汶川MS8.0地震：地壳上地幔S波速度结构的初步研究

2008年5月12日我国四川省汶川地区发生了震惊世界的M_S8.0地震.历史上,同类地震在大陆内部极为罕见.该地震深部构造背景的研究对理解其成因极为重要.本文利用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布设的大规模密集流动宽频带地震台阵记录的远震P波波形数据和接收函数非线性反演方法,得到了沿北纬31°线的19个台站下方120 km深度范围内的S波速度结构及台站下方地壳的平均泊松比.该观测剖面穿越了主震区,总长度约为420 km. 我们的结果揭示了川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异.上述三个地块的地壳结构特征可以概括为：（1）四川盆地前陆壳幔界面向西侧倾斜并有较为明显的横向变形,地壳厚度存在46～52 km的横向变化,中下地壳S波速度存在横向变化,地壳平均泊松比值较高（0.28～0.31）,但在龙门山断裂带附近,显示了坚硬地壳的特征,地壳平均泊松比仅为0.2;（2）松潘-甘孜地块地壳厚度由西侧靠近鲜水河断裂的60 km,向东减薄为52 km,在14～50 km深度范围内存在S波速度2.75～3.15 km/s的楔状低速区,其厚度由西侧的～30 km向东逐渐减薄为～15 km,相应区域的地壳平均泊松比高达0.29～0.31; （3）鲜水河断裂西侧,川滇地块地壳结构相对简单,地壳厚度为58 km,并在26 km深度存在约10 km厚度的高速层,地壳内平均泊松比约为0.25;（4）汶川大震区在12～23 km深度上具有近乎4.0 km/s的S波高速结构,而其下方的地壳为低速结构,地壳平均泊松比0.31～0.32,汶川大震的余震序列主要分布在高速介质区域内. 本文的结果表明松潘-甘孜地块的地壳相对软弱;而且并不存在四川盆地向西侧的俯冲.我们认为在青藏高原东向挤压的长期作用下,四川盆地强硬地壳的阻挡作用可导致松潘-甘孜地块内部蓄积很大的应变能量以及上、下地壳在壳内低速层顶部边界的解耦,在龙门山断裂带附近形成上地壳的铲形逆冲推覆.汶川大地震及其邻近区域所具有的坚硬上地壳和四川盆地的阻挡作用为低应变率下的高强度应力积累创造了必要条件,而松潘-甘孜地块长期变形积累的高应变能构成了孕育汶川大地震的动力来源.     

根据接收函数反演得到的首都圈地壳上地幔三维S波速度结构

利用2002~2003年中国地震局地质研究所台阵实验室以唐山大震区为中心布设的40个流动宽频带地震台站和首都圈数字台网的33个宽频带台站的远震数据,采用接收函数非线性反演方法得到其中72个宽频带台站下方60 km深度范围内的S波速度结构.根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度结构,并综合刘启元等（1997）用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了39°N～41°N,114°E~119.5°E区域内沿不同走向、不同深度S波速度分布.由于综合了利用首都圈数字地震台网的宽频带台站以及流动地震台阵的观测数据,本文给出了较前人同类研究空间分辨率更好的结果.结果表明: (1)研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂.在10~20 km深度范围内,研究区地壳具有高速和低速异常块体的交错结构.研究区中上地壳速度结构主要被与张渤地震带大体重合的NW向高速条带和穿越唐山大震区的NE向高速条带所控制,而其中下地壳的速度结构主要为延怀—三河—唐山地区上地幔隆起所控制.(2)研究区内存在若干壳内S波低速体,它们主要分布在唐山,三河及延怀盆地等地区.在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面的隆起和上地幔顶部速度结构的横向变化.(3)地表断层分布与地壳速度结构分区有较好的相关性,表明断层对不同块体有明显的控制作用.其中,宝坻断裂,香河断裂和唐山断裂均为超壳断裂.(4)首都圈内大地震的分布与壳内低速体及上地幔顶部的速度结构有密切关系.对于唐山大地震的成因,仅考虑板块作用引起的水平应力场是不够的,有必要充分重视由于上地幔变形引起的地壳垂直变形和上地幔物质侵入造成的热效应.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P 波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5deg;times;0.5deg;的网格划分,反演得到了华北北部地区（111deg;E——120deg;E,37deg;N——42deg;N）深至400km 的地壳上地幔三维P 波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60——120km 深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km 深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km 以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200——300km 存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

