P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

基于近震高频接收函数研究中国四川西山村滑坡的泊松比和S波速度

滑坡现象是一种全球频发并造成巨大人员伤亡和财产损失的自然灾害.本文依次采用近震高频接收函数Vp-k叠加方法和接收函数非线性波形反演方法得到了从下往上由h1、h2和h3块体组成的第四系西山村滑坡体密集台阵下方的泊松比和S波速度.结果表明,滑坡体泊松比普遍高于0.33, S波速度主要在0.1～0.9km s~(-1)内变化.高异常泊松比(0.44)主要分布在滑坡体不同块体的交界区和h2块体的西边缘,大致对应滑坡体厚度变化剧烈的区域,很可能是潜在的滑坡危险区域.滑坡体底部广泛分布10～30m厚的0.05～0.2km s~(-1)的低速层.滑坡体高的泊松比和底层广泛分布的低速带可能与区域内富集水有关.文章研究结果表明,利用近震高频接收函数能有效约束浅表结构特征,进而为滑坡稳定性分析和防灾减灾提供地震学参考.     

基于深度学习的接收函数横波速度预测

远震接收函数中包含了大量台站下方速度间断面所产生的Ps转换波及其多次反射波的信息,被广泛应用于反演精细的地壳及上地幔速度结构.但当地壳结构复杂如存在沉积层或高速层时,转换波和多次波震相的到时和振幅发生变化,从而导致接收函数反演存在强非唯一性.深度学习作为一种高效的特征提取方法,能够建立接收函数与横波速度在空间上的映射关系.因此,利用全球模型数据以及高质量观测接收函数建立样本库,设计了利用接收函数预测横波速度的卷积神经网络.测试集结果表明,合成数据预测的横波速度与模型拟合程度较高,在实际数据检测中预测横波速度结果与全局反演的结果基本一致,预测的横波速度间断面与传统H-κ叠加结果也基本一致.利用该方法对琉球海沟地区海底地震数据的接收函数进行反演,获得了台站下方横波速度精细结构,进一步获得了该地区更为精细的地壳结构特征.测试实验及应用表明利用卷积神经网络预测台站下方横波速度的深度学习方法不仅计算效率高,且具有较高的可靠性.     

通过接收函数分析得到的中国大陆莫霍面深度和V_P/V_S比的统一图

中国大陆由多个地质构造单元复杂拼合而成,自中生代以来经历了强烈而广泛的构造变形。为了更好地理解其地质构造,我们对2009~2010年期间798个宽频带台站记录的共83 509个远震波形进行了系统的接收函数分析,其中749个台站是中国地震台网中心数字化固定台站,其他49个台站是在西藏中北部临时部署的台站。每个台站下方的莫霍面深度和V_P/V_S比由标准的远震接收函数H-κ叠加方法计算所得。得到的莫霍面深度变化总体上与各种深震探测剖面的结果一致。本文将我们的结果与以往接收函数研究的结果组合起来生成了中国大陆莫霍面深度和V_P/V_S变化的高分辨率图。与以往的研究结果相比,此项新研究涉及更多的台站以及由此生成的莫霍面深度图具有更高的横向分辨率,尤其是在中国东部地区。总的来说,中国大陆莫霍面深度的变化与主要构造单元具有显著的相关性。例如,在中国东部著名的重力梯度线上莫霍面深度有显著的变化。一般来说,V_P/V_S比值图显示出在青藏高原下面、重力梯度带上以及某些火山下面具有相对高的异常。     

基于接收函数与背景噪声联合反演的研究与应用

本文回顾了接收函数线性反演及接收函数与频散曲线联合反演的理论.为了检验两种方法在实测数据中的应用效果,我们选择云南区域台网位于四个不同次级块体的四个台站为例:首先,计算了四个台站的远震P波接收函数;然后,分别运用接收函数线性反演和接收函数与背景噪声数据联合反演两种方法分别得到台站下方的S波速度结构;另外,运用H-k扫描方法验证两种反演方法获取的莫霍面深度的可靠性.在反演过程中,当我们提供具有深一些莫霍面的初始模型时,联合反演获取的莫霍面深度与H-k扫描结果具有很好的一致性,同时联合反演也能有效地捕捉低速层,对反演的S波速度也有较好的约束.由此推知,加入背景噪声相速度数据后的联合反演对初始模型的依赖性低于单独用接收函数反演的结果.     

