山東地區(qū)上地幔各向異性研究

苗慶杰 劉希強(qiáng) 李永華 周彥文鄭建常1， 崔 鑫 季愛(ài)東

1）中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

山東地區(qū)上地幔各向異性研究

苗慶杰1），劉希強(qiáng)1）李永華2）周彥文1）鄭建常1，2）崔 鑫1）季愛(ài)東1）

1）中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

通過(guò)分析山東地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)37個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站的遠(yuǎn)震SKS波形資料，使用最小能量法和旋轉(zhuǎn)相關(guān)法求得每一個(gè)臺(tái)站的SKS快波偏振方向和快、慢波時(shí)間延遲，獲得了山東地區(qū)上地幔各向異性圖像.該研究區(qū)的各向異性快波方向基本呈WNW－－ESE方向，快、慢波時(shí)間延遲為0.73—1.71s.研究表明，山東地區(qū)上地幔存在明顯的各向異性，各向異性快波方向與巖石層的伸展方向和GPS測(cè)量得到的速度場(chǎng)方向（ITRF2005參考框架下）基本一致.

各向異性 SKS波分裂 快波方向 巖石層變形 山東地區(qū)

引言

近年來(lái)許多研究中發(fā)現(xiàn)由地震剪切波分裂所反映的地殼和上地幔地震各向異性，展示了地震各向異性在地殼和上地幔中的分布是相當(dāng)廣泛的.地震各向異性研究是了解地殼和上地幔變形的有效方法，這一研究不僅能了解板塊內(nèi)部的形變特征，而且能提供與板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)的下覆巖石層的地幔形變狀況.地幔各向異性主要是由地幔物質(zhì)形變導(dǎo)致橄欖巖中晶格的優(yōu)勢(shì)取向所引起的（Hess，1964；Nicolas，Christensen，1987）.導(dǎo)致地幔物質(zhì)形變的原因有多種，最為直接的原因是板塊運(yùn)動(dòng)，漂浮在地幔物質(zhì)上方的板塊運(yùn)動(dòng)必然會(huì)造成地幔物質(zhì)的形變，因此，板塊運(yùn)動(dòng)在很大程度上決定地幔各向異性的大小和方向.在大陸動(dòng)力學(xué)研究中遇到大陸下方復(fù)雜的深部結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程，以及地殼－地幔耦合變形等一系列重要問(wèn)題，上地幔各向異性研究是解決這些問(wèn)題的有效手段之一（Silver，Chan，1991），SKS波分裂測(cè)量是研究上地幔各向異性的主要工具.

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者使用SKS波進(jìn)行過(guò)地震各向異性研究.Vinnik等（1984）首先使用SKS波震相研究了上地幔各向異性；Silver和Chan（1991）提出了測(cè)量SKS波分裂參數(shù)的網(wǎng)格搜索法，該方法廣泛應(yīng)用于北美、南美、歐洲、亞洲和非洲的各向異性研究中；Silver（1996），Savage（1999），Pard和Levin（2002），黃曉葛和白武明（1999），阮?lèi)?ài)國(guó)和王椿鏞（2001），以及張中杰（2002）等對(duì)各向異性研究的進(jìn)展作了綜述；高原和吳晶（2008）利用剪切波各向異性推斷出首都圈地區(qū)地殼主壓應(yīng)力場(chǎng)；高原等（2010）利用殼幔地震各向異性研究了華北地區(qū)殼幔耦合關(guān)系；McNamara等（1994），丁志峰和曾融生（1994），Huang等（2000），姜枚等（2001），王椿鏞等（2007），以及常利軍等（2008a）先后對(duì)青藏高原地區(qū)的各向異性進(jìn)行了研究；鄭斯華和高原（1994）使用SKS波分裂研究了中國(guó)大陸8個(gè)CDSN臺(tái)站的各向異性；劉希強(qiáng)等（2001）使用ScS波對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)12個(gè)臺(tái)站下面的各向異性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和分析；常利軍等（2009，2006，2008b）分別對(duì)中國(guó)東部、云南及首都圈地區(qū)的各向異性進(jìn)行了研究；李白基（1994）使用SKS波和Pn波研究了昆明地區(qū)的方位各向異性；羅艷等（2004）研究了中國(guó)大陸及鄰區(qū)的各向異性.

2000年以來(lái)，尤其是2007年以來(lái)，山東地區(qū)新建、改建了數(shù)十個(gè)60s—40Hz，120s—40Hz的寬頻帶、大動(dòng)態(tài)和高精度地震觀測(cè)臺(tái)站，獲得了一定量的適合于研究SKS波分裂的地震波形記錄，對(duì)深入研究山東地區(qū)上地幔各向異性和相關(guān)地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供了寶貴數(shù)據(jù).

