川滇及邻区Pn波速度结构和各向异性研究

川滇地区是中国大陆构造变形及地震活动最强烈的区域之一.本文利用从国际地震中心(ISC)、中国地震台网以及云南、四川、重庆三个省级地震台网的地震观测报告中严格挑选出的53673个Pn波到时数据,用Pn波层析成像方法反演了川滇地区的Pn波速度结构和各向异性.结果表明该地区上地幔顶部速度结构的横向变化与现代构造运动有明显的关联:盆地地区上地幔顶部速度明显高于其周边区域,四川盆地尤为突出,其上地幔顶部P波速度是整个研究区域的高值;上地幔顶部P波速度低值区与研究区现代火山活动区域(如腾冲)及高热泉活动区域(如康定)有明显的相关性.强震大都发生在Pn波速低值区或Pn波速低值边界区.Pn波速度低速带与狭义的南北地震带相吻合,反映出上地幔顶部的流变性对构造应力的传递起着重要作用.Pn波各向异性表明:位于川青块体与四川盆地交界的龙门山地区,快波方向与该区域绝对运动方向不一致,而是基本沿龙门山断裂走向,这表明该地区的各向异性主要受龙门山断裂对Moho面切割变形的影响.而在其他区域的Pn波各向异性方向大体与当地块体的绝对运动方向一致,说明其各向异性主要是由板块运动产生的软流圈变形引起.

南海东北部及其邻近地区的Pn波速度结构与各向异性

利用中国地震台网和ISC台站1980-2004年的地震数据，反演了南海东北部及其邻近地区的Pn波速度结构和各向异性.上地幔顶部的速度变化揭示出区域地质构造的深部特征：华南地区速度较高并且变化平缓，具有构造稳定地区的岩石层地幔特征；华南沿海尤其是滨海断裂带附近出现低速异常，表明该断裂可能穿过壳幔边界深达上地幔顶部.南海北部至台湾海峡较高的速度与华南地区类似，反映出大陆边缘和陆架地区的岩石层地幔性质；西沙海槽附近较高的速度不仅反映了华南大陆向南的延伸，而且与海槽裂谷拉张引起的地幔上拱有关，整个南海北部没有发现大规模地幔热流的活动痕迹.相比之下，南海东部次海盆的上地幔顶部存在明显的低速异常，对应于海底扩张中心的地幔上涌区，表明岩石层地幔强烈减薄甚至缺失；台湾东部-吕宋-菲律宾北部的低速异常与地震、火山活动以及岩浆作用紧密相关，揭示了西太平洋岛弧俯冲带的活动特征；南海东北部的洋-陆边界清晰，南海东部和菲律宾海西部较高的速度代表了海洋岩石层地幔的性质.Pn波各向异性反映出区域性构造应力状态及岩石层地幔的变形痕迹：华南地区的各向异性较小，说明这一构造稳定地区的岩石层地幔变形程度较弱；南海北部的快波方向与地壳浅表层构造的伸展方向一致，主要反映了中、新生代以来的大陆边缘张裂和剪切作用对岩石层地幔结构的影响；琉球-台湾-吕宋岛弧两侧各向异性十分强烈，平行于海沟的快波方向表明菲律宾海板块和欧亚大陆的相互作用导致俯冲板块前缘的岩石层地幔强烈变形；台湾东南海域快波方向的变化可能与欧亚大陆和菲律宾海板块俯冲机制的转换以及岩石层被撕裂有关.

