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中国大陆中东部地区基于背景噪声的瑞利波层析成像

郑现  
【摘要】:中国大陆中东部地区(102°E~122°E,22°N~42°N),外部受到西太平洋板块、菲律宾板块的俯冲作用和印度洋板块对欧亚板块的碰撞作用,地质构造复杂,褶皱带和古地块交替出现,地壳上地幔地质构造上存在着强烈的横向不均匀性。此外,部分地区地震活动强度较大,历史上共发生6级以上地震568次。因此对中东部地区进行高分辨率的成像有助于研究该地区地壳上地幔的横向不均匀性,以及可能的动力学机制,并分析强震活动性与构造环境的关系。 地震层析成像法是研究地球内部横向非均匀性的重要手段。由于传统的地震层析成像法依赖于地震,故在地震分布较稀疏的地区很难得到高分辨率的层析成像结果。基于背景噪声的层析成像法是目前地震学层析成像领域的前沿方法。该方法可以通过对从台站记录的连续波形进行互相关计算,提取台站对间地下的结构信息。本文利用噪声层析成像法不依赖台站的优点,选择台站分布密集的中国大陆中东部作为研究区,对地壳上地幔结构展开高分辨率层析成像研究。 本研究从中国大陆中东部地区国家台网和区域台网中,挑选出494个分布基本均匀的宽频带台站,并联合使用了中国大陆周边地区7个IRIS台站。利用这些台站记录的21个月的背景噪声数据的垂直分量连续波形数据,提取了约12万余条频散曲线。为保证成像的可靠性,研究中对提取到的全部频散曲线进行了基于台间距和信噪比的筛选,保留质量较高的频散曲线。并对沿相同路径的经验格林函数和地震记录波形进行了对比,发现沿相同路径的格林函数与地震记录的面波波形一致,证明提取的经验格林函数可靠。叠加时间长度的试验结果表明叠加时间长度为12个月时,可以确保在30s以下周期沿各路径的频散曲线时间上稳定,而对于30s以上周期,则需要更长时间的互相关数据叠加。因此建议在利用噪声数据开展速度变化的研究时,要注意对于30s以上周期,叠加时长要大于12个月。 最终各周期可用的频散曲线数目达5万~11万余条。将研究区划分为0.5°×0.5°的网格,用射线理论层析成像方法对筛选后的频散曲线进行反演,最终得到了周期8s~40s的瑞利波群速度分布图。该结果是目前中国大陆中东部地区分辨率较高的面波群速度成像结果,大部分地区的分辨率可达0.5°。本论文取得的主要结论如下: (1)在短周期(8s~20s)的Rayleigh波群速度分布图像中,低群速度分布清晰地勾画出了四川盆地、鄂尔多斯盆地、华北平原、江汉盆地、苏北盆地等主要沉积盆地,而燕山褶皱带、山西复背斜、秦岭造山带和整个华南造山系等主要褶皱带和造山带则呈现高群速度分布特征。 (2)周期25s-40s的群速度图像反映了地壳厚度的变化,整个研究区呈现显著的速度分区特征,即大兴安岭一太行山—武陵山地壳厚度突变带所划分的西部低速及其东部高速。自30s群速度图开始,可分辨出群速度在六盘山—龙门山—大凉山地壳厚度突变带以西进一步减小。 (3)25s以下的群速度图像中,华北平原中上地壳的显著低速,低群速度区域很好地勾画出了华北平原的断陷盆地形态,与华北—渤海湾自早第三纪以来的断块分布结构一致。其中8sRayleigh面波穿过华北盆地时群速度降低了近30%,揭示出华北盆地受其内部的中新生代沉积层影响较大。 (4)周期12s开始,瑞利波在四川盆地中央呈现出显著的高群速度,本文认为这一现象反映了该盆地内部地壳的非均匀特征,可能是由于盆地基底上隆导致了其中央高速。20s以下的短周期,四川盆地地壳平均速度高于华北平原。可能是由于其盆地内部大部分区域很少接受新生代沉积,并自晚始新世起开始接受风化剥蚀造成的。 (5)在周期8~10s时,低群速度勾画出了整个鄂尔多斯盆地形态。周期为12s~20s时,盆地东南部的群速度相对高于西北部,揭示出其中地壳存在一定程度的非均匀性。周期30s~40s,浅层成像结果中的鄂尔多斯盆地形态完全消失。 (6)周期20s以下的短周期图像中,秦岭造山带、太行山、鄂黔褶皱带的高速显著。周期20s以后,这些高速带基本消失,群速度没有显示出与周围构造的差异。


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