东海OBS深部地学探测断面及其地质意义

利用主动源海底地震仪(ocean bottom seismometer,简称OBS)进行东海地壳深部结构地震探测,对探讨东海大地构造演化意义重大.采用立体气枪阵列延迟激发震源新技术,完成了一条横跨东海陆架盆地-琉球岛弧的OBS深部地学地震探测测线(OBS-2015),获得了地壳内部主要地层界面和莫霍面的地震反射/折射震相.对OBS台站记录经预处理、震相识别与拾取后,通过射线追踪、走时拟合等正反演处理,得到了沿测线的二维地壳速度结构剖面.剖面的地质解释与综合研究认为,东海陆架中-新生代沉积盆地沉积层厚度大、分布广,中-新生界最大叠合厚度达13 km左右;东海陆架区地壳是大陆地壳向海区的延伸,莫霍面起伏小、埋藏深度在30 km左右.钓鱼岛隆褶带到琉球岛弧区域莫霍面起伏剧烈,呈由西向东快速抬升的趋势.冲绳海槽区地壳厚度只有东海陆架盆地的一半左右,并呈中轴线最薄(13 km左右)、向两侧快速加厚(19 km左右),莫霍面上方发育速度达7.1 km/s的下地壳高速地质体,东部坳陷地区莫霍面已出现明显抬升,与盆地存在明显镜像关系,推测为盆地拉张作用所致.冲绳海槽的纵向速度结构与陆壳差异大,与洋壳的速度结构较为接近.综合以上因素并结合区域地质背景分析认为,南冲绳海槽进入了海底扩张的初始阶段,地壳具有非典型洋壳的特征.本次探测结构为东海深部地壳结构研究及区域地质演化研究提供了重要的基础资料.     

南海海底天然地震台阵观测实验及其数据质量分析

长期的海底天然地震观测由于技术上的困难而极富挑战性.为了在这一领域积累经验,同时揭示南海中央海盆残留洋脊下的岩石圈结构,在南海深海区进行了一次较大规模的被动源海底地震仪(OBS)台阵观测实验.本文简述了此次实验的仪器、OBS的布放和回收状况,着重从多个角度分析了所收集的海底地震记录的数据质量.地震波形分析表明回收的OBS记录质量良好,来自远震、区域性地震和马尼拉俯冲带内的小震的主要震相都清晰可辨.海底背景噪音频谱分析显示OBS记录的噪音水平要高于全球平均噪音模型,且水平和垂直分量的数据质量存在差异,反映了洋流对于OBS各分量的不同影响及各分量与海底的耦合状况;在5~10 s周期范围内,多个OBS台站存在着一个噪音低值区,且水平分量和垂直分量在此频段噪音水平很接近.这一特征与开放大洋的噪音特征不同,说明南海这一边缘海的双频微噪音(double frequency microseism,DFM)的能量来源并不是远源.还利用瑞雷面波的偏振方向规律确定了OBS台站水平分量的方位,并对典型地震的瑞雷面波进行了频散分析.此外,还总结了这一实验对于在南海进行长期的海底天然地震观测的经验和教训.     

上地幔670km间断面相关震相的走时

PREM 模型中,存在深度为220,400和670km 等的速度间断面,传播中的地震射线在触到这些间断面时由于反射折射及转换而产生一些相关震相,在不同地区不同震级的地震中分别都有记录;编制这些相关震相的走时表,是研究地球内部物理性质的一项基础性工作.本文计算了 PREM 模型与上地幔过渡区670km 间断面有关的一些震相的走时,绘制成走时曲线;据此讨论了部分震相的特征及性质.     

