适应于复杂壳幔结构的上地幔顶部地震波速度与各向异性成像方法研究及应用

The seismic velocity and anisotropy variation of the uppermost mantle are key parameters in the study of the lithosphere structure, mechanism of plate movement, and terrestrial heat flow. They can provide constraints for the research of types of crustal accretion, crust-mantle transition, characteristics of the hot mantle material, and plate movement, in addition to other important questions. The traditional Pn/Sn imaging method for the uppermost mantle has a relatively fine imaging capability in the smooth regions, but is obviously limited in regions that have a very uneven crust-mantle structure. Therefore, this project propose to adapt the seismic velocity and anisotropy tomography method to the complex crust-mantle structure. To do this, we plan to create a more accurate crust model, consider the effect of the velocity variation of the uppermost mantle on the ray path and travel time of the seismic waves, use more first arrival travel time data which has larger epicenter distance range and perform high-precision measurements of the uppermost-mantle seismic velocity and anisotropy variations of the Tibetan Plateau and the adjacent regions. Adapting the uppermost mantle seismic velocity and anisotropy tomography method to the complex crust-mantle structure and providing constraints for the research of the deep dynamics of the Tibetan Plateau, the types of crustal accretion and crust-mantle transition, the characteristics of the hot mantle material and plate movement have a wide significance.

上地幔顶部地震波速度和各向异性是研究岩石圈构造、板块运动机制、大地热流状态的重要参数，能够为研究地壳增生与壳幔转换方式、探究地球内部热状态和板块运动特征等问题提供重要依据。传统的上地幔顶部Pn/Sn波成像方法对壳幔结构较平滑的地区具有相对较强的成像能力，但是在存在强烈非均匀壳幔结构的地区受到明显的制约。为此，本项目拟发展适应于复杂壳幔结构的上地幔顶部地震波速度及各向异性层析成像方法。通过建立更准确的地壳模型，考虑上地幔顶部速度变化对射线传播路径及走时的影响，使用震中距范围更大的初至震相走时数据，获得更高精度的青藏高原及周边地区上地幔顶部地震波速度及各向异性结构。发展适应于复杂壳幔结构的地幔顶部地震波速度与各向异性层析成像方法，为研究青藏高原深部动力学特征、研究地壳增生与壳幔转换方式、探究地球内部热状态和板块运动特征等重要科学问题提供依据，是一项具有重要意义的工作。

随着全球地震观测数据数量和质量的快速发展，获得更高精度的地震波速度及各向异性层析成像结果是探索地球动力学过程和板块碰撞特征的必然要求。利用地震波路径集中于上地幔顶部的Pn波这一优势震相可以获得地幔顶部高分辨率的成像结果，然而传统Pn成像方法在壳幔结构复杂、莫霍面起伏较大的区域反演结果存在系统性误差。本项目发展了适应于复杂壳幔结构的地震波速度与各向异性联合反演方法，并将该方法应用于特提斯构造带，获得了从欧洲东部到我国中西部地区上地幔顶部高精度Pn波速度及各向异性结构。研究显示，亚平宁半岛、伊朗高原、高加索、缅甸等区域与地表火山对应的地幔顶部低速结构揭示了与板块碰撞俯冲相关的地幔热物质上涌对岩石圈的影响；处于陆陆碰撞相对年轻阶段的伊朗高原地区，地幔热物质活动较青藏高原地区更为显著；亚得里亚微板块周边显著的Pn波各向异性结构，显示亚得里亚海东西两侧上地幔顶部存在强烈的挤压作用；青藏高原东构造结区域与地表运动一致的Pn波各向异性表明该区域存在壳幔耦合运动；云南地区26°N南北两侧的速度及各向异性结构差异，显示该南北两侧分别主要受到不同的地球动力学过程影响，北侧受青藏高原物质挤出作用控制，南侧受印度板块俯冲影响显著。将该地震波速度与各向异性联合反演方法应用于地壳内传播的Pg震相，还获得了伊朗北部Damavand火山以及Sahand-Sabalan火山地区地壳P波横向速度及各向异性结构。新发展出的适应于复杂壳幔结构的联合成像方法，可以获得更准确的地球内部地震波速度与各向异性结构，并为研究板块碰撞过程、地球深部动力学等提供更为可靠的地震学依据。