可可西里岩石圈向北俯冲到柴达木地幔的地震学证据

利用中美德INDEPTH IV合作项目2007—2009年间布置于青藏高原中、北部140个宽频地震台站记录到的天然地震数据,经过接收函数成像处理,获得了3条穿过昆仑—阿尼玛卿缝合带清晰的壳幔结构图像.结果显示柴达木南缘莫霍面位于约50 km深度,羌塘地块、可可西里地块、东昆仑造山带莫霍面位于约65 km深度,昆仑—阿尼玛卿缝合带以北约50 km存在莫霍面深度突变.在可可西里和柴达木岩石圈地幔之间观测到北倾界面,这可能是可可西里岩石圈向北俯冲到柴达木地幔之下的证据.可可西里地块地壳内宽缓的负转换震相带是低速带的反映,其向北挤入到东昆仑山下发生挤压增厚,可能是东昆仑山隆升的原因;由于刚性柴达木岩石圈的阻挡,物质向东改向,则可能是该地区向东旋转的构造应力场产生的原因.本文研究结果不支持亚洲岩石圈地幔在东昆仑—柴达木交界处向南俯冲,据此,我们提出了新的东昆仑造山模式.     

青藏高原及邻区的Rayleigh面波的方位各向异性

用Rayleigh波层析成像研究青藏高原地壳上地幔方位各向异性．收集了包括近年来在云南和川西藏东地区布设的流动台网在内的青藏高原及周边地区宽频带地震台站的记录,使得大部分地区有理想的射线覆盖,因此反演结果获得较高的分辨．模型分辨率的测试表明,大于400km范围内的各向异性特征以及大于2％的各向异性强度是可靠的．青藏高原内部的方位各向异性具有与大地构造相似的分区特征．高原东部大部分地区地壳各向异性强度大于2％,且表现为环绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转．在垂直方向上,高原内部的上地壳、下地壳和岩石圈地幔的各向异性方向基本一致,也与GPS所观测到的速度场和SKS快波方向基本一致,揭示高原下方的岩石圈变形是垂直连贯变形．在高原外部的云南地区,地壳和上地幔岩石圈方位各向异性的强度均小于2％,因此SKS波从核幔边界至台站间产生的分裂应主要归因于软流圈．     

中国东部上地幔各向异性研究

对布设在中国东部的固定和流动宽频带地震台网共65个台站记录作远震SKS波形资料偏振分析,采用SC方法和叠加分析求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了中国东部上地幔各向异性图像。中国东部的各向异性快波方向从华南的近EW方向到华北的NWW-SEE方向,再到东北的NW-SE方向,由南向北呈顺时针旋转的趋势。快、慢波时间延迟范围是0.41-1.52s。通过分析研究区各向异性特征,认为中国东部上地幔各向异性可能与中国大陆受印度板块与欧亚板块的碰撞以及太平洋板块和菲律宾海板块向欧亚板块下方的俯冲的共同作用有关。在中国西部地壳增厚隆起的同时,物质向东挤出,使得东部上地幔物质向东和东南方向流动。中国东部大陆岩石圈和岩石圈下的上地幔物质在板块的相互作用下产生变形,使上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿物质流动方向。各向异性快波方向与岩石圈的伸展方向和GPS得到的速度场方向一致,表明中国东部壳幔变形具有垂直连贯变形特征。     

