全球地壳结构的面波有限频率层析成像

Lateral variations of Moho depth at a global scale are important for understanding the formation of continental crust and ocean floors. Global crustal structure is also important for seismic studies of the deep mantle due to strong influences of crustal variations on seismic observables. Seismic surface waves can be potentially used to better constrain crustal structure at a global scale as they propagate in the outer shell of the earth and are highly sensitive to crustal structure, and, they provide very good spatial coverage compared to other seismic data sets. This proposed research takes advantage of recently developed finite-frequency theory and wave propagation spectral element method (SEM) as well as multi-taper measurement technique in global inversions of crustal structure. The proposed work includes both a theoretical and an observational component. The theoretical component of the proposed work focuses on (1) development of finite-frequency imaging theory for major arc and multi-orbit surface waves based on SEM wave propagation simulation and (2) development of global finite-frequency theory for joint inversion of Moho discontinuity topography and wavespeed variations in the crust and upper mantle. The observation component of this proposed work includes (1) build a global dataset of multi-taper surface wave dispersion measurements based on earthquake data recorded at GSN stations from 2000 to 2014; and (2) joint global inversion of Moho topography and wavespeed structure in the crust and mantle as well as resolution analysis of tomographic images.

本项目利用地震面波的走时数据研究全球地壳结构。了解全球地壳结构对于研究地球海洋与大陆地壳的形成机制及演化至关重要。同时，全球地壳结构对上地幔结构的成析成像也至关重要。面波能量主要在地球的地壳和上地幔传播，而且面波在全球的覆盖率很好，非常适合于全球结构的研究。本项目将结合有限频率理论，波传播的谱元法，Multi-taper 的数据测量方法以及全球反演方法研究全球地壳结构。研究内容分理论和实际观测两个方面。在理论突破方面，重点研究目标为（1）发展面波大弧及多次绕行波在全球地壳中的有限频率分析方法，（2）发展间断面起伏与速度联合反演的有限频率面波成像理论。 在实际数据观测和结构反演方面，研究重点为 （1）用Multi-taper的方法测量全球地震台网从2000到2014年间的面波频散数据，（2) 用有限频率的方法联合反演全球地壳速度结构和间断面变化并进行误差分析.

本项目的主要重点是利用地震波的走时数据研究全球的地壳（间断面）结构。项目的主要内容有两点：（1）用面波有限频率全球层析成像方法研究全球海洋与大陆地壳的形成机制及演化； （2）将面波耦合叠加的有限频率方法拓广到接收函数和间断面反射波。研究的主要创新工作包括 1. 测量了全球小圆弧，大圆弧及多次绕行波的20-100 秒周期面波走时数据，在有限频率理论的基础上做全球反演，研究结果揭示面波相速度在短周期与地表构造以及海洋岩石层年龄相关，太平洋小尺度的异常随频率变化很快，总体的异常分布表明整个板块在垂直于板块运动的方向有大范围的小尺度二次对流。 2. 首次发展面波的近场有限频率理论，接收函数和间断面反射波的有限频率理论。面波近场的有限频率理论证明在双台法的测量数据中长期应用的假设，即双台数据差只与台站之间的结构有关的假设是不正确的。双台法的数据差对两台站外的大范围结构有很强的敏感度，在反演过程中必须纠正。在行波耦合的基础上发展的间断面转换波与反射波的有限频率理论，全面考虑了震源机制以及测量时窗内到达的所有波的干涉效应。间断面的有限频率敏感核计算速度快，可以应用于大规模的地震数据反演。本项目的应用包括了全球的全球间断面反射波和大陆尺度的台阵 (USArray)。 3. 将波传播谱元法应用到地幔间断面起伏以及核幔界面的模拟，并与有限频率理论印证。研究显示，谱元法波传播结果与有限频率理论的结果在地幔间断面起伏小于30公里的情况下吻合。核幔边界衍射波的有限频率效应范围很宽，导致目前传统射线理论的反演结果不可靠，尤其是当结构体尺度小于1000公里。4. 完成了全球间断面反射波的收集与有限频率反演，结果显示全球主要的俯冲带都有局部的对流。项目结果包括已发表国际学术期刊SCI文章4篇，另已接收1篇，待发表3篇。培养博士研究生4名，硕士研究生1名。

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