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远震体波接收函数方法:理论与应用

陈九辉  
【摘要】: 利用地震波的走时及波形数据研究地球深部结构,特别是地壳上地幔结构,是地震学的一个基本课题。大陆岩石圈精细速度结构的研究则是大陆岩石圈动力学和地震动力学,同时也是能源、资源勘探以及板内孕震构造环境勘查的一项基础性研究课题。自1980年代以来,随着全球及区域宽频带数字地震台网,特别是宽频带流动地震台阵观测技术不断完善和发展,远震体波接收函数方法已成为研究地壳上地幔速度结构最重要的方法之一。 针对理论和实际应用中存在的主要问题,本文系统地讨论了远震体波接收函数方法的理论,内容涉及接收函数的估计,接收函数的线性及非线性反演,地壳厚度及泊松比的扫描方法研究以及接收函数偏移成像技术。本文分为两个部分:第一部分系统评述了接收函数理论及其主要发展历程,并针对一些主要问题在理论和方法上进行了相应的改进;第二部分则将接收函数方法应用于解释宽频带流动地震台阵观测数据,其结果进一步证明了接收函数方法在地壳上地幔速度结构的宽频带流动台阵研究中的实际效能。由于我们研究的区域均是针对中国大陆动力学研究的热点地区,其结果有助于推进相关科学问题的解决。 本文取得的主要研究成果包括以下几个方面: 一、接收函数方法的理论研究 (1)分析了接收函数估计的频率域最大或然性反褶积方法和时间域最大熵谱反褶积方法,评述了在理论上它们之间的区别与联系以及实际应用中它们各自的优势。 (2)分析了地表沉积层对利用接收函数扫描方法估计地壳厚度和泊松比结果的影响,发展了独立考虑地表沉积层速度结构的接收函数扫描方法。 (3)系统地回顾了接收函数偏移成像理论的最新进展,在统一的理论框架之下归纳总结了接收函数深度偏移的共转换点叠加方法和Kirchhoff散射波偏移叠加方法。 (4)针对多次波对接收函数深度偏移的干扰问题,在接收函数反演给出的一维地壳速度模型的基础上,提出了一个进行壳内速度间断面成像的接收函数波动方程偏移方法。该方法采用反射率法计算一维参考速度模型的格林函数,并采用数值微分方法计算格林函数对深度的导数,最终的间断面图像通过地表观测得到的接收函数与格林函数对深度微分之间的相关实现。理论模型实验和实际数据应用证明,该方法可以有效避免地壳多次波对接收函数成像的影响,较好地解决了接收函数反演结果中间断面的识别问题。虽然基于一维地壳速度模型计算格林函数的响应,但对于多方位接收函数偏移成像,本文给出的方法仍然可以获得台站下方的横向非均匀间断面结构。同时,本方法预示了三分量接收函数对改善地壳偏移成像的重要价值。 二、青藏高原东北缘—鄂尔多斯地壳上地幔结构研究 利用横跨青藏高原东北缘-鄂尔多斯地块布设的~1000km流动地震台阵记录的波形数据,采用接收函数非线性反演方法,研究了青藏高原东北缘-鄂尔多斯地块的100km深度范围内地壳上地幔S波速度结构,采用接收函数偏移叠加方法研究了660km深度范围内上地幔一级间断面的结构。我们的结果表明: (1)青藏高原东北缘-鄂尔多斯地块地壳上地幔S波速度结构具有明显的分块特征。沿青藏高原东北缘-鄂尔多斯地块的流动地震台阵观测剖面,地壳结构可以为五个构造单元。它们之间分别以青铜峡-固原断裂、庄浪河断裂、西秦岭地轴北缘断裂、日月山断裂南段和玛沁断裂作为主要分界线。