通州—三河地区沉积层高分辨率三维S波速度结构和径向各向异性

北京大都市区位于冀中凹陷与太行山隆起和燕山褶皱带的交汇区,区内被第四系松软沉积层覆盖,历史和现今的地震活动性表明,其面临潜在的巨震风险.地震风险评估和强地面运动模拟依赖准确的沉积层三维S波速度模型.本文基于布设在通州—三河地区前所未有的密集台阵数据,构建了该区域高分辨率三维S波速度结构和径向各向异性模型.首先将919个台站组成的密集台阵划分为若干子台阵,利用修正的背景噪声聚束分析方法,提取各个子台阵的Love波频散曲线,通过深度反演构建了通州—三河地区三维SH波速度模型.结合由基阶和一阶Rayleigh波模式反演构建的三维SV波速度模型,获得了台阵下方的径向各向异性模型.模型显示,大兴断裂在穿过牛堡屯之后,继续向北东向延伸约20 km.大兴凸起以大兴断裂为界,表现出明显不同的构造特征和沉积过程.断裂的北西侧第四系沉积层较浅,推测约为100~400 m;断裂的南东侧第四系沉积层厚度横向变化较大,发育夏垫凹陷和甘棠凹陷.沉积盆地径向各向异性的幅度可达±20%,地表约0~60 m范围有一较强的负径向各向异性(VSH<VSV)覆盖层,推测与该地区垂直地裂缝发育有关.正的径向各向异性(VSH>VSV)是沉积作用造成的水平层序排列的沉积分层的反映.

2021年9月16日四川泸县M_(S)6.0地震震区三维S波精细速度结构

近年来,四川盆地南缘(川南)中强地震频次增多和地震活动性增强,2021年9月16日四川省泸州市泸县M_(S)6.0地震的发生再次引起国内外学者对川南地区深部孕震环境和潜在地震危险性的密切关注.为了探究泸县6.0级地震震区的深部结构特征,本文基于最新布设于震区70个短周期密集地震台站的观测资料,采用背景噪声成像法构建了泸县M_(S)6.0震区三维S波精细速度结构.研究结果表明,研究区内喻家寺向斜和华蓥山断裂带东/西支深部速度结构表现明显非均匀性,喻家寺向斜构造区在深度3.0 km内表现为低速,随着深度增加,速度逐渐增大.华蓥山断裂带东、西支除了存在局部低速非均匀体,整体上表现为NE-SW展布的高速特征.泸县震源区西侧4.0~6.0 km深度呈现低速异常,东侧则表现高速异常分布,主震位于高低速分界带,震区周边存在大范围的明显线状几何特征的地震分布,震源深度优势分布层位主要集中在3.0~5.0 km之间.综合已有的资料分析,主震西侧的低速异常区指示着该处可能存在流体,推测泸县6.0级地震可能是在区域构造应力和流体扰动的作用下,泸县震区的先存隐伏断层发生错动所致.

三维各向异性TI介质中的P/S波快速解耦技术及在弹性波逆时偏移中的应用

随着多分量采集技术的发展,弹性波逆时偏移技术在三维各向异性介质复杂地质构造成像中得到了广泛的应用.然而耦合的P波场和S波场,会在传播过程中产生串扰噪声,降低弹性波逆时偏移的成像精度.为了解决这一问题,本研究针对具有倾斜各向异性对称轴的三维横向各向同性(Transverse Isotropy,TI)介质,提出了一种矢量弹性波场快速解耦方法,可以有效提高偏移剖面的成像质量.该方法首先通过坐标转换,将观测系统坐标系的垂直轴旋转到TI介质的对称轴方向,在新坐标系下,根据具有垂直对称轴的三维横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质中的分解算子,推导出三维TI介质解耦算子表达式.接着引入一种在空间域快速计算分解波场的方法,来实现空间域矢量P波场和S波场分离,极大地提高了计算效率.最后,通过点积成像条件,将提出的P/S波分解方法引入到三维TI介质弹性波逆时偏移中,得到高精度的PP和PS成像.与以往的波场分解方法相比,本文方法具有数值稳定和计算效率高的特点.数值算例表明,应用上述三维TI分解算子得到的偏移剖面有效压制了噪声,提高了成像质量.