黄海及其邻近地区的Pn波速度与各向异性

利用中国东部地震台网和ISC报告1980～2004年的地震走时数据,反演了黄海及其邻近地区的Pn波速度和各向异性,根据岩石层地幔的横向非均匀性分析了区域地质构造的深部特点.Pn波速度的变化与区域地质构造有一定的对应关系,黄海地区上地幔顶部的P波平均速度较高,没有发现明显的低速异常,表明上地幔顶部不存在大范围的地幔扰动.速度异常的分布表明,南黄海东部和西部有可能分属于不同的构造块体,其间的分界大致对应于南北走向的黄海东部断裂带,具有相对较低的Pn波速度.边界东、西两侧的Pn波各向异性存在明显的差异:南黄海西部Pn波的快波方向以北东—北北东方向为主,反映了海区内部扬子块体向北运动产生的构造变形;南黄海东部Pn波的快波方向为南北方向,与黄海东部断裂带的走向基本一致,说明黄海东部和西部之间存在一个深达岩石层地幔的南北向转换边界.结合相关资料估计黄海东部断裂带在中生代时期发生了右旋走滑运动,以响应中国东部郯庐断裂带的大规模左旋剪切以及南黄海扬子块体的向北嵌入.

郯庐断裂带中南段及邻区Pn波速度结构与各向异性

郯庐断裂带是一条纵贯我国大陆东部NNE走向的巨型深断裂,其中南段及邻区（115°E—122°E,29°N—38°N）跨越了华北断块区、扬子断块区和华南褶皱系三大一级构造单元,由于其重要性和复杂性,长期以来一直是地学家们研究的热点.本文从国际地震中心（ISC）、中国地震台网及区域地震台网的地震观测报告中精心挑选出6381个Pn震相数据,用Pn波时间项层析成像法反演得到了郯庐断裂带中南段及邻区上地幔顶部Pn波速度结构和各向异性.结果显示,研究区上地幔顶部具有显著的横向非均匀性,相对于7.95km·s-1的平均速度而言,Pn波速度值在7.68-8.24km·s-1范围内变化.Pn波速度分布在郯庐断裂带中段和南段具有分段性：沿中段及周边存在一NE向低速异常带,低速可能是由于岩石圈的减薄和软流圈的高温物质沿郯庐带上涌导致;沿南段表现为一NNE向弱高波速异常带,作为高低速的边界带清晰地勾勒出了华北与扬子这两个不同块体,该边界在江苏域向华北地块NW方向凹进.Pn波速度各向异性的强弱与速度分布存在一定的相关性.总体上,如鲁西隆起及以南等低速区、茅山断裂附近的高低速过渡带,其速度各向异性较为强烈;而在具有高速异常的苏北盆地、合肥盆地等稳定区域下方其各向异性较弱.本文通过Pn波震相基本未能探测到郯庐断裂带中段的方位各向异性,推测是上地幔顶部被＂冻结＂下来的各向异性痕迹被软流圈热物质上涌这一强烈构造运动削弱所导致.南段具有与断裂伸展方向近乎平行的快波速方向.Pn波速度横向变化和强震活动存在一定关联.强震主要发生在Pn波低速异常区或高低速过渡带上.郯城8.5级地震震中位于中段和南段高低速过渡带,该区域也是速度横向变化最大的地方,最容易集中应力和产生应力差.

中天山地区的Pn波速度结构与各向异性

利用宽频带流动地震台阵GHENGIS和吉尔吉斯地震台网KNET记录的地震波走时数据,反演了中天山地区的Pn波速度结构和各向异性.结果表明,中天山上地幔顶部平均速度偏低,具有构造活动地区的特点和明显的横向非均匀性;中天山南部地幔上涌区的Pn波速度非常低,表明存在较高的热流活动.Pn波速度的变化与地震分布有着密切的对应关系:地震大都发生在中天山北部Pn波高速区上方,而南部的Pn波低速区上方几乎没有地震.这一现象说明地幔上涌引起高温极大地降低了岩石层地幔的强度,并以热传导的方式进入地壳使其失去地震破裂强度而发生韧性变形.中天山北部和南部的各向异性也存在一定的差异,南部各向异性的快波方向为近南北方向,与SKS波的各向异性特征基本一致,反映了地幔物质的迁移方向;北部各向异性的快波方向呈向南凸出的旋转趋势,估计与哈萨克地台南缘楚河盆地地壳块体向天山挤入造成应力场的改变和岩石层变形有关.

