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接收函数及T波在地球界面起伏研究中的应用

黄建平  
【摘要】: 地球内部界面的研究,对于我们认识地球内部结构、物质组成、各圈层演化的动力学过程都有着十分重要的意义。由于地球内部的物质非均匀性、地球内部温度的异常、俯冲板块及地幔热柱的作用,使得地球内部的界面可能存在起伏。通过大量研究表明,对于地球界面起伏的研究,能够很好的将界面起伏与物质温度、地幔对流状态联系起来。 本文主要采用接收函数和海洋T波来研究地球界面的起伏。对于地球内部间断面起伏的研究,我们从研究方法上的差异分为两类:第一类,界面起伏的确定性研究,本文主要采用转化波的接收函数方法。在利用接收函数方法进行界面起伏研究的时候,本文主要做了以下工作:(1)实现了共转换点叠加接收函数的方法,并通过对给定的两个较为复杂的2D模型的理论计算测试,证实了共转换点叠加方法和程序的正确性和可行性。(2)将程序发展到3D,并应用于实际区域上地幔界面起伏的研究中,得到了委内瑞拉和青藏高原地区410公里、660公里间断面的位置和起伏信息。在处理过程中,我们对接收函数的质量进行了评分,并作为后续叠加时的权重之一;同时在网格内部还引入了高斯权重因子取代传统的线性叠加算法。(3)实现了利用重力反演地壳厚度的方法,并用于计算中国地区大尺度的Moho面起伏,从另一个角度与接收函数的结果进行了对比研究。(4)通过对PKKPbc及其前驱波震相的分析,研究了外核顶部由轻元素组成的刚性薄层的地震学性质。第二类,界面起伏的统计性研究。对于界面起伏统计性研究,本文以不同尺度海底地形起伏对海洋T波激发的影响为例进行了说明。随后,本文也分析了T波与地震震源参数之间的关系,以及利用深震激发的T波来研究俯冲板块衰减特性。 (A)界面起伏的确定性研究 界面起伏的研究,主要是利用地震学中的前驱波震相(precursor),比如通过对地表前驱波S_(410)S、S_(660)S、P_(410)P、P_(660)P等的研究,可以得到410公里、660公里间断面的起伏。本文的研究主要利用接收函数H-Kappa叠加及接收函数3D共转换点叠加的方法来研究地壳和上地幔界面大尺度的起伏。本文的对于大尺度地球界面的研究主要分为以下几个方面: (1)通过网格搜索可能的地壳厚度(H)和纵横波速比(Kappa)的方法,可以得到研究台站下方的地壳厚度和纵横波速比。而地壳厚度和纵横波速比信息将为区域构造、岩石性质等研究提供帮助。 (2)本文实现了共转换点叠加接收函数的方法,并通过两个2D模型的理论计算测试,首先验证了方法的正确性;其次在3D的叠加过程中引入了高斯权重函数和N次方根的方法,提高了对接收函数中一致信号的拾取。最后,将此方法用于实际接收函数的处理中,得到了委内瑞拉和青藏高原地区的410公里、660公里界面的起伏。利用物质高温高压试验的克拉贝隆曲线斜率的结果,将得到的界面起伏转化为温度变化的信息,为探测俯冲板块(冷)和热点热柱(热)提供依据。 (3)我们编程实现了傅容珊教授1984年提出的利用重力傅立叶迭代法及刘元龙研究员提出的压缩质面法,并反演得到了中国地区大尺度的地壳厚度分布。我们之所以进行重力方法的研究,主要是为了与上文利用接收函数方法的结果进行对比。 (4)通过对PKKPbc波形及其前驱波的分析,得到了外核顶部轻元素组成的刚性薄层(CRZ)的地震学性质:我们还通过比较不同位置的前驱波到时的差异,提出了外核可能存在tangent cylinder结构的地震学证据。 综上所述,我们系统地形成了从接收函数的提取、接收函数信噪比的改进、接收函数叠加成像、高温高压试验对结果解释等相关研究的一整套方法。基于本文的叠加方法,我们可以快速准确地得到地下间断面的起伏,并与物质的温度异常联系起来,从而可以用来探测地球内部俯冲板块和热点热柱的分布。随着大量台阵的架设和地震波数据的积累,本文的方法在未来的研究工作中将有很好的应用前景。利用重力资料得到Moho面起伏的方法,可以从另一个角度对接收函数的结果进行验证,希望能成为接收函数方法的一个有益补充。 (B)界面起伏的统计性研究 对于尺度较小界面起伏的研究,由于频率的限制,很难用确定的地震波震相去研究小尺度界面起伏,而一般进行统计学上的描述。对于小尺度界面起伏的研究,我们主要以海底地形起伏为例,讨论了不同小尺度海底地形起伏对T波激发的影响。通过测试不同的海底地形起伏的模型所对应的T波能量的大小,计算结果表明海底地形起伏对T波的激发有一定的促进作用。随后,我们也讨论了T波的可能应用,主要包括研究T波与地震震源参数的关系、利用深地震T波来研究俯冲板块的衰减特性。


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