接收函数方法及研究进展

远震P波波形数据中包含了大量在台站下方地壳上地幔速度间断面所产生的P-S转换波及其多次反射波的信息，是研究台站下方局部区域S速度分布理想的震相，由此产生的接收函数方法是反演台站下方S波速度结构的有效手段。接收函数方法可以通过波形反演拟合接收函数的径向分量，对观测台站下方地球介质的S波速度结构进行估计，也可以通过偏移叠加获得的接收函数道集（地震剖面图）追踪速度间断面。这种方法避免了对天然地震震源及其附近结构混响效应等复杂因素的影响，对S波速度的垂向分布敏感，垂向分辨率高。由于宽频带流动地震台阵的发展，用此方法还可获得研究区域速度结构的横向变化，横向分辨能力主要取决于台站的间距。本文回顾20年来接收函数研究的进展，探讨了方法研究的发展趋势，介绍了对地壳-上地幔结构的部分研究结果。     

利用接收函数研究延边地震台下方地壳结构

收集整理2007年以来延边地震台记录的113个远震数字波形资料,采用远震接收函数反演延边地震台下方地壳结构,运用H-Kappa叠加方法,计算得到台站下方地壳厚度和泊松比.采用全球平均地壳模型作为初始模型,反演台站下方0-100 km的S波速结构.反演结果表明,延边地震台下方地壳厚度为30.8 km,波速比为1.84,泊松比较高,为0.29.在台站下方15-20 km及25-30 km处存在低速层.     

远震接收函数方法及其在海域岛礁区地壳结构研究中的应用

远震接收函数方法从远震P波波形中提取出台站下方主要速度间断面的信息,是研究地壳、上地幔结构的有效方法。该方法通过拟合转换波波形来约束间断面深度和横波速度。传统的接收函数线性反演方法强烈依赖于初始模型的选取,其反演结果存在较大的不确定性,为此新的基于非线性的反演方法逐渐发展起来,另外,接收函数与面波联合反演以及S波接收函数方法的提出也在一定程度上降低了反演结果的非唯一性。接收函数方法在大陆区地壳结构的研究中得到了广泛运用,但对于海区和岛礁区的研究却非常缺乏,本文回顾了国内外一些岛礁区的接收函数研究实例,介绍了西沙群岛琛航岛的天然地震观测及其结果,探讨了接收函数方法在岛礁区地壳结构研究中的应用前景。     

接收函数曲波变换去噪与偏移成像

增强接收函数偏移图像的垂向分辨率意味着提高参与叠加的接收函数的频率,但是采用高频接收函数通常伴随着对接收函数质量和参考速度模型的更高要求.通过叠加处理可去除部分接收函数中的随机噪声干扰,但同一台站的接收函数之间经常存在难以通过简单叠加消除的噪声信号.压制接收函数随机噪声的干扰可加强成像效果和提高图像分辨率,对推进叠加偏移成像质量的提高有重要的实际意义.本文利用在川西地区布设的31个流动台站所记录的远震波形数据,使用曲波变换去噪后信噪比增强的接收函数进行共转换点叠加(CCP),获得沿北纬31°线下方800km深度范围内速度间断面图像.研究结果表明:(1)对接收函数进行曲波变换去噪,可压制随机噪声,增强转换震相的追踪性,提高数据信噪比;(2)通过去噪处理,大幅提高接收函数用于偏移成像的主频率;(3)偏移结果确认了接收函数反演得到的松潘和川滇块体下方具有厚度约10～20km的过渡性Moho的认识;(4)上地幔过渡带的结果预示在龙门山断裂带以西的小范围内有可能存在下地壳或上地幔物质的拆沉.     

