青藏高原中东部地壳和上地幔顶部P波层析成像

为获取青藏高原中东部地壳和上地幔顶部的精细结构,本文基于1万4 484条天然地震的P波（Pg和Pn）到时数据,对青藏高原中东部地壳和上地幔顶部进行P波三维速度结构层析成像,获取了该区域内地壳P波、上地幔顶部Pn波的速度结构和地壳厚度信息。层析成像结果显示,青藏高原中东部地壳P波速度范围为5.2—7.2 km/s,上地幔顶部Pn波速度范围为7.7—8.4 km/s,地壳厚度范围为48.0—68.6 km,地壳和上地幔顶部存在强烈的横向不均匀性,与地质块体分布有较好的对应关系。地壳P波速度结构显示,研究区中、下地壳分布有较大范围的低速区,上地壳与中下地壳P波分布存在明显的差异:羌塘地块和巴颜喀拉地块在上地壳主要表现为高速异常,随着深度增加逐渐表现为低速异常;而柴达木地块在上地壳主要表现为低速异常,下地壳则表现为高速异常;柴达木地块和拉萨地块在上地幔顶部表现为较高的Pn波速度,最高约为8.4 km/s,而在巴颜喀拉地块和羌塘地块东部,Pn波总体上表现为低速,最低约为7.7 km/s。研究区内地壳厚度的总体特征表现为南厚北薄,其中羌塘地块东部和拉萨地块的地壳较厚,而柴达木地块和巴颜喀拉地块东部的地壳相对较薄,羌塘地块西部存在局部的地壳变薄现象,反映了印度板块对欧亚板块北向俯冲作用下的岩石圈变形特征。      

青藏高原东部地壳上地幔S波速度结构——下地壳流的深部环境

在青藏高原东部沿30°N布设由26个台站组成的远震观测剖面．用远震P波接收函数反演方法获得了该剖面下方0～80km深度范围的S波速度结构．反演的结果揭示了沿剖面不同构造块体的地壳速度结构横向变化特征．从喜马拉雅东构造结北侧的林芝,往东北方向的地壳逐渐增厚;地壳厚度在班公．怒江缝合带为最大值,达72km;进入羌塘地块,减至65km;至巴颜喀拉地块,为57～64km;至四川盆地,仅为40—45km．剖面的巴塘以东部分与2000年完成的竹巴龙．资中人工地震测深剖面重合,由远震接收函数确定的S波地壳结构与由人工地震测深获得的P波地壳结构在莫霍界面和壳内主要界面的深度上有很好的一致性．在羌塘地块和巴颜喀拉地块,沿观测剖面的下地壳（30～60km深度范围内）普遍存在低速异常,而四川盆地下地壳则属于正常的速度分布．剖面通过的各构造单元地壳平均波速比（泊松比）：拉萨地块1．73（σ=0．247）,班公-怒江缝合带1．78（σ=0．269）,羌塘地块1．80（σ=0．275）,巴颜喀拉地块1．86（σ=0．294）和扬子地块1．77（σ==0．265）．羌塘地块和巴颜喀拉地块具有下地壳S波低速异常、复杂的莫霍过渡带以及地壳高泊松比的特征,预示下地壳物质处于热和软弱状态,这是青藏高原东部存在下地壳流的深部环境．下地壳韧性物质的流动可能起因于从高原内部至外部上地壳内重力势能的变化．     

