| 单词 | 三维速度结构研究 |
| 释义 | 【三维速度结构研究】 地球结构是地球物理学的一个重要的基本研究内容，其中地震波速度结构是这类研究中最重要的一个方面，因为在所有地球物理方法中，地震学能够提供最高的分辨能力，而且也为描述地球内部结构的细节提供最大的潜力。地球结构的问题，人为地分为两类：“平均”地球性质的研究和横向不均匀性的研究。有关“平均”地球性质的研究主要是需要致力于更好地确定间断面附近波速和密度的变化。间断面处这些性质变化的知识，对于阐明地球内部化学组成的径向变化是至关重要的。众多的研究表明，在地球的绝大多数地区，其横向不均匀性是如此重要，以致地球对称的模型只能认为是一种数学抽象。横向不均匀性的研究同地震成因及其预测的研究有关，它不仅关系到震源图像，而且直接影响到能否进行有意义的地震预报。横向不均匀性研究成果，为地球动力学、岩石学和地球化学的研究提供了急需的关键数据。三维速度场可描绘出地幔对流的瞬态图像。地学中的许多基本问题可能取决于解决介质特性横向变化的能力。 全球尺度的三维速度图像研究，最有影响的工作是美国D．L．Anderson和A．M．Dziewonski两人的研究，他们试图解决一些仍有争议的基本问题。尽管所得到的结果由于条件所限仍不尽人意，但却具有重要意义。例如：(1)100～150km深度的图像与地表已知的构造特征明显相关：洋中脊是低速区，大陆地盾(加拿大、西伯利亚、非洲、澳大利亚)为高速区，古老洋盆的速度也为高速。波速异常比只根据温度解释的结果要大些，这表明在此深度下必然还有一些尚未确定的矿物成分或地幔熔融程度的变化。(2)揭示了300km深度以下直至核幔边界的一些鲜为人知的特性。结果表明，那种认为表面构造决定深部物质性质的假设应予放弃，地表构造与深部物质的相关性到200km深度已有显著变化。(3)Dziewonski和Clayton等各自得到的结果表明，最大的速度异常出现在核幔边界附近。这些结果对地幔对流的研究可能会产生重大的影响。大尺度的三维速度图像研究，最早是日本Hirahara(1977)对日本岛和日本海的研究，使用了20个中深度源地震在330个台站记录到的3500个P波到时，分块尺寸为2°×2°×100km，用ACH方法研究了该区直到650km深度的三维速度结构，主要结论是：(1)清楚地识别出对应于太平洋沉降板块的高速区，特别在北本州弧。(2)中源和深源地震都发生在沉降板块100km厚的上部。(3)沉降板块内的高速随深度从+5%～6%降到+2%不等。1980年Hirahara又根据这20个中、深源地震在日本台站记录得到的1286个P波到时和232个国外台站得到的2292个P波到时(分块尺寸为1°×1°×100km或1°×1°×50km)，采用相同的方法重新解释。主要新发现是，沉降的太平洋板块相对于周围的低速区板片上部速度对比尖锐，板片下部表现为过渡特征。另一个著名的大尺度工作是Romanowicz(1980)对西欧上地幔的研究。她使用了1964～1973年间114个台站(30°＜△＜100°)上记录得到的1157个P波到时，平均分块尺度为5°×5°×250km。由于第1层深度为(0～250km)，不可能给出Moho面等的变化，但各层的平均数值仍然有意义，其主要结果是：(1)250km深度以上，波罗的海地盾速度最高，而阿尔卑斯最低。(2)450～700km深处的速度在地盾下再次达最高值，并向大西洋方向衰减，但在阿尔卑斯却相当平缓。地盾和地台下500～600km深度范围内的高速正像在北美和欧洲观测到的那样，可能具有普遍性。刘福田等对中国大陆的研究也得到了一些有益的结果，主要是：(1)揭示了中国大陆及其邻近地区的地壳和上地幔速度存在明显的横向不均匀性，这种不均匀性直到下地幔1100km深度处还依然存在。上地幔的速度图像同地表已知的地质构造特征的相关性可追踪到110km，从220km以下很难找到它们之间的明显关系。(2)45－°km和45+°km深度处的速度图像鲜明地显示出，中国的地壳厚度大约以102．