中国大陆岩石圈结构与深部动力过程及其与地震火山活动性关系的研究

In this proposal, we plan to take advantage of the high quality waveform data recorded by the national and regional seismic networks of the China Earthquake Administration (CEArray). We will apply our recently developed imaging techniques using ScS reverberation data to map out the lithospheric thickness across China. In addition, we will also apply the 3-D adjoint tomography method to a data set of total 1869 stations located in China and its adjacent areas to obtain a detailed 3D map of P-, SH- and SV-wave velocity, azimuthal anisotropy, and attenuation structure of the mantle to 1000 km depth beneath China. The seismic results will be used to answer the following four fundamental questions: .(1) What controls the strength of the lithosphere, initiation of faults and lateral distribution of intraplate earthquakes? .(2) How does lithosphere deform during the formation of orogens, basins and plateaus, and how pervasively lithospheric delamination occurs beneath the orogens, plateaus?.(3) What is the true subduction style of the Pacific slab beneath eastern China, are there any segmentation in both the trench and subduction directions? How does deep subduction affect lithosphere structure?.(4) Whether and how is the observed intraplate magmatism in eastern China related to the subducting Pacific slab?

本研究计划采用中国地震台网与其他台网的波形数据，开发ScS多次共反射点偏移成像技术，反演LAB的深度，获取中国大陆下方的岩石圈的厚度分布图。并利用全波伴随层析成像技术，获取中国大陆地表至1000公里深的P波，S波，各向异性及衰减的三维模型。通过比较整合ScS多次波与伴随层析成像的结果，构建中国大陆岩石圈厚度与速度的三维模型。结合地壳厚度，计算岩石圈的强度，并与地震分布进行定量比较，研究岩石圈厚度与板块内地震分布的关系。利用得到的三维模型，探讨以下科学问题：（1）中国大陆的地震活动分布主要由哪些因素决定的？（2）在造山带，盆地和高原的形成过程中岩石圈是如何形变的？ 拆沉是否是岩石圈减薄过程中发生的普遍现象？（3）在中国东部下方的太平洋板块以何种形态进行俯冲？在俯冲方向和走向是否存在分段性？深俯冲怎样影响岩石圈结构？（4）中国东部地区的板内岩浆活动是否与太平洋板块的俯冲有关？

本项目拟开发利用全波形伴随层析成像技术与ScS多次波共反射点偏移成像技术，构建中国大陆下方岩石圈厚度与上地幔地震波速度的三维模型。在此基础上，揭示中国东部下方的太平洋板块俯冲与岩石圈变形的动力学过程，并进一步探讨板块内地震和火山活动分布与岩石圈厚度和结构的关系。项目取得的主要成果包括：（1）发展了以归一化波形相关函数作为目标函数的全波形伴随层析成像方法，利用中国与周边地区（日本、韩国、蒙古）的固定和流动地震台网1590个台站的宽频地震数据，获取了中国大陆下方P波、S波以及各向异性高分辨率三维速度模型（Full Waveform inversion of East Asia in 2018, FWEA18）；（2）发展了ScS多次波共反射点偏移成像技术，系统获得了中国大陆下方岩石圈厚度的空间分布模型；（3）利用全球Pn和Sn波走时资料，获取了华北克拉通与世界主要克拉通岩石圈的速度结构及其差异特征，并通过数值模拟探讨了大洋俯冲作用与岩石圈中部不连续面对克拉通岩石圈破坏的影响。利用以上地震层析成像与动力学模拟结果，针对中国大陆内部地震活动分布规律和火山成因机制，提出了以下几点认识：（1）在大尺度上地震的分布与岩石圈厚度存在较好的相关性，地震主要发生在板块厚度较薄因而强度较弱的地区；（2）中国东部地区拉张岩石圈与俯冲的太平洋板块内存在串场构造；(3)太平洋板块在地幔过渡带内躺平滞留长度不超过600公里；（4）板块俯冲引起的地幔物质上涌是东亚、北美西部及其他板块内火山岩浆活动的成因。