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《中国地震局地质研究所》 2007年
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首都圈地壳上地幔三维S波速度结构的接收函数研究

王峻  
【摘要】: 首都圈(38°~41°N,114°~120°E)不但是我国政治、经济和文化的中心,也是地震灾害多发区,历史上曾有多次破坏性地震发生。这些地震给国家和人民带来了巨大的损失。首都圈地区一直被确定为我国的地震重点监视防御区。有鉴于此,许多学者曾利用多种地球物理方法对首都圈地区的地壳上地幔速度结构及破坏性地震成因进行了研究,并取得了许多重要成果,使人们对首都圈的地质构造背景、地壳上地幔的深部构造环境,地震活动性及破坏性地震的成因和机理有了相当的了解和认识。 自20世纪80年代以来,随着宽频带区域数字地震台网,特别是宽频带数字地震台阵技术的逐步完善和发展,远震体波接收函数方法得到了不断的发展,并在地壳上地幔速度结构的研究中获得了日益广泛的应用。由于远震P波近垂直入射地壳,对于平面密集分布的观测台网或流动台阵来说,接收函数的研究结果可以给出高分辨率的三维地壳上地幔S波速度结构。其纵向分辨率可达到公里级,而横向分辨率则主要取决于台站的间距。大震区和强震危险区高分辨率三维地壳上地幔速度结构研究结果则是进一步研究地震形成背景、孕育环境和形成机理最基本的科学依据。但限于数据、方法等原因,该项研究工作有进一步提高的余地,对于首都圈地区的深部孕震环境始终没有令人信服的解释,地壳上地幔介质物性的多参数研究也有待于做进一步工作。 中国地震局地质研究所台阵实验室于2002~2003年以唐山大震区为中心,布设了由40套宽频带地震观测仪器组成的流动地震台阵,从而使首都圈地区的台站分布更加密集、合理。 我们综合利用首都圈数字台网的107个固定台站和40个流动台站的数据,采用接收函数扫描法得到了147个台站下方的地壳平均泊松比值及地壳厚度,并利用接收函数非线性反演方法得到其中70个宽频带台站下方60km深度范围内的S波速度结构。根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度模型,并综合刘启元等(1997)运用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了首都圈地区沿不同走向、不同深度S波速度分布,并在此基础上初步探讨了首都圈地区地壳上地幔构造特征以及地震分布和孕育的机理。 研究结果表明: 1)首都圈地区地壳上地幔具有较为明显的不均匀性。这不但反映在三维速度结构的变化,而且表现在地壳厚度的较大变化。其基本特征表现为由西北向东南方向逐渐减薄,并在地壳最厚及最薄的区域之间形成了明显的北东向过渡带。其中,张家口附近的张北地区地壳最大,其厚度达到40km,北戴河地区的地壳厚度最薄,其厚度仅为28km。两者相差达12km。 2)首都圈地区存在若干壳幔界面的隆起,它们分别位于北京-怀来一线的南侧、唐山以东的北戴河地区,冀中凹陷和石家庄以北的新乐地区;同时在北京-三河南侧存在一个壳幔界面的凹陷区域。研究区内的地震大多发生在地壳厚度变化的陡变带上。 3)首都圈地区大部分区域的地壳泊松比值为0.26左右,其横向变化达到27%左右。在蔚县西侧地区地壳泊松比值最大,达到0.3,在唐山东北侧区域泊松比最小,仅为0.23。沿张家口-三河-唐山一线还存在一条较为明显的高泊松比条带。特别值得关注的是,自冀中坳陷,沿天津-唐山方向形成了一条NE方向的低泊松比条带。唐山大震区位于泊松比横向变化剧烈的区域,但处于泊松比相对较高的一侧。这表明该区域的岩性可能有较大变化,并且介质较为破碎。 4)利用接收函数反演方法得到的研究区60km深度范围内的地壳上地幔的S波速度结构表明,研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂。在10-20km深度范围内,研究区的地壳结构十分破碎,构成了高速和低速异常块体的交错结构。其中,张家口-怀来-北京一线及唐山地区存在沿北东向分布的高速异常区。外力的作用很容易导致区域内应力的调整,引发地震破裂。这应是研究区内破坏性地震多数发生在这一深度的重要原因。 5)研究区中上地壳深度范围内存在若干S波低速体。较大低速体主要分布在唐山,三河及延庆、怀来等地区。在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面向上隆起。在唐山地震区,中上地壳的S波低速体具有不均匀结构,很可能该区域不但中上地壳的温度较高,而且介质相对较为破碎。与此同时,在唐山地震区,莫霍界面的隆升还伴随着上地幔速度结构较明显的横向变化。这意味着不但唐山地震区地壳十分特殊,而且地壳变形与上地幔的变形运动密切有关。1976年唐山地震的成因与此特殊的地壳上地幔构造环境密不可分。根据上述观察,三河地区今后发生破坏性地震的可能性应值得给予关注。 6)地表观察到的断层分布与上地壳的速度边界有较好的相关性,表明断层不同块体有明显的控制作用。研究区内宝坻断裂,香河断裂,唐山断裂均为超壳断裂。它们应与这些地段的强震发生密切有关。 7)多年来,首都圈地区地壳上地幔结构的研究是人们关注的热点,并已有大量研究结果发表。本文给出的结果在总体框架上与前人结果基本一致。本文工作的主要进展在于空间分辨率有了较明显的提高,以至于我们可以观察到三维地壳速度结构更为精细的变化。尽管如此,由于在研究区西部的台站仍然较为稀疏,有关这一区域的研究有待继续深入。另外,结合更多地球物理观测数据研究首都圈地壳的变形及其地震动力学也是我们今后进一步非常值得关注和努力的方向。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P315.31

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