S波接收函数揭示的华南陆块岩石圈结构及构造启示

本研究利用华南陆块固定地震台站记录到的远震地震波资料,构建适合研究LAB的S波接收函数,基于接收函数波形分析和偏移成像结果对华南陆块岩石圈性质进行了研究。结果显示华南陆块下方70 km深度存在最明显且连续性相对较好的低速界面,结合其他地球物理研究成果,我们认为70 km深度低速界面反映了和软流圈上涌相关的构造事件导致的华南岩石圈大规模减薄;在华夏地块的东部较大范围探测到100~150 km深度内存在南倾的低速界面,结合区域岩石学、地球化学和地质学等研究成果,推测该现象可能表明扬子地块的岩石圈楔入到了华夏地块,是新元古代早‒中期以来,华南陆块俯冲聚合、陆内造山以及陆内构造变形等地球动力学事件留下的重要痕迹;在华夏地块中东部和江南造山带局部发现了LAB缺失区带,该现象可能与岩石圈拆沉导致的热物质上涌密切相关,可能对应了地块拼贴薄弱带。

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值.本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征.在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法.结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°～80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级;(2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的SLP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强SLP震相;(3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.

2010年玉树7.1级地震震源区P和S波接收函数成像

利用玉树固定地震台站和7个流动宽频带地震台站远震P波和S波接收函数,对2010年4月14日发生MS7.1级地震的玉树地震震源区下方地壳及上地幔顶部速度结构进行了成像.结果表明:研究区下方存在明显的双地壳结构;主震所在的金沙江缝合带可能错断了地壳和岩石圈;错断的地壳在印度板块向北的推挤下,发生了叠置,导致金沙江缝合带下方呈现双地壳结构;根据发生在金沙江缝合带上的历史地震进一步推断,印度板块对金沙江缝合带这种深大走滑断裂的向北推挤,为断裂带上大地震的发生提供了闭锁条件,这可能是巴颜喀拉地块周边地震孕育的一种典型的深部地球动力学模式;在玉树地震主震区所在深度附近,发现局部存在高速夹层,这种局部高速结构,可能是积累引力,孕育地震的一个重要原因.

利用S波接收函数研究华南块体的岩石圈结构

本文基于跨越华夏块体至四川盆地西部的130个线性流动地震台站及其附近90个固定台网台站的观测资料,采用S波接收函数波动方程叠后偏移方法,开展了华南大陆岩石圈结构研究.成像结果显示,研究区岩石圈结构复杂,不同构造单元之间差异显著,构造边界带附近小尺度变化强烈.150km以上的厚岩石圈主要位于四川盆地,不足100km的薄岩石圈主要分布于川东褶皱带和华夏块体.雪峰山下方岩石圈厚度显著增加,且以雪峰山为界岩石圈结构和性质存在着显著的东西差异.结合其它地球物理观测得到的地壳-上地幔结构信息,我们提出:(1)四川盆地还保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,且岩石圈地幔具有结构分层特征;(2)雪峰山可能是扬子克拉通与华夏块体在西南部的边界;(3)雪峰山以东区域可能经历了岩石圈的减薄和改造,且华南岩石圈的减薄与华北相似,都主体发生在东部地区,造成现今南北重力梯度带两侧强烈的结构差异.研究结果为认识华南大陆的构造演化及其深部动力学提供了地震学约束.

S波接收函数方法研究进展

近年来发展起来的S波接收函数方法在探测岩石圈-软流圈边界(LAB)和岩石圈地幔速度结构方面显示了明显优势.本文详细介绍了S波接收函数的提取、S波接收函数偏移成像方法、P波和S波接收函数联合反演方法的相关理论及数据处理流程;概括总结了近年来应用该方法取得的一些重要研究成果;讨论了目前S波接收函数方法遇到的问题和发展前景.

分析P、S波接收函数得到的云南岩石圈结构

P波接收函数通过分离间断面上产生的P-to-S转换波来测量间断面的深度,由于地壳多次相的干扰,导致这一方法用于测岩石圈—软流圈界面(LAB)受到了很大的限制.不过,S波接收函数可以克服这一问题,因为它分离S-to-P转换相,而这一转换相比入射S波提前到达台站,于是避开了迟到的地壳S波振荡相.然而,由于S波的频率比P波低,这将导致S波接收函数的分辨率较P波接收函数的低.为了作对比分析,本文利用云南地区13个固定台站记录的远震三分量资料,分离出台站下方的P、S波接收函数,而且这些接收函数被校正到67°的参考震中距处,以便进行叠加增强信噪比.最后将时间域的叠加信号转换到深度域,分别获取台站下方的地壳和岩石圈的厚度.结果表明:P波接收函数得到的地壳厚度在32~56 km之间,S波接收函数得到的地壳厚度在41~54 km之间,S波接收函数得到地壳厚度系统地偏大8~9 km;P波接收函数得到的LAB深度在65~110 km之间,S波接收函数得到的LAB深度在66~135 km之间,S波接收函数得到的LAB深度偏大15~20 km,最大偏差达到了25 km.