青藏高原东北缘上地幔地震各向异性:来自SKS、PKS和SKKS震相分裂的证据

基于青藏高原东北缘甘肃区域台网41个宽频带地震台站的远震记录资料,通过PKS、SKS和SKKS震相的剪切波分裂分析,获取了台站下方介质的各向异性分裂参数,得到该地区上地幔各向异性分布图像,并结合GPS速度场和地壳剪切波各向异性分析青藏高原东北缘各向异性形成机制及壳幔各向异性特征.分析结果认为,在阿尔金断裂带西侧,各向异性快波偏振呈NWW-SEE方向,与断裂带走向有一定夹角,与塔里木盆地向柴达木盆地俯冲方向一致,说明该地区上地幔物质变形主要受古构造运动的影响,属于"化石"各向异性.在祁连山-河西走廊构造区,XKS快波偏振呈NW-SE方向,一致性较好,与区域断层走向方向相同;由区域小震的地壳剪切波分裂分析得到的地壳剪切波快波偏振在该区域呈NE-SW方向,与相对于稳定欧亚大陆GPS运动速率一致,地壳和地幔快波偏振方向的差异表明壳幔变形可能有不同的形变机制.在陇中盆地及其周缘,由于处于活跃青藏地块与稳定鄂尔多斯地块之间的过渡带,相对于其他区域具有更加复杂的构造背景,地壳快波偏振和地幔快波偏振总体上呈NWW-SEE方向,说明壳幔变形机制可能相同;但不同台站结果之间存在一定离散性,推测是由于受局部构造特征差异性造成.     

鄂尔多斯地块北部及邻区Pn波速度结构与各向异性

利用鄂尔多斯地块北部及其邻区2008—2018年期间固定台网的地震波形记录，手动拾取出高质量的Pn波到时资料，反演获得了研究区上地幔顶部的Pn波速度结构及各向异性。结果表明:鄂尔多斯地块北部及其邻区上地幔顶部的Pn波速度存在明显的横向不均匀性，与区域地质构造和地震活动相关；研究区内平均Pn波速为8.18 km/s，鄂尔多斯地块内部表现出大范围的高速异常，阿拉善地块的高速异常体中存在低速异常现象，河套断陷带、阴山—燕山造山带、银川—吉兰泰断陷带和海原—六盘山弧形断裂带区域均表现为显著的低速异常，河套断陷带下方存在向鄂尔多斯地块内部延伸的明显低速异常条带，大同火山群下方存在强低速异常；多数历史强震均发生在低速异常区或高低速异常过渡带上；鄂尔多斯地块内部Pn波各向异性快波方向西部为近NE?SW向，而东部为近NW?SE向，河套断陷带和鄂尔多斯地块西缘、青藏高原东北缘与阿拉善地块的交界带以及阴山—燕山造山带的各向异性快波方向总体均呈现为NW?SE向，而阴山—燕山造山带东部则呈NE?SW向。      

青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性研究

本研究使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设流动地震台站以及青藏高原周边地区固定地震台站记录到的波形资料,提取了大量高质量Pn波到时资料.联合中国地震台网观测报告,我们获得了一个新的青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区内上地幔顶部存在明显横向不均匀性.古老盆地和稳定地台区如四川盆地、柴达木盆地、拉萨地块和阿拉善块体呈现为明显高波速异常,而祁连山至西秦岭褶皱带和川滇菱形块体北部等为相对弱高波速异常.在龙日坝断裂带以东的松潘—甘孜地块往南沿安宁河—则木河断裂至川滇菱形块体南部显示为一条近南北向明显低波速异常.三江褶皱系、缅甸弧俯冲带以及四川盆地东南等地区为明显低波速异常.地壳强震多发生在高波速异常边缘或高低波速异常过渡带上,表明地壳强震的孕育可能还与地幔构造作用存在一定相关性.青藏高原东构造结的各向异性快波方向呈顺时针旋转分布,与印度—欧亚碰撞密切相关.龙门山断裂带东西两侧的各向异性快波方向发生明显变化,由其西侧松潘—甘孜地块下方的NE向转变为四川盆地下方的近EW向,说明青藏高原物质流动遇四川盆地后分为NE和SW向两支.在川滇地区26°N以南地区上地幔顶部各向异性呈现近NS向与地表GPS观测相一致,但与SKS分裂结果存在较大差异,可能表明地壳与上地幔顶部形变表现为耦合现象,而上地幔顶部至岩石圈内部则存在解耦现象.     

