基于P波三重震相研究青藏高原上地幔速度结构及其动力学意义

青藏高原因其复杂的结构和演化历史,一直都是研究大陆碰撞、构造运动及其动力学的热点区域。本文采用三重震相波形拟合技术,基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的某地震P波垂向记录,获得了包括拉萨、南羌塘和松潘甘孜地块在内的青藏高原上地幔P波速度结构。结果表明：①拉萨和南羌塘地块下方地幔过渡带存在高速异常,推测是俯冲的印度板片滞留体,过渡带底部的板片残余温度较低,使得660-km相变滞后约3～8km。而松潘甘孜地块下方过渡带同样存在高速异常,可能是欧亚岩石圈发生拆沉进入地幔过渡带所致。这说明印度板块俯冲作用的影响已经到达地幔过渡带,其俯冲前缘位于班公怒江缝合带附近。②从拉萨、南羌塘到松潘甘孜地块,200km之上的地幔岩石圈高速盖层速度由南向北逐渐减小,松潘甘孜地块则出现盖层缺失。推测受小规模地幔对流或者热不稳定性的影响,在南羌塘和松潘甘孜地块,增厚的欧亚岩石圈发生拆沉作用,岩石圈被减薄和弱化,造成羌塘地块上地幔低速和松潘甘孜地块上地幔高速盖层缺失。拆沉的冷的欧亚岩石圈可能部分停留在410-km上方,使得410-km抬升约10km,部分沉入地幔过渡带,表现为松潘甘孜地块地幔过渡带中存在高速异常。低温造成660-km下沉约8km,导致地幔过渡带增厚。     

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.

     

基于三重震相的青藏高原东缘岩石圈地幔波速结构

本文利用中国数字地震台网记录到的中国青海和缅甸弧发生的两次浅源地震的区域波形资料,在以Crust2.0改进AK135模型所构建的参考模型C2AK的基础上,通过三重震相波形拟合的方法,获得了青藏高原东部下方从莫霍面至上地幔顶部180 km深度范围内的P波和S波最佳拟合模型。最佳模型显示:松潘—甘孜地块（A和B剖面）下方的P波速度比C2AK模型高5%,而川滇地块（C剖面）下方上地幔顶部的P波速度要比参考模型低5%,且随深度逐渐增加,直至120 km处与C2AK模型值相同;松潘—甘孜地块下方的S波速度较C2AK模型要高3%。上述区域性速度结构差异表明,相对于松潘—甘孜地块,川滇地区的岩石圈地幔存在着更明显的挤出效应。      

基于三重震相研究青藏高原和西北太平洋俯冲过渡带速度结构

上地幔过渡带是上、下地幔物质交换的一个重要场所。上地幔过渡带属性为推测地幔温度,其化学组分以及地幔对流等相关动力学研究提供了一个很重要的途径。本文回顾了对上地幔间断面的认识过程,简要介绍了近年来随着高温高压实验技术提高,地震学研究对上地幔过渡带所取得的最新进展。     

基于P波三重震相的下扬子克拉通地幔转换带顶部低速层初探

本文基于中国地震观测台网记录到的震中距为10°~23°之间琉球俯冲区一个中深源地震的P波三重震相信息,研究了下扬子克拉通转换带顶部P波速度结构.通过射线追踪和理论地震图与观测地震波形的对比,发现下扬子克拉通下方的410 km间断面为一厚度20 km的梯度带,其上存在一由西南向东北变厚的低速层,厚度变化40~57 km,P波速度减低2.7%~4.5%.该低速层可以被认为是由于地幔橄榄岩部分熔融引起的.     