四川地区壳幔结构剖面S波接收函数分析

寻找青藏高原岩石圈热流物质向东流动的准确地震学证据及其动力学机制解释难点在于精确岩石圈厚度的求取.本文利用S波接收函数方法计算得到四川地区51个宽频台站的211个远震事件叠加接收函数,通过时深转换获得了该地区准确的地壳和岩石圈埋深分布.主要研究结果如下:四川地区地壳厚度变化范围为40～72 km,西藏的东部到四川盆地逐渐变薄,最厚的地方在雅江(YJI)地区,约为72 km,最薄的地方在盆地内部西充(XCO)地区,约为40 km,松潘-甘孜地块、川滇块体及滇中以北较厚,平均厚度为52～68 km,龙门山断裂西侧为55～60 km,四川盆地为40～50 km,存在10～15 km地壳厚度变化梯度;岩石圈埋深变化范围为100～180 km,整个四川地区表现出厚的四川盆地被薄的岩石圈环绕,外缘厚度为100～130 km,盆地内部为140～180 km,最厚的地方在"X"型断裂附近,呈现出"一凹两隆"的特征,最薄的地方是约100～120 km的龙门山断裂西侧及盆地西南部.建立的动力学模型为青藏高原东部热物质在向东流动的过程中被冷的、厚的、坚固的四川盆地阻挡,进而向东北和东南两个方向逃逸.

接收函数界面和波速成像研究进展与展望

地球内部界面结构、性质与成因研究是认识地球圈层结构与物理化学性质、探索板块构造及地球系统动力运行机制和过程的重要内容.接收函数是针对地球内部界面研究而提出、发展并广泛应用的一种地震学方法,目前已经成为探测地壳—上地幔、岩石圈—软流圈、地幔过渡带等分层结构、物质组成、热状态及变形行为等基本问题的有效手段.自1960年代接收函数方法提出以来,其相关研究成果涉及从理论到应用等众多方面,尤其是近20年以来计算能力与理论研究的快速推进使接收函数成像技术迈入蓬勃发展的新时期.本文简要回顾接收函数方法的发展历程,在介绍其原理基础上,分别对接收函数的反褶积提取技术、接收函数界面结构成像和波速结构成像三个方面的方法发展与应用研究进行梳理,聚焦于近20年来的最新进展、存在的问题与可能的解决思路.最后基于地震学发展趋势,从方法和应用两个角度探讨接收函数研究的未来发展方向.

中国西南地区的接收函数和面波层析成像研究

中国西南地区是由不同地质历史时期的许多微小板块拼贴而成,是特提斯构造发育的重要区段;同时,该地区在西藏高原物质向东挤出、地壳增厚和下地壳流模型中,都扮演了极为重要的角色。因此,研究中国西南地区壳幔特征对于深入理解特提斯构造特征和青藏高原构造活动机制具有重要意义。

华北克拉通东部地壳和上地幔结构的接收函数研究

利用北京大学和早期中国科学院地质与地球物理研究所在华北克拉通东部地区布设的共34台宽频带地震仪记录的远震体波资料,获取P波接收函数和S波接收函数,再分别通过偏移成像和共转换点叠加(CCP)和倾斜叠加得到了华北克拉通东部横跨郯庐断裂带地区沿剖面的地壳和上地幔速度间断面分布.研究结果表明,鲁西隆起下方的莫霍面的深度要比华北盆地和青岛地区浅约5km,形成类似屋顶状的莫霍面隆起.郯庐断裂带和聊考断裂带下方的莫霍面有明显的错断.岩石圈与软流圈的分界面(以下简称LAB)的深度从太行山山前的约100km深度上升到鲁西隆起下方约60km深,向东在青岛地区下方LAB深度进一步变浅.我们利用倾斜叠加计算台站下方波速比得到地壳内的泊松比变化,结果显示鲁西隆起泊松比值分布相对均匀,而青岛地区内泊松比变化剧烈,可能反应了该地区作为苏鲁大别超高压变质带的北缘经历了较为复杂的地质演化过程.

