地球整體上呈現(xiàn)較好的圈層結構,下地幔尤其是D"層,緊鄰著固體地球中最活躍的圈層液態(tài)外核。液態(tài)外核通過下地幔釋放巨大的能量耦合至地幔,從而影響著地球自轉及地磁場演化等物理過程。下地幔物質成分、物理性質是研究核幔耦合作用,地球演化及動力學過程的重要信息(Roberts and Aurnou,2012),而這些信息可以通過研究下地幔多尺度的不均勻性獲得(Garnero,2000)。中等及大尺度不均勻性有助于理解地幔對流及早期結晶分異等,而小尺度不均勻性可揭示下地幔物質成分及動力學過程。目前地震學、地球化學、礦物物理學及地球動力學等研究表明下地幔在大尺度(～1000 km)及中等尺度(～100km)上具有高度不均勻性且有復雜的動力學過程。然而,目前利用PKP、PKKP、PcP前驅波或Pdiff的尾波等高頻散射能量得到的小尺度(～10 km)上下地幔結構是否有很強的不均勻性仍存在較大爭議。本文首先利用小震中距PcP幅度較弱,對小尺度不均勻體比較敏感的優(yōu)點約束下地幔小尺度不均勻性。通過有限差分法正演計算研究了下地幔小尺度隨機擾動對小震中距(12°)PcP及其前驅波的影響,當不均勻層厚度為250 km,互相關尺度為8 km時,擾動量約為2.5%時,PcP震相便難以觀測。利用基于多次散射理論的尾波衰減曲線校正PcP前驅波與合成波形。并分別對觀測數(shù)據(jù)及合成波形進行疊加處理,利用bootstrapping技術計算95%的置信空間。之后將觀測數(shù)據(jù)與合成波形包絡進行對比分析,并通過計算均方根擬合差給出最優(yōu)擬合。得到緬甸地區(qū)、鄂霍次克海域及南美洲秘魯?shù)貐^(qū)下地幔小尺度不均勻性很弱,擾動量在0.2%～0.5%。中緬邊界區(qū)域、鄂霍次克海域下地幔小尺度不均勻性有橫向變化。中美洲區(qū)域下地幔小尺度不均性較強,擾動量約為1.0%。本文發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內擾動量大都比較小(約為1.0%及更小)。中美洲等散射較強的區(qū)域,可能在CMB附近存在更復雜的礦物成分。全球體波層析成像結果顯示,東亞下方D"層區(qū)域呈現(xiàn)顯著的高速異常,該下地幔高速異常區(qū)被稱為“China High”(Dziewonskietal.,1993)。從全球層析成像模型速度剖面可以看出該異常區(qū)厚度約300-400km,其頂部邊界較為起伏。但是層析成像采用的長周期體波且射線覆蓋較為稀疏其分辨率較低,厚度、內部精細結構及不連續(xù)面起伏形態(tài)還需利用高頻體波信號進一步研究。利用PcP及PdP觀測資料研究東亞D"層高速區(qū)的P波速度特征。通過觀測分析及前人研究結果均表明東亞D"層高速區(qū)不連續(xù)性界面反射信號較弱,反映了該研究區(qū)不連續(xù)性可能是多尺度起伏界面。它可能是由古俯沖板塊斷裂堆疊與周圍造成多尺度起伏的形態(tài),或者大洋板塊巖石相變?yōu)槌珊筲}鈦礦(Lay,2015),產(chǎn)生的多尺度起伏的相變面。為了辨別起伏反射界面是俯沖板片邊界,還是后鈣鈦礦相變面,我們研究了 D"層高速區(qū)內的小尺度不均勻性。我們利用中國周邊地區(qū)事件在中國地震臺網(wǎng)及日本Hinet等0-38°震中距范圍的PcP前驅波與合成波形對比擬合可得東亞D"層高速區(qū)平均的小尺度不均勻性僅為～0.1%-0.2%,互相關尺度在4-10 km。這表明高速區(qū)內部小尺度散射體分布比較少,若古俯沖板片仍然殘留應該會造成強散射現(xiàn)象,因而古俯沖板片物質可能已經(jīng)相變?yōu)楹筲}鈦礦,起伏的D"不連續(xù)反射面為相變面。此外,通過數(shù)值方法及射線理論計算分析了 Pdiff尾波的到時及幅度特征。研究發(fā)現(xiàn)震中距小于115°時全地幔散射均有貢獻,但靠近Pdiff震相部分的尾波下地幔散射占主導作用。當震中距大于115°時,Pdiff尾波可能主要來自下地幔的散射。今后將收集Pdiff尾波實際觀測,分析其特征并與正演計算結果對比擬合約束下地幔小尺度不均勻性特征。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P542.5
【部分圖文】：