四川芦山M_S7.0地震震源区及其周边区域P波三维速度结构研究

利用四川数字地震台网和流动地震台站在芦山MS7.0地震震后(2013年4月20日—6月23日)记录到的2 026次区域地震事件的28 188条P波到时资料,采用地震层析成像方法反演得到了芦山地震震源区及其周边区域中上地壳P波三维速度结构.结果表明,浅部地壳的P波速度异常分布特征与地表地质构造、地形和岩性密切相关,即成都断陷盆地表现出与第四纪沉积有关的低速异常区;犍为、乐山一带的川中微升区和川青块体龙门山以西的邻近地带均表现为与构造抬升有关的高速异常;宝兴、康定附近分布的基性火山岩及火山碎屑岩均呈局部高速异常分布.芦山地震震源位于高低速异常分界线附近且偏向高速体一侧,其下方存在明显的低速异常分布,可能与流体的存在有关.流体的作用导致中上地壳内部发震层的弱化,使孕震断层易于破裂,可能对芦山地震起到了触发作用.芦山地震与汶川地震两次地震的余震密集区相距50km,这50km地震空区震源体的深度范围附近目前正处于高速异常区内,加之龙门山断裂带西南段又具有比较典型的断错地貌发育,使得该段地震空区(大邑—邛崃活动断裂破裂空段)现在所处的深浅部构造环境变得复杂,其潜在的地震危险性仍值得进一步关注.

2019年长宁M_(s)6.0地震周边区域速度与P波各向异性成像研究

利用基于程函方程求解的地震走时层析成像方法对2019年长宁M_(s)6.0地震震中及其周边区域进行反演成像,获得了该区域高分辨率三维P波、S波速度结构以及P波方位角各向异性参数分布,并对几个典型剖面的泊松比结构进行了分析。结果表明,方位角各向异性对地震波P波走时具有显著的影响;研究区域上地壳速度结构存在显著的非均匀性,且一些相对低速异常与注水采盐、天然气水力压裂开采及废水回注等工业活动区域具有明显的对应关系,显示人类的工业活动可能已经对上地壳的物质性质产生了影响。长宁地震的发生可能由注水采盐活动直接诱发,而由工业活动所造成的速度异常结构对区域内地震的发生可能产生的影响是持续性的。区域内P波方位角各向异性可能受板块运动和主压应力影响,而长宁地震序列震源区域浅层P波方位角各向异性以近EW向为主,与该区域的主压应力方向基本一致。这些结果为认识四川盆地东南缘精细地壳结构、深部物质运动和动力学机制提供了新的资料。

芦山震区地壳三维P波速度精细结构及地震重定位研究

联合芦山地震序列5285个地震的50711条P波初至绝对到时数据及7294691条高质量的相对到时数据,利用双差地震层析成像方法联合反演了芦山震源区高分辨率的三维P波速度精细结构及5115个地震震源参数.反演结果表明,芦山主震震中为30.28°N,103.98°E,震源深度为16.38km,主震南西段余震扩展长度约23km,余震前缘倾角较和缓,主震北东段余震扩展长度约12km,余震前缘呈铲形,倾角较陡.芦山震源区P波三维速度结构表现出明显的横向不均匀性,近地表处的P波速度异常与地形起伏及地质构造密切相关:宝兴杂岩对应明显的高速异常,此异常由地表延伸到地下15km深度附近,而中新生代岩石表现为低速异常;大兴附近区域亦显示出小范围的大幅度高速异常,宝兴高速异常与大兴高速异常在10km深度附近相连,进而增加了芦山震源区的高低速异常对比幅度.在芦山主震的南西、北东两段速度结构存在着较大差异,芦山主震在水平向位于宝兴及大兴高速异常所包围的低速异常的前缘.主震南西段余震主要发生在倾向北西的高低速异常转换带上并靠近低速一侧,其下盘为低速异常,上盘为高速异常.而芦山主震北东段的余震主要分布在宝兴高速体与大兴高速体之间,主发震层向北西倾斜,主发震层上方的宝兴高速异常下边界出现一条南东倾向的反冲地震带,两地震带呈"y"型分布.

