3. 3
南京大学本科生毕业论文(设计)英文摘要
THESIS : The P-wave research of tomography and anisotropy of
surrounding area of southern part of Ordos
DEPARTMENT: Earth Science and Engineering Department
SPECIALIZATION: Geophysics
UNDERGRADUATE: Grade 2009
MENTOR: Xu Mingjie (Professor)
ABSTRACT:
The P-waves statistics of arrival time were given by CEDC. By using P-wave
tomography, we acquired the velocity anomaly and anisotropy on southern part and
neighborhood of Ordos, and made the contrast between the geological tectonism in
that area and the result. The results shows, Liupan Mountain-Longmen
Mountain-Weihe Graben-Qinling orogenic belt-Shanxi Graben are all low-velocity
anomaly in research area, and the area of low-velocity anomaly becomes larger with
the increase of depth; the wave directions of anisotropy in research area share the
same orientation with rift zones, orogenic belt and boundary between Ordos and
blocks around it. However part of the wave directions of anisotropy near Longmen rift
zone has the same orientation with the direction of stress in that area, which
demonstrates the existence of a mass of rifts arranged in order and made the velocity
anomaly and anisotropy rank along the rifts. On the other hand, the same orientation
between anisotropy and stress represent the possible existence of channel flow in
lower crust.
KEY WORDS: Ordos; Weihe Graben; Longmenshan Rift; Liupan Mountain;
Shanxi Graben; Tomography; Anisotropy
13. 13
图3 结合伪弯曲法和 Snell 定律迭代确定射线路经的三维射线追踪法示意图(Zhao,1992)
2.3 P 波各向异性层析成像
地震波各向异性是指地震波在介质中传播时,在不通的传播方向上具有不同
的传播速度。这种特性使得地震波波速各向异性成为探究地球内部的物质组成、
结构、构造及其经历的地球动力学过程的重要方法。
本研究所采用的 P 波各向异性层析成像的方法是利用 P 波到时数据进行层析
成像,同时引入各向异性参数,将模型空间各处的各向同性波速和各向异性参数
作为反演参数,将各向异性波速带入到走时残差的计算中,进而同时求解出三维
14. 14
模型空间各处的各向同性波速结构及各向异性,从而实现各向异性层析成像。
根据 Barclay et al. (1998) 的研究,P 波在三维射线路径的慢度可以表达为:
)2cos(0 MSS (1)
其中,S 为各向异性慢度,S0 为各向同性慢度,M 为方位各向异性强度,θ 是三
维 P 波射线路径传播向量与各向同性对称轴之间的夹角。而对于具有射线路径方
位角 Φ 和入射角 i 的单位 P 波传播向量 V 及对称轴在水平面内,方位角为 ψ 的
对称轴单位向量 I 来说(图 4),它们各自可以表达为:
V )cos,cossin,sin(sin iii (2)
I )0,cos,(sin (3)
图 4 P 波传播向量与方位各向异性对称轴关系示意图
是单位向量 V 与 I 的点积,因此可得:
)coscossin(sinsincos i (4)
15. 15
将式(4)代入式(1),可得:
)2s i n2s i n2c o s2( c o ss i nc o s 22
0 iMiMSS (5)
设定 cos2A M , sin2B M ,式(5)可以写成:
)2s i n2c o s(s i nc o s 22
0 BAiiMSS (6)
再设 M'=M/S0,A'=A/S0,B'=B/S0,式(6)也可表达为:
0
2 2
1 cos ' sin ( 'cos2 'sin 2 )
V
V
iM i A B
(7)
其中,V 为各向异性速度,V0 为各向同性速度。考虑某一小射线段,其长度为 d,
中点处的各向异性速度 V 为这一小段的平均速度,由此可得此段射线路径的走
时 T:
2 2
0
[1 cos ' sin ( 'cos2 'sin 2 )]d d iM i A B
T
V V
(8)
对于被第 n 个台站记录到的第 m 个地震,沿射线路径 rmn 的走时残差 ΔTmn 可以
表达为:
mmmnmmnmmnmn Th
h
TTT
T 0)()()(
(9)
mnk
k
k
k
k
k
N
k
EB
B
T
A
A
T
V
V
T
)'
'
'
'
( 0
0
1
式 9 右侧的前四项依次代表了第 m 个地震的震源纬度,经度,震源深度以及发
震时刻对走时残差的影响,接下来的三项分别代表了在模型空间内第 k 个网格节
点处的各向同性波速 V0k 的扰动以及两个各向异性参数 A’k,B’k 的扰动对走时残
差的影响。式 9 是一个大型稀疏观测方程,它将走时残差 (ΔTmn) 与震源参数 (φm,
λm, hm, tm) 及介质参数 (V0k, A'k, B'k) 联系起来,通过 LSQR 算法[11]
求解这一方程,
就可以获得各节点处的各向同性波速及两个各向异性参数。再根据这两个各向异
16. 16
性参数就可以获得节点处的各向异性快波方位角 ψk 以及各向异性幅度 αk
[2][14][16]
:
1
2 2
2
0
, ' 0'1
tan 2
2 '
0, ' 0,
, ' 0, ' 0,
4
, ' 0, ' 0,
4
'
, ' ' ' .