新疆伽师强震群区三维地壳上地幔S波速度结构及其地震成因的探讨

１９９７年１月２１日至４月１６日（北京时间）新疆伽师地区连续发生了７次６级以上 强烈地震．为了深入研究该强震群形成的构造背景,我们在伽师强震群区及其邻域大约 １１ ０００ｋｍ２的范围内布设了由 ３０台宽频带数字地震仪组成的流动地震台阵,台站的间距约５－ １０ｋｍ．利用远震体波接收函数的叠加偏移分析及其非线性反演技术,研究了台阵下方０－ １００ｋｍ深度范围内地壳、上地幔的三维Ｓ波速度结构．结果表明：１)Ｍｏｈｏ界面的深度在塔里 木盆地一侧为４０—５２ｋｍ,而在靠近天山一侧的褶皱变形区为６０—７６ｋｍ,南天山山前折皱变形 区的地壳厚度明显增大,地壳内部产生了明显变形;２)塔里木盆地北缘存在明显的不均匀性, 塔里木盆地与天山之间的接触变形关系显示了塔里木盆地向北北西方向的挤压作用,台阵下 方壳幔界面的地形与地表的地貌特征有较好的相关性,山前弧形褶皱带的形成与地下深部结 构及挤压作用有关;３)伽师强震群分布在壳幔界面梯度带的上方,该震群的成因可能与震源 区附近的隐伏断裂活动有关;４)由于震源处于褶皱变形区的地壳上部,相应的剪切模量较小, 这可能是伽师强震群应力降明显偏低的...     

新疆伽师强震群区三维地壳上地幔S波速度结构及其地震成因的探讨

１９９７年１月２１日至４月１６日（北京时间）新疆伽师地区连续发生了７次６级以上 强烈地震．为了深入研究该强震群形成的构造背景,我们在伽师强震群区及其邻域大约 １１ ０００ｋｍ^２的范围内布设了由 ３０台宽频带数字地震仪组成的流动地震台阵,台站的间距约５－ １０ｋｍ．利用远震体波接收函数的叠加偏移分析及其非线性反演技术,研究了台阵下方０－ １００ｋｍ深度范围内地壳、上地幔的三维Ｓ波速度结构．结果表明：１)Ｍｏｈｏ界面的深度在塔里 木盆地一侧为４０-５２ｋｍ,而在靠近天山一侧的褶皱变形区为６０-７６ｋｍ,南天山山前折皱变形 区的地壳厚度明显增大,地壳内部产生了明显变形;２)塔里木盆地北缘存在明显的不均匀性, 塔里木盆地与天山之间的接触变形关系显示了塔里木盆地向北北西方向的挤压作用,台阵下 方壳幔界面的地形与地表的地貌特征有较好的相关性,山前弧形褶皱带的形成与地下深部结 构及挤压作用有关;３)伽师强震群分布在壳幔界面梯度带的上方,该震群的成因可能与震源 区附近的隐伏断裂活动有关;４)由于震源处于褶皱变形区的地壳上部,相应的剪切模量较小, 这可能是伽师强震群应力降明显偏低的...     