利用接收函数研究青藏高原东南缘的地壳上地幔结构

本文使用位于青藏高原东南缘的25个地震台站的远震数据,采用P波和S波接收函数的方法研究了台站下方的Moho深度、泊松比以及地幔过渡带的厚度.计算结果表明:①青藏高原东南缘的地壳厚度由松潘—甘孜地体和羌塘地体的约60km,向邻区的印支地体以及扬子板块分别减薄为约38km和约42km;②羌塘地体的泊松比主要集中范围为0.25～0.28,地壳物质组分主要为中基性岩石,推测与下地壳镁铁质成分的增加有关.松潘—甘孜块体、印支块体和扬子板块的泊松比为0.25～0.26,主要为中酸性岩石组分.缺乏高的泊松比(≥0.30)分布表明青藏高原东南缘的地壳不存在广泛的部分熔融,但是不排除局部部分熔融的存在;③青藏高原东南缘的羌塘地体内存在一个比较明显的、异常变化范围为10～26km的地幔过渡带增厚区域,其对应着地幔过渡带内100℃～260℃的温度降低,可以推断与此异常区域的地幔过渡带内存在俯冲的板块有关.

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构:对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘,是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此,该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料,开展S波接收函数成像研究,并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析,识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面,从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示,相对中带和外带,内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象,且岩石圈地幔具有高速、分层特征,但下层底界面转换波震相并不明显;中带岩石圈厚度大(~170km),局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失,对应位置存在地幔低速异常;外带岩石圈厚度略小(~150km),中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果,本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形:地幔柱在内带以纵向作用为主,通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄,地幔柱头高程度减压熔融,产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔,在地壳发生底侵和内侵,部分喷出地表形成溢流玄武岩;地幔柱在中带以横向作用为主,通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展,甚至造成局部撕裂,在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏;地幔柱在外带以垂向拖曳为主,造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外,内带下方地幔的高速、分层特征,可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈,减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合,而受地幔柱改造后的残存岩石圈,因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上,本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构,为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

青藏高原东北缘岩石圈厚度与上地幔各向异性

利用青海地震台网和甘肃地震台网2007—2009年记录的远震波形资料,提取S波接收函数和SKS分裂参数,得到了青藏高原东北缘的三维岩石圈厚度分布和上地幔各向异性特征.S波接收函数结果表明:昆仑—阿尼玛卿缝合带以南的松潘—甘孜地块东北缘和西秦岭造山带下方岩石圈较薄,厚度为125～135km;昆仑—阿尼玛卿缝合带以北具有较厚的岩石圈,在昆仑和祁连地块下方岩石圈厚达145～175km,并向柴达木盆地(175～190km)和克拉通(鄂尔多斯南部约为170km、阿拉善南缘约为200km)下方增厚.上地幔各向异性结果显示:东北缘地区的SKS快波偏振方向为NW-SE向,与前人得到的昆仑断裂带南侧的快波方向存在较大差异,南侧自高原内部呈顺时针旋转,表明昆仑断裂带可能为上地幔变形的转换带.SKS快、慢波延迟时间为0.8～1.9s,且在昆仑—阿尼玛卿缝合带以北,延迟时间与岩石圈厚度呈正相关关系,推断该区各向异性主要来源于地幔盖层的初期伸展变形.

云南腾冲火山区地壳及岩石圈厚度研究

使用云南腾冲火山监测台网9个宽频带地震台站的远震数据,采用P波和S波接收函数的方法研究了腾冲火山区的地壳厚度、泊松比值以及岩石圈和软流圈分界面（LAB）深度.研究结果表明：1）云南腾冲火山区的地壳厚度约在33.5～38.0km之间;2）火山区的泊松比主要集中范围为0.26～0.32,其中6个台站均大于0.29,推测与地壳镁铁质成分的增加有关并且可能存有2个岩浆囊;3）火山区的岩石圈厚度在78.2～88.0km,较周边地区明显隆起且横向差异较大.腾冲火山区岩石圈的明显穹隆,由软流圈上涌（地幔热物质上升）引起岩石圈的拉张与减薄所致.

唐海-商都地震台阵剖面下方岩石圈结构

2006年10月到2009年9月，中国地震局地球物理研究所在华北地区布设了250个流动地震台站，本文选取其中一条从唐海经过唐山、三河、北京、张家口到商都的宽频带地震台阵剖面作为研究对象．利用该剖面49个宽频带台站记录的191个远震数据进行了S波接收函数的计算，通过共转换点叠加成像对剖面下方的岩石圈结构进行研究，获得了剖面下方的岩石圈精细结构．Moho界面和岩石圈一软流圈界面清晰可见，剖面下方地壳厚度从西到东逐渐减薄，从42km逐渐减薄至30km左右，西部陆块岩石圈厚度从100km逐渐减薄至70km，中部和东部陆块岩石圈厚度变化相对平稳，介于60-80km，表明剖面下方岩石圈遭受了大规模的明显减薄．结合其他地球物理方法研究结果，我们认为剖面下方华北克拉通东部陆块岩石圈减薄主要是由于热侵蚀作用引起的．