利用SV分量接收函数反演地壳横波速度结构

详细讨论了远震体波SV分量接收函数的特点及其在反演地壳S波速度结构中的优势．与径向接收函数类似，SV分量接收函数可通过对远震体波的SV分量直接反褶积P分量获得．研究分析表明:与径向接收函数相比，SV分量接收函数的振幅随震中距的变化更加稳定，波形简单且突出了对结构最敏感的PS转换波信息．理论数值实验显示:在反演地壳S波速度结构时，SV分量接收函数比径向接收函数具有更好的收敛性．作为实例，利用SV分量接收函数反演方法反演了海拉尔台下的S波速度结构．      

东北日本地震波速度、VP/VS和各向异性结构:对俯冲带水迁移过程的探讨

本文利用区域地震初至波到时数据，通过地震层析成像研究获得了东北日本俯冲带上地幔（深至约150 km）的P波速度（V_P）、S波速度（V_S）、V_P/V_S和P波各向异性结构.结果表明，低速及高V_P/V_S比异常体主要分布在火山下方的下地壳和地幔楔中，其与低频地震的分布吻合，该区域与俯冲板块脱水所释放的流体及其导致的部分熔融密切相关；俯冲的太平洋板块内可能由于脱水脆化导致的双层地震带区域则没有表现出整体的高V_P/V_S值，其可能与俯冲板块内部含水矿物含量有关；俯冲板块内双重地震带区域及上覆地幔楔薄层主要表现为与海沟平行的方位各向异性和正的径向各向异性，其可能是由于含水矿物的脱水使橄榄石晶格结构发生了从A型到B型的变化所引起的.我们研究表明，结合地震波速度和各向异性结构能够加深对俯冲带内水运移过程的认识.     

基于三重震相拟合的华南地区上地幔P波与S波速度结构

利用中国数字测震台网（CDSN）记录到的台湾地区两个地震事件6°~30°震中距范围的三重震相波形资料，基于观测与理论波形拟合法，获到华南地区上地幔P波和S波的最佳波形拟合速度模型及其V_P/V_S比值.与AK135模型相比，华南地区410 km深度上方存在明显低速层：S波低速区厚度约为70 km，速度降为2%~5%；而P波低速区厚度为70~230 km，速度降为5%~6%.另外，410 km间断面整体表现为一个梯度层，厚度约为10~40 km，V_P跃增量为4.0%~5.4%，而V_S跃增量为2.6%~11.7%.研究区内，低速层的V_P和V_S异常值大小和410 km间断面速度跃变量由北向南逐步减小.结合以往的接收函数和地震层析成像结果，华南地区410 km间断面上方的低速区可能与太平洋俯冲板块脱水有关.     

沉积盆地地区地壳结构估计——预测反褶积方法消除接收函数多次波混响

接收函数方法被广泛地应用于地壳上地幔结构的研究中，H-κ叠加方法是其中最常用的方法之一.对于布设在基岩区台站计算的接收函数，H-κ叠加方法可以准确地估计台站下方地壳厚度和平均波速比，但是对于沉积盆地地区计算的接收函数，由于低速沉积层内会产生多次波混响，干扰甚至覆盖接收函数中莫霍面的转换波和多次波震相，从而影响H-κ叠加结果的准确性.为准确估计沉积盆地地区地壳结构，本文提出使用预测反褶积方法去除接收函数中低速沉积层内多次波混响，其中预测步长由接收函数归一化自相关函数获得，物理意义为沉积层内S波双程走时.合成接收函数和实测接收函数试验表明，本文提出的预测反褶积方法可以有效地去除沉积层多次波混响，并结合改进的H-κ叠加方法可以准确地估计沉积层下覆地壳厚度和平均波速比.相比于其他去除接收函数多次波混响的方法，本文提出的预测反褶积方法具有参数设定简单、运算量小、震相幅值较大等特点，适用于大批量数据处理.     