5°E为界分为两部分：其东部地壳薄，厚度小于45km；西部有一条自若尔盖－松潘(34°N，102．5°E附近)向北西沿38°N往西至塔里木盆地南缘的分界线，其南部除滇西南之外，整个青藏高原的地壳厚度都大于45km，北部除天山山脉之外，地壳厚度一般不大于45km。(3)110km深度处的速度图像表明，速度异常呈块状分布。同中国大地构造分区略图比较后发现，其中扬子准地台和塔里木地台对应于高速区，中朝准地台则大都表现为低速异常；华南褶皱系为低速区，青藏地块南缘喜马拉雅和冈底斯念青唐古拉褶皱系则表现为高速异常。(4)220km深度处的速度图像表明，中国大陆相当多的地区软流层有明显的显示。(5)同45－°km和45+°km的速度图像一样，400km和600km的速度图像都表明，102．5°E附近约200km宽的条带为中国大陆东西两部分不同构造单元的分界。400km深度处的图像显示出，分界以东的低速带其走向为北北东和南北向；以西的低速带其走向为北北西和东西向。这可能意味着，在地表观测到的地球物理场(例如，重力场和区域磁场)的类似走向特征，具有很深的构造背景。600km深度的速度图像则显示出，分界以东为高速区，以西为低速区。这些可能表明，中国大陆东西两部分的构造差异存在于整个上地幔。为了进行比较，刘福田等还研究了日本岛弧－弧后系的三维速度结构。同Hirahara相比，结果如下：(1)研究区域所表现出的横向不均匀性直到下地幔还仍然明显，这种不均匀性不仅出现于海洋与大陆的不同构造之间，也出现在各构造单元之内。(2)日本列岛具有7．6～7．7km／s的异常上地幔，70～110km深度处的速度值仍然明显低于平均值，显著低速的地区都伴有高热流值，静冈－系鱼川构造带(ISTL)是其构造差异的分界，以它为界，日本东北和西南在速度结构上差异明显。(3)就岩石层的厚度而言，日本海基本上可以分成两大部分：靠岛弧一侧的厚度不大于70km，靠大陆一侧的厚度不大于110km。(4)菲律宾较为复杂，四国海盆的岩石层厚度不小于70km，九州－帛琉海岭东西两侧的结构差异显著，其过渡特征直到400km深度仍然明显。(5)将不同深度范围的地震投影在相应深度的速度图像中，结果表明，它们都分布高速带内，即高速带与熟知的深源地震面一致，对应于俯冲带。垂直于日本海沟轴的纵剖面的速度图像清晰地勾划出消减的太平洋板块的形状，俯冲带内的速度值比它周围的地幔平均约高5%～8%。根据俯冲板片的几何形状可见，俯冲板片下插于地幔各个不同圈层时其倾角是不同的，它先以极小的倾角离开海沟下插至靠洋一侧的陆坡，然后以30°左右较陡的倾角俯冲至本州之下，再以25°左右的角度较平缓地俯冲穿过软流层和上地幔过渡带。如果认为位于下地幔的板状高速体即是俯冲板片，那么，它则是以48°以上的倾角抵达界面沉降的。(6)成像结果显示出，在海沟会合处，不同倾向的高速带为低速区所分割，这表明平行于海沟轴的俯冲带很可能在此严重变形甚至撕裂。(7)成像结果还表明，太平洋板块沿各个海沟的消减方式可能明显不同：在伊豆－小笠原海沟，俯冲带以大于日本海沟处的倾角下插至110km深度，220～400km深度未发现相应于俯冲带的高速带，直到535km深度高速带才重新出现，这同现有的观测事实是一致的。观测表明，在150～300km深度几乎没有地震发生，看来下插板片像是在俯冲过程中边破碎边下坠。区域尺度的三维工作要比前两个方面的结果多得多。由于区域尺度的研究更注意细结构，因此所选择的地区大都在台阵或台网密集之处。利用台阵数据研究精细尺度横向速度变化图像的一个例子是美国南加州。南加州台阵在400km×500km范围内布设有200个台站。在此研究中，水平分块为30km×30km，垂直分块为50km。从地表至500km深度，先用200个地震的约1万个P波到时。结果表明，横向山脉下方高速(3%)物质的岩板在东边下延至250km深度处。这一异常可能是近500万年内，在San Andereas断层大拐弯处岩石层消减的佐证。