结合台阵策略的震相拾取深度学习方法

深度学习的突破性发展及其在地震学领域的初步应用,为有效处理和利用地震资料提供了可能.震相拾取是地震资料处理中的基础性工作,目前已经提出了很多基于深度学习的震相拾取方法,取得了很好的效果.但是,为了满足地震学研究中处理连续地震记录的需要,尚需对方法进行进一步的改进.本研究针对性地设计了结合台阵策略,单独识别P波和S波的长时窗震相拾取深度学习模型PP(phase picker)及其训练方式,提出了具有实用性的震相拾取方法APP(array-assisted phase picker).利用阿里余震AI捕捉大赛和Hi-net数据进行测试的结果表明,模型能够有效地在连续波形上拾取体波震相并具有很好的泛化能力.通过比较该模型与其他模型(较短时窗的模型和同时识别P波、S波的模型)的拾取效果,验证了模型设计的合理性.具体的测试样例显示,该方法能够正确地处理地震密集的波形数据并能避免典型噪声的影响.将该方法运用到内蒙古地区台网的观测数据中,检测到了人工目录中98.1%的地震,地震拾取总数为人工目录数的30倍,进一步表明本研究方法具有很好的实用性.     

介质各向异性和非均匀性对横波分裂参数测量的影响

地震横波分裂参数是确定地球介质各向异性基本特征的重要依据.在过去几十年间,快横波偏振方向和快-慢横波到时差测量值的显著离散已经成为影响学界对地震各向异性和横波分裂进行深入研究的一个突出障碍.本文具体分析了实际地球介质的各向异性和非均匀性可能引起的地震记录上地震波震相观测走时和理论走时的偏离、观测偏振和理论偏振的偏离,以及震相观测序列和理论序列的偏离;指出了实际三分量地震记录上地震波震相矢量普遍存在的偏振非正交和路径非正交关系是传统正交分离和参数测量结果显著离散的根本原因;用仿真模拟实例分析了现有震相识别和波形分析方法可能带来的震相漏识别或误识别,介绍了利用矢量分析技术分离三分量观测记录上地震波震相完整波形的基本思路,推导了以地震波空间偏振矢量方向为参数的波形分离运算表达式,以及直接利用三分量地震记录的傅里叶频谱在不同坐标分量上的投影来测量地震记录上各个震相矢量空间方向的近似方法.     

中国煤矿第一爆对华北克拉通岩石圈结构研究的启示

利用贺兰山中中国煤矿历史上最大的一次矿山大爆破, 以爆破点为起点向南东方向穿过银川盆地和鄂尔多斯块体布置了一条超长地震观测剖面, 在中国大陆地震探测研究中获得了观测距离超过1300 km来自上地幔上部反映不同深度的地震波信息. 上地幔顶部折射波Pn明显的特点是可以有效的对比追踪至500 km以远, 其稳定的动力学与运动学特征预示着鄂尔多斯地块的上地幔顶部是一个构造变化不大、比较弱的正梯度层结构; 如果认为Pm1和Pm2两波组是来自上地幔的波组, 则在上地幔结构中有着发育的构造层面, 其平均速度分别为7.70~7.80和8.10~8.20 km/s. 根据Pm1和Pm2波组的走时特征推测其反映的界面M1与M2之间可能存在着一定厚度的速度逆转层, 它们所反映的深度范围约为110~120和200~220 km, 这些现象基本上反映了该地区上地幔岩石圈的结构特征. 由此得到的信息可对华北克拉通岩石圈构造探测研究、认识地球内部上地幔不同圈层的形状、结构与相互作用关系提供有意义的借鉴.     

首都圈地区地壳三维P波速度细结构与强震孕育的深部构造环境

利用首都圈密集数字地震台网123个台站记录的2973个区域地震48750个精确P波到时数据, 采用地震层析成像方法反演得到研究区内详细的三维P波地壳速度结构模型. 其空间分辨率在水平方向为25~50 km, 在深度方向为4~17 km. 该模型提供了区域地质结构和复杂地壳构造的新信息. 华北平原、太行山和燕山隆起区内展现出明显不同的速度结构变化特征. 在上地壳层位上, 速度图像与地表地质、地形和岩性密切相关; 隆凹相间的华北盆地呈现出地震波速度快慢交替的东北-西南向异常带, 速度异常方向与区域断裂和构造的走向相同; 基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区, 在速度图上呈现出大面积的高速异常; 而分布在山间的第四纪沉积盆地显示出小范围的低速异常. 多数大地震(M≥6.0级, 如1976年唐山7.8级地震、1679年三河平谷8.0级地震)都发生在高速块体的边侧, 而在这些强震的下面存在明显的低速和高导岩层. 我们认为这与1995年日本神户7.2级地震和2001年印度普杰(Bhuj)7.8级地震的情况类似. 这些低速和高导异常与流体有关, 下地壳中的流体容易引起中上地壳中发震层的弱化, 使孕震断层易于破裂, 从而发生大震.     