基于P波三重震相的华南和青藏高原地区上地幔速度结构研究

上地幔速度结构的研究,尤其是,地幔过渡带和岩石圈速度结构对于探测地幔温度、化学组分、地幔对流以及岩石圈破坏等相关动力学问题意义重大。华南块体由扬子克拉通和华夏地块两个微陆块在新元古代晚期碰撞拼合而成,经历了多期强烈的构造运动,是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等的最佳场所。而青藏高原则是研究陆-陆碰撞的野外实验室,自新生代印度板块与欧亚板块碰撞以来,吸收了至少1 700 km的南北向缩短量,其隆升机制和变形过程是重构青藏高原演化过程的关键。本文介绍了上地幔间断面的成因及其研究意义,总结了上地幔速度结构常用的研究方法及研究进展,重点讨论三重震相方法对上地幔速度结构的研究。本文对远震记录利用时域迭代反褶积技术分别计算了每个事件的震源时间函数和震源深度,并提出利用三重震相相对到时差反演初始速度结构模型的方法,在此基础上,结合试错法波形拟合获取最佳模型,便于今后大量高效地处理观测数据。通过对"中国地震科学台阵探测"项目一期350个流动地震台站以及中国地震台网固定台站的观测记录进行三重震相波形拟合分析,本文分别获得了华南地区以及青藏高原地幔过渡带和岩石圈速度结构特征。结合研究区域的地质、地球物理资料,探讨其可能的动力学机制。华南地区研究结果显示,中扬子克拉通下方过渡带底部存在高速异常,系中侏罗世太平洋板块俯冲至欧亚板块下方的滞留体,异常南界约27°N,向西止于南北重力梯度带(约ll〇〇E),俯冲板块并未穿透660 km的阻力到达下地幔,而是滞留在过渡带底部,使660 km下沉约11 km。而华夏地块过渡带速度结构特征基本与IASP91—致。在整个华南地区,410km上方普遍存在低速层,推测与地幔橄榄岩的部分熔融有关。此外,研究区域内岩石圈普遍存在减薄(80 km),推测可能是太平洋板块的俯冲和快速回撤使岩石圈拆沉所致。且华夏地块减薄幅度更大,软流圈速度更小,说明其上地幔强度较弱、温度较高。自晚白垩起,太平洋板块的东向回撤使得中国大陆东部应力环境由挤压转变为拉张,此前增厚的大陆地壳与岩石圈地幔一起发生重力垮塌导致减薄,而岩石圈的拆沉导致软流圈物质上涌,引发华南地区晚中生代广泛而强烈的岩浆活动。青藏高原地区研究结果表明,拉萨和羌塘地块下方过渡带底部存在高速异常,推测是印度岩石圈俯冲板块的残余,说明印度板块的俯冲前缘已经到达班公怒江缝合带。过渡带底部的高速滞留体使得660 km相变滞后下沉约8?13 km。与此不同的是,松潘甘孜地块过渡带中较小的高速异常可能是拆沉的欧亚岩石圈进入地幔过渡带的体现,拆沉的冷的欧亚岩石圈使得过渡带内410km有所抬升,660km有所下沉,造成地幔过渡带厚度增加。此外,从拉萨、羌塘到松潘甘孜地块,其岩石圈高速盖层速度逐渐减小,到松潘甘孜地块甚至出现缺失。推测在羌塘和松潘甘孜地块上方,此前增厚的欧亚岩石圈在小规模地幔对流或者热不稳定性作用下发生拆沉,拆沉的欧亚岩石圈有可能部分停留在410km上方,部分进入地幔过渡带。     

鄂尔多斯及周边地区上地幔三维P波速度结构及其构造意义

利用中国地震科学台阵密集流动地震台站和固定地震台站记录的远震P波资料,采用走时层析成像方法反演获得了鄂尔多斯及周边地区上地幔的精细速度结构。结果显示,鄂尔多斯地块下方存在较厚的高速异常,其中西部深度约为180 km,北部约为150 km,中部的局部地区可达300 km,表明鄂尔多斯地块总体上仍保持克拉通特性。鄂尔多斯地块北部相对较薄的岩石圈可能与地幔物质上涌对岩石圈进行了加热和改造有关,其西部岩石圈的减薄可能与青藏高原东北缘上地幔热物质的横向扩展有关。华北克拉通东部地块、中部地块及鄂尔多斯地块东北部的上地幔表现出大范围的低速异常,推测可能与太平洋板块后撤导致的伸展构造背景、滞留板片脱水以及板片前缘局部对流有关。在该地区的伸展背景下,岩石圈或软流圈的熔融物沿着软弱带上涌并形成了包括大同火山在内的火山群。     

基于三重震相方法探测日本海俯冲区地幔转换带的速度结构

本文基于中国数字地震台网记录的发生于日本北海道地区的一次中源地震的三重震相资料研究了日本海俯冲区地幔转换带的速度结构．结果表明,该区域P波速度结构与S波速度结构的一致性整体上较强．冷的西太平洋俯冲板块导致410 km间断面出现了10 km的抬升,660 km间断面出现了25 km的下沉;410 km和660 km间断面之上均存在与俯冲板块相关的高速层;660 km间断面下方存在厚度为65 km的低速异常．纵横波波速比vP/vS值在210—400 km深度范围内偏低,约为1.827,体现出海洋板块低泊松比的特征;在560—685 km深度范围内,该值偏高,约为1.831,可能预示地幔转换带底部含有一定量的水．      

