天山造山带及周边区域地壳上地幔面波各向异性研究

Tianshan Orogen is one of the most active tectonic blocks in the world. Some special tectonic characteristics in this orogen, like active seismicity of deep source earthquakes, and fast uplifting rate may tightly relate to the upper mantle small scale mantle convections. Since seismic anisotropy and upper mantle convection has tightly connections between each other, studying on the azimuthal and radial anisotropies of surface wave may provide us important clues to decipher the images of the upper mantle small scale convections. Considering the present status of studies in the Tianshan orogen, as well as the broadband seismograph network distribution in this region, we proposed to do the following studies: 1) Developing a new method to pick out long period dispersion curve from ambient noise tomography to compensate for the unevenly azimuthal distribution of earthquakes; 2) updating the Two Plane Wave Tomography method so that it can be used to process horizontal components, thus, the Love wave dispersion can be studied and the radial anisotrophy can be analyzed. 3) Combining dispersion curves from earthquake data and ambient noise tomography to build integrated dispersion curves with periods range from 5 to 150 seconds. 4) Combining with teleseismic receiver functions, and doing joint inversion for radial and azimuthal anisotropy for the Tianshan orogen by Rayleigh and Love wave dispersion curves. Then, we build the possible upper mantle small scale convection pattern based on the radial and azimuthal anisotropic images so that we can provide seismic constraints to the mechanisms for the fast uplifting and the active seismicity of deep source earthquakes.

天山造山带是世界上最为活跃的大陆内部造山带之一，其内部活跃的深源地震和快速隆升等独特构造现象在很大程度上与该区域的上地幔小尺度对流有关。由于地幔对流和地震波各向异性之间存在着密切的联系，因此通过研究面波的径向和方位角各向异性，能够在很大程度上给出上地幔小尺度对流的形态。针对当前天山及周边区域的研究现状，本项目将主要进行以下几方面的研究：1）发展提取长周期噪声频散曲线的方法，从而在一定程度上弥补地震在空间方位角上分布不均匀的缺陷；2）改进双平面波方法，使其适合Love波情况，为研究径向各向异性提供研究方法；3）联合背景噪声和地震面波，获取5~150s完整的面波频散曲线；4）结合远震接收函数，利用Rayleigh和Love面波频散曲线反演天山及周边区域的径向和方位角各向异性图像，进而探讨上地幔小尺度对流分布和形态。从而为认识天山造山带快速隆升和强震频发的动力学机理提供可靠的地震学约束。

天山造山带及周边区域成了研究大陆动力学机理和地震孕震环境的天然实验室。由于很多现象都与天山造山带的深部动力学密切相关，因此该区域岩石圈速度结构，以及其径向和方位角各向异性特征，对揭示天山造山带小尺度对流形态和特征，对理解板内变形的区域应力场和动力学机制有很大帮助，加深对板内地震活动性的认识和了解。本项目重点发展发展获取长周期噪声成像面波频散曲线和各向异性的方法；研究天山造山带及中国大陆构造活动地区的地壳和和上地幔剪切波速度结构，径向和方位角各向异性图像，并由此分析这些区域对应的上地幔小尺度对流分布特征,探讨天山造山带隆升和变形、强震频发的动力学机理。通过该项目的研究，我们发展了复杂介质情况下的面波传播方向的校正方法，VTI介质下径向各向异性反演方法，长周期噪声和地震面波频散曲线的提取方法，以及联合H/V、接收函数和面波反演剪切波速度结构的方法。基于这些方法，收集了中国大陆主要宽频带台阵的宽频带地震波形资料，获取了天山造山带、山西裂谷带等多个活动构造区域的背景噪声频散曲线；并采用远震双平面波和多平面波方法，得到了中长周期的Love波和Rayleigh波频散曲线，并和噪声频散曲线相融合，形成了涵盖短周期到长周期的面波频散曲线。以此为基础，获取了研究区域的各向同性剪切波速度结构，以及径向各向异性图像。并联合H/V、接收函数以及面波频散曲线，获取了研究区域精细岩石圈结构，及Moho面起伏的形态。此外，基于双差成像等方法，对中上地壳结构和地震位置进行反演，给出了研究区域的发震构造。结合各向同性、各向异性速度结构、地震性质、以及研究区域的重力、地质构造等资料，给出了天山造山带、山西裂谷带、台湾俯冲带等区域的上地幔构造及小尺度对流形态，以及可能的动力学机制。本项目已经发表了11篇SCI论文，还有3篇SCI论文即将发表；并培养了多名研究生和青年学者。