1 構(gòu)造背景和研究資料

1.1 構(gòu)造背景

山東地區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境較為復(fù)雜，地震活動(dòng)具有強(qiáng)度大、破壞重的特點(diǎn).該區(qū)地震的發(fā)生及空間分布，與第四紀(jì)以來(lái)仍在繼續(xù)活動(dòng)的斷裂、斷陷盆地等地震構(gòu)造有密切關(guān)系，特別是那些發(fā)震斷層的最新活動(dòng)時(shí)代、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、破裂分段的長(zhǎng)度以及第四紀(jì)以來(lái)發(fā)育的斷陷盆地規(guī)模、斷陷幅度、盆地性質(zhì)等，明顯控制著地震活動(dòng)的強(qiáng)度和分布.山東地區(qū)主要分布有3條大型斷裂構(gòu)造帶：北北東向的沂沭斷裂帶、北東向的聊考斷裂帶和北西向的渤?！嗔褞?此外，還有北西向、北東向、近南北向等多組中小型活動(dòng)斷裂構(gòu)造.它們共同構(gòu)成了這一地區(qū)活動(dòng)斷裂構(gòu)造的基本格架（晁洪太等，1997）.因此，山東地區(qū)以其特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景頗受地學(xué)工作者的關(guān)注，對(duì)其深部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究具有重要意義.

1.2 研究資料

本文對(duì)山東地區(qū)37個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站的數(shù)字記錄進(jìn)行篩選，從中選取了震中距在85°—110°之間，震級(jí)MW＞5.5的地震事件（圖1）.為提高遠(yuǎn)震記錄中SKS震相的信噪比，在計(jì)算各向異性參數(shù)前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波處理.多數(shù)情況下，我們選擇0.02—1Hz的高斯濾波器.

圖1 本研究所用地震事件（實(shí)點(diǎn)）的震中分布三角形為研究區(qū)的WUL臺(tái)Fig.1 Teleseismic events（solid dots）used in the study Triangle represents station WUL

2 方法

研究中同時(shí)使用最小能量法（Silver，Chan，1991）和旋轉(zhuǎn)相關(guān)法（Bowman，Ando，1987）對(duì)單個(gè)遠(yuǎn)震記錄的SKS震相開(kāi)展偏振分析，求取各向異性參數(shù)對(duì)（φ，δt）.其中，φ表示快波偏振方向，δt表示快、慢波到時(shí)差.震中距為85°—110°的SKS波近垂直入射到地面臺(tái)站下方，如果地幔中存在各項(xiàng)異性介質(zhì)，則SKS波在到達(dá)地震臺(tái)站時(shí)，其快波存在偏振φ，且快、慢波之間存在到時(shí)差δt.這組參數(shù)對(duì)（φ，δt）用于描述上地幔各向異性.圖2是對(duì)WUL臺(tái)記錄的遠(yuǎn)震事件進(jìn)行SKS震相偏振分析的一個(gè)例子.由圖2可以看出，同時(shí)使用多種方法開(kāi)展SKS波分裂研究，求取的各向異性參數(shù)較任何一種單一方法得到的結(jié)果都要可靠.

根據(jù)Barruol等（1997）以及 Wüstefeld和Bokelmann（2007）關(guān)于分裂測(cè)量的判別方法，我們根據(jù)原始地震記錄中SKS震相的信噪比、快慢波校正前后的波形、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡及不同測(cè)量方法（旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小能量法）得到的SKS波分裂參數(shù)等，將分裂結(jié)果分為高質(zhì)量有效分裂結(jié)果（good）、一般（fair）、不可靠（poor）、高質(zhì)量的無(wú)效分裂結(jié)果（goodNull）和質(zhì)量一般的無(wú)效分裂結(jié)果（fairNull）5類(lèi).本研究中用于SKS波分裂參數(shù)均值計(jì)算時(shí)，只使用了質(zhì)量一般及以上的有效分裂結(jié)果（表1）.一般認(rèn)為，SKS波分裂測(cè)量方法中，利用最小能量法測(cè)量得到的結(jié)果相對(duì)更為可靠、穩(wěn)定（Vecseyetal，2008；Gao，Liu，2009）.因此在下文中關(guān)于有效分裂結(jié)果的討論，以利用最小能量法測(cè)量得到的結(jié)果為準(zhǔn).