延怀盆地及其邻区地壳上地幔速度结构的宽频带地震台阵研究

在沙城以东的延庆盆地及其邻近区域内布设了由GDS－1000宽频带数字地震仪组成的流动地震台阵,利用台阵记录的宽频带远震P波波形数据和非线性接收函数反演方法获得了延怀盆地内0-80km深度范围的地壳、上地幔S波速度结构．利用计算机三维彩色剖分显示技术研究了台阵下地壳、上地幔速度结构的横向非均匀变化。结果表明,研究区域内的地壳厚度为40km左右,壳幔界面有4km左右的上下起伏．地表沉积盖层在延庆盆地中心附近厚度约1km,而在向盆地外围延伸的方向上相对变薄．研究区域内上地壳S波速度结构较复杂,而下地壳与上地幔则相对比较均匀．其上地壳最突出的特点是在10km深度附近有明显的S波低速层．在延庆盆地下方,它延伸到6-20km的深度范围．在延庆盆地南侧,该低速层有从西往东逐渐减弱的趋势．研究区域内的地震基本上都发生在延庆盆地下方上地壳低速体外围．据此推断,延庆盆地及其临近区域内的地震活动与该区域地壳内的热状态有密切关系．     

延怀盆地及其邻区地壳上地幔速度结构的宽频带地震台阵研究

在沙城以东的延庆盆地及其邻近区域内布设了由GDS－1000宽频带数字地震仪组成的流动地震台阵，利用台阵记录的宽频带远震P波波形数据和非线性接收函数反演方法获得了延怀盆地内0-80km深度范围的地壳、上地幔S波速度结构．利用计算机三维彩色剖分显示技术研究了台阵下地壳、上地幔速度结构的横向非均匀变化。结果表明，研究区域内的地壳厚度为40km左右，壳幔界面有4km左右的上下起伏．地表沉积盖层在延庆盆地中心附近厚度约1km，而在向盆地外围延伸的方向上相对变薄．研究区域内上地壳S波速度结构较复杂，而下地壳与上地幔则相对比较均匀．其上地壳最突出的特点是在10km深度附近有明显的S波低速层．在延庆盆地下方，它延伸到6-20km的深度范围．在延庆盆地南侧，该低速层有从西往东逐渐减弱的趋势．研究区域内的地震基本上都发生在延庆盆地下方上地壳低速体外围．据此推断，延庆盆地及其临近区域内的地震活动与该区域地壳内的热状态有密切关系．     

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:1)观测台阵覆盖的川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地的地壳上地幔S波速度结构具有显着差异,龙门山断裂和鲜水河断裂带,作为地块间的边界断裂带,对两侧地壳结构具有明显的控制作用。2)观测台阵覆盖区域的地壳厚度存在明显差异,川滇地块的地壳厚度为60~64km,松潘-甘孜地块的地壳厚度为52~56km,四川盆地前陆的地壳厚度为46~52km,沿龙门山断裂带松潘-甘孜地块和四川盆地形成镶嵌结构,汶川地震震中处南北两侧的壳幔边界存在约6km的断错。3)四川盆地前陆低速特征表明相应区域存在厚度8~10km的沉积盖层,松潘-甘孜地块和川滇地块的中下地壳具有大面积分布的S波低速区,松潘-甘孜地块地壳平均泊松比高达0.29~0.31,汶川地震余震绝大多数分布在低速区上方的高速介质区域内,而四川盆地的中下地壳呈现整体性的高速特征,以汶川地震的震中为界,龙门山断裂带北段和南段的S波速度结构显示了明显的速度分段特征,其北段的S波速度总体上高于南段。4)本文给出的研究区地壳三维S波速度结构表明,川西高原中下地壳较为软弱,而四川盆地中下地壳的强度应明显高于松潘-甘孜地块,意味着四川盆地坚硬中下地壳可以阻挡松潘-甘孜地块向东的逃逸;另一方面,川西高原和川滇地块的中下地壳虽然均存在大面积的S波低速区,但松潘-甘孜地块内的地壳速度结构相对来说较为复杂,并形成了高、低速相间的结构特征,表明在四川盆地的阻挡作用下,该地块形成了折皱变形的结构。5)与S波低速区相应,松潘-甘孜地块和川滇地块中下地壳应处于部分熔融的状态,这对该区域存在中下地壳通道流(Channelflow)的推断是一个支持;但是,松潘-甘孜地块内是否存在中下地壳通道流仍有待进一步的深入研究。6)接收函数方位各向异性的偏振分析表明,以汶川地震震中为界,龙门山断裂西南侧处于挤压状态,而其东北侧的主压应力方向与断层走向大体平行,推断先存应力场可能驱动了汶川地震逆冲破裂之后沿龙门山断裂向北东方向的走滑破裂。     