中国西部及其邻域地壳上地幔横波速度结构

本文首次采用Rayleigh面波双台法研究中国西部及其邻域的三维横波速度结构.共处理了超过3000条双台资料，经仔细挑选共获得110条高质量的双台Rayleigh波相速度频散资料.采用Tarantola的概率方法反演得到研究区域内15～120 s的Rayleigh相速度分布图像.采用Tarantola非线性问题的最小二乘反演方法反演得到研究区域内2°×2°的三维横波速度结构.利用不同周期的Rayleigh面波相速度大致对λ/3波长附近深度的横波速度最为敏感这一物理特性，在反演过程中引入一种层速度自适应调整的技巧，可以较好地加快收敛和提高反演的稳定性.反演得到的横波速度结构的主要结论为：（1）青藏高原的西部地区下地壳和上地幔顶部横波速度很高，软流层不发育；而青藏高原东缘地区的下地壳和上地幔顶部速度明显偏低，很可能是青藏高原地壳低速物质沿青藏高原东部边缘地区向南运动、形成经川滇地区连接缅甸北部低速区的低速物质运移通道；在青藏高原东北部边缘地区，下地壳的速度明显低于中地壳的速度；（2）青藏高原南部的拉萨地块具有较高速度的上地幔顶盖层，从南向北拉萨地块的软流层埋深约从130 km减至100 km，软流层厚度约从40 km增至80 km；北部羌塘地块的下地壳速度偏低，上地幔顶盖层缺失，速度很低，软流层的厚度较大；（3）塔里木盆地和准噶尔盆地都表现出较高的上地幔横波速度结构，软流层不明显，准噶尔盆地下地壳的厚度和速度都比塔里木盆地的高；（4）蒙古高原西部的下地壳上地幔顶部速度明显低于蒙古高原东部地区的，且在蒙古高原中西部地区存在巨厚的低速软流层.该软流层越往蒙古高原东部厚度越小，上覆顶盖层的速度和厚度越大.对上述反演结果作了地质解释.     

青藏高原南部下的横波各向异性

利用中法合作布设在青藏高原南部近20个三分量数字地震仪记录到的远震SKS数据，计算并研究了台站下方各向异性的特征，讨论了各向异性层的深度、厚度、起因以及青藏高原岩石圈变形模式．各向异性研究表明:雅江南北各向异性存在较大的差异．雅江以北快速波偏振方向平均在N70E左右，且自北向南逐渐增大，在雅江附近近于东西方向；而雅江以南快速波偏振方向平均在N25W左右．雅江以北各向异性强度(快、慢波到时差)普遍很强，在那曲附近可达1 s，且存在局部变化；而雅江以南各向异性强度普遍较弱，一般在0.2 s，且相对稳定．对各向异性特征的分析认为:雅江以北的各向异性是青藏高原上地幔物质内部变形引起的，快波偏振方向代表物质流动变形的方向；而雅江以南的各向异性是印度板块俯冲形成的强变形带引起的，快波方向代表与俯冲有关的变形方向．研究还认为:青藏高原的地壳缩短是岩石圈内部整体沿北东方向流动变形和沿大型走滑断裂旋转运动共同作用的结果．      

体波波形反演对青藏高原上地幔速度结构的研究

采用波形反演方法对青藏高原地区震中距8°-38°范围内的宽频带炸波波形进行拟合,研究该地区上地幔平均速度结构以及上地幔纵、横波速度的横向不均匀性结果表明青藏高原地区的平均地壳厚度约为68km,上地幔盖层平均厚度约为30－40km,速度约为8.10km／s雅鲁藏布江附近地壳厚度最大,约80km,相应的上地幔Pn速度为8．15km／s左右,青藏高原中部地区的地壳平均厚度约68-70km．位于拉萨地块北部的羌塘地块S波速度相对较低,其地壳和上地慢的平均S波速度分别比拉萨地块低1％和2％以上34°N以北,90°E附近的区域存在明显的上地幔P波低速异常区,P波的平均速度小于7．8km／s据此结果及前人工作,推断印度板块的俯冲可能以雅鲁藏布江缝合带附近为界,青藏高原巨大的地壳厚度是由于欧亚板块碰撞造成地壳缩短与增厚引起.     

青藏高原东北缘地区Pn波速度的横向变化

搜集整理了中国国家地震台网和区域地震台网记录的Pn波到时资料，利用层析成像方法分析了青藏高原东北地区上地幔顶部P波速度及其各向异性的横向变化．结果表明，该地区Pn波的平均速度偏高，为8.09 km/s；构造上稳定的柴达木盆地下面，上地幔顶部Ｐ波速度较高，而构造上比较活跃的山西地堑地区波速则较低．1920年发生海原大地震的地区，上地幔顶部是Ｐ波速度偏低的地区．一个值得注意的结果是，与天山挤压带上地幔顶部Ｐ波速度偏低的情况不同，在青藏高原东北缘的祁连山现代挤压变形带地区，上地幔顶部是Ｐ波速度偏高的地区．鄂尔多斯地块下面，波速度不均一，存在高低速的变化．这与该地块四周皆有强地震活动、地块本身可能有整体的构造运动有关．      