2 1 '
kk
k
k
k k k
k k
fk sk k
k k k k
k k
AB
A
A
A B
A B
V V M
M A B
V M
(10)
2.4 分辨率测试分析
通过分辨率测试分析可以鉴定以上研究所得结果的可靠性。本研究的分辨率
测试首先将一定的速度异常和各向异性特征赋予模型,然后通过三维射线追踪确
定射线路经,再计算此路径上的理论走时,接着将包含了速度异常和各向异性的
理论走时作为已知数据进行反演,最后将反演结果与最初给定的模型作对比从而
判断层析成像结果的可靠性。
本研究所运用的分辨率测试分析方法为 checkerboard resolution test(CRT)[18]
此方法将正速度与负速度干扰分布在同一个速度模型的三维网格之中从而画出
直观的分辨率测试图。此图可以清晰直观的看到研究区域的分辨率,从而判断层
析成像结果是否真实可信。
第三章 数据
3.1 数据来源与选择
本文数据是由国家地震科学数据共享中心(CEDC)提供的,中国地震台网
记录到的 1985年到2008 年之间发生在鄂尔多斯南部及周边地区的地震到时数据。
通过将收集到的数据的震源位置按照经纬度和震源深度投影到研究区域图上
(图 5),发现鄂尔多斯南部周缘震源分布较为密集射线交叉情况会较好,便于
17. 17
开展层析成像研究。
图 a
图 b
图 5 地震数据震源分布图
图 a 为鄂尔多斯周缘地震震源分布图,图 b 为本研究选定区域—鄂尔多斯南
部周缘地震震源分布图。图 a 和图 b 对比可知鄂尔多斯南部周缘地震分布较为密
集,更便于研究的进行开展。
通过对陕西西北部鄂尔多斯块体周边的地震射线路经的模拟匹配,发现位于
鄂尔多斯块体南缘的渭河地堑的射线路经更为完整和多样,可以覆盖南缘大部分
地段(图 6)。
36. 36
参考文献
[1] Bao X, Song X, Xu M, et al. Crust and upper mantle structure of the North China
Craton and the NE Tibetan Plateau and its tectonic implications[J]. Earth and
Planetary Science Letters, 2013.
[2] Eberhart‐Phillips D, Mark Henderson C. Including anisotropy in 3‐D velocity
inversion and application to Marlborough, New Zealand[J]. Geophysical Journal
International, 2004, 156(2): 237-254.
[3] Eberhart-Phillips D, Reyners M. Three-dimensional distribution of seismic
anisotropy in the Hikurangi subduction zone beneath the central North Island, New
Zealand[J]. Journal of Geophysical Research, 2009, 114(B6): B06301.
[4] Fuchs K. Recently formed elastic anisotropy and petrological models for the
continental subcrustal lithosphere in southern Germany[J]. Physics of the Earth and
Planetary Interiors, 1983, 31(2): 93-118.
[5] Humphreys E, Clayton R W. Adaptation of back projection tomography to seismic
travel time problems[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978–2012),
1988, 93(B2): 1073-1085.
[6] Hung S H, Forsyth D W. Anisotropy in the oceanic lithosphere from the study of
local intraplate earthquakes on the west flank of the southern East Pacific Rise: Shear
wave splitting and waveform modeling[J]. Journal of geophysical research, 1999,
104(B5): 10695-10,717.
[7] Ishise M, Oda H. Three‐dimensional structure of P‐wave anisotropy beneath
the Tohoku district, northeast Japan[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth
(1978–2012), 2005, 110(B7).
[8] Ishise M, Oda H. Subduction of the Philippine Sea slab in view of P-wave
anisotropy[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2008, 166(1): 83-96.
[9] Kan R, Hu H, Zeng R, et al. Crustal structure of Yunnan Province, People's
Republic of China, from seismic refraction profiles[J]. Science, 1986, 234(4775):
433-437.
[10] Mooney W D, Braile L W. The seismic structure of the continental crust and
upper mantle of North America[J]. Bally, AW and AR Palmer, The Geology of North
America, vol. A, The Geology of North America: An Overview: Geol. Soc. Amer.,
Boulder, Colo, 1989: 39-52.