其中,鄂尔多斯地块、祁连地块和日月山断裂以西的地壳结构比较一致,块体内部结构相对稳定,而鄂尔多斯地块和祁连地块之间的过渡带和西秦岭地轴北缘断裂与日月山断裂之间的地壳速度结构横向变化剧烈,壳幔界面结构复杂。在青藏高原东北缘-鄂尔多斯的各活动块体之间,主要构造分界均在Moho界而深度有显示,这说明青藏高原和鄂尔多斯地块之间的相互作用达到上地幔深度。 (2)南北地震带的地震活动和地壳结构密切相关。上地壳结构的横向复杂变化区均为地震多发区,但不同区域的深部结构对地震活动的控制作用有明显差别。1920年海原大震区的地震活动主要发生在围绕低速介质周围的高速介质内,这表明这些地区高、低速介质之间的局部应力不均匀是形成地震的主要内在原因。祁连山地区的地震活动则与深部断裂形态基本吻合,地震活动是青藏高原向东挤压运动对祁连山断裂系统作用的直接结果。 (3)上地幔间断面接收函数偏移成像揭示了青藏高原东北缘-鄂尔多斯上地幔410km和660km间断面的横向变化。在浅部对应着柴达木地块西段的剖面最西端,上地幔410km和660km间断面分别存在着8-10km和~5km左右的深度增加,由此造成上地幔过渡带厚度减小了~5km。这说明在这个区域上地幔顶部具有比剖面东段更高的环境温度,且进一步证实了层析成像等方法获得的上地幔速度结构探测结果。 (4)远震体波接收函数反演给出的结果与利用人工地震折射/宽角反射方法得到的地壳速度结构基本一致,但由于S波速度对介质结构的某些变化更加敏感,在特定地区(如祁连地块)得到了人工地震方法没有给出的重要信息。 三、中天山地壳上地幔结构研究 利用中天山地区流动地震台阵和固定台网地震资料共38个台站的远震波形资料,采用接收函数泊松比与地壳厚度扫描方法以及上地幔间断面的接收函数偏移成像方法,研究了中天山的地壳结构和上地幔过渡带结构。我们的结果表明: (1)与接收函数反演方法结果的对比表明,接收函数泊松比与地壳厚度扫描方法可以作为一种独立的方法,用于地壳厚度的近似估计,同时可以给出用其他地震学方法难以直接获取的地壳平均泊松比。 (2)上地幔间断面偏移成像结果表明,上地幔间断面偏移成像方法的结果好坏直接受到台站密度和数据量的影响。增加观测时间一般并不能有效改善成像质量。增加台站密度不仅是接收函数成像理论的要求,同时也是取得良好成像质量的实际需要。根据第一Fresnel衍射半径可以给出台站间隔的估计。 (3)利用接收函数泊松比与地壳厚度估计方法得到的中天山地壳厚度结果与前人研究给出的结果基本一致。中天山下方地壳厚度最大达60km;在中天山南北两侧的塔里木盆地和哈萨克地盾地壳厚度则在46-55km之间;在地壳结构特殊的Naryn盆地下方,地壳厚度最小处为37.5km。 (4)在中天山下方,地壳平均泊松比与天山及周边的构造隆升关系密切,且在垂直天山山体的方向上表现出明显的分块特征。塔里木北缘地壳泊松比略高于正常大陆地壳的泊松比,而南天山下方地壳具有非常低的泊松比,南北天山之间的泊松比值接近正常大陆的平均值;在中天山北部和哈萨克地盾区,泊松比值逐渐变化为明显高于大陆地壳平均泊松比。中天山南部的异常泊松比值可能预示着其地壳具有明显区别于其他区域的岩石组分,也可能是由于地壳和岩石圈具有较高的温度或含水量,且很可能与热的上地幔有关。天山北部-哈萨克地盾的泊松比预示着北天山地壳的一部分可能与哈萨克地盾的组分一致。 (5)沿横跨中天山的南北向剖面,上地幔过渡带间断面成像结果给出了天山上地幔热结构的直接证据,证实了哈萨克地盾下方410km附近深度的速度异常。