海原弧形构造区地壳三维精细速度结构成像

利用海原弧形构造区及周围区域地震台网1970—2015年期间记录的天然地震到时数据，采用双差地震层析成像方法对构造区地壳三维速度结构与地震震源位置进行联合反演，获得了高分辨率的三维V_P、V_S以及V_P/V_S模型，分析讨论了速度、波速比分布与强震发生以及断裂等之间的关系.结果显示：研究区域内地震主要沿断裂呈弧状展布，速度在横向分布上具有较大的差异，波速比变化范围为1.60~1.80，平均值约为1.70.大型断裂诸如海原—六盘山断裂带、青铜峡—固原断裂带等位于高速与低速的过渡带，断裂两侧地震波速差异较大.研究区内历史强震多处于高低速过渡区域，海原强震下方下地壳存在低速、高导薄弱层（25~30 km深度），推测原因主要为流体作用所致.依据相对较低的速度与波速比分布推测研究区地壳主要组成成分为酸性的长英质.速度剖面显示地壳可分为上、下两层，上、下地壳厚度变化由西南向东北逐渐减薄，减薄幅度相近；结合前人研究结果推测构造区地壳增厚模式可能主要为上、下地壳共同增厚.     

中国华南地区地壳厚度与波速比分布特征及其地质意义

本研究利用中国国家地震台网336个固定地震台站记录的远震波形资料,通过P波接收函数H-κ分析估算了中国华南地区的地壳厚度和地壳平均波速比.研究结果显示,地壳厚度约为25~46 km,整体表现西深东浅的变化特点.研究区地壳厚度变化分别与布格重力异常和地形呈现负相关和正相关.扬子块体东部显示较低地壳波速比(<1.7)可能与地表沉积岩的存在相关.四川盆地内部的平均地壳波速比(约1.71~1.8)与全球大陆地盾/克拉通地区相当.但其周围地区地壳平均波速比明显增高(1.81~1.95),推测可能是克拉通形成过程中岩浆的底侵引起下地壳组分以铁镁质麻粒岩为主.华夏块体西部表现为薄的地壳厚度和低的地壳平均波速比(1.65~1.75),暗示该区基性下地壳物质的缺失可能与增厚的地壳发生拆沉有关.华夏块体东南段呈现出较高的地壳平均波速比(约1.77~1.86),地壳组成以中基性铁镁质为主,推断可能与晚中生代铁镁质岩浆底侵作用密切相关.     

利用远震接收函数揭示的喜马拉雅东构造结台阵下方地壳结构及其动力学意义

在喜马拉雅造山带的东缘,雅鲁藏布江缝合带在这里发生急剧转折,南迦巴瓦变质体快速隆起,然而关于东构造结的形成机制一直未有定论.利用围绕南迦巴瓦峰的48个宽频带地震台站记录的远震数据提取P波接收函数,采用改进的H-κ叠加方法和共转换点叠加方法综合研究了东构造结的地壳厚度、波速比分布和地壳结构特征.结果表明:研究区平均地壳厚度为64.03 km,大部分台站介于60.48~66.55 km范围;平均波速比为1.728,主要集中范围为1.696~1.742.东构造结地壳厚度横向变化剧烈,构造结西端和北端厚而中间薄,东构造结核部Moho面呈现上隆的构造形态,东西向上隆幅度约为6~7 km,南北向的上隆超过9~10 km.东构造结核部地壳上隆减薄可能由高密度、高波速的岩石圈撕裂残片拆沉到上地幔软流圈后重力失衡所致.平均波速比超过1.8的高值异常展布于东构造结的两侧,推测为环东构造结的壳内部分熔融体.东构造结地壳上隆减薄和壳内部分熔融的存在很可能均与幔源热物质的上涌有关,而软流圈地幔的上涌则可能由印度板片的撕裂引起.     

基于误差分布的震源区波速比反演及其应用:乳山震群源区介质性质变化研究

本文利用误差分布和概率统计分析改进了波速比计算方法.对于震源位置相对集中的震群活动,对台站震相到时进行两次差分,通过对差分后的震相数据对进行二维高斯分布拟合,可以稳健地估计震群活动震源区波速比.该方法充分利用了不同台站Pg、Sg到时差的所有信息,其优势是不需要地震事件的震源位置,并且不依赖震源区以外的速度变化,有效消除了震源区到台站的传播路径效应的影响;相对于传统的平均波速比,本文方法得到的震源区波速比,更能真实地反映震源区介质的性质.我们将该方法应用到2013—2016年的乳山震群,结果显示:震源区波速比的变化与震群活动过程密切相关,波速比的变化反映了序列活动的阶段性特征.     