圖2 采用Splitlab軟件（Wüstefeld etal，2008）對(duì)WUL臺(tái)遠(yuǎn)震記錄的SKS震相進(jìn)行偏振分析的實(shí)例（a）左圖為觀測(cè)到的地震波形（圖中徑向、切向分量分別用虛線和實(shí)線表示，陰影部分表示用于SKS波分裂計(jì)算的時(shí)間窗），中間部分為波形數(shù)據(jù)信息及用3種方法的計(jì)算結(jié)果，右圖為SKS波分裂結(jié)果的立體投影；（b），（c）分別表示采用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法（b）和最小切向能量法（c）進(jìn)行SKS波分裂測(cè)量的例子，從左至右：1為表示經(jīng)時(shí)移校正后的快波（虛線）、慢波（實(shí)線）分量；2為各向異性校正后的徑向（虛線）、切向（實(shí)線）分量；3為各向異性校正前（虛線）、后（實(shí)線）的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；4為各向異性參數(shù)分布等值線圖Fig.2 An example of SKS splitting measurement using the Splitlab package（Wüstefeld etal，2008）at WUL station（a）Left panel shows the observed seismogram（dashed line，radial component；solid line，transverse component；gray zone，calculation window）.The middle shows information of teleseismic event and splitting parameters resulting from the three techniques.Right panel denotes a stereo－plot of the result.（b）and（c）display the result from using rotation－correlation（b）and minimum energy technique（c），respectively.From left to right：1Fast（dash）and slow（solid）components corrected for the calculated splitting delay time；2Corrected radial（dash）and transverse（solid）components；3Particle motion before（dash）and after（solid）correction；4Contour plot for the maximum value of correlation coefficient and for the energy on transverse component as function of delay time and fast wave polarization angle

3 結(jié)果

使用以上所述方法，逐一對(duì)研究區(qū)域各個(gè)臺(tái)站進(jìn)行分析，得到了山東地區(qū)37個(gè)臺(tái)站下方的各向異性參數(shù)（表1）.

表1 山東地區(qū)各臺(tái)站SKS波分裂參數(shù)Table 1 Splitting parameters of SKS phase in Shandong region

我們的分析結(jié)果（圖3、圖4和表1）表明，該研究區(qū)域快波偏振的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)閃NW－－ESE（從正北方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正）.慢波延遲時(shí)間為0.73—1.71s，平均時(shí)間延遲為1.22s.

羅艷等（2004）給出的泰安臺(tái)快波偏振方向?yàn)?23°，本文與這一結(jié)果一致.高原等（2010）得出泰安臺(tái)的快波偏振方向?yàn)?35.3°，常利軍等（2009）得出泰安臺(tái)、蒼山臺(tái)、萊陽(yáng)臺(tái)的SKS波分裂參數(shù)，其快波偏振方向分別為117.2°，95.5°和106.7°，本文結(jié)果與上述結(jié)果相似.

圖3 山東地區(qū)寬頻帶地震臺(tái)站SKS波分裂測(cè)量結(jié)果實(shí)線為單個(gè)有效事件的快波方向，其長(zhǎng)度與快慢波延時(shí)（表1）成比例Fig.3 Results of SKS splitting in Shandong regionSolid bars represent constrained splitting measurement，their orientation parallel to fast wave polarization azimuth and length proportional to the delay time（Table 1）

4 討論與結(jié)論

4.1 各向異性層的深度和厚度

地殼和上地幔普遍存在介質(zhì)各向異性.首都圈東南部上地殼各向異性產(chǎn)生的平均時(shí)間延遲為3.53ms/km（吳晶等，2008），假設(shè)山東地區(qū)地殼產(chǎn)生的平均時(shí)間延遲也為3.53ms/km，參照山東地區(qū)平均地殼厚度為36km（林懷存，1989），可以估算出山東地區(qū)地殼產(chǎn)生的時(shí)間延遲為0.13s.而本文由SKS波分裂研究得到的延遲時(shí)間為0.73—1.71s，由此可見(jiàn)，地殼對(duì)SKS波分裂分析的影響很小.所以，用SKS波分裂測(cè)量得到的各向異性主要來(lái)自上地幔.由上地幔橄欖石及其它礦物的含量和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果，推算出快、慢波1s的到時(shí)差相當(dāng)于115km厚度的各向異性層（McNamaraetal，1994）.根據(jù)山東地區(qū)得到的SKS波分裂時(shí)間延遲（0.73—1.71s）估算各向異性層厚度范圍是80—197km，平均為139km左右.該地區(qū)的各向異性層厚度變化較大，說(shuō)明上地幔變形是橫向不均勻的.中國(guó)大陸的面波各向異性結(jié)果表明，大約深度為70—150km范圍內(nèi)各向異性較強(qiáng)（彭艷菊等，2007），中國(guó)東部的巖石層厚度約100km（An，Shi，2006）.因此，山東地區(qū)各向異性不僅來(lái)自上地幔巖石層，還應(yīng)有軟流層的貢獻(xiàn).