利用数字地震记录研究唐山震区台下的P、S波速度结构

直接采集数字地震记录的原始 P波、S波记录波形 ,与利用 Haskell矩阵传递方法得到的理论综合地震图进行对比 ,通过不断调整介质模型 ,最后得到台站下方的体波速度结构模型 ,此方法中得到的 S波速度结构不同于通过其他波形转换而来的结果 ,而是同 P波一样从原始波形拟合而来 ,同时获得地震台下方 P、S速度介质模型 ,这为我们讨论地下介质的性质提供了更多的信息。数字地震波形资料取自于唐山市遥测地震台网陡河和滦县的短周期地震记录 ,共选用了震中距范围为 30～ 60°、震源深度为 1 0 0～ 60 0 km的 5个不同地点的深源远震记录资料。结果表明 ,台站下方的纵波和横波速度分层结构相当吻合 ,说明拟合结果相当可靠。两个台站下的地壳厚度均为 38km,速度结构在 1 3km的低速层处出现差异 ,滦县的低速层比陡河要更厚一些。两个台站的地壳速度结构都是高低相同 ,而且陡河的高低差异较滦县更为显著。唐山震区滦县部分的震源比陡河附近的浅 ,而 1 976年唐山 7.8级地震发生在陡河附近 ,可见地震的发生与壳内低速层的差异幅度有关。从泊松比高值来看 ,地幔顶部存在低速层 ,该区域是地幔上隆区 。

2015年尼泊尔M_S8.1地震震源区S波三维速度结构与强震发生机理研究

利用2001—2003年期间在2015年4月12日尼泊尔MS8.1级强震震源区流动地震观测记录到的连续波形数据,提取了5～25s周期的瑞利波相速度频散曲线,并构建了尼泊尔地震震源区二维瑞利波相速度分布图像.以0.5°×0.5°为网格大小将研究区网格化,采用NA算法反演得到尼泊尔地震震源地区三维S波速度结构.结果显示,在上地壳,以主前锋逆冲断裂带（MFT）为界,其以北地区为高波速异常,而其以南为明显低波速异常;在中地壳,以藏南拆离系（STDS）为界,南北两侧速度结构也存在明显差别,以南地区为明显高波速异常,而以北地区为明显低波速异常.这些结构特征说明,印度板块与欧亚板块碰撞挤压作用形成地幔热物质上涌并造成地壳物质部分熔融,并由此形成了东西向拉张的南北向裂谷.2015年尼泊尔MS8.1级主震和最大余震均发生于高低波速异常过渡区且偏向高波速异常区,暗示了这样的波速异常区易于积累能量孕育强震.主震和最大余震的南侧均存在明显的低波速异常,与主喜马拉雅滑脱断裂带（MHT）相对应,可能代表部分熔融或深部流体作用于主边界断裂带（MBT）附近的MHT断裂带,降低断层面上的有效正应力,从而触发尼泊尔强震及最大余震的发生.主震与最大余震之间的余震分布于高低波速异常变化较为明显的地区,说明研究区内地震的发生受震源区附近的速度结构控制.

华北北部地区地壳三维P波速度结构的双差地震层析成像

利用区域固定台站和华北科学探测台阵记录的10 461个近震事件的183 909个Pg波绝对走时和495 753个相对走时数据,采用双差地震层析成像获得华北北部(37.5°～41.5°N,111.5°～119.5°E)范围内的地壳三维P波速度结构模型。结果表明:研究区内各主要构造单元具有明显不同的速度结构特征,速度异常的走向与区域构造的走向一致,浅层速度图像很好地反映了地表地质和岩性的变化;重定位后的大部分地震集中在0～20km的深度上,主要位于低速区的内部或高速和低速区的交界部位;三河—平谷和唐山地震震源区中、下地壳的低速异常可能是流体的显示。结合前人成果和本文模型所揭示的深、浅结构,我们认为太平洋板块在中国东部之下的俯冲和滞留引起板块脱水、软流圈物质上涌等一系列过程,软流圈热物质到达上地幔顶部并沿超壳断裂上侵进入地壳,致使上地幔顶部和下地壳中的含水矿物发生脱水作用产生流体,流体继续上移造成中、上地壳发震层的弱化,从而导致大地震的发生。因此华北北部地区的强震活动,以及地壳结构的非均匀性应是与太平洋板块俯冲、滞留引起的深部过程密切相关的。

