壳厚度变化剧烈 ,中甸、丽江等西北部地区 ,地壳厚度达 62km左右 ,景洪、思茅和沧源等南部地区 ,地壳厚度仅为32— 34km .厚地壳从西北部向东南方向伸展 ,厚度和范围逐渐减小 ,至通海一带地壳厚度减为 42km ,其形态和范围与小江断裂和元江断裂围成的川滇菱形块体相一致 .地壳厚度较小的东、南部地区Moho面速度界面明显 ;在地壳厚度较大或变化剧烈的地区 ,Moho面大多表现为S波速度的高梯度带 .云南地区S波速度结构具有很强的横向不均匀性 .1 0km深度以上 ,北部地区S波速度明显低于南部地区 ,在 1 0— 2 0km深度范围内 ,北部地区的S波速度比南部地区高 .地壳内部S波速度界面的连续性较差 ,低速层的深度和范围不一 ,近一半的台站下方不存在明显的低速层 .受南部地区上地幔的影响 ,40— 50km深度范围内 ,S波速度南部高、北部低 ,高速区随深度增加逐渐向北推移 ,低速异常区形态与川滇菱形块体的形态趋向一致 .70— 80km深度的上地幔速度分布与云南地区大震分布具有一定的相关性 .

新疆天山地区壳幔S波速度结构特征及变形分析

天山地区地质构造复杂,地震活动频繁,其壳幔变形和深部结构一直受到学者们的高度关注.然而,由于天山地区地震台站资料较少,致使壳幔变形研究结果与解释存在诸多争议.本研究利用在天山地区(40°N—46°N,78°E—92°E)新布设的11个流动宽频带地震台站和该地区39个固定台站的观测资料,采用接收函数与面波联合反演方法,获得了研究区地壳厚度及壳幔S波速度结构.反演结果显示天山地区(41.5°N—44°N,78°E—88°E)平均地壳厚度为56km,塔里木盆地(40°N—41.5°N,79°E—90°E)、准噶尔盆地(44°N—46°N,82°E—90°E)和吐鲁番盆地(42°N—43°N,88°E—90°E)具有较厚的沉积层,地壳平均厚度为43.km、53.km和46km,整体表现为天山厚、盆地相对较薄的特征;在研究区南天山的最高峰(42°N,80.5°E)及北天山的最高峰(43.5°N,86°E)附近,中下地壳存在较厚的低速层,我们认为在强烈挤压作用下低速、低强度的中下地壳强烈变形可能是导致该区域快速隆升的主要原因.在研究区中部,位于塔里木盆地与准噶尔盆地之间的天山地区,中下地壳及上地幔均存在低速层,且盆地莫霍面向天山倾斜明显.结合前人的研究成果推测,在南北向构造挤压应力作用下,塔里木盆地与准噶尔盆地发生了向天山造山带方向的双向壳幔层间插入俯冲.在研究区东部,塔里木盆地东北缘与天山东部接触带的地壳内没有明显的低速层,推测应处在早期挤压变形状态,该区域的壳幔边界为缓变的速度梯度带,可能与上地幔热物质侵入或渗透有关.

利用纯S波输入研究地震台站下方的横波速度结构

震中距在 5 0°左右的深源远震 ,直达波S波震相波列可以与其他震相波列分离 .在层状介质中 ,本文通过传播矩阵方法得到由S波从台下底层输入获得地面理论地震图的新方法 ,并由此拟合了河北省两个地震台短周期S波记录 ,获得台站下方横波速度结构 .结果表明 ,红山台下 1 3km和 2 4km左右有S波低速层存在 ,地壳厚度为 3 3 .9km ;涉县台下 1 8km和3 0km左右有S波低速层存在 .红山台下S波差异显著的 2个低速层夹持的高速层、较薄地壳及上地幔顶部低S波速度结构 ,与 1 96 6年邢台大地震有关 .考虑到S波速度对部分熔融体的敏感性 ,认为地壳S波速度结构可作为揭示强震深部背景的依据之一 .