[11] Paige C C, Saunders M A. LSQR: An algorithm for sparse linear equations and
sparse least squares[J]. ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS), 1982,
8(1): 43-71.
[12] Silver P G, Chan W W. Shear wave splitting and subcontinental mantle
deformation[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978–2012), 1991,
96(B10): 16429-16454.
[13] Vinnik L P, Makeyeva L I, Milev A, et al. Global patterns of azimuthal anisotropy
and deformations in the continental mantle[J]. Geophysical Journal International,
1992, 111(3): 433-447.
[14] Wang J, Zhao D. P-wave anisotropic tomography beneath Northeast Japan[J].
37. 37
Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2008, 170(1): 115-133.
[15] Wang J, Zhao D. P-wave anisotropic tomography of the crust and upper mantle
under Hokkaido, Japan[J]. Tectonophysics, 2009, 469(1): 137-149.
[16] Wang J, Zhao D. Mapping P-wave anisotropy of the Honshu arc from Japan
Trench to the back-arc[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2010, 39(5): 396-407.
[17] Zhang YQ , Vergely P , Mercier J L. Active faulting in and along the Qinling
Range ( China ) inferred from SPOT imagery analysis and extrusion tectonics of
southern China. Tectonophysics , 1995 , 243 :69~95.
[18] Zhao D, Hasegawa A, Horiuchi S. Tomographic imaging of P and S wave
velocity structure beneath northeastern Japan[J]. Journal of Geophysical Research:
Solid Earth (1978–2012), 1992, 97(B13): 19909-19928.
[19] 阿发友, 孔纪名, 田述军, 等. 基于分形维的龙门山断裂对震后次生山地灾
害控制的定量研究—以北川县为例[J]. 地质与勘探, 2009, 45(3).
[20] 常利军, 王椿镛, 丁志峰. 四川及邻区上地幔各向异性研究[J]. 中国科学: D
辑, 2008, 38(12): 1589-1599.
[21] 常利军, 王椿镛, 丁志峰. 鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性研究[J]. 中
国科学: 地球科学, 2011, 41(5): 686-699.
[22] 董云鹏, 张国伟, 赵霞, 等. 北秦岭元古代构造格架与演化[J]. 大地构造与
成矿学, 2003, 27(2)
[23] 董云鹏, 查显峰, 付明庆, 等. 秦岭南缘大巴山褶皱- 冲断推覆构造的特征
[J]. 地质通报, 2008 年 9 月, 第 27 卷(第 9 期)
[24] 胡亚轩, 崔笃信, 季灵运, 等. 鄂尔多斯块体及其周缘上地幔各向异性分析
研究[J]. 地球物理学报, 2011, 54(6): 1549.
[25] 李志伟, 胥颐, 黄润秋, 等. 龙门山地区的 P 波速度结构与汶川地震的深
部构造特征[J]. 中国科学: 地球科学, 2011, 41(3): 283-290.
[26] 李永东, 郑勇, 熊熊, 等. 青藏高原东北部岩石圈有效弹性厚度及其各向异
性[J]. 地球物理学报, 2013, 56(4).
[27] 任隽, 冯希杰, 王夫运, 等. 深地震反射剖面揭示的渭河地堑西安坳陷的地
壳精细结构[J]. 地球物理学报, 2013, 56(2).
[28] 唐文清, 刘宇平, 陈智梁, 等. 基于 GPS 技术的活动断裂监测[J]. 山地学
报, 2007, 25(1): 103-107.
[29] 王椿镛, Mooney W D, 王溪莉, 等. 川滇地区地壳上地幔三维速度结构研究
[J]. 地震学报, 2002, 24(1): 1-16.
[30] 王晓芳, 何建坤. 下地壳管道流动与青藏高原东缘大尺度构造地貌关系[J].
中国科学: 地球科学, 2012, 42(4): 505-512.
[31] 徐锡伟, 邓起东, 董瑞树, 等. 山西地堑系强震的活动规律和危险区段的研
究[J]. 地震地质, 1992, 14(4): 305-316.
[32] 张国伟, 董云鹏, 赖绍聪, 等. 秦岭-大别造山带南缘勉略构造带与勉略缝合
带[J]. 中国科学: D 辑, 2003.
[33] 张学民, 刁桂苓, 束沛镒. 鄂尔多斯块体及其东南缘剪切波速度结构与波速
比研究[J]. 中国地震, 2004, 20(1): 53-63.
[34] 张学民, 刁桂苓, 王为民, 等. 陕西省数字地震台下方壳幔速度结构研究[J].
华北地震科学, 2005, 23(2): 1-9.
[35] 赵继龙, 袁晏明, 李德威, 等. 青藏高原及周边地区下地壳地球物理异常