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：

滇西北地区主要断裂带及邻区三维P波速度结构的双差地震层析成像

利用区域固定台站和中国地震科学探测台阵记录的7349个近震事件的60471个Pg波绝对走时和196465个相对走时数据,采用双差地震层析成像获得滇西北地区(25°~28.2°N,99.5°~101.5°E)横向分辨率为0.2°的中、上地壳的三维P波速度模型,重点分析了区域内各主要断裂带及其邻区的速度结构特征。结果表明:金沙江—红河断裂带北段15 km以上的P波速度较低,重定位后中、小地震的震中主要位于低速异常的内部,且震源深度在断裂带两侧相似;推测金沙江—红河断裂带作为川滇菱形块体西南边界的剪切控制作用已弱化,分界能力局部减弱,并且断裂带下方主体的低速异常可能为跨越断裂的动力传递提供条件。丽江—小金河断裂带(西南段)两侧存在大范围的P波低速异常,推测此低速体可能是青藏高原东南向挤出的物质,而程海断裂带以东从近地表至25 km深处明显的P波高速异常体则可能会阻挡高原物质东南向的逃逸。

新疆天山中段地壳和上地幔顶部P波速度结构研究

天山造山带一直以来是研究盆山耦合作用的理想场所,深入理解这一地区的壳幔结构对认识天山造山带深部动力学过程具有重要意义.本研究基于2009—2020年新疆区域数字地震台网固定台站、震后架设应急流动台站以及部分宽频带流动地震台站记录到的MS≥1.5地震到时资料,采用双差地震层析成像方法反演获得了新疆天山中段精细的地壳和上地幔顶部三维P波速度结构和地震震源参数.结果显示:新疆天山中段具有复杂的深浅构造关系,地壳浅部及上地壳P波速度结构与地表地质构造密切相关,高速异常区对应于天山造山带,低速异常区对应于沉积盆地.研究区中东段中地壳和下地壳存在较大范围低速区,与两侧准噶尔盆地和塔里木盆地上地壳和中地壳低速区相连,且准噶尔盆地和塔里木盆地下地壳及上地幔顶部双向均向新疆天山中段下方倾斜.结合前人诸多研究成果推测,在南北向构造挤压作用下,塔里木盆地与准噶尔盆地双向向天山造山带壳幔岩石圈发生"层间插入与俯冲削减".重定位后地震分布显示,地震震源深度优势范围为0~25 km,主要沿断裂带、盆山结合部以及不同块体接触部位分布,且与壳内低速体有较好的相关性.这些结果可能为研究新疆天山中段地壳和上地幔顶部速度结构和动力学过程提供参考依据.

晋冀蒙交界地区地壳三维P波速度结构及地震活动性研究

2014年9月晋冀蒙临时地震台网正式运行,为晋冀蒙交界地区的地震研究提供了丰富的资料。结合临时台与固定台记录的P波走时资料,采用双差层析成像方法对该区进行地震重定位和三维P波速度结构联合反演,分析该区3个典型盆地的速度扰动结果,结果表明,地震重定位残差显著降低,震源深度分布更加合理;P波速度浅层基本符合平原地区低速、山区高速的特点,深层则有相反表现,典型盆地P波速度在浅层较为复杂,高低速相间,深层表现为低速;研究时段内忻定盆地和延怀盆地地震活动密集,大同盆地地震活动较弱,低速体及边缘地震活动强度高于高速体及边缘。

中国东部及其相邻海域S波三维速度结构

本文选用了中国27个基准台763长周期地震仪和WWSSN 3个地震台长周期地震仪记录的238条瑞利波路径资料,用适配滤波频时分析和改进的网格反演方法,研究了中国及邻海170km深度范围内S波三维速度结构.本文只给出中国东部及邻海的研究结果. 结果表明,该研究区内直到170km深度范围内的速度结构,具有以40°—44°N,28°—32°N和20°N左右为界南北分块以及大体沿岛弧走向呈条带状的特征.这些特征与大地构造单元的划分有明显的关系.同时发现布格重力异常基本上受莫霍面的控制,地表热流值与上地幔低速层的埋深也有明显的相关性.

小江断裂带周边地区三维P波速度结构及其构造意义

作为青藏高原的东南边界,小江断裂带在高原物质的侧向逃逸中发挥着重要的作用.本文利用流动地震台阵及固定台站的走时观测资料,对小江断裂带及周边区域的壳幔三维P波速度结构进行了研究.结果表明,在中上地壳,小江断裂带内部主要为低速异常,其东侧主要为高速异常.在中下地壳,小江断裂带中部为低速异常,北部和南部主要为高速异常,其中北部的高速异常可延伸到地表附近,南部的高速异常可一直延伸到上地幔.我们推测,小江断裂带中部的低速异常与深部热作用有关;北部的高速异常可能是晚古生代地幔柱活动导致大量基性和超基性幔源物质侵入地壳引起的,它的存在对青藏高原物质向南逃逸起到了一定的阻挡作用,可能是导致川滇活动块体北部次级块体快速抬升的重要因素;南部顶界面向北倾斜的高速异常体对川滇活动块体向南滑移起到了进一步的阻挡作用,导致其上覆的中上地壳低速异常区发生较强的变形和强烈的地震活动,同时在上地幔深度范围起到了稳定的作用,使其南部区域的介质受青藏高原物质向南挤出的影响明显减小.

