澳大利亞是世界上唯一一個(gè)國(guó)土覆蓋整個(gè)大陸的國(guó)家，澳大利亞一詞源于拉丁語(yǔ)，意為"未知的南方大陸"，是地球上最大的島和最小的大陸板塊。澳大利亞大陸的構(gòu)造主要包括位于西部和中部的前寒武克拉通，即西澳大利亞克拉通、北澳大利亞克拉通和南澳大利亞克拉通，以及位于東部海岸的顯生宙造山帶。利用面波層析反演、遠(yuǎn)震層析反演和人工地震等方法，前人對(duì)澳大利亞大陸的構(gòu)造結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。但限于面波和遠(yuǎn)震體波層析反演方法的局限性，這些方法對(duì)上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)約束十分有限。
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過(guò)程研究室孫偉家副研究員與B. L. N. Kennett教授利用Pn波走時(shí)開(kāi)展了上地幔頂部的層析反演研究，首次準(zhǔn)確獲得澳大利亞整個(gè)大陸上地幔頂部的P波速度，并為澳大利亞地震學(xué)參考模型的50-95km深度提供了有力的P波速度約束。
較常規(guī)Pn走時(shí)層析反演不同的是，針對(duì)地震目錄中的地震事件震中定位誤差和反演初始速度模型均對(duì)地震波走時(shí)產(chǎn)生明顯影響，在該項(xiàng)研究中引入了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并提出了一套完整的層析反演流程，并建議將此作為地殼和上地幔頂部層析反演的標(biāo)準(zhǔn)流程。這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是在層析反演前建立高精度的3-D初始速度模型和利用初始3-D速度模型重新定位地震事件。該策略極大地降低了地震層析反演的多解性和有效提高了反演的上地幔頂部地震波速度的可靠性。
為驗(yàn)證上述關(guān)鍵方法，根據(jù)已知地球物理、地質(zhì)學(xué)等信息精心建立了高精度的3-D初始P波速度模型并基于3-D初始速度模型和鄰域最優(yōu)化方法進(jìn)行了所有地震事件的重新定位。原始的地震事件的震源參數(shù)來(lái)自于國(guó)際地震中心(ISC)和Geoscience Australia的地震目錄。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，原始相近位置的地震事件從震源到達(dá)同一臺(tái)站的旅行時(shí)與1-D理論模型的到時(shí)殘差呈現(xiàn)出強(qiáng)烈變化的特點(diǎn)，說(shuō)明原始地震目錄給出的地震事件震源參數(shù)存在較大誤差。經(jīng)本研究方法進(jìn)行地震重定位后發(fā)現(xiàn)，相近位置的不同地震事件的震相到同一臺(tái)站的旅行時(shí)殘差一致，且旅行時(shí)殘差的正負(fù)值與已知上地幔頂部的速度快慢特征等先驗(yàn)信息吻合。
進(jìn)一步，對(duì)6個(gè)地真事件(Ground-Truth event, 即通過(guò)地表破裂或INSAR等手段已準(zhǔn)確獲得震源位置的地震事件)進(jìn)行重新定位并與已知信息進(jìn)行對(duì)比，地震震中定位誤差最小為1.1 km，在地真事件定位誤差范圍內(nèi)。進(jìn)而證明了前述提出的地震定位和層析反演流程的有效性和正確性，同時(shí)表明接近真實(shí)的3-D初始速度模型和地震事件重定位兩項(xiàng)技術(shù)在地震層析反演中是極為重要的。
根據(jù)前述經(jīng)過(guò)多重驗(yàn)證的層析成像流程進(jìn)行了澳大利亞區(qū)的上地幔頂部的Pn波速度結(jié)構(gòu)的研究。研究表明，上地幔頂部的在橫向和深度方向均存在很強(qiáng)的速度結(jié)構(gòu)變化，澳大利亞的上地幔頂部的下邊界分別深至95 km。揭示了可能更為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，豐富了對(duì)地球深部和淺部相互作用的認(rèn)識(shí)。
圖1為采用3-D初始速度模型進(jìn)行地震事件重定位前后的效果比較。左側(cè)兩幅圖的地震事件的震源參數(shù)來(lái)自于國(guó)際地震中心(ISC)和Geoscience Australia的地震目錄，其采用了1-D標(biāo)準(zhǔn)參考速度模型進(jìn)行地震定位，圖1a中，旅行時(shí)殘差呈現(xiàn)出強(qiáng)烈變化的特點(diǎn)，即使是兩個(gè)地震事件的位置十分鄰近。另外，圖1c中，旅行時(shí)殘差的中心位置為+3s，這與已知澳大利亞西部和中部具有較快的地震波速度相悖。而經(jīng)過(guò)精心建立的3-D初始速度模型進(jìn)行地震事件重新定位后，圖1b中的旅行時(shí)殘差則具有很好的一致性，圖1d中的旅行時(shí)殘差變?yōu)?1.5s，與已知較快的地震波速度十分吻合。
圖2為初速速度模型(左側(cè))和反演的不同深度的速度切片(右側(cè))。由于初始P波速度模型是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式從SV波速度建立的，因而實(shí)際的P波速度較長(zhǎng)周期S波速度表現(xiàn)出很強(qiáng)的橫向速度變化。澳大利亞大陸中西部呈現(xiàn)出十分高的Pn波速度，與其十分穩(wěn)固的克拉通構(gòu)造相關(guān)；而受火山活動(dòng)影響在東部海岸附近呈現(xiàn)較低的P波速度速。
他們建議新的地震層析速度(包括地殼和上地幔頂部)反演流程如下：
1) 建立接近真實(shí)的初始3-D速度模型；
2) 利用初始速度模型對(duì)地震事件重新定位；
3) FMTOMO進(jìn)行3-D速度層析反演(多次迭代)直到速度模型收斂；
4) 重復(fù)2-3過(guò)程，直到利用新的速度模型進(jìn)行重新定位地震事件定位結(jié)果收斂。獨(dú)立執(zhí)行步驟2和步驟3可有效降低速度和地震事件震源位置的折衷效應(yīng)。
以上研究成果發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth (Sun and Kennett, Uppermost mantle structure of the Australian continent from Pn traveltime tomography, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121, 2004-2019.)
原文鏈接 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012597/full