基于地震高频散射波的下地幔小尺度不均匀性研究

发布时间：2020-11-01 18:52

　　 地球整体上呈现较好的圈层结构,下地幔尤其是D"层,紧邻着固体地球中最活跃的圈层液态外核。液态外核通过下地幔释放巨大的能量耦合至地幔,从而影响着地球自转及地磁场演化等物理过程。下地幔物质成分、物理性质是研究核幔耦合作用,地球演化及动力学过程的重要信息(Roberts and Aurnou,2012),而这些信息可以通过研究下地幔多尺度的不均匀性获得(Garnero,2000)。中等及大尺度不均匀性有助于理解地幔对流及早期结晶分异等,而小尺度不均匀性可揭示下地幔物质成分及动力学过程。目前地震学、地球化学、矿物物理学及地球动力学等研究表明下地幔在大尺度(～1000 km)及中等尺度(～100km)上具有高度不均匀性且有复杂的动力学过程。然而,目前利用PKP、PKKP、PcP前驱波或Pdiff的尾波等高频散射能量得到的小尺度(～10 km)上下地幔结构是否有很强的不均匀性仍存在较大争议。本文首先利用小震中距PcP幅度较弱,对小尺度不均匀体比较敏感的优点约束下地幔小尺度不均匀性。通过有限差分法正演计算研究了下地幔小尺度随机扰动对小震中距(12°)PcP及其前驱波的影响,当不均匀层厚度为250 km,互相关尺度为8 km时,扰动量约为2.5%时,PcP震相便难以观测。利用基于多次散射理论的尾波衰减曲线校正PcP前驱波与合成波形。并分别对观测数据及合成波形进行叠加处理,利用bootstrapping技术计算95%的置信空间。之后将观测数据与合成波形包络进行对比分析,并通过计算均方根拟合差给出最优拟合。得到缅甸地区、鄂霍次克海域及南美洲秘鲁地区下地幔小尺度不均匀性很弱,扰动量在0.2%～0.5%。中缅边界区域、鄂霍次克海域下地幔小尺度不均匀性有横向变化。中美洲区域下地幔小尺度不均性较强,扰动量约为1.0%。本文发现研究区内扰动量大都比较小(约为1.0%及更小)。中美洲等散射较强的区域,可能在CMB附近存在更复杂的矿物成分。全球体波层析成像结果显示,东亚下方D"层区域呈现显著的高速异常,该下地幔高速异常区被称为“China High”(Dziewonskietal.,1993)。从全球层析成像模型速度剖面可以看出该异常区厚度约300-400km,其顶部边界较为起伏。但是层析成像采用的长周期体波且射线覆盖较为稀疏其分辨率较低,厚度、内部精细结构及不连续面起伏形态还需利用高频体波信号进一步研究。利用PcP及PdP观测资料研究东亚D"层高速区的P波速度特征。通过观测分析及前人研究结果均表明东亚D"层高速区不连续性界面反射信号较弱,反映了该研究区不连续性可能是多尺度起伏界面。它可能是由古俯冲板块断裂堆叠与周围造成多尺度起伏的形态,或者大洋板块岩石相变为成后钙钛矿(Lay,2015),产生的多尺度起伏的相变面。为了辨别起伏反射界面是俯冲板片边界,还是后钙钛矿相变面,我们研究了 D"层高速区内的小尺度不均匀性。我们利用中国周边地区事件在中国地震台网及日本Hinet等0-38°震中距范围的PcP前驱波与合成波形对比拟合可得东亚D"层高速区平均的小尺度不均匀性仅为～0.1%-0.2%,互相关尺度在4-10 km。这表明高速区内部小尺度散射体分布比较少,若古俯冲板片仍然残留应该会造成强散射现象,因而古俯冲板片物质可能已经相变为后钙钛矿,起伏的D"不连续反射面为相变面。此外,通过数值方法及射线理论计算分析了 Pdiff尾波的到时及幅度特征。研究发现震中距小于115°时全地幔散射均有贡献,但靠近Pdiff震相部分的尾波下地幔散射占主导作用。当震中距大于115°时,Pdiff尾波可能主要来自下地幔的散射。今后将收集Pdiff尾波实际观测,分析其特征并与正演计算结果对比拟合约束下地幔小尺度不均匀性特征。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P542.5
【部分图文】：

