接收函数多次波在地幔转换带间断面速度与密度跃变研究中的应用

The contrast of velocity and density of the 410 km and 660 km discontinuities hold the key to resolve the composition of mantle transition and the mystery of mass and heat transport in the Earth’s mantle. Completed constrain of the velocity and density contrast is still an attractive and hot topic of seismology. Accompanying with the rapid increase of the seismic observations, it is possible to extract weak signals which has not been used in the previous studies from the massive amounts of data. Developing methods to extract weak signals caused by the deep structures is helpful to understand the interior structure of the earth. The direct conversion is sensitive to the velocity contrast and the multiple is sensitive to the density contrast. So we can get completed constrains of velocity and density contrast from the direct conversion and multiples of receiver functions. Here, we plan to study the method of constraining the seismic characteristics with multiples on receiver functions, and use the seismic observations from Chinese digital seismic network, Hinet and USArray to pick up the direct conversion and multiples, and determine the contrast of velocity and density of the 410 km and 660 km discontinuities. We will explore these renewed descriptions of the seismic discontinuities to analyze the compositions of the mantle transition and reveal the exchange of the material and heat of the Earth’s interior.

410km和660km深度间断面的地震学性质对研究地幔转换带物质组分和地球深浅部物质与能量的交换具有重要意义。地幔转换带间断面密度和速度跃变的准确确定是目前地震学中一个亟待解决的热点课题。随着地震观测技术和能力的高速发展，近十年高密度地震台网积累了大量高质量波形资料。发展针对高密度大规模观测地震波资料的处理方法和技术，捕捉与地幔间断面相关的弱信号，可有效提升人们对地球内部物质的认识。接收函数上的一次透射转换波对速度跃变较为敏感，多次波对密度跃变敏感，二者联合可对间断面性质进行较好约束。本项目拟研究利用接收函数多次波确定上地幔间断面地震学性质的方法和技术，处理中国、日本和美国不同区域高密度地震台网记录的波形资料，准确稳定地提取接收函数一次波和多次波，确定不同尺度和区域410km与660km间断面的速度跃变和密度跃变，进而对地幔转换带物质组成和相关地球动力学过程中物质与能量交换进行探讨。

由410km和660km深度间断面确定的地幔过渡带是地球深浅部物质和能量交换的必经之路，地球在演化过程中深浅部物质的交换、大尺度的地球动力学过程都会在该过渡带留下深刻的痕迹，因此研究地幔过渡带特别是410和660间断面的性质是探索地球演化及大尺度地幔对流等重要科学问题的基础。410和660间断面的起伏、速度密度跃变、尖锐程度及附近速度的变化特征是确定上地幔物质组分、温压条件和物质相变的重要资料。.受观测资料限制，前人研究中对间断面速度跃变、密度跃变、尖锐程度及附近速度梯度的研究工作依旧较少。随着全球地震观测资料海量增加，特别是中国建成了世界上孔径最大的固定地震观测台网，自运行到现在以来积累了丰富且宝贵的观测资料。本项目主要基于中国地震台网大量远震波形数据，对410和660间断面造成的P-S转换波和多次波信号进行了提取，对转换波和多次波不同频率的幅度信息进行了确定。基于地震学观测，结合高温高压和矿物学实验结果，我们确定了中国大陆下方410和660间断面性质如下：.1)410和660间断面都是非常尖锐的界面，其宽度不超过4km；.2)410和660间断面速度跃变与全球模型接近，但是其密度跃变低于全球模型；.3)660间断面下方存在一个速度逐渐增加的梯度带；.4)基于地震学结果和矿物学的实验结果，我们推断660间断面下方存在由玄武岩引起的化学分层，该化学分层会阻挡俯冲带的下沉，导致俯冲带滞留于660之上。.5)在该项目的实施过程中，我们也对地震学方法进行了深入研究，发展了确定间断面速度和密度跃变的搜索叠加方法，基于频率特征研究间断面复杂性的方法。.该研究结果为深入了解中国大陆下方的大尺度动力学模式，提供了非常重要的地震学参考资料。同时该结果对于全球尺度的地球动力学模式及地球的演化过程也具有重要参考价值。此外，在本项目执行过程中，也对前期已结题的自然基金的工作做了更深一步的研究。对青藏高原东北缘的地壳、岩石圈及上地幔间断面的性质进行了研究，并结合构造背景对结果进行了深入分析。