汶川Ms 8.0地震:川西流动地震台阵观测数据的初步分析

2006年10月,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,在中国四川西部(100°~105°E,26;N)布设了由297个宽频带地震台组成的密集流动地震观测台阵。截至2008年6月,川西台阵已记录远震事件(mb>5.0,30;)690个。5.12汶川MS8.0地震的发生为检验川西台阵观测系统的观测能力和工作状况提供了机会。文中对5.12汶川地震及其强余震序列观测记录进行了初步分析。结果表明:1)已发布的5.12汶川地震及其强余震参数有必要进一步修正,它们的震中位置可能存在8~24km误差,主震震源深度为19km的估计可能更接近实际情况;2)2008年5月16日理县(MS5.9)地震的波场分析表明:该地震面波不发育,它不可能是一个浅源地震,地震动速度波场垂直及水平分量峰值的异常增大与断层密切有关,在不考虑地形地貌、土质条件等因素的情况下,震中距200~250km范围内的地震动速度峰值异常增大可达正常衰减的4倍以上;3)利用接收函数方法对四川盆地和松潘-甘孜地块地壳结构的初步分析表明:四川成都北侧地壳厚度达到46km,四川盆地地壳从西向东逐渐增厚,下地壳显示了较为坚硬的特征,松潘-甘孜地     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

云南壳幔S波速度结构与强震的构造背景

本文选取云南及周边65个台站记录到的47个地震事件,利用相匹配滤波技术分离出了基阶Rayleigh面波信号.选取与震中处于同一大圆弧上的两个台站,利用双台格林函数法获取了台间相速度频散,频散的周期范围在10~80 s之间.从2000个波形记录中提取了152个台站对之间的相速度频散,最后,利用台间的相速度频散反演得到云南地区0~200 km深度范围内的S波速度结构.结果表明:云南地区地壳厚度整体上呈南北向变化趋势,从南部的30 km变化到北部的60 km.在局部地区Moho面呈现出隆起和凹陷,基本上呈"一隆两凹"的特征.另外,滇西地区大致以红河断裂为界,其两侧的岩石圈结构存在明显的差异.西侧从70 km深处开始,滇缅泰块体上的保山、畹町、沧源、思茅一带大范围内均为低速区,并且一直延伸到120 km深处.而红河断裂东侧的滇中块体,只有在康滇古隆起区存在上地幔低速区,其余大部分地区上地幔S波速度在4.4~4.6 km/s之间.     

龙门山构造带及汶川震源区的S波速度结构

利用四川地震台网的观测资料和体波地震层析成像方法反演了龙门山地区的S波速度结构,据此分析了龙门山断裂带的地壳结构和汶川震源区的深部构造特征.反演结果表明,地震破裂与龙门山断裂及其两侧的地壳结构差异存在明显的对应关系,汶川以北的龙门山上地壳具备较高的强度且明显抬升,灌县至江油是龙门山西侧应力积累的主要地区,汶川8.0级地震位于其南部边缘;四川盆地的刚性地壳向西俯冲于龙门山之下,其凸出部与造山带古老基底在汶川附近发生碰撞是汶川成为8.0级地震破裂起始点的主要原因.汶川以南的龙门山地区地壳上层具有较大的韧性,岩石强度相对减弱,与龙门山北部相比不易于应力积累和产生破裂,因而汶川以南的龙门山断裂缺少余震活动.龙门山地区地壳厚度明显增加,其原因与中下地壳具备较大的柔韧性有关.由于青藏东部向东挤出时受到四川盆地刚性岩石层的阻挡,龙门山中下地壳的塑性变形和垂向物质的增加导致地壳厚度加大和莫霍面下沉,以此方式吸收了龙门山地区的大部分地壳缩短量,地表则强烈褶皱抬升形成数千米的龙门山脉.     