郯庐断裂带及其邻区上地幔顶部Pn波速度与各向异性层析成像

本研究拾取了中国数字测震台网固定台站记录的2008—2016年2级以上地震事件中的27233条高质量Pn到时资料,反演得到了郯庐断裂带及其邻区上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区上地幔顶部Pn波速度结构存在强烈的横向不均匀性,速度异常形态与区域地质构造较为吻合.太行山造山带、鲁西隆起、大别造山带、苏鲁褶皱带、胶辽隆起和华北盆地南端等隆起区表现为低波速异常,而黄海北、南部盆地、渤海湾和华北盆地北部等凹陷区均为高波速异常.壳内强震主要发生在Pn低波速异常和高低波速异常的横向过渡地带,说明强震的发生与上地幔结构的横向变化之间存在有一定关联.郯庐断裂带两侧Pn波速度以郯城地震为界其东北侧和西南侧分别分布有与断裂带近平行的低波速异常条带,而西北侧和东南侧分别分布有高波速异常条带,各向异性快波方向近乎沿断裂带走向,可能由于上地幔热物质沿郯庐断裂带上涌形成低速异常后断裂带发生左旋平移运动所致.华北盆地内上地幔顶部Pn波速度结构和各向异性的明显变化,反映华北克拉通破坏过程中经历了地幔热物质上涌、莫霍面隆升以及岩石圈拆沉等复杂构造变形.

天山造山带Pn波速度与各向异性成像

天山造山带位于中亚哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和我国境内，距离印度板块与欧亚板块间碰撞带约2000 km，在东西方向上绵延近2500 km，是世界上最典型的陆内造山带之一，是研究陆内造山带形成机理的理想场所。前人利用对天山造山带的速度结构做过大量的研究，包括利用Pn波对中天山和东天山地区上地幔顶部速度与各向异性成像研究，以及使用三维体波速度成像技术对天山地区的地壳与地幔速度结构进行探讨，大量背景噪声成像方面的工作在天山地区也得到了开展。

中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性

中国东部地处欧亚板块东南部,紧邻西太平洋板块俯冲带,有着复杂的地质构造和深部结构,是国内外学者研究的重点区域.本文采用Pn波层析成像方法反演得到了中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性.研究中应用的Pn到时数据主要来自多种地震观测报告,并特别补充了东北流动台阵、华北流动台阵以及区域地震台网记录的地震事件,拾取了大量高精度的Pn到时数据,最终挑选出2049个台站记录的24072次地震的240814条Pn波到时数据.结果显示,中国东部地区上地幔顶部平均速度为8.06km·s-1,速度变化范围为7.81~8.32km·s-1.东北地区东部表现为显著的低速异常,华北克拉通中、东部Pn呈现低速,而西部地区则表现为高速异常,华南地块主体表现为高速.反演结果还揭示江汉盆地、下辽河盆地、二连盆地及海拉尔盆地都显示出高速,而四川盆地和松辽盆地内部则呈现出不均匀的结构特征.四川盆地的高速异常显示出明显的分块现象,这可能是该盆地在沉积前具有不同的基底物质;松辽盆地的北部呈现为高速,而南部却表现为低速异常,这一特征与松辽盆地南、北部分别为高、低热流相对应,暗示盆地南部的岩石圈已经历了改造.研究进一步揭示Pn波低速区和高、低速过渡带的各向异性也较为强烈,而大部分强震都发生在这些区域之上的地壳内,说明这些部位容易发生变形而应力集中或产生应力差.

青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性研究

本研究使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设流动地震台站以及青藏高原周边地区固定地震台站记录到的波形资料,提取了大量高质量Pn波到时资料.联合中国地震台网观测报告,我们获得了一个新的青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区内上地幔顶部存在明显横向不均匀性.古老盆地和稳定地台区如四川盆地、柴达木盆地、拉萨地块和阿拉善块体呈现为明显高波速异常,而祁连山至西秦岭褶皱带和川滇菱形块体北部等为相对弱高波速异常.在龙日坝断裂带以东的松潘—甘孜地块往南沿安宁河—则木河断裂至川滇菱形块体南部显示为一条近南北向明显低波速异常.三江褶皱系、缅甸弧俯冲带以及四川盆地东南等地区为明显低波速异常.地壳强震多发生在高波速异常边缘或高低波速异常过渡带上,表明地壳强震的孕育可能还与地幔构造作用存在一定相关性.青藏高原东构造结的各向异性快波方向呈顺时针旋转分布,与印度—欧亚碰撞密切相关.龙门山断裂带东西两侧的各向异性快波方向发生明显变化,由其西侧松潘—甘孜地块下方的NE向转变为四川盆地下方的近EW向,说明青藏高原物质流动遇四川盆地后分为NE和SW向两支.在川滇地区26°N以南地区上地幔顶部各向异性呈现近NS向与地表GPS观测相一致,但与SKS分裂结果存在较大差异,可能表明地壳与上地幔顶部形变表现为耦合现象,而上地幔顶部至岩石圈内部则存在解耦现象.