地球内部小尺度不均匀体会导致一部分地震波能量未遵循斯奈尔定律进行??传播，其在主震相前后形成复杂的散射波列。先于主震相到达的波称之为前驱??波，而迟于主震相到达的波被称为尾波（图１．３）。考虑到散射体的分布、尺度及??散射波场的复杂性，要了解单个散射体物性特征通常是比较困难的（Ｓｈｅａｒｅｒ，??２０１５）。但考虑到速度和密度扰动的统计特性，可以使用随机介质理论模拟高频??的（？１?Ｈｚ）散射波观测，从而刻画小尺度不均匀性特征。地震学已开展的下地幔??小尺度不均匀性研宄工作主要利用转折震相或反射震相的高频散射波信息（图??１．３和图１．４）来约束其均方根扰动量、不均匀体互相关尺度及位置分布等特征。??目前利用ＰＫＰ、ＰＫＫＰ、ＰｃＰ、ＰＰ前驱波或Ｐ、Ｐｄｉｆｆ的尾波等高频散射能量得??到的下地幔小尺度（？１０?ｋｍ）不均匀性模型，其散射体强度、尺度及空间分布仍??存在较大争议（Ｈｅｄｌｉｎ?ｅｔ?ａｌ．，１９９７；?Ｖｉｄａｌｅ?ａｎｄ?Ｈｅｄｌｉｎ，１９９８；?Ｃｏｒｍｉｅｒ，?１９９９；?Ｗｅｎ，??２０００；?Ｅａｒｌｅ?ａｎｄ?Ｓｈｅａｒｅｒ，?２００１；?Ｎｉｕ?ａｎｄ?Ｗｅｎ，?２００１；?Ｂｒａｎａ?ａｎｄ?Ｈｅｌｆｆｒｉｃｈ，?２００４；?Ｍａ??ｅｔ?ａｌ．，?２０１６；?Ｍａｎｃｉｎｅｌｌｉ?ａｎｄ?Ｓｈｅａｒｅｒ，?２０１３；?Ｍａｒｇｅｒｉｎ，?２００３；?Ｓｈｅａｒｅｒ?ａｎｄ?Ｅａｒｌｅ，?２００４；??Ｂｅｎｔｈａｍ?ｅｔ?ａｌ．

?９０?１２０?１５０?１８０??Ｄｉｓｔａｎｃｅ?［ｄｅｇ］??图１．３地球内部小尺度不均勻性研究的常用高频散射波。丨为Ｐ－尾波，２为Ｐｄｉｆｆ－??尾波，３为非对称ＰＰ前驱波，４为ＰＫＸＰ前驱波，５为ＰＫＰ前驱波，６为ＰＫＫＰ??前驱波，７为Ｐ＇Ｐ＇前驱波，８为ＰＫｉＫＰ－尾波，９为对称ＰＰ前驱波，１０为Ｐ＇．Ｐ＇，??１１?为小震中距?ＰｃＰ?前驱波。修改自（Ｓｈｅａｒｅｒ，２０】５））＊（Ｒｏｓｔｅｔａｌ．，２０１５）。??（ａ）?（ｂ）?％￣Ｚ??猶＿??－１２０°?－１２０＇??图１．４采样到下地幔的震相射线路径示意图。（ａ）地幔中的震相。（ｂ）穿过地核的??震相。灰色区域为Ｄ＂层，紫色为ＰｃＰ震相，红色为Ｐｄｉｆｆ震相，蓝色为ＰＫＰ震??相，天蓝色为ＰＫＫＰ震相，绿色为ＰＫＰＰＫＰ震相。??－４?－??

－１２０°?－１２０＇??图１．４采样到下地幔的震相射线路径示意图。（ａ）地幔中的震相。（ｂ）穿过地核的??震相。灰色区域为Ｄ＂层，紫色为ＰｃＰ震相，红色为Ｐｄｉｆｆ震相，蓝色为ＰＫＰ震??相，天蓝色为ＰＫＫＰ震相，绿色为ＰＫＰＰＫＰ震相。??－４?－??
【参考文献】

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1 沈智超;基于表示定理的自由地表与核幔边界地形起伏研究[D];中国科学技术大学;2016年

本文编号：2865943