青藏高原东部及其边缘地区的地壳上地幔三维速度结构

利用在青藏高原东部及其邻近地区记录到的１万余条近震到时资料,反演该地区的地壳上地幔三维速度结构。采用网格点模型描述三维速度结构,模型维数为２２２２６,网格点间距水平向为１００ｋｍ,垂直向为２０ｋｍ,网格点之间的速度值通过线性插值给出。采用改进了的快速三维射线追踪方法,确定三维非均匀介质中的地震射线路径和理论走时。反演结果显示,青藏高原南部的上地壳中（３０ｋｍ左右的深度）存在一低速区,这和面波反演的结果一致,羌塘块体下地壳有明显的低速异常带,青藏公路沿线的垂直速度剖面显示出岩石层受挤压增厚的构造特征。     

青藏高原Q值结构反演

利用中美合作在青藏高原布设的11台PASSCAL宽频带数字地震记录的瑞利面波资料,测定了青藏高原东部地区周期为10～130 s范围内的平均瑞利波相速度和衰减系数R；反演了该地区地壳、上地幔的平均S波速度结构和Q结构．结果表明，该地区平均Q值偏低，并在地壳中存在地震波强吸收层．地壳中的低Q层(Q=93～141)位于16～42 km的的范围内,它与S波低速层(21～51 km)基本一致.从地壳下部63 km后，Q值由114随深度逐渐低至上地幔180 km处的34.由地壳内低速层与低Q层相对应可以推测，在该深度范围内可能存在岩石的熔融或部分熔融现象.在反演的S波速度结构中，地壳的平均厚度为71 km，51 km处的下地壳存在一明显的速度界面,96～180 km处的低速层(4.26 km/s)可能与软流层相对应.      

邢台震源区及相邻地区地壳上地幔速度结构研究

通过邢台震源区的两条相互垂直的折射剖面所揭示的壳幔速度结构和深部构造显示出的异常变化，Pg波在震区表现出随距离的强烈衰减；隆尧至太行山山前地带观测到21.0 km深度上的一组强反射，而通常以强振幅出现的Pm波在该段不明显．震区的下方及其西侧，地壳呈高低速相间的结构特征；上地幔顶部的速度由华北平原向山西高原递减．地壳厚度由华北平原向山西高原加厚了11 km．莫霍面在震区局部隆起．震区的超壳断裂和莫霍面不连续地段可能是岩浆入侵的通道和区域．上地幔的隆起和岩浆的侵入是形成震区异常壳幔结构和产生扩张盆地及发生邢台地震的主要原因．      

中国大陆及其邻域的瑞利波群速度分布图象与地壳上地幔速度结构

利用中国数字化地震台网（CDSN）11个台站和周边地区的11个IRIS数字化地震台站记录的长周期面波资料，用多重滤波方法测定了在647条不同路径上周期从10～92ｓ的基阶瑞利波群速度频散曲线．采用Dimtar Yanovskaya方法，反演得到北纬18～54、东经70～140范围内，25个中心周期的群速度分布图象．结果表明:在10～15.9s周期范围内，群速度分布存在着明显的横向不均匀性．其分区分块特征与大地构造单元有着密切的对应关系，两个明显的低速区域分别位于塔里木盆地和东海及北部邻域；从21～33ｓ逐渐显示出深部构造块体的格局；在36.6～40ｓ周期附近的群速度分布图象中，十分清晰地显示出中国大陆岩石圈结构的分区特征，南北地震带、青藏高原、华北、华南块体及东北地块的边界非常明显．本文给出了沿30N、38N 纬线和沿90E、120E 经线剖面的群速度随周期分布图象．在这些剖面上，较明显地展示出中国大陆及其邻域地壳上地幔速度结构的基本特征．各构造块体的深部速度结构差异较大，在青藏高原东部地区的地壳中部存在局部低速区域；塔里木盆地、扬子地台的上地幔速度较高，显示出稳定地台特征；华北平原上地幔低速层的埋深浅、厚度大；东海及日本海的上地幔速度较低，这可能与菲律宾板块下插产生的摩擦热与喜山期以来受强烈拉张有密切的关系．      