蒙古中南部地区与青藏高原东北缘地震面波层析成像

青藏高原东北缘与蒙古高原分别受到印度-欧亚板块碰撞的直接影响和远场效应作用,对这两个地区开展深入研究对我们了解碰撞导致的变形和构造运动、以及碰撞作用的边界范围有着重要意义。基于现有的台阵观测数据,我们分别开展了蒙古中南部地区与青藏高原东北缘的地震面波层析成像。1蒙古中南部地区位于中亚造山带腹地的蒙古地区,是公认的研究大陆岩石圈变形的关键地区之一。由于之前地震资料的不足,我们对其认识十分匮乏。本研究收集了架设在蒙古中南部的69个地震台站观测数据。运用小波变换频时分析技术提取了7 181条瑞利波和901条勒夫波台站间相速度频散。采用连续分区(continuous regionalization)方法构建了蒙古中南部地区12~80s周期内的相速度及其方位各向异性分布图。与已有结果相比,本文结果具有更高的分辨率。基于获得的纯路径频散,遵循Montagner提出的各向异性表述,采用非线性最小二乘算法,我们逐点反演了研究区内每个网格点下的相关参数,获得了蒙古高原中南部地区三维SV波的速度结构分布。结果表明:(1)中戈壁带在整个地壳和上地幔顶部都表现为低速异常,且深度大致延伸到70km左右,其各向异性强度较弱且快波方向较为杂乱。地质资料也显示,在中戈壁带有大量分布的新生代火山岩,可以推断出露的火山岩跟中戈壁带地壳和上地幔顶部的低速结构有直接关系,且中戈壁带下方可能存在垂向的地幔流。(2)在蒙古主断裂带(MML)两侧,S波速度结构与方位各向异性都表现出极大的差异,证实了该断裂带的存在且可能延伸到整个岩石圈。(3)在断裂带MML以南的南戈壁带,地壳内方位各向异性表现为NNE-SSW方向,推测跟印度-欧亚板块碰撞产生的远程效应有关。进入上地幔后,南戈壁带相速度方位各向异性主要表现为NWW-SEE方向,非常接近APM方向。这可能表明南戈壁带上地幔方位各向异性受地幔流动的影响。地壳与上地幔表现出来的完全不同的方位各向异性特征,可能暗示南戈壁带地壳与上地幔变形是解耦的。(4)杭爱—肯特山盆地及其周边地区的方位各向异性在我们给出的周期范围内基本上保持为NNW-SSE方向,表现出垂直连贯变形的特征。其快波方向垂直于贝加尔湖裂谷,与裂谷张开的方向一致,我们推测该区域的应力场受到贝加尔湖裂谷的控制。2青藏高原东北缘利用青藏高原东北缘地区固定和流动地震台网2007年8月~2012年1月期间记录的远震波形,运用小波变换频时分析方法分别测定了1 216和653条周期为15~140s的台站间基阶瑞利波相速度和群速度频散曲线。通过对上述频散进行反演,重构了青藏高原东北缘分辨率高达0.5°×0.5°的二维相速度和群速度分布图。然后通过对所提取到的每个网格点瑞利波相速度和群速度频散进行联合反演,得到了研究区下方一维S波速度结构。最后通过线性插值,得到了青藏高原东北缘下方地壳上地幔三维S波结构。结果表明:(1)在本文的速度结构图上,班公—怒江缝合带下方存在显著的深达180km的高速异常,我们推断位于班公—怒江缝合带下面的高速块体可能就是印度板块,这表明印度板块的前缘已经俯冲到了班公—怒江缝合带附近。(2)我们的结果显示,在青藏高原东北缘的柴达木盆地北部和祁连山地块下面100~250km深处存在板片状高速异常体。结合已有的研究结果和该高速异常体的形态,我们推测此高速异常体可能就是亚洲板块,其前缘已经抵达柴达木盆地北部,且没有明显的向南俯冲的迹象。(3)在印度、亚洲岩石圈地幔中间,我们可以看到显著的延伸到250km深度的低速异常,此低速且低阻异常体的深度远超过南侧的印度板块和北侧的亚洲板块,可能是地幔物质底辟上涌现象造成的。     