2019年6月17日四川长宁MS6.0地震震源区三维速度结构

四川盆地南部地区自2015年以来地震活动性持续增长,并相继发生了数次M5.0及以上的中强地震.2019年6月17日的长宁MS6.0地震则是其中震级最大的一次强震,且震后相继发生了一系列M5.0及以上的中强地震,给当地的生命和财产安全造成了极大危害.研究此次大震的地下结构和发震机制有助于理解该区地震异常活跃的机理,并为今后开展防震减灾工作提供参考.基于这个出发点,本文收集了长宁地震区的丰富地震走时资料,利用双差地震成像方法对长宁地震序列进行了重定位,并获得了研究区内的三维P波和S波速度及波速比结构.结果显示,长宁地震序列主要沿着白象岩—狮子滩背斜轴部展布.长宁地震区在6 km深度附近呈现出明显的低速、高波速比异常结构,指示着可能存在流体.研究区内的速度结构在6 km之上横向不均一性较强,速度异常结构整体呈NW-NWW向展布;而在7.5~12 km横向不均一性则较弱,速度异常结构整体呈NNE或SN向展布.这种速度结构特征可能指示着该区6 km之上基本为沉积层,而7.5 km之下则基本为结晶基底,上下存在解耦.研究区内绝大多数地震事件震级较小,且集中分布在6 km以浅,表明该区绝大多数事件受沉积层结构的控制.相较于白象岩—狮子滩和双河背斜区,长宁背斜在6 km之上呈现更为明显的高速结构,对应较强的力学性质,可能阻挡了本次长宁地震的东南向破裂而使其表现出明显的单向破裂特征.     

兴蒙造山带诺敏河火山群地壳厚度与波速比研究

利用布设于兴蒙造山带诺敏河火山群地区的宽频带流动地震台站资料，基于接收函数方法，获取了该地区的地壳厚度与波速比值.研究结果显示，该地区的地壳厚度介于32~38 km，莫霍面深度在空间上分布特征与五大连池为中心的火山带分布具有较好的一致性：沿着火山带延展方向地壳较薄.该地区的波速比介于1.74~1.84，波速比在空间上与地壳厚度变化具有一致性：高波速比主要集中于靠近五大连池火山带地区，向诺敏河火山和小古里河火山延展.研究认为：诺敏河火山与五大连池火山带可能具有相同的岩浆来源，可能与富钾岩石圈地幔拆沉作用造成的地幔热物质上涌有关.研究区地壳厚度与波速比呈现负相关关系，暗示该地区可能发生过岩浆底侵作用.     

The crust and upper mantle discontinuity structure beneath Alaska inferred from receiver functions

In this study, three receiver function stacking methods are used to study the detailed crust and upper mantle structure beneath south-central Alaska. We used teleseismic waveform data recorded by 36 stations in the Broadband Experiment Across the Alaska Range (BEAAR) and 4 permanent stations in Alaska. H − κ stacking method using P-to-S converted wave and its multiply reflected waves between the Earth's surface and the Moho discontinuity is adopted to estimate the crustal thickness (H) and average crustal V_P/V_S ratio (κ) in this region. The receiver function results for 24 stations show that the crustal thickness under Alaska ranges from 26.0 to 42.6 km with an average value of 33.8 km, and the V_P/V_S ratio varies from 1.66 to 1.94 with an average value of 1.81 which corresponds to an average Poisson's ratio of 0.277 with a range from 0.216 to 0.320. High Poisson's ratios under some stations are possibly caused by partial melting in the crust and the uppermost mantle. Common converted point (CCP) stacking results of receiver functions along three lines show clear Moho and slab images under this subduction zone. The depths of the slab from our CCP stacking images are consistent with those estimated from the Wadati–Benioff Zone (WBZ). In the area between two stations DH2 (147.8°W, 63.3°N) and DH3 (147.1°W, 63.0°N), a Moho depth offset of about 10 km is found by both the H − κ and CCP stacking techniques. Common depth point (CDP) stacking of receiver functions shows not only the 410-, 520- and 660-km discontinuities, but also significant variations (−30 to 15 km) in the transition zone thickness under the southwest and southeast parts of the study region. The transition zone becomes thinner by 20–30 km, indicating that the temperature there is 150–200 K higher than that of the normal mantle.