同时,沿天山山体方向剖面的偏移成像结果显示沿天山山体方向的上地幔过渡带具有西段薄、东段厚的特征。这意味着中天山上地幔西热东冷的热结构。 四、中国境内天山地壳上地幔结构 利用奎屯—库车的流动地震台阵观测记录的远震体波波形数据,并综合利用接收函数泊松比扫描及地壳和上地幔间断面的接收函数偏移成像方法,研究了中国境内天山地壳分层结构和上地幔间断面结构。我们的研究结果包括以下几个方面: (1)在远震体波接收函数反演结果的基础上(Li et al.,2007),利用接收函数扫描方法以及接收函数偏移叠加方法获得了壳幔间断面的深度成像结果。我们的结果表明,天山南北两侧表现为非对称的地壳构造形态。我们给出的地壳厚度估计结果进一步确认了接收函数反演方法得到的中国境内天山壳幔间断面形态及其断错结构。 (2)利用接收函数扫描方法获得了沿剖面的泊松比分布。我们的结果表明,在天山山体下方,地壳平均泊松比明显低于理想介质的泊松比,这说明天山山体的石英和硅含量相对偏高,地壳力学性质相对软弱。但是,准噶尔盆地的地壳呈现明显高的泊松比结构,显示了清晰的海相地壳特征。相对软弱的天山山体可能是外部挤压力作用下天山快速变形的内在条件。 (3)在远震体波接收函数反演结果的基础上,利用接收函数偏移叠加方法,我们获得了壳内速度间断面的成像结果,进一步确认了沿奎屯—库车的流动地震台阵观测剖面地壳的分块构造和变形特征。其中,塔里木与南天山地块的差别非常明显,它们之间的分界线在通常认为的南天山山前断裂以南和库车以北地区。综合壳内速度间断面的成像结果和地震精确定位结果,中天山北缘断裂是切割天山地壳最大的直立边界断裂。准噶尔与北天山地块的下地壳结构基本一致,北天山的上地壳表现为复杂的推覆构造形态。 (4)根据断层分布形态,以中天山北缘断裂为界,北天山主要断裂明显向南倾斜,而中天山、南天山及塔里木盆地内部的主要断裂明显向北倾斜,形成了明显的双侧对冲挤压变形。这意味着在塔里木盆地的挤压作用和准噶尔盆地的阻挡作用之下,天山山体从浅到深变形量逐渐加大,天山受到的两侧挤压力应不仅限于地壳的范围。 (5)在塔里木和南天山的上地幔顶部存在塔里木向南天山下方俯冲的迹象。天山地壳S波速度结构表明,天山地壳内部并不存在物质部分熔融的迹象。天山造山动力学作用过程应涉及整个岩石圈范围,中国境内天山造山动力学成因应符合俯冲—挤压模型。 (6)上地幔间断面成像结果清晰显示了410km和660km间断面的横向变化。沿观测剖面,410km间断面的深度大致在400-410km深度之间,但在中天山和北天山下方,其深度稍浅。660km间断面的深度在660-680km之间变化,且在南天山下方深度变大。这说明天山的上地幔过渡带存在着一个从北天山开始向南倾斜向下的低温异常区,并在南天山下方达到了660km的深度。这个温度异常区覆盖了整个上地幔过渡带,但横向上,其尺度不超过200km。这个观察与上地幔P波层析成像结果一致,进一步提供了天山上地幔存在小尺度地幔对流的证据。 (7)对比中天山和东天山的地壳上地幔结构,我们发现中天山和中国境内天山的造山动力学机制可能存在很大的差异。在塔拉斯—费尔干纳断裂东侧的天山发现了明显偏热的上地幔。其南天山地壳介质也处于偏热的环境,而中国境内天山的地壳速度结构没有明显的热异常,且表现出各个块体之间强烈的垂向差异运动。单侧或双侧俯冲可能是中国境内天山快速隆升的主要作用因素。


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