大别—苏鲁及邻区上地幔的各向异性

大别—苏鲁是扬子与华北的碰撞造山带,对该地区上地幔各向异性的研究有助于了解该区的地幔动力学机制.本文选用了中国数字化地震台网和区域数字地震台网(山东、安徽、江苏、河南、湖北)三分量宽频带的远震地震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法,对大别—苏鲁及邻区进行剪切波偏振分析,计算了研究区台站下方介质的各向异性分裂参数:快波偏振方向(Φ)和快慢波延迟时间(δt).本文研究结果发现,研究区内快、慢波延迟时间0.5~1.63 s,推测各向异性层深度为57.5~187.6 km,由软流圈和岩石圈地幔的各向异性共同作用引起.快波偏振方向在4个不同构造区表现出不同的特点:华北板块快波偏振方向为近E-W向,根据地质资料,我们分析认为华北板块的各向异性受地幔软流圈流动的影响明显;大别造山带各向异性平行于大别主构造,反映造山过程中岩石圈物质沿大别造山轴部NW-SE向迁移的特点; 在大别南侧和东侧的扬子板块快波偏振方向分别表现为近垂直于造山带走向和NEE-SWW,苏鲁造山带各向异性结果为NEE-SWW,与地表构造有一定的夹角,同时与板块运动方向相差较大,分析认为扬子板块和苏鲁造山带各向异性是由地幔软流圈流动和印支—燕山期构造运动残留在岩石圈地幔的"化石各向异性"共同作用的结果.     

青藏高原东北缘SKS波分裂研究

利用青藏高原东北缘区域数字地震台网43个台站的远震SKS波形资料,采用最小能量法和旋转相关法得到台站下方上地幔介质各向异性的分裂参数:快波偏振方向(φ)和快慢波时间延迟(δt)。研究结果表明:在塔里木盆地东南缘区域,各向异性快波方向与该区域的断裂走向存在明显的夹角,该盆地向柴达木盆地的俯冲方向一致,各向异性归因为古构造运动遗留下的"化石各向异性",且由于壳幔物质的拆沉作用,推测该区域壳幔之间存在解耦作用;在祁连—河西走廊区,SKS快波偏振方向呈NW-SE,与主要断裂带的走向一致;在西秦岭北缘断裂带附近,观测到快慢波时间延迟有着较大的变化,可能是岩石圈变形和软流圈物质流动共同导致;在鄂尔多斯板块内,快波方向呈NW-SE方向,可能暗示青藏高原深部物质分叉绕流运动。青藏高原东北缘不同区域台站下方的各向异性均具有差异性,进一步证实了青藏高原东北缘地区构造变形的复杂性。     

青藏高原东北缘壳幔各向异性研究:基于SKS和Pms震相分析

利用甘肃和青海两省固定宽频带地震台记录的远震波形资料,挑选高质量SKS震相,联合使用最小切向能量方法和旋转互相关方法获得230对高信噪比分裂参数;同时对接收函数中Pms震相随方位角的变化进行拟合,得到了24个台站的地壳各向异性分裂参数.整个区域SKS分裂快波方向均值为123°,Pms分裂快波方向均值为132°,且大部分区域SKS、Pms快波方向与地表构造走向相一致,说明青藏高原东北缘以岩石圈垂直连贯变形为主,地壳上地幔相互耦合.SKS、Pms分裂时差均值分别为1.0s和0.6s,显示地壳各向异性对于SKS分裂时差有较大贡献.昆仑断裂附近Pms、SKS分裂快波方向与昆仑断裂走向基本一致,说明昆仑断裂可能是岩石圈尺度深大断裂;而阿尔金断裂东缘二者快波方向显著差异意味着阿尔金断裂在东缘可能仅为地壳尺度的断裂.     

Mantle anisotropy across the southwestern boundary of the Ordos block,North China