南海西南次海盆海底地震仪天然地震观测及ScS波分裂

简要介绍了南海西南次海盆OBS3D地震探测台阵,整理并详细分析了宽频带OBS的天然地震记录,结果表明共记录了Ms6.0～6.9地震93个,Ms7.0以上地震10个,数据质量较好,特别是2011年3月11日日本仙台以东海域发生的Ms9.0大地震.对4次Ms7.0以上地震的ScS波进行了各向异性反演,结果表明西南次海盆的快S波偏振方向N58°E平行于已停止活动的扩张脊(慢波方向S35°E垂直于扩张轴),说明西南次海盆的扩张脊现今处于挤压应力状态,反映了南海南部边缘的碰撞格局和洋脊停止扩张的动力学原因.     

一个发生在沉积盖层里的破坏性地震: 2010年1月31日四川遂宁-重庆潼南地震

一般而言只有结晶基底才有足够的强度积累大量的应变能然后突然释放形成破坏性地震, 而沉积盖层则由于富含孔隙、流体因此较软弱而不能积累足够的能量形成大的地震. 而2010 年1 月31 日在遂宁-潼南交界处一次M5.0 破坏性地震, 多数台站记录短周期面波(Rg)发育, 显示出浅震的特征. 通过拟合短周期面波和较长周期面波的相对幅度, 拟合远震深度震相pP, sP 波形, 确定该地震深度约为(2±1.5) km, 因此该地震发生在厚达6 km 的沉积盖层之内. 虽然文献中有古生代沉积岩中发生4 级地震的报道, 但是中生代沉积盖层中发生高达5级地震的案例尚无报道. 此次地震给破坏性地震的孕育机理研究提供了罕见的案例.     

爆破地震揭示的华北西部高分辨基底速度结构

利用在华北克拉通西部完成的两条高分辨折射探测剖面获得的21炮Pg波资料,在对不同构造区Pg波的运动学与动力学特征分析对比的基础上、采用有限差分反演方法构建了两剖面的基底结构模型.研究结果不仅清晰地标定了主要断裂的位置及形态,还反映出不同构造区基底埋深和速度结构的差异.鄂尔多斯地块的基底埋深在4.5~5.5 km间、起伏变化不大,且速度梯度横向变化不甚明显,结合Pg波走时平稳、追踪远等地震学现象,揭示出鄂尔多斯地块浅表沉积和基底结构比较稳定;贺兰山和银川盆地两者不仅在地形地貌上差异显著,其基底埋深从2.0~4.0 km的较大变化以及速度结构显著的横向非均匀性足以表明两者之间垂直差异运动及变形的强烈程度.银川盆地Pg波走时趋势与速度结构图像基本反映了基底局部坳陷的形态特征和新生代沉积厚、速度低的客观现象;弧形构造区地处祁连、阿拉善、鄂尔多斯三者相互作用的复杂构造环境之中,基底埋深6.0 km的巨厚坳陷与相邻仅2.0 km厚的基底隆起形成较大反差,这与印度板块和欧亚板块强烈的碰撞推挤致使在青藏高原东北缘多个构造块体交汇复合部位呈现变形强烈、极度不稳定的基底结构密切相关.鄂尔多斯块体基底呈现西深东浅特征及周缘基底强烈的横向不均匀性、挤压褶皱变形及断裂带的发育,均反映了青藏高原NE向的持续挤压运动遭到了鄂尔多斯块体的阻挡.     