鄂尔多斯地区上地幔岩石圈三维速度结构面波反演研究

双平面波拟合法是一种新的面波成像方法,反演中考虑地震波场中的非平面波成分,提高反演的分辨率.本文利用双平面波拟合法,反演获得鄂尔多斯地区上地幔岩石圈的速度结构.所用资料为国家数字地震台网69个宽频带地震仪和北京大学34个流动数字地震台观测到的地震波面波资料.首先从面波记录中提取了研究区域20~125 s瑞利波相速度频散曲线,进而得到各个周期瑞利波相速度异常分布图.结果显示,短周期瑞利波相速度异常与地表的构造特征吻合较好,中长周期的瑞利波相速度可以反映出上地幔岩石圈的速度异常分布以及构造特征.由研究区20~125 s的瑞利波相速度分布图可以反演得到地表到地下200 km范围内的三维剪切波速度结构.结果显示,鄂尔多斯块体内部稳定均一,活化或改造的痕迹不明显;鄂尔多斯块体西南缘受到青藏高原的强烈作用,有大量地幔物质流动的痕迹存在;中央转换带下超过200 km深度存在地幔物质上涌,可能与太平洋板块的俯冲和青藏高原板块的挤压有关.     

中国东北地区地壳上地幔三维S波速度结构

收集了中国东北地区159个固定地震台2011年1月至2012年6月和27个流动地震台2011年1月至2011年6月间的垂向连续记录,根据噪声成像方法得到研究区（105°E-135°E, 39°N-52°N）较短周期（8~30 s）的瑞雷波群速度和相速度频散资料,再结合该区已有的天然地震长周期瑞雷波（36~145 s）的群速度频散资料,我们反演得到了中国东北地区200 km以浅深度范围内的三维壳幔S波速度结构,并得到了该区的岩石圈厚度分布图.结果表明：研究区中、下地壳S波速度结构的横向分布,在重力梯度带两侧有很大的不同,以东地区显示为大范围的高速,以西地区则呈现为大面积的低速;松辽盆地下方岩石圈地幔表现为显著的高速,岩石圈地幔底界面深度可能在90~100 km,薄的岩石圈盖层暗示东北地区的岩石圈可能发生了减薄;郯庐大断裂下方呈现出大范围的比较显著的低速特征,断裂下方上地幔顶部可能有热物质活动.     

东北亚边缘地区地幔过渡带内滞留太平洋板片上界面的三重震相研究

东北亚地区下方地幔过渡带与太平洋俯冲滞留板片的相互作用对于区域深部物质运移和区域构造演化具有重要影响.基于中国国家数字台网记录的发生于鄂霍次克海与千岛群岛地区的两个深源地震的宽频带波形资料, 我们发现了与660-km间断面上方一个特殊界面有关的清晰的新P波三重震相波形; 通过对观测波形进行波形拟合以及搜索分析, 本文获得了东北亚边缘地区下方660-km间断面附近的精细速度结构.结果表明: 东北亚边缘下方的660-km间断面之上存在一高速异常层, 其具有尖锐的速度异常上界面, 深度介于455~510 km之间, P波速度异常达2%~4.5%;与此同时, 该地区下方660-km间断面整体速度跃变量较小, 且存在0~15 km的下沉; 660-km间断面下沉与高速层上界面的形态具有很强的相关性, 均表现为西浅东深、南浅北深的特征.结合前人研究结果, 我们推测受日本—千岛海沟回撤速率差异的影响, 西北太平洋俯冲板片对上地幔底部间断面作用的差异是造成660-km间断面整体形态南北差异的主要原因; 而俯冲板片在地幔过渡带内的滞留并向西展平堆积使得板片上界面西侧较东侧更浅; 滞留板片上界面的速度异常特征显示, 俯冲沉积物可能到达地幔过渡带且经脱水相变形成了含黄玉的矿物.

     

Topography of the mantle discontinuities beneath the South Pacific superswell as inferred from broadband waveforms on seafloor

We analyzed seismic waveforms recorded by the broadband ocean bottom seismographs deployed in the South Pacific superswell to determine the depths of the mantle discontinuities using a receiver function method. We estimated the thickness of the mantle transition zone (MTZ) to be 245 km on average beneath the superswell region, which is close to the global average. The MTZ is found to be thinned locally beneath the Society hot spot by 30 km. Temperature anomalies computed from the thinned transition zone and the Clapeyron slope of the olivine phase transformations are 150–200 K beneath the Society hot spot. Previous studies, using land-based data, suggested the presence of a hot MTZ beneath the Pitcairn hot spot. The locally hot transition zone beneath the hot spots is attributed to narrow mantle plumes probably rising from the lower mantle. The normal average thickness obtained from the present study indicates that there is no broad upwelling across the transition zone beneath the entire superswell region at present.     