四川芦山7.0地震和汶川8.0地震震源区地壳岩石圈变形特征分析

地壳和岩石圈变形特征研究对于深入了解中强地震的深部孕震环境具有重要科学意义.本文联合P和S波远震接收函数偏移成像结果,对发生过芦山7.0地震和汶川8.0地震的龙门山断裂带及附近区域地壳和岩石圈结构进行分析.结果揭示出在青藏高原向四川盆地过渡的龙门山断裂带,Moho面和岩石圈底界面(LAB)呈现出强烈变形,特别是芦山地震和汶川地震震源区下方地壳出现了错断、下凹,岩石圈也呈现下凹变形特征.这种地壳及岩石圈变形所代表的高应力的积累可能是汶川和芦山地震发生的重要深部地球动力学背景.

青藏高原东北缘岩石圈—软流圈边界成像

青藏高原东北缘是研究高原隆升和演化的理想场所，其岩石圈结构记录了高原向外扩展的岩石圈变形行为和演化过程，本研究利用一条跨青藏高原东北缘的宽频带观测剖面（红原—景泰剖面）和部分甘肃、青海区域台网的远震体波波形资料，通过S波接收函数方法获得了青藏高原东北缘的岩石圈—软流圈边界（LAB）图像。结果表明：1）松潘—甘孜地体东北部和西秦岭造山带下方的岩石圈较薄，略向北加厚，其LAB深度为110—130km，昆仑断层下方无明显岩石圈错断，推测松潘—甘孜地块与西秦岭造山带的岩石圈可能具有亲缘性；2）祁连地块下方的岩石圈厚度为135—150km，其中祁连造山带东缘的LAB震相不聚焦，反映复杂的造山带型岩石圈属性；3）阿拉善地块下方岩石圈略向南加厚，LAB深度为130～150km，呈向祁连造山带下方汇聚的趋势，但尚未通过海原断裂带；4）鄂尔多斯地块下方的岩石圈较厚，LAB深度为160～170km，反映其稳定的克拉通型岩石圈属性。

青藏高原东北缘岩石层结构:高原横向生长的机制

青藏高原东北缘及其周边亚洲板块(北部到阿拉善块体,东部到鄂尔多斯块体)岩石层结构的探测对了解青藏高原的抬升和横向生长具有重要的意义。本研究利用布设在青藏高原东北缘和周边区域的高密度地震台阵所记录的波形,计算S波和P波接收函数,研究岩石层结构。结果表明,鄂尔多斯块体和阿拉善块体下方的地幔岩石层中存在较强、相对稳定的负速度梯度,其深度范围在70~150km,这与典型稳定的大陆岩石层类似;相比之下,在青藏高原东北部下方地幔岩石层的速度梯度相对较弱和较模糊,这可能是由于地幔岩石层高温和存在部分熔融物质造成的;青藏高原与鄂尔多斯块体和阿拉善块体边界之间的岩石层结构变化剧烈,这两个块体作为刚性边界限制了青藏高原的横向变化。此外,在青藏高原东北角到银川地堑区域的地幔岩石层结构是相似的,这可能意味着从青藏高原东北角到鄂尔多斯块体和阿拉善块体之间的过渡间隔区内存在横向地幔流。这个过渡带的地壳结构为青藏高原横向生长提供了证据。特别是,在海原断裂和天景山断裂之间出现了地壳增厚和双地壳的证据,该区域可能是青藏高原在东北缘横向生长的前沿。

滇中地区的岩石圈结构及其动力学意义

虽然地球化学和地质学的研究确信峨眉山大火成岩省的形成与二叠纪地幔柱活动有关,但从二叠纪至今,峨眉山大火成岩省所在的华南板块至少向北漂移了3000 km,以致大火成岩省与地幔柱的空间位置不再对应.本研究使用川滇地区75个宽频固定台记录的远震事件计算P、S波接收函数,并利用参考地球模型把单个接收函数从时间域变换到深度域,最后从叠加道上读取地壳厚度和岩石圈厚度.结果表明,Moho面深度从云南南部的33 km向北逐渐增厚,在青藏高原东部可达约66 km,滇中地区地壳厚度变化剧烈,在攀枝花附近明显增厚.在金沙江—红河断裂西侧的印支块体下方,岩石圈厚度仅为70~80 km,但在滇中地区从约70 km变化约到120 km,最薄处发生于攀枝花附近,仅约为70 km.另外,滇中地区部分台站的S波接收函数显示Moho面的Sp转换相一致性较差,而P波接收函数则表明在Moho面附近存在一个正极性的转换界面.综合已有的研究结果,我们推测Moho面附近这一正极性界面是地幔柱岩浆底侵的结果.