华北地区上地幔顶部Pn波速度结构及其构造含义

利用20301条全国及区域地震台网的Pn波射线的走时资料,采用地震层析成像方法反演了华北地区上地幔顶部Pn波速度结构。结果表明,华北地区Pn波平均速度为7.92km/s,横向速度变化量从-0.21～+0.29km/s,Pn波高、低速异常区沿NNE向相间排列,从西向东有鄂尔多斯地块中部高速区、山西地堑低速区、冀中坳陷高速区、鲁西隆起及渤海湾低速区、郯庐断裂带以东高速区,华北地块商界除秦岭一带里高速异常外其余为低速异常。大同附近新生代火山区呈现较大的波速各向异性,快波方向呈NNE-SSW向;渤海湾周围也显示出显著的各向异性,并呈旋转趋势,反映了该区地幔流动变形的迹象。华北地区Pn波速度与大地热流之间具有负相关关系,Pn波低速异常区,对应着高热流值,如:山西地堑、渤海湾;而在Pn波高速异常区,对应着低热流值,如:冀中坳陷。这表明本区Pn波速度变化主要是上地幔顶部存在温度差异的结果。强震主要发生在低速异常区以及高、低速异常区的交界带上面的地壳内,在低速异常区发生的地震,其震源深度较浅;在高、低速异常区的交界带发生的地震,其震源深度较深。

四川西部暨龙门山地区的Pn波速度和各向异性

利用天然地震的走时数据和层析成像方法反演了四川西部及邻近地区的Pn波速度和各向异性,据此分析了龙门山的上地幔结构和汶川地震的深部构造特征.研究结果揭示了龙门山断裂两侧Pn波速度的差异:松潘-甘孜造山带速度偏低,四川盆地速度偏高;前者易于发生流动和韧性变形,后者显示出较强的刚性,反映出活动造山带和稳定地块岩石层地幔的不同性质.高速区和低速区的分界对应于龙门山断裂,大体上以汶川为界,北段相对平直且与余震的震中分布相一致,南段向四川盆地一侧凹进弯曲,汶川8级地震的震中位于北段和南段之间速度结构横向变化最大的区域,也是龙门山深层构造应力最易于集中和最易于产生应力差的地区,具有十分明显的深部构造特征.Pn波各向异性反映出的深部物质流动与青藏高原的向东运动相吻合,但是明显受到四川盆地刚性岩石层的阻挡,这一作用过程为龙门山地区的应力积累和汶川8级地震的发生提供了深部动力来源.龙门山断裂与上地幔顶部的各向异性无明显的对应关系,估计该断裂的活动仅限于地壳内部,而深部物质的流动与川滇地块沿着鲜水河断裂的旋转挤出有一定的相关性,据此推测龙门山断裂和鲜水河断裂具备不同的深层动力条件.

