鄂尔多斯块体-华北地区地壳上地幔P波三维速度结构

本文利用华北地震科学台阵、鄂尔多斯及周缘地震台网和区域地震台网记录的62736个远震P波走时数据,获得了鄂尔多斯块体中部与华北地区之间400km深度范围内的P波三维速度结构.考虑到研究区的复杂地质结构,本文采用FMM算法和子空间反演算法进行地震层析成像.成像结果表明:1)研究区的地壳速度分布与地质构造格局的相关性显著,随着深度的增加相关性减弱;断裂带多为高速异常区和低速异常区的分界线.2)研究区东部的速度结构与鄂尔多斯块体相比存在明显的不均一性,上地幔高速异常具有南北不均匀性.表明华北克拉通破坏时东、西部的岩石圈可能经历了不同的构造变形过程,东部岩石圈受到大规模破坏,破坏后的上地幔物质呈南北向不均匀分布,西部鄂尔多斯块体岩石圈保持着相对稳定的克拉通特征,不存在大规模破坏的证据.3)华北克拉通的岩石圈厚度由东向西整体逐渐增加.东部在100km深度附近出现大范围的低速异常,表明在该深度已进入软流圈,西部鄂尔多斯块体的岩石圈厚度约为250km.4)鄂尔多斯块体的东边界在黄河以东的离石断裂带.     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

利用双平面波干涉面波层析成像方法研究山西断陷盆地及鄂尔多斯地台三维速度结构

本文利用了北京大学在山西地堑的34个台站以及中国地震局台网中心在鄂尔多斯地区46个台站的远震波形数据,运用双平面波干涉的面波层析成像方法,提取瑞利面波相速度频散曲线,开展台阵覆盖区三维速度结构反演,据此分析了研究区地壳和上地幔的结构特征。结果表明,瑞利面波相速度分区特征显著,山西断陷盆地和渭河断陷盆地的相速度整体偏低。鄂尔多斯块体在莫霍面以下有明显高速异常,表明该地块为构造稳定的克拉通块体,鄂尔多斯块体的岩石圈下界面在120~140km的深度左右。与此相反,山西断陷盆地和渭河断陷盆地地下70~120km左右均有低速异常,显示这两个地区构造活动活跃,这也与该区域历史上多次发生强震是相符的。     

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。     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异：其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为：鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下...     

用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

本文利用东北地区的黑龙江、 吉林、 辽宁和内蒙古等四省区区域数字地震台网122个宽频带地震台站记录的波形数据, 分别通过背景噪声互相关及地震面波提取8~25 s和25~70 s的瑞利面波频散曲线, 进而反演得到东北地区从浅到深直至约100 km的岩石圈速度结构。 结果表明, 周期为8 s至15 s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系, 盆岭边界的大型断裂对上地壳速度结构的控制作用明显, 松辽盆地呈现较厚的低速沉积盆地特征; 周期为20 s至30 s的群速度与短周期时相比出现明显变化, 反映了以大兴安岭—太行山重力梯度带为界, 西部地区莫霍面深度大于东部地区; 周期为50 s至70 s的长周期群速度图表现为随着周期的增加, 东部低速区域西移而西部显示稳定高速, 可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响, 大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。     

利用瑞利面波相速度和方位各向异性研究鄂尔多斯块体的岩石圈变形特征

利用在鄂尔多斯块体内部布设的45个宽频带流动台站和固定台站的资料,用双平面波方法反演了20~143 s共12个周期的基阶瑞利面波的平均相速度和方位各向异性,并反演了一维S波速度结构.反演结果显示50~100 s中长周期的瑞利面波相速度高于AK135速度模型的相速度,为高速异常,S波速度显示高速异常主要位于180 km深度范围内,表明鄂尔多斯块体保留有厚的高速岩石圈.20~111 s周期的方位各向异性强度小于1%,较小的各向异性表明鄂尔多斯块体岩石圈变形较弱.20~50 s周期的平均快波方向为近EW向,67~143 s周期的平均快波方向为NW-SE向,相对发生了整体改变,快波方向的转变约开始于80~100 km深度范围,这表明岩石圈上下部存在着由不同变形机制导致的各向异性.上部岩石圈中各向异性可能主要为残留的“化石”各向异性,而下部岩石圈各向异性可能是现今板块构造运动导致的变形而形成.鄂尔多斯块体岩石圈垂向上的变形差异可能主要与岩石圈温度随深度的变化以及青藏高原NE-NNE向挤压引起的上部岩石圈逆时针旋转有关.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