华北地区地壳P波三维速度结构

1968年邢台地震以后的30余年中,中国地震局系统先后在大华北地区布置30余条、近20000km的人工地震宽角反射/折射深地震测深(DSS)剖面,用以研究地壳及上地幔顶部的速度结构,取得了大量研究成果.但以往的研究明显的不足是未能形成华北区域性的地壳三维速度结构模型,从大区域的角度为研究华北地区地壳深部构造特征提供地震学方面的依据.因此,在现已发表的DSS剖面资料的基础上,选择了14条测线的资料,利用地理信息系统(ARC/INFO)的"矢量化"功能,以及克里格数据网格化技术构建华北区域性的地壳三维速度结构模型,从而对华北研究区内地壳三维速度结构的特点得到如下认识:(1)华北地区地壳表层P波速度变化幅度大,平面结构较复杂,大体上划分为相间排列、走向趋势以北西向为主的3个速度区.海河平原和渤海湾的低速带是研究区范围内速度最低的低速区.资料的情况说明,研究区内沉积盖层的地质构造与上地壳构造之间虽有一定继承性,但也存在较大差别.(2)总体上看,在华北研究区内地壳的P波速度随深度增大而增大,但局部地区出现速度倒转的现象,东区的海河平原低速异常逐渐消失,而西区的山西地堑则以相对低速异常特征为主.区内地壳以太行山脉为界,划分为东、西两区;东部和西部,结晶基底以上地层的构造方向不完全一致;东部的黄淮海地块,区域构造以北东向为主,而西部包括山西地块和鄂尔多斯地块东缘,其构造方向则以北西向为主.(3)根据莫霍面的形态特征,研究区地壳可大致划分为6个区块;在山西地块范围内,莫霍面呈近南北向的凹陷带,地壳厚度大;内蒙古地块南缘和燕山地块南部,莫霍面表现出褶皱带的构造特征,其延展趋势为近东西方向;鄂尔多斯地块东缘,莫霍面构造相对复杂,呈近北西向凸、凹相伴的褶皱;黄淮海地块(华北裂谷带中、北部)为莫霍面隆坳区,隆、坳相间排列,构造较复杂,但从整体上看,这是全区莫霍面最浅的隆起区段;鲁西台背斜主要为莫霍面断陷区,其断陷带沿枣庄—曲阜一线向北西方向延伸.

京津唐地区中上地壳三维P波速度结构

根据华北遥测台网和延庆-怀来数字地震台网记录的京津唐地区(113.5～119.5E,38.0 ～41.5N)1992～1999年共16 048条P波首波到时资料,利用近震层析成像方法反演了该地区中、上地壳三维P波速度结构,并用所得到的地震波三维P波速度模型同时得到了震级ML1.7～6.2的1 132次地震的精确震源参数.反演结果揭示了京津唐地区地震P波速度结构明显的横向不均匀性.

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 .

川滇地区三维P波速度结构反演与构造分析

根据205个区域台站记录的近60000条地震初至P波走时资料,采用层析成像理论与伪弯曲射线追踪方法,反演了川滇地区地壳上地幔的三维P波速度结构.结合区域地质构造以及地球物理背景,分析和解释了三维速度结构图像反映的川滇地区不同深度的介质结构与构造特征.结果表明:(1)沉积盆地、高山山地等主要表现出速度负异常的特征,有的高山山体负异常可深达下地壳与上地幔,反映了新造山带的强烈构造隆升与相伴的重力均衡作用;(2)川滇块体周缘大型活动断裂带附近的中下地壳内普遍存在低速层,它们的存在为调节断裂和块体运动提供了深部解耦条件;(3)根据对P波速度结构图像的分析,识别和推断出川滇地区若干主要活动断裂的深部构造特征及它们倾向与下延深度.

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 .