Located at the northeastern margin of the Tibetan plateau,the Ordos block is a stable tectonic unit in North China.With its active boundary fault zones,the Ordos block played an important role in the eastward extrusion mechanism of the Tibetan plateau.Peking University deployed a linear array of 15 portable broadband seismometers across the western Weihe graben during September 2005 to August 2006 and later a 2-D seismic array(Southwest Ordos Array) of 14 portable broadband seismometers during 2007-2008 at its southwestern boundary.Analyses of shear wave splitting of SKS and SKKS phases at these stations show that the fast directions trend ～110° with an average delay time of 0.9 s in the southwestern margin of the Ordos block.The agreement between the lithosphere deformation indicated by GPS data and Quaternary fault slip-rate observations and the mantle flow represented by shear wave splitting implies that accordant deformation patterns from lithosphere to asthenosphere in relation to the eastward extrusion of the Tibetan plateau could extend at least to 200 km depth.Spatial distribution of splitting polarization directions indicates that the mantle flow driven by the Tibetan plateau is blocked by the Ordos block and locally restricted in a narrow channel along the Qinling-Dabie fault zones between the Ordos block and Sichuan basin.     

青海地区S波分裂研究

本文利用国家地震台网及中国地震局“十五”期间在青海布设的30个宽频带地震台站记录到的远震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法对SKS、SKKS和PKS波震相进行了偏振分析,计算了台站下方介质的各向异性分裂参数：快波的偏振方向（φ）和慢波延迟时间（δt）.本文研究结果表明,研究区多数台站下方的地震各向异性参数都表现出随方位角变化而变化的特征,可以用双层各向异性模型来解释.其中上层各向异性的快波偏振方向位于N65°E～N95°E之间,可能与中下地壳物质的流动有关;而下层各向异性的快波偏振方向位于N105°E～N135°E之间,可能为祁连块体NEE向的推移及导致的岩石圈缩短有关.此外,我们还发现,与周边的台站下方各向异性分裂参数相比,昆仑断裂附近两个台站GOM和DAW的各向异性特征急剧变化,其快波方向都与该断层近乎平行,这很可能暗示昆仑断裂已经切穿整个岩石圈;阿尔金断裂附近两个台站（LEH和HTG）无效分裂事件的方位分布与阿尔金断裂走向缺乏相关性,我们推测研究区内阿尔金断裂可能为地壳尺度的断裂.     

阿尔金断裂西部邻区的上地幔各向异性研究

本文利用横波分裂方法对北京大学于田流动台阵记录的SKS震相进行分析,获到了阿尔金断裂西部及邻区的上地幔各向异性参数.分析结果显示,快波偏振方向在整个研究区基本呈近E-W向,与研究区内阿尔金断裂的走向几乎一致,分裂延迟时间在0.93~1.20s之间.综合研究区附近前人横波分裂研究结果,我们认为,在印度和欧亚大陆板块碰撞作用下,青藏高原北部上地幔软流圈物质向北流动,遇到塔里木盆地"克拉通"较厚岩石圈阻挡并发生了旋转,向东西两侧流动,导致在青藏高原和塔里木盆地边界地带软流圈上地幔橄榄岩中晶格沿近E-W向优势排列.这一模式显示阿尔金断裂可能是一个岩石圈尺度的大型走滑断裂:它既控制近地表的上地壳构造运动,同时也影响了上地幔软流圈物质的流动.另外,在向塔里木盆地内部延伸的台站也观测到显著的各向异性和近EW向的快波偏振方向.这些结果表明塔里木盆地"克拉通"岩石圈的中、下部分在南部边界被青藏高原北部上地幔软流圈流动"热侵蚀"而损失一部分,导致青藏高原软流圈向东西两侧的流动已经延伸到塔里木盆地内部.本文的研究结果揭示克拉通岩石圈"活化"不仅可以在垂直方向发生(如,岩石圈拆沉或软流圈上涌导致的热侵蚀),也可以在水平方向上发生,即软流圈的水平流动对克拉通岩石圈边界的热侵蚀作用.     