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据，利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面，天山地壳具有明显的横向分块结构，且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征，表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用；在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体，塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形，而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度，两者形成了不对称对冲构造；在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体，其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方；在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体，它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明，塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度，但其前缘仅限于南天山的北缘；青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲，同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入；天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形，而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成；根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断，新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应，相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构

利用环渤海地区的天然地震P波到时资料，采用纬度和经度方向分别为05°×06°的网格划分，反演了该地区地壳上地幔的三维P波速度结构.初步结果表明，环渤海地区地壳上地幔的速度结构具有明显的横向不均匀性：京津唐地区地壳中上部的速度异常反映了浅表层的地质构造特征，造山带和隆起区对应于高速异常，坳陷区和沉积盆地对应于低速异常；地壳下部出现大规模的低速异常与华北地区广泛存在的高导层相对应，估计与壳内的滑脱层和局部熔融、岩浆活动有关；莫霍面附近的速度异常反映了地壳厚度的变化及壳幔边界附近热状态的差异；上地幔顶部大范围的低速异常可能是上地幔软流层热物质大规模上涌所致.     

基于密集台阵资料的背景噪声研究青藏高原东南缘地震各向异性

新生代以来,青藏高原快速隆升、地壳缩短和东向挤出.受到稳定的扬子地块阻挡,青藏高原东南缘地壳发生强烈变形.地震各向异性研究有助于认识地壳内部精细结构及内部运动学过程.通过收集密集地震台阵的观测资料,利用环境噪声提取Rayleigh波频散曲线,采用多角度频散曲线反演方法,获得地壳和上地幔顶部高分辨率的地震S波速度和各向异性图像.青藏高原东南缘地区上地壳的地震快波方向与其相邻的走滑断裂带走向、GPS水平速度场方向基本一致,围绕喜马拉雅东部构造结顺时针旋转.然而,中、下地壳的各向异性与上地壳存在明显差异,例如,在木里盐源盆地和滇中地块等各向异性方向发生大幅度转向,从上地壳的NE方向转为中、下地壳的NW方向.中、下地壳的各向异性方向与其低速层的延伸方向吻合.在下地壳底部和上地幔顶部的范围内,地震快波方向再次发生改变,与上地壳的各向异性分布一致,可能说明在较早的历史时期上地壳与下地壳是耦合在一起的,在中新世时期低速黏滞性流体挤入青藏高原东南缘中下地壳,使原有的上地壳与中下地壳发生解耦.因此,新生代以来高原物质挤出可能导致青藏高原东南缘地壳发生强烈变形.     

青藏高原瑞利波相速度与深部结构的横向变化

利用中美合作在青藏高原布设的11台 PASSCAL 宽频带数字地震仪记录到的瑞利面波资料,测得青藏高原内不同块体的瑞利面波相速度(周期为10——120s),并反演了不同路径的地壳上地幔 S 波速度结构,发现青藏高原 S 波速度结构的横向变化显著.亚东——安多裂谷带的面波频散与相邻的块体差异最大,温泉至日喀则路径的相速度比其它路径的相速度明显偏高.该路径的地壳平均速度为3.79km/s,比其它路径的地壳平均速度3.40——3.50km/s高得多.青藏高原内不同块体的地壳中均有低速层存在,但低速层的厚度和速度不尽相同.位于北部的松潘甘孜块体。其地壳较薄约为65km,Sn 速度为4.48km/s,而且在约120km 深处的上地幔中存在一厚度为60km,速度为4.15km/s 的上地幔低速层.其它路径的上地幔速度相近,均没有明显的上地幔低速层出现.羌塘块体与拉萨块体的瑞利波相速度和 S 波速度结构极为相似,上地幔顶部的速度较松潘甘孜块体略高.在青藏高原广大地区中,地壳的平均速度低,普遍存在地壳低速层;上地幔顶部的横波速度为4.50——4.65km/s,上地幔中或者没有低速层或者低速层埋藏较深.      