中国大陆及邻近地区上地幔顶部Sn波速度层析成像

利用《中国地震年报》中 4 36 4 6条Sn射线的走时资料 ,采用层析成像方法反演了中国大陆地区上地幔顶部的Sn波速度结构 .主要结果是 :①全国平均Sn速度为 4 .5 5km s,速度变化量从 - 0 .14km s到 +0 .15km s.②整体上中国Sn速度分布是东低西高 ,塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番—哈密盆地以及柴达木盆地东端、四川盆地及其南部地区等是明显的高Sn速度区 ,鄂尔多斯地台和台湾海峡也是Sn速度较高地区 ,整个华北盆地、渤海湾东部、山西北部和郯庐断裂带 ,Sn速度都比较低 .另外 ,长江中下游地区、青藏高原北部和南北地震带地区 ,Sn速度也较低 .③Sn速度变化分布和构造活动、地壳厚度以及大地热流变化有关 ,分别求得了速度与地壳厚度和大地热流的线性回归方程 .④Sn速度变化和Pn速度变化的区域分布总体上是吻合的 .

青藏高原东部的Pn波层析成像研究

利用INDEPTH/ASCENT台阵和其它布设在青藏高原的流动宽频带地震仪数据,反演了青藏高原东部和周边区域的上地幔顶层Pn波速度以及台站延迟.研究区域的平均Pn波速度是8.1km/s,略高于中国大陆的平均Pn波速度.低速区主要分布在羌塘地块的西部和松潘—甘孜地块,高温异常的岩石圈上地幔很可能是导致这一低速区的原因.班公-怒江缝合带东端区域的Pn波速度达到8.35km/s,这一高速区可能与向北俯冲的印度板块(东端)有关.另一Pn波高速区分布在祁连山和昆仑山之间,主要由柴达木盆地和共和盆地及其周边地区,两个并不完全连续的高速异常区组成,它可能对应于特提斯洋闭合时北部增生的克拉通地体;在后来的欧亚板块与印度板块的碰撞中,这一地体有可能阻挡了青藏高原向北的生长.相对密集的台站提供了高分辨率的速度结构横向分布和地壳厚度变化.台站延迟显示青藏高原北部和东部的地壳存在显著的减薄——松潘—甘孜地块东北缘的地壳厚度仅为约50km,而羌塘地块东部唐古拉山地壳最厚,达到75km,这可能是由于印度—欧亚板块碰撞引起的羌塘地块内部变形增厚所致.

欧洲上地幔顶部Pn速度结构

利用首波Pn的走时资料成像是研究上地幔顶部Moho面的速度结构及各向异性的有利手段。本文收集了ISC(1964年—2001年)欧洲南部554个台站及2831个地震事件的90000多条Pn射线的走时资料,利用地震层析成像方法反演了欧洲南部上地幔顶部Pn波速度结构。结果表明,欧洲南部地区的平均Pn速度为8.0km/s,横向速度变化为-0.3km/s到0.3km/s。Pn波低速异常主要集中在迪纳里德山脉至爱琴海北部;在意大利亚平宁山脉部分、利古里亚海至撒丁岛也表现出明显的低速异常。在亚德里亚海地区,Pn波速度表现出明显的高速异常。

澳大利亚大陆上地幔顶部的速度结构：Pn走时层析成像

澳大利亚大陆的地震速度结构多以面波层析成像、地震折射、接收函数和噪声层析成像为主。澳大利亚大陆的三维速度结构已被总结成澳大利亚地震参考模型(AuSREM)。Pn波走时层析成像可提供整个该大陆更强约束的上地幔结构信息。本文调查了自1993年以来发生在澳大利亚大陆内部大的地震事件的波形和地震震相报告,这些地震事件被固定台站和流动台站所记录。为克服澳大利亚东西部大的横向速度对比和保证震源参数的一致性,所有的地震事件在三维澳大利亚参考速度模型中进行了地震重定位。地震重定位后发现,地震震相的走时残差特征具有良好的一致性。定义Pn波为震中距1.8~15°范围内的初至波。利用FMTOMO方法反演走时差以获得上地幔顶部的P波速度结构,其分辨率为3°×3°。反演结果表明,整个澳大利亚大陆上地幔顶部P波速度呈强烈的横向不均匀性。P波的最大速度为8.36km/s,位于澳大利亚西部和中部的前寒武纪克拉通下方,其比全球ak135模型的P波速度快3.99%;最慢的P波速度为7.66km/s,其位于澳大利亚大陆东缘显生宙造山带之下,较全球ak135模型慢4.74%,这可能与晚第三纪火山活动有关。