南北构造带北段上地幔各向异性特征

对布设在南北构造带北段的中国地震科学探测台阵项目二期674个宽频带流动台站和鄂尔多斯台阵21个宽频带流动台站记录的远震XKS(SKS、SKKS和PKS)波形资料作偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索法和"叠加"分析方法求得每一个台站的XKS波的快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,并结合该区域出版的122个固定台站的分裂结果,获得了南北构造带北段上地幔各向异性图像.快波方向分布显示青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘的快波方向主要表现为NW—SE方向,秦岭造山带的快波方向为近E—W方向,鄂尔多斯块体内部的快波方向在北部为近N—S方向,南部表现为近E—W方向.时间延迟分布来看,鄂尔多斯块体的时间延迟不仅明显小于其周缘地区,而且小于其他构造单元,特别是在高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体的交汇地区的时间延迟很大,反映了构造稳定单元的时间延迟小于构造活跃单元.通过比较快波方向的横波分裂测量值与地表变形场模拟的预测值,并结合研究区地质构造和岩石圈结构特征分析表明,在青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘各向异性主要由岩石圈变形引起,地表变形与地幔变形一致,地壳耦合于地幔,是一种垂直连贯变形模式;秦岭造山带的各向异性不仅来自于岩石圈,而且其岩石圈板块驱动的软流圈地幔流作用不可忽视;鄂尔多斯块体内部深浅变形不一致,具有弱的各向异性、厚的岩石圈和构造稳定的特征,我们认为其各向异性可能保留了古老克拉通的"化石"各向异性.     

中国大陆及邻区SKS波分裂研究

SKS波分裂测量是研究大陆地幔的形变特征、探索大陆动力学和演化过程的重要工具. 本文对中国大陆及邻区地震台站的SKS波分裂现象进行了研究. 选用中国数字化宽频带地震台网(CB台网)和美国IRIS数据中心提供的三分量宽频带数字化地震资料，使用SC(Silver and Chan,1991)方法，得到了中国大陆及周边地区80多个台站下方上地幔各向异性参数，即快波偏振方向φ和快慢波到时差δt. 快波偏振方位在相同地块有一定的优势排列方向，大多数台站快波偏振方向都能与过去或现今大规模的构造运动得到很好的符合. 整个研究区域所得到的分裂延迟时间在0.4～2.4s之间，平均为1.2s. 根据SKS波测量得到的分裂参数，分析了该研究区域各向异性介质的特性，从而探索与岩石弹性各向异性相关的地球内部动力学过程.     

湖北地区上地幔各向异性及其动力学意义

SKS波分裂测量是研究大陆地幔的形变特征、探索大陆动力学和演化过程的重要工具.本文选用湖北数字地震台网(HB台网)和中国数字化宽频带地震台网(CB台网)提供的三分量宽频带数字化地震资料,使用旋转相关法和切向能量最小法,计算得到了湖北地区20个地震台站下方上地幔各向异性参数.结果表明,快波偏振方向较为复杂:大别造山带内,...     

南北地震带北段的远震P波层析成像研究

本文利用"中国地震科学台阵"探测项目在南北地震带北段布设的678个流动地震台站在2013年10月至2015年4月期间记录到的远震波形数据,经过波形互相关拾取到473个远震事件共130309条P波走时残差数据,通过远震层析成像研究获得了该区(30°N-44°N,96°E-110°E)下方0.5°×0.5°的P波速度扰动图像.结果显示,研究区下方P波速度结构显示强烈的不均一性和显著的分区、分块特征.岩石圈速度结构具有显著的东西差异:祁连、西秦岭和松潘甘孜地块组成的青藏东北缘地区显示明显的低速异常,而属于克拉通性质的鄂尔多斯地块和四川盆地则显示高速异常,表明东部克拉通块体对青藏高原物质的东向挤出起到了强烈的阻挡作用.阿拉善地块显示出弱高速和局部弱低速的异常并存的特征.阿拉善地块西部显示低速异常,而东部与鄂尔多斯相邻的地区显示高速异常,可能表明该地区的岩石圈的变形主要受到青藏高原东北缘的挤压作用.在鄂尔多斯和四川盆地之间的秦岭下方100~250 km深度上表现为明显的低速异常,表明该处可能存在软流圈物质的运移通道.鄂尔多斯北部的河套裂陷盆地下方在100~500 km深度内低速异常表现明显,说明该区有深部热物质上涌且至少来源于地幔过渡带.青藏东北缘上地幔显示低速异常且地幔过渡带中出现明显的高速异常,这种结构模式暗示了在青藏高原东北缘可能发生了岩石圈拆沉作用,而高速异常体可能是拆沉的岩石圈地幔.