地球內部小尺度不均勻體會導致一部分地震波能量未遵循斯奈爾定律進行??傳播，其在主震相前后形成復雜的散射波列。先于主震相到達的波稱之為前驅??波，而遲于主震相到達的波被稱為尾波（圖１．３）�？紤]到散射體的分布、尺度及??散射波場的復雜性，要了解單個散射體物性特征通常是比較困難的（Ｓｈｅａｒｅｒ，??２０１５）。但考慮到速度和密度擾動的統(tǒng)計特性，可以使用隨機介質理論模擬高頻??的（？１?Ｈｚ）散射波觀測，從而刻畫小尺度不均勻性特征。地震學已開展的下地幔??小尺度不均勻性研宄工作主要利用轉折震相或反射震相的高頻散射波信息（圖??１．３和圖１．４）來約束其均方根擾動量、不均勻體互相關尺度及位置分布等特征。??目前利用ＰＫＰ、ＰＫＫＰ、ＰｃＰ、ＰＰ前驅波或Ｐ、Ｐｄｉｆｆ的尾波等高頻散射能量得??到的下地幔小尺度（？１０?ｋｍ）不均勻性模型，其散射體強度、尺度及空間分布仍??存在較大爭議（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］??圖１．３地球內部小尺度不均勻性研究的常用高頻散射波。丨為Ｐ－尾波，２為Ｐｄｉｆｆ－??尾波，３為非對稱ＰＰ前驅波，４為ＰＫＸＰ前驅波，５為ＰＫＰ前驅波，６為ＰＫＫＰ??前驅波，７為Ｐ＇Ｐ＇前驅波，８為ＰＫｉＫＰ－尾波，９為對稱ＰＰ前驅波，１０為Ｐ＇．Ｐ＇，??１１?為小震中距?ＰｃＰ?前驅波。修改自（Ｓｈｅａｒｅｒ，２０】５））＊（Ｒｏｓｔｅｔａｌ．，２０１５）。??（ａ）?（ｂ）?％￣Ｚ??猶＿??－１２０°?－１２０＇??圖１．４采樣到下地幔的震相射線路徑示意圖。（ａ）地幔中的震相。（ｂ）穿過地核的??震相�；疑珔^(qū)域為Ｄ＂層，紫色為ＰｃＰ震相，紅色為Ｐｄｉｆｆ震相，藍色為ＰＫＰ震??相，天藍色為ＰＫＫＰ震相，綠色為ＰＫＰＰＫＰ震相。??－４?－??

－１２０°?－１２０＇??圖１．４采樣到下地幔的震相射線路徑示意圖。（ａ）地幔中的震相。（ｂ）穿過地核的??震相�；疑珔^(qū)域為Ｄ＂層，紫色為ＰｃＰ震相，紅色為Ｐｄｉｆｆ震相，藍色為ＰＫＰ震??相，天藍色為ＰＫＫＰ震相，綠色為ＰＫＰＰＫＰ震相。??－４?－??
【參考文獻】

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1 沈智超;基于表示定理的自由地表與核幔邊界地形起伏研究[D];中國科學技術大學;2016年

本文編號：2865943