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8.1 km/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8.35 km/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50 km,而羌塘地块东部唐古拉山地壳最厚,达到75 km,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.     

腾冲火山及周边地区双差层析成像

利用云南腾冲火山地区15个固定台站记录到的7923次地震的P波到时资料,采用双差层析成像方法,反演得到腾冲火山及周边地区地壳及上地幔顶部三维P波速度结构和地震重定位结果.研究发现,腾冲火山区域地壳内存在明显的地震波低速区,P波速度低于整个区域地壳速度平均值超过15%,上地幔顶部存在规模较大的低速异常区.推测腾冲火山地区存在较大规模的地幔热物质上涌以及向地壳的侵入,热物质在地壳内以岩浆囊形式存储,并且壳内岩浆囊之间可能存在岩浆通道.通过联合反演获得的地震重定位结果显示,丛集地震位置更加集中,其展布特征与断裂构造具有显著的对应关系,表明研究区域断裂构造比较活跃.获得的高分辨率三维P波层析成像结果,为进一步认识火山地区岩浆存储特征以及地震分布与区域构造之间的关系提供了新的地震学依据.     

青藏高原南缘中部的地壳结构：远震P波尾波自相关的新约束

在青藏高原南缘有很多主动源和被动源地震学观测，为研究印度板块和欧亚大陆碰撞的过程和机制提供大量的地震学证据.由于印度板块的俯冲，青藏高原下方存在广泛分布的倾斜构造，对地壳结构成像带来挑战.本文基于改进的远震P波尾波自相关方法，获得了青藏高原Hi-CLIMB台阵下方清晰的P波反射率剖面.结果表明在拉萨地块下方，观察到类似于接收函数成像展示的“双Moho(doublets)”特征，反映了印度板块下地壳俯冲到青藏高原下方时可能发生了榴辉岩化；该特征向北可以追踪到31°N北侧附近，指示了印度板块下地壳的俯冲前缘.本文结果支持了印度板块向青藏高原俯冲过程中，其上地壳在雅鲁藏布江缝合带以南已被剥离，而其下地壳和岩石圈地幔继续向北俯冲并近水平地底侵到青藏高原下方.该P波反射率剖面还揭示了地壳内部的很多构造信息，例如：印度下地壳的减薄；雅鲁藏布江缝合带和班公湖—怒江缝合带的反射特征；拉萨地块和南羌塘地块的地壳内部分层特征；拉萨地块北侧和喜马拉雅北侧的中上地壳存在两个低速带.     

邢台地震区深部构造背景的地震转换波探测和研究

1982-1986年期间,在东汪、隆尧和百尺口邢台地区的强震震源区完成了3条近NW向地震转换波测深剖面。利用转换波数据处理新方法,实现了转换震相的相位对比追踪,得出了震源区较详细的深部构造剖面图和速度结构模型。发现强震震源区深部构造的特点为:上地壳强烈褶皱变形;中地壳急剧减薄;下地壳和上地幔局部上隆;存在一组深部超壳断裂;低速层急剧增厚,波速比增大以及上地幔波速偏低。表明研究区的下地壳和上地幔的温度可能偏高,其地震活动可能与上地幔物质的侵入作用有关。     

哀牢山-红河断裂带及其邻区的地壳上地幔结构

利用地震台站的到时资料, 通过体波地震成像技术重建了青藏高原东南缘和南海西北部大陆边缘地壳上地幔的速度结构, 揭示出哀牢山-红河断裂带及其邻近地区的构造差异. 在上地壳和中地壳深度内, 哀牢山-红河断裂带为高速异常, 反映出韧性剪切后变质岩带抬升和快速冷却的特征, 下地壳和Moho面附近为低速异常, 意味着壳-幔边界仍然处于相对活动的状态; 在上地幔顶部, 断裂西侧滇西地区大范围的低速异常证实了地幔深部热流对该地区火山、热泉、岩浆活动的影响, 而断裂东侧则具有扬子地块的稳定性质, 断裂东南部分上地幔深部的低速异常可能与南海扩张引起的地幔对流有关.