青藏高原东部P波速度结构及其对高原隆升的启示

利用青藏高原东部的高密度流动台站数据和位于研究区范围内固定台站的同期数据,采用远震体波走时层析成像的方法,反演获得了青藏高原东部及其周边高分辨的壳幔P波速度异常结构,结果显示:研究区的速度异常主要集中在地壳及上地幔顶部.高原内部强烈变形的区域存在深达200 km左右的低速异常,而高原周边克拉通性质的块体下方存在深达200~300 km的高速异常,高、低速异常和构造块体有较好的对应关系.在400 km以下区域,速度异常的幅值和范围都很小,可认为其速度值与全球平均模型一致,不存在明显的高速俯冲物质和低速地幔上涌物质.青藏高原东部的隆升成因主要由浅部的低强度岩石圈变形所导致,由于同时受到印度板块推挤和周边刚性块体的制约,青藏高原下方低强度岩石圈的水平缩短吸收印度板块的推挤作用,垂直向伸展导致高原隆升.     

伊豆-小笠原地区岩石圈软流圈边界地震学证据

岩石圈软流圈边界(lithosphere-asthenosphere boundary,LAB)是上地幔内具有负速度梯度的地震间断面.开展对俯冲带区域LAB的地震学探测有助于进一步理解岩石圈与软流圈的相互作用以及与板块俯冲相关的地球动力学过程.本文收集了2002~2014年发生于伊豆-小笠原地区的3个深源地震(400~600 km)的垂向宽频带波形资料,利用线性倾斜叠加方法对波形数据进行处理后获得了相对走时-慢度域的灰度图和叠加波形图,并成功提取了s_P震相在LAB反射的前驱震相s_(LAB)P,该震相的极性与s_P相反,幅度比为0.17~0.21.基于改进的一维速度模型IASP91-IB计算获得了近源区6个s_(LAB)P震相反射点的分布.研究表明伊豆-小笠原岛弧下方LAB深度位于58~65 km,平均深度为62 km,起伏变化较小(7 km).与菲律宾海构造稳定地区研究结果相比,伊豆-小笠原岛弧地区海洋岩石圈出现了明显减薄的现象,其应与西太平洋俯冲板块在地球深部持续释放的挥发分物质导致了软流圈出现部分熔融以及弧后地幔楔内小尺度对流的强侵蚀作用密切相关.     

采用地震背景噪音成像技术反演天山及周边区域地壳剪切波速度结构

采用地震背景噪声成像技术获得了天山及周边区域的地壳剪切波速度结构, 数据取自中亚地区50个宽频带数字地震台站的连续噪音记录, 通过互相关计算共获取了约748个高信噪比瑞雷面波经验格林函数: 利用可视化方法测量了周期为6~50 s的瑞雷面波相速度频散, 据此反演了相速度分布模型和剪切波速度结构. 结果表明, 短周期(6~20 s)相速度分布与地质构造存在一定的相关性, 高速区域对应于山脉, 低速区域对应于沉积盆地, 天山造山带下部存在双向俯冲高速异常, 其中天山南部的高速异常从塔里木中上地壳向北俯冲, 天山北部的高速异常则从中地壳向南俯冲; 另外天山造山带中下地壳存在低速通道, 该通道为地幔热流的上涌或侵入提供了途径. 研究表明, 塔里木盆地地壳的向北俯冲和哈萨克地台地壳的向南俯冲作用, 以及天山下方的地幔热流上涌共同为天山造山带的活化提供了主要动力.     

青藏高原羌塘西部上地幔SH波速度结构的研究

利用INDEPTH-Ⅲ台阵记录到震中距14°~19°之间的一个中深源地震事件(~220 km深), 采用三重震相波形模拟方法, 得到了青藏高原羌塘西部地区上地幔一维S波速度结构模型. 所得的上地幔SH波速度模型(ATIP)显示在上地幔190~270 km深度范围内有一速度变化达-4%左右的明显低速异常. 同时ATIP模型显示上地幔过渡带上方速度梯度小, 与前人结果一致. 结合其他地球物理研究结果, 认为羌塘西部地区软流圈顶部埋深约190 km, 岩石层不存在大规模减薄现象, 其上地幔结构与稳定欧亚大陆地幔类型相类似.     