东亚地区上地幔顶部P_n速度结构的构造动力学意义

以东亚地区(15°～60°N,60°～145°E)为研究区,通过多种资料渠道收集了研究区内27777次地震在1354个地震台站记录到的296334条Pn波射线,反演了东亚地区上地幔顶部Pn速度结构及其横向变化,并进而探讨了Pn波速度结构横向变化的动力学意义。反演结果给出,东亚地区Pn波平均速度为8.03km/s。横向变化量从-0.42km/s至+0.41km/s。在研究区内,Pn速度和横向变化总体上呈现为东、西2个特征性分区。从太平洋板块边界到中国东部(大致为东经108°以东)为Pn速度偏低区,而东经108°以西为Pn速度偏高地区。这2个特征性差异分区分别与太平洋板块俯冲和印度洋板块碰撞挤压的动力学背景相一致。无论是东部地区还是西部地区,均显示活动构造区为Pn速度的相对低值异常区,而构造上稳定地区为Pn速度的高值异常区。并且在东、西部各自分区中,均呈现为地震活动水平与Pn速度之间成反向变化关系,显示了Pn速度横向变化与构造变形和地震活动强度的相关性,Pn速度的低值异常区往往是构造变形和强震活动活跃的地区。

深地震测深揭示的华南地区地壳结构及其动力学意义

20世纪70年代以来,我国实施与华南地区有关的深地震测深剖面达57条.本文收集该区的深地震测深研究成果,利用保真能力强的三维克里金插值技术构建了100°E～125°E,18°N～34°N区域内的三维地壳速度模型.基于三维地壳结构模型,分别探讨了华南地区不同构造单元地壳厚度空间变化特征、地壳属性、上地幔顶部地震波速变化以及太平洋向欧亚板块的俯冲方向等.研究结果表明:(1)扬子地块平均地壳厚度为40 km左右,地壳平均速度为6.30 km/s;华夏地块平均地壳厚度32 km左右,地壳平均速度6.24 km/s.(2)扬子地块的四川盆地与全球地台区具有相似的地壳速度-深度变化特征,华夏地块与全球伸展区结构相似,台湾造山带具有较典型全球大陆弧的特点.(3)华夏地块上地幔顶部Pn波平均速度为8.02 km/s;台湾造山带Pn波平均速度为7.98 km/s;扬子地块的Pn波速度为7.94 km/s,包含四川盆地(Pn速度达8.02 km/s)和川滇地区(Pn速度最低为7.75 km/s).川滇地区和松潘—甘孜褶皱带东部构造活动性较强,四川盆地和华夏地块相对较稳定.(4)推测太平洋板块向欧亚板块俯冲的方向为Nw-SE方向.

中国边缘海域及其邻区的岩石层结构与构造分析

利用中国边缘海域近年的地震层析成像结果,根据速度异常和各向异性分析东海、黄海和南海北部的岩石层结构和构造,讨论中朝块体和扬子块体在黄海内部的拼合边界(黄海东部断裂带)、东海陆架盆地上地幔异常与岩石层形成演化、南海北部地壳底部高速层的成因及地幔活动等问题。分析表明,黄海东部与朝鲜半岛之间存在一个深部构造界限(大致对应于黄海东部断裂带),分界两侧Pn波速度各向异性存在明显差异,反映不同构造应力和断裂剪切运动作用下的岩石层地幔变形特征。东海陆架下方的低速异常揭示了张裂盆地形成时期的地幔活动痕迹,表明中、新生代期间发生过地幔上涌并造成岩石层减薄,菲律宾海板块向西俯冲引发的地幔活动对东海陆架岩石层的形成、演化产生明显的影响。南海北部岩石层厚度较大并且温度相对偏低,地幔异常仅限于局部地区,估计南海北部大陆边缘的地壳底部高速层形成于张裂发生之前,或者是地壳形成时期壳幔分异时的产物。南海中央海盆的扩张不仅导致地壳拉张,软流层物质上涌,而且也造成岩石层地幔减薄甚至缺失。