华北克拉通中西部地区瑞利面波噪声层析成像

根据2011年在鄂尔多斯地区新架的51套宽频带流动地震台数据,结合区域数字地震台网138个固定台站和2007年华北流动地震台阵连续一年的地震记录,基于背景噪声成像的基本原理与方法得到了华北克拉通中西部地区6~36 s的瑞利面波群速度分布图像。6~15s的成像结果很好地对应于上地壳的隆起和塌陷盆地构造;16~30 s的成像结果揭示了大同盆地和汾河谷地西侧可能存在中下地壳低速层;30~36 s的成像结果反映了华北克拉通地壳东薄西厚的总格局,和断陷盆地下方莫霍面相对隆起的局部特征。     

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.     

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.     

Shear velocity structure of crust and uppermost mantle in China from surface wave tomography using ambient noise and earthquake data

We present a 3D model of shear velocity of crust and upper mantle in China and surrounding regions from surface wave tomography.We combine dispersion measurements from ambient noise correlation and traditional earthquake data.The stations include the China National Seismic Network,global networks,and all the available PASSCAL stations in the region over the years.The combined data sets provide excellent data coverage of the region for surface wave measurements from 8 to 120 s,which are used to invert for 3D shear wave velocity structure of the crust and upper mantle down to about150 km.We also derive new models of the study region for crustal thickness and averaged S velocities for upper,mid,and lower crust and the uppermost mantle.The models provide a fundamental data set for understanding continental dynamics and evolution.The tomography results reveal significant features of crust and upper mantle structure,including major basins,Moho depth variation,mantle velocity contrast between eastern and western North China Craton,widespread low-velocity zone in midcrust in much of the Tibetan Plateau,and clear velocity contrasts of the mantle lithosphere between north and southern Tibet with significant E–W variations.The low velocity structure in the upper mantle under north and eastern TP correlates with surface geological boundaries.A patch of high velocity anomaly is found under the eastern part of the TP,which may indicate intact mantle lithosphere.Mantle lithosphere shows striking systematic change from the western to eastern North China Craton.The Tanlu Fault appears to be a major lithosphere boundary.     

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.     

中国东部海域岩石圈结构面波层析成像

本文通过面波层析成像得到了中国东部海域及邻近地区的地壳上地幔S波速度图像,给出了主要构造单元的区划及其结构特征,并讨论了速度结构与现今构造活动及构造演化历史的关系.研究区内中下地壳的平均速度与地震活动存在比较显著的关系,强震基本都发生在低速区内或高低速过渡区.太行山以东地壳内存在几条北西向低速带,其中张家口—渤海地震带下方的低速带最为显著.东部海域划分成北黄海、南黄海、东海、和冲绳海槽等4个构造块体.北黄海具有较薄较高速的岩石圈,与南华北盆地类似,推测是中生代特提斯洋向北俯冲造成岩石圈减薄的遗迹.北华北地区具有低速的地壳和较厚的岩石圈,岩石圈地幔速度偏低且上下比较均匀,可能反映中生代沿北方缝合带持续碰撞作用的特点.南黄海具有相对较厚的岩石圈,较多地保存了下扬子克拉通的特征.在下扬子与华北地块的拼合过程中,洋壳俯冲可能是北黄海和苏皖地区上地幔低速特征的成因.在125°E以东的朝鲜半岛地区未发现这一拼合过程的遗迹.有可能整个朝鲜半岛都是华北地块的一部分;但也有可能是太平洋俯冲和日本海张开的作用完全改造了朝鲜半岛的岩石圈上地幔,抹去了以往构造运动的痕迹.东海地区的地壳厚度,特别是岩石圈厚度向冲绳海槽方向减小,反映出菲律宾海板块俯冲在弧后广大地区都有影响.冲绳海槽地区可见俯冲的菲律宾海板片以及板片上方显著低速的地壳和上地幔,为冲绳海槽的弧后扩张机制提供了证据.     