华北克拉通上地幔顶部构造特征: 来自台站间Pn 波到时差成像的约束

上地幔顶部是地壳和岩石圈地幔能量传递和物质交换的关键区域, 华北克拉通破坏与岩石圈减薄在空间分布和破坏机制上的差异势必会造成克拉通不同区域在岩石圈地幔顶部地震波速度的不同. 使用华北及周边地区固定地震台站记录的Pn 波到时数据, 采用台站间Pn 波到时差成像方法, 反演得到了华北克拉通及周边地区上地幔顶部Pn 波速度结构. 结果显示: 华北克拉通东部、中部和西部块体上地幔顶部表现出明显不同的速度异常结构, 暗示着克拉通不同块体岩石圈在古生代以来可能经历了不同的构造演化和深部动力学过程, 并在现今上地幔顶部留下作用的痕迹. 华北克拉通东部块体渤海湾盆地地区上地幔顶部的明显高速异常可能代表了太古代岩石圈地幔的残留; 郯庐断裂带和渤海海域上地幔顶部的低速异常可能归因于岩石圈的强烈减薄和软流圈热物质的上涌; 而燕山地区下地壳和岩石圈地幔拆沉后形成的新生岩石圈地幔可能是这里上地幔顶部低速异常的原因. 华北克拉通中部块体的太行山一带上地幔顶部显示为显著的低速异常, 这一低速异常特征一直延伸到鄂尔多斯地块北缘的银川-河套裂陷和阴山造山带, 可能与软流圈热物质沿克拉通西部块体周缘岩石圈构造薄弱带上涌有关, 上涌形成的岩浆底侵或热侵蚀作用造成了岩石圈的减薄, 并显著降低了上地幔顶部的速度. 华北克拉通西部块体上地幔顶部为明显的高速异常, 反映出尚未破坏的太古代克拉通古老岩石圈的性质.     

南海海盆残留扩张中心地壳速度结构对比及构造意义

南海西北、西南和东部3个次海盆停止扩张之后都存在岩浆活动,扩张中心有多个海山.为了研究海山和扩张中心的地壳结构特征,本文使用穿越南海西北次海盆扩张中心的广角地震剖面(测线OBS 2006-p1),针对海盆区域,通过P波二维地震射线追踪正演,获得了西北次海盆垂直扩张方向的深部速度结构,讨论了西北次海盆及其扩张中心深部地壳结构特征;并结合南海东部次海盆和西南次海盆横穿扩张中心的海底地震仪(ocean bottom seismograph,OBS)剖面,对不同海盆的地壳结构进行了对比研究,获得了扩张后期岩浆活动对洋壳改造的新认识:(1)发现西北次海盆地壳具有明显的洋壳性质,莫霍(Moho)面埋深为11~12 km(从海平面起算),地壳厚度为6~8km,速度为5.7~7.0 km/s.扩张中心轴部双峰海山为西北次海盆扩张之后岩浆活动的产物;(2)西北次海盆、东部次海盆、西南次海盆东北部沿垂直扩张脊方向地壳速度结构均有明显的横向变化,在扩张中心处都表现为洋壳厚度增大约1 km,莫霍面埋深增大,表明后期岩浆活动对地壳结构有较大的改造作用.     