这是有关无震岩板的首次详细报告。利用同一地区的160个数字化记录台站的数据，Hearn和Clayton用反投影法根据30万个Pg波到时和6031个Pn波到时，分别重建了上地壳和下地壳的速度图像，清晰地勾画出主要的地壳分块。结果发现，上地壳的横向速度变化与地表构造特征密切相关；在San Andereas、San Jacinto和Garlock断层两侧存在明显的速度差异，San Andereas断层系引人注目地成像在图上；San Jacinto地块有逆掩在浅滑脱面上的Mojave物质。Pn波到时的层析成像得到了莫霍面起伏的新信息。表现出与上地壳有显著的差异，但未显示出同地表断层的明显相关，这意味着上、下地壳基本上是解耦的，可能是由于脆性的上地壳与韧性的下地壳对构造和均衡应力响应不同所致，滑脱断层一定在分离地壳中起了重要作用。在中国，自1986年发展华北地区的三维速度图像以来，区域性的研究有了长足的发展。刘福田等利用天然地震数据对华北、南北带、华南和四川等地的研究取得了一些有意义的结果。随着高性能、宽频带数字化台网的建立，面波数据可用于反演速度和Q值。由于面波通道得到良好而又合理的制约，所以频散和衰减数据本身就很方便地用于层析型分析，采用分区的方法可以确定直到软流层的三维速度和Q的横向变化。有关区域性面波的分析研究可以提到如下实例：(1)利用位于欧亚地区的6个SRO台站得到的43个地震的15～250s周期的Rayleigh波频散数据，得到欧亚大陆深至300km的三维剪切波速度分布。(2)Suetsugu和Nakanishi(1987)利用60～200s周期的Rayleigh波频散数据研究了太平洋上地幔的三维速度图像。结果表明：上地幔150km深度的速度下方低速2%～4%，边缘海的横剖面速度特征各不相同；白令海在100km深度上方、300km深度下方低速1%～2%，150～250km深度则高速1%；菲律宾海和日本海在在50～150km深度表现出类似的速度变化。边缘海150km深度以下的高速同地震活动性密切相关。(3)非洲是一个古老的大陆，一个时期以来始终是地球动力学讨论的对象。Hadiouche和Jobert(1988)利用WWSSN、GDSN、IDA和GEOSCOPE台站的记录研究了非洲大陆的三维面波速度，结果表明，克拉通区从西北到东南为高岩石层速度，直至200km深度，西北地区仍为高速，而在此深度东南地区则表现为低速；红海明显低速，且向西扩展深达150km；非洲地壳厚度差异明显，从大陆东部红海附近的20km到中部刚果克拉通的36km。在中国，宋仲和等利用面波频散数据，全面地研究了中国大陆和华北、华南和东部海域以及青藏地区的三维速度图像。徐果明等发展一种球面Radon变换的方法并用于面波研究，他们从21个台站的近2000张记录中选出107条Rayleigh数据反演了中国东部的结构。三维速度结构的研究，特别是地震层析成像技术的应用，使绘制地球内部速度的横向变化图像成了近年来地球物理学中一个关键的研究内容，特别是大动态宽频带三分量数字记录。这一时期的研究表明，要为板块构造和地球动力学，诸如大地构造和地幔对流这样的问题提供直接的地震学证据将是一个长期的目标，这至少要从3个方面去努力：首先，密集的良好空间分布的体波和面波记录是这一研究的根本保证。第二，开展深入的理论研究，提供适合于完成上述目标的成像方法。第三，三维速度成像研究的发展必然要求能够处理巨大内存量和大规模或超大规模数据的计算设备。除了上述提到的共同问题需要解决之外，中国现有的观测资料可为这一研究提供较广泛的内容。中国主要构造单元的划分；中国大陆东缘、西太平洋俯冲带的地震层析研究；青藏地区层析成像及其地学含义；滑脱推覆构造的地震层析研究及其在前陆逆冲带油气探测中的应用；大地震孕震环境的介质特征的研究；非线性地球物理综合反演理论和方法。(中国科学院地球物理研究所刘福田撰) |
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