中国东南部P波速度结构与构造分析

利用中国东南部地震台站的波形数据,通过远震P波层析成像方法反演了福建及台湾地区的上地幔P波速度结构,据此分析了华夏块体的构造属性并探讨了中国东南部上地幔的深部动力学机制.结果表明,研究区上地幔速度结构存在明显的横向非均匀性,它们与区域构造的深部动力学成因密切相关.宏观上,NE向展布的低速异常与东南沿海地区中新生代火成岩的条带状分布保持了较好的一致性,推测其上地幔可能存在幔源物质上涌;以政和—大埔断裂带为界,东、西华夏块体的速度结构存在差异,结合前人的研究结果分析,东、西华夏块体岩石圈减薄和中新生代岩浆活动的驱动机制有所不同,西华夏块体为"板块俯冲+岩浆底侵（岩石圈拆沉）"的动力学模式,东华夏块体是"玄武质岩浆迁移+岩浆底侵"的动力学模式.     

华南地区地幔过渡带结构及其动力学意义

华南地区同时受特提斯构造域和太平洋构造域影响, 是研究板块相互作用的最佳场所之一.为研究华南地区深部动力学过程, 本文基于国家固定台网30°N以南的宽频带台站数据, 利用接收函数方法开展了华南地区地幔过渡带结构研究, 并结合已有地质、地球物理资料, 讨论了华南地区深部构造单元划分及其浅部构造响应.研究结果表明: (1)扬子克拉通下方地幔过渡带结构接近全球平均水平, 相对稳定; (2)海南岛地区地幔过渡带厚度偏薄, 且410-km和660-km界面分别显著下沉和上升, 可能与海南地幔柱密切相关; (3)太平洋构造域和特提斯构造域深部构造边界显著, 青藏高原东南缘主要受特提斯构造域影响, 其地幔过渡带中可能残留有拆沉的岩石圈板片; (4)雪峰山以东地区的地幔过渡带主要受太平洋构造域影响, 但南北也存在局部差异, 南部华夏地块下方可能不存在滞留板片, 太平洋板块的俯冲、后撤与东南沿海地区地壳减薄和大规模出露的中-新生代岩浆岩密切相关.

     

唐海-商都地震台阵剖面下方的地壳上地幔S波速度结构研究

2006年底,我们沿“张渤地震带”布设了一条从唐海—北京—商都的宽频带地震台阵剖面.本文利用台阵记录的远震波形资料,通过接收函数和面波联合反演对剖面下方100 km深度范围内地壳上地幔S波速度结构进行了研究.结果表明剖面东段莫霍面深度约30～34 km,西段深度约38～42 km,平原与山区的过渡地带地壳厚度变化较快.地壳内部10～20 km深度范围内存在多个低速体.在唐山7.8级地震震区附近Moho面出现小幅度隆起,中地壳存在明显的S波低速体.张家口以西,剖面下方10～20 km范围内存在两个S波低速体,张北6.2级地震发生在这两个低速体之间狭小的高速区. 在观测剖面附近,历史上发生的4个大震都与壳内低速体的分布有关. 张家口以东,上地幔普遍存在低速层,顶部埋深在60~80 km之间,并表现出明显的东部浅西部深的特点.     

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.     

华南东部地幔过渡带顶部低速层中的熔体含量估算

地幔过渡带顶部低速层的成因及性质研究,对于认识地球内部物质运移及地幔对流过程等具有非常重要的动力学意义.最新的地震学研究显示,华南陆块东部地幔过渡带顶部的低速层存在着明显的区域性差异.一般认为,该低速层的形成与脱水引起的部分熔融有关.本文利用部分熔融体系的平衡几何模型,重点分析了熔体成分、位温、二面角和玄武质含量等因素对熔体含量的影响,并结合该低速层的分布特征,估算出研究区的南北两个子区域地幔过渡顶部熔体含量分别为~1.18 vol.%和~2.02 vol.%.这一熔体含量的显著差异可能与太平洋板片多期次俯冲作用的叠加有关.