震相Pt、St的特征

Pt、St就是指正常P、S波之后若干秒内出现的两种震相。其形状为波列,周期常为8—10秒,通常比P、S强。在震中距离6°—30°间为地震图上引人注目的震相。该震相在文献中虽然曾被片断地提到过,但是尚未见到过系统的研究,至今人们还不知道它们的性质是什么。本文是对该震相性质进行解释的初步尝试。考察的重点是它们的运动学特征。依据80多个地震的资料,其震中均分布在中国的台湾,日本的琉球、本州这个地震带上。     

从壳幔地震各向异性初探华北地区壳幔耦合关系

根据首都圈地震台网、国家地震台网、IRIS台站资料, 并比较了流动的华北地震台阵部分台站资料的结果, 利用地震各向异性分析, 得到减少局部构造影响后的华北地区(至少是华北地区北部)的地壳背景水平主压应力方向为北东95.1°±15.4°, 穿透壳幔的SKS分裂的快剪切波偏振平均值为北东110.2°±15.8°. 而台站分析也显示, 地壳内近场资料的快剪切波偏振与SKS快剪切波偏振总是相差十几度以上. 不同周期下的Rayleigh面波相速度方位各向异性快波优势方向也同样揭示出随深度增加快波优势方向的变化. 这个特征暗示华北地区的壳幔耦合关系可能既不是简单的壳幔解耦型, 也不是壳幔强耦合型, 可能是两种模式共存的不均匀分布, 或者是物理性质介于两者之间的渐变模式. 研究表明, 在分析穿透整个岩石圈的SKS分裂和地表的GPS观测的基础上, 增加揭示地壳各向异性的近场资料剪切波分裂, 结合面波的方位各向异性, 可以更准确地多方位刻画壳幔各向异性性质, 进而探讨壳幔的耦合关系.     

近场地震快慢横波到时差测量离散辨析和改正

快慢横波到时差是地震物理预报的重要线索之一.长期以来由于快慢横波到时差的较大离散,横波观测到时差变化与地震发生过程中应力变化之间无法建立能被绝大多数观测结果证实的物理联系.快慢横波测量离散既可能来自观测台站下方地层结构和介质的各向异性差异,也可能来自数据处理过程.本文利用新西兰南岛北部KHZ台站从2013年1月到2017年1月的单台近震数据,在观测台站底部介质物性和结构基本稳定的前提下,基于横波偏振矢量分析和可视化方法对横波数据进行处理,对横波处理过程中引起快慢横波倒时差测量离散的频率滤波、距离归一化因素进行了逐一的对比,并对台站下方介质各向异性分层可能引起的多次分裂所表现出来的"假离散"现象进行了分析,由此给出了改正横波测量离散的方法.用"有效震源距"作为到时差归一化路径长度得到的横波归一化到时差随震源距变化的关系图清晰地展示出7.8级地震前后应力变化的空间范围和影响程度,是较大地震前后观测地区存在应力积累的明确标识.给出了确定横波分裂界面深度的方法,得到了新西兰南岛北部KHZ台站下3个横波分裂界面深度.     

与青藏高原东北部地球动力学相关的深部构造问题

青藏高原东北部是探索青藏高原地球动力学的重点地区之一.自20世纪60年代以来实施的一系列深部地球物理探测和相关研究获得了该地区地壳上地幔结构的基本特征.深部地球物理探测揭示高原的地壳增厚,且具有低P波速度、低电阻率和高热流值的特点;体波走时层析成像、面波频散和远震体波接收函数反演共同显示中下地壳的低剪切波速度.回顾青藏高原东北部已有的深部地球物理研究成果,梳理出当前存在一些与地球动力学相关的问题.它们是:(1)中上地壳的低速-高导层;(2)高原地壳的增厚方式;(3)地壳和地幔各向异性;(4)下地壳通道流;(5)向南俯冲的欧亚大陆岩石圈.这些问题尚未达成一致的认识.不同的深部构造模型和观点使得对例如"下地壳通道流"和"俯冲的欧亚大陆岩石圈"有关议题争论持续不断.未能达成共识的重要原因之一可能是现有台网的数据成像分辨率和精度仍不足以识别在地壳和上地幔深处的细节.在国家和区域地震台网的基础上,正在实施的大规模流动地震台阵观测,以及重点地区开展高分辨的深部地球物理探测,将较大幅度地改善目标模型的分辨率和可靠性.这是增进青藏高原东北部深部结构和地球动力学知识的有效途径.