汶川Ms8．0地震余震序列重新定位及其地震构造研究

综合利用川西流动地震台阵观测数据和震后应急地震观测台站的震相数据,采用双差地震定位方法对汶川地震的余震序列进行了精确重新定位,并对汶川地震的地震构造进行了深入研究.其结果显示,汶川地震序列从彭灌杂岩南缘开始破裂,主震及其余震破裂带长约350 km,在大部分区域宽约20～30 km,其宽度和空间形态沿破裂带显示了强烈的分段和非均匀特征.坚硬的彭灌杂岩对余震的非均匀性分布和汶川地震复杂的破裂过程起到了重要的控制作用.以松潘-甘孜地块中地壳低速层顶部为底边界,余震主要分布在4～24 km深度范围内的龙门山东缘上地壳高速层内.余震深度分布削面清晰地显示了映秀-北川断裂和灌县江油断裂以及汶川-茂汶断裂在20～22 km深度合并为剪切带的特征.小鱼洞到理县方向存在一条长度超过60 km的垂直于龙门山走向的余震分布条带,综合震源机制解和地震破裂过程的研究结果,我们推测,这是坚硬的彭灌杂岩体底部在长期应力积累作用下发生破裂的反映,并成为汶川地震释放出巨大能量的主要原因.     

汶川Ms8．0级地震余震分布及周边区域P波三维速度结构研究

利用川滇地区长期积累的地震走时观测资料和汶川地震余震观测资料对汶川地震震源区及周边区域地壳和上地幔P波三维速度结构进行了研究.结果表明,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.龙门山断裂带在20 km以上深度表现为高速异常带,彭灌杂岩体和宝兴杂岩体为局部高速异常区.龙门山断裂带中上地壳的局部高速异常体对汶川地震的余震分布具有明显的控制作用.在余震带南端,余震全部发生在与宝兴杂岩体对应的高速异常体的东北侧;在余震带的中段,与彭灌杂岩体对应的高速异常体在一定程度上控制了余震的分布;在余震带的东北端,宁强-勉县一带的高速异常体可能阻止了余震进一步向东北扩展.龙门山断裂带中上地壳的P波高速异常表明介质具有相对较高的强度,在青藏高原物质向东挤出过程中起到了较强的阻挡作用,有利于深部能量积累,在30 km深度之下,扬子地块具有明显的高速特征,其前缘随深度增加向青藏高原方向扩展,在下地壳和上地幔顶部已达到龙门山断裂带以西.     

汶川MS8.0地震前区域性 地电阻率异常初步研究

对汶川M_S8.0地震震中周围17个台站的地电阻率观测资料进行了处理. 以2007年的地电阻率观测数据为背景值, 计算出每一个台站NS和EW 两个测向2008年的地电阻率月均值相对变化的绝对值, 然后选择较大的值作为当月的相对变化值. 最终获得了汶川地震前5个月的地电阻率异常变化图像. 结果表明, 随着发震时间的临近, 地电阻率异常分布的范围逐渐缩小, 并最终集中分布在汶川地震震中附近; 在临近发震时间(2008年3, 4月), 地电阻率异常分布的长轴方向与汶川M_S8.0地震的破裂方向、 龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直, 而与其震源机制解的主压应力轴方向基本一致.      

汶川Ms8．0级地震发生背景与过程的研究

本文首先阐明汶川Ms8.0级地震发生在由区域布格重力异常和地震震中分布所确定的武都-松潘-茂汶-汶川-泸定地震带上.汶川地震所在地段是地震前兆和中小地震(M≤7.0)的空白区,震前出现明显的孕震空区,Ms8.0级地震发生在空区周围区域中小地震活动峰值之后的减少段里.地震的破裂超出孕震空区范围,空区内、外余震活动呈现出不同的衰减特征,依此将余震活动分为WS和NE两个区段.地震破裂过程、4级以上余震矩张量及震区应力场反演和余震应力降的测定结果表明,两个区域的位错、余震机制解和应力降及最大主应力的方向等明显有别.根据这些特征和地震应力触发的研究,推测NE段地震的发生可能是由WS段主破裂的发生所触发.