地球深内部探测及动力学研究

近20年来人类对于地球深内部的探测和认识已经上升到一个新的层次,滋生出许多新的研究热点。一系列最新发现集中于地球深内部研究领域。简述了这一领域研究的成果,探讨其未来发展和研究的方向。

汶川地震前地脉动信号的单台法研究

汶川地震前,我国及周边地区地震台站记录的地脉动信号显著增强,对这段时期内的地脉动信号进行频谱分析发现,它们的能量主要集中在0.20Hz附近.通过单台法对该频段信号进行定向,发现多个大陆和海岛台站记录的地脉动信号来源方向均指向我国东部海域,且方向变化与同期的威马逊台风路径保持很好的一致性.结合已有的地脉动信号强度随与台风中心距离增加而衰减的研究,我们认为汶川地震前的地脉动信号增强是由台风引起,而不是汶川地震的前兆.

利用Moho地形导纳法(MDDF)反演中国大陆岩石圈有效弹性厚度

本文用数值实验方法验证了,在Moho地形导纳法(MDDF)中使用先由重力数据反演的Moho面相对起伏数据,能较传统的重力地形导纳法获得更高的反演精度.之后作者应用Moho地形导纳法(MDDF)反演获得了精度较高的中国大陆区域岩石圈有效弹性厚度.结果显示:(1)中国地区岩石圈有效弹性厚度Te从东向西大体上呈阶梯状上升;(2)Te与岩石圈地震-热厚度、地表热流、上地幔顶部的地震波速度等数据密切相关;(3)在中国中东部,Te较低的区域以及Te的高低值转换带对应较强的地震活动性.但在西部,Te与地震活动性的相关性并不明显.

天然地震频率范围内首都圈地区近地表S波速度结构

近地表沉积层的S速度结构是强地面震动模拟和地震灾害估计的重要参数,尤其是浅部的S波速度结构在工程上具有重要的应用意义.目前大部分资料来源于工程钻孔或工程地震探测,很少有地震波频率范围内的S波速度结构,或者深度达数百米的S波速度结构.通过对天然地震的井下摆波形记录的分析,提供了一种测量地震波频率范围深达数百米的S波速度的有效方法.收集了首都圈地区44个井下摆的近震记录,利用广义射线方法确认了直达S波及其在地表的反射波震相,并通过测量不同台站上两个震相的到时差,获得了首都圈地区浅层100—500m深度范围的S波速度结构.研究发现,浅部100m的平均S波速度低于300m/s.当深度增加到500m时S波速增加到800m/s,平均速度梯度为0.8(m/s)/m.研究结果表明,井下摆地震记录波形是研究沉积盆地浅层S波结构的重要资料,将为沉积盆地的强地面震动模拟提供重要基础参数.

利用Moho面起伏及地表地形数据反演岩石圈有效弹性厚度的莫霍地形导纳法(MDDF)

区域岩石圈有效弹性厚度Te的确定对认识其力学性质及演化等动力学问题具有重要意义.长期以来,大陆地区有效弹性厚度的确定一直存在着争议.尽管Pérez-Gussinyé等2004年的研究消除了不同方法(自由空气导纳法和布格相关法)之间的分歧,但其确定有效弹性厚度的误差仍然非常大.本文提出了利用Moho面起伏及地表地形反演岩石圈有效弹性厚度的Moho地形导纳法(MDDF),并利用合成的地表地形和Moho面起伏模型验证了该方法的可行性.结果表明,与传统的重力地形导纳法相比,使用Moho地形导纳法(MDDF)反演岩石圈有效弹性厚度,能较好地提高反演精度.

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界(CMB)面积约20%的高密度热化学异常体(由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省(LSVPs)).LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示:(1)当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.(2)岩石圈与软流圈边界(LAB)在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.(3)大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.(4)海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.