Group-velocity tomography and lithospheric S-velocity structure of the South American continent

The lithosphere of the South American continent has been studied little, especially in northern Brazil (the Amazonian region). A 3D lithospheric S-velocity model of South America was obtained by first carrying out Rayleigh and Love wave group-velocity tomography, and then inverting the regionalized dispersion curves. Fundamental mode group velocities were measured using a Multiple Filtering Technique. More than 12,000 paths were examined and about 6000 Rayleigh- and 3500 Love-wave dispersion curves with good quality were retrieved. Checkerboard tests showed that our dataset permits the resolution of features 400-800 km across laterally in the central part of the continent from crustal to upper mantle depths. Our results confirm previous tomographic results and correlate well with the major geological provinces of South America. The 3D S-velocity model confirms both regional features of SE Brazil from P-wave travel-time tomography and continental-scale features of central and western South America from waveform inversion, e.g., lowest velocities in the Andean upper mantle; three parts of the Nazca plate with flat subduction; strong low-velocity anomalies in the upper-mantle depth beneath the Chaco basin. Furthermore, our 3D model revealed new features in the South American continent: (1) high velocities in the lower crust were consistently found in regions with high Bouguer or free-air anomalies; (2) the NE-SW trending TransBrasiliano shear zone was delineated by a NE-SW low-velocity belt at lithospheric depths; (3) the eastern Amazonian craton appears to have thicker lithosphere than the western craton; (4) in areas of Archean nuclei located in the northeastern Guaporé shield and southeastern São Francisco craton, high velocity anomalies were found down to 150 km.     

3-D velocity structure beneath the crust and upper mantle of Aegean Sea region

The region of the Aegean Sea and the surrounding areas in the Eastern Mediterranean lies on the boundary zone between the Eurasian and the African plates. It is a zone of widespread extensive deformation and, therefore, reveals a high level of seismicity.Three-dimensional velocity structure, beneath the crust and upper mantle of the region between 33.0°N–43.0°N and 18.0°E–30.6°E, is determined.The data used are arrival times ofP-waves from 166 earthquakes, recorded at 62 seismological stations. In total, 3973 residual data are inverted.The resultant structure reveals a remarkable contrast of velocity. In the top crustal layer, low velocities are dominant in Western Turkey and on the Greek mainland, while a high velocity zone is dominant in the Ionian Sea and in the southern Aegean Sea.In the upper mantle, high velocity zones dominate along the Hellenic arc, corresponding to the subducting African plate and in the northern part of the region, corresponding to the subducting African plate and in the northern part of the region, corresponding to the margin of Eurasian plate.A low velocity zone is dominant in the Aegean Sea region, where large-scale extension and volcanic activity are predominant, associated with the subduction of the African plate.     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

FMTT方法研究华北及邻区上地幔P波速度结构

本文利用华北地震科学台阵190套宽频带地震仪在2006年10月至2009年3月记录的远震事件,采用波形互相关技术提取了52414条P波初动到时数据,进一步使用FMTT (Fast Marching Teleseismic Tomography)方法,获取了华北克拉通中、东部陆块下方上地幔分辨高达0.5°×0.5°的P波速度结构.我们的P波速度结果显示,华北克拉通中、东部块体在40~240 km的深度范围内都表现为相对低速,而燕山造山带则整体表现为相对高速,这暗示华北克拉通中、东部块体下方的壳幔速度结构都遭受了明显的改造,但改造的范围并没有涉及到燕山造山带,或者燕山造山带下方的改造并没有华北克拉通中、东部块体那么显著.华北克拉通中部陆块下方的低速异常向下一直延深至250 km左右,该低速异常很可能与汾渭河地堑及新生代广泛分布的火成岩有关.