圖4 山東地區(qū)上地幔各向異性結(jié)果分布圖黑線段代表快波的偏振方向，其長(zhǎng)度代表慢波的相對(duì)延遲時(shí)間Fig.4 Seismic stations and average shear wave splitting measurements in Shandong regionThe orientation of black line represents fast wave polarization direction and the length denotes delay time of the slow component

4.2 各向異性的成因及動(dòng)力學(xué)意義

通常認(rèn)為，上地幔各向異性是由于地幔形變導(dǎo)致地幔橄欖巖晶格優(yōu)勢(shì)排列引起的，有關(guān)導(dǎo)致地幔橄欖巖晶格產(chǎn)生定向排列的動(dòng)力機(jī)制目前還存在爭(zhēng)議.當(dāng)前，出現(xiàn)了兩種流行的地幔流動(dòng)模型，即垂直連貫變形模型（Fleschetal，2005；Silver，1996）和簡(jiǎn)單軟流層流動(dòng)模型（Richardson，1992）.前者模型預(yù)示板塊強(qiáng)烈地耦合于地幔，并受地幔中密度不均勻產(chǎn)生的流動(dòng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；后者模型則預(yù)示板塊自驅(qū)動(dòng)，并由力學(xué)上軟弱的軟流層與地幔有效解耦，地幔變形歸因于軟流層頂部和底部的速度差異.山東地區(qū)各向異性快波優(yōu)勢(shì)方向與該地區(qū)的主張應(yīng)力方向基本一致，GPS的測(cè)量結(jié)果（殷海濤等，2008）顯示了山東地區(qū)GPS位移運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)（ITRF2005參考框架下）呈現(xiàn)向東偏南方向運(yùn)動(dòng).我們得到的上地幔各向異性快剪切波偏振方向與這一結(jié)果基本一致.說(shuō)明山東地區(qū)淺部物質(zhì)變形與深部上地幔物質(zhì)變形一致，殼幔變形可能存在垂直連貫變形特征.

綜上所述，從山東地區(qū)大部分臺(tái)站得到的各向異性分裂結(jié)果看，山東地區(qū)各向異性快波方向基本為WNW－－ESE方向，快、慢波時(shí)間延遲范圍是0.73—1.71s，推測(cè)的各向異性層厚度范圍為80—197km，平均各向異性層厚度為139km.研究表明，山東地區(qū)上地幔存在明顯的各向異性，研究區(qū)各向異性快波方向與GPS得到的速度場(chǎng)方向（ITRF2005參考框架下）基本相似，表明山東地區(qū)殼幔變形可能存在垂直連貫變形特征.

本研究得到朱少華、董翔、殷海濤及中國(guó)地震局地球物理研究所張風(fēng)雪、寧夏回族自治區(qū)地震局馬禾青、中國(guó)地震局地震研究所廖武林的熱情幫助.評(píng)審專(zhuān)家對(duì)本文提出了寶貴意見(jiàn)和建議.在此表示衷心的感謝！

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苗慶杰 山東省地震局工程師.2008年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位.曾從事地震科研項(xiàng)目管理、地震學(xué)及工程地震研究.現(xiàn)主要從事地震波分析處理與應(yīng)用方面的研究工作.山東地震學(xué)會(huì)會(huì)員.

Study on seismic anisotropy of upper mantle beneath Shandong region

Miao Qingjie1），Liu Xiqiang1）Li Yonghua2）Zhou Yanwen1）Zheng Jianchang1，2）Cui Xin1）Ji Aidong1）
1）EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Jinan250014，China
2）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Based on teleseimic SKS waveform data recorded at 37broad－band seismic stations in Shandong region，the split SKS fast－wave polarization direction and the delay time between fast and slow wave arrival at each station were determined by using both the minimum energy and waveform rotation－correlation method，and the image of upper mantle anisotropy in Shandong region was acquired.The fast－wave polarization direction in this region is basically WNW－－ESE，and the delay time is about 0.73—1.71s.Our result suggests that the upper mantle anisotropy obviously exists in Shandong region.The fast－wave polarization direction is generally consistent with the direction of lithospheric extension and GPS observed velocity（ITRF2005）vectors.

anisotropy；SKS wave splitting；fast－wave polarization direction；lithospheric deformation；Shandong region

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.005

P315.2

A

苗慶杰，劉希強(qiáng)，李永華，周彥文，鄭建常，崔鑫，季愛(ài)東.2011.山東地區(qū)上地幔各向異性研究.地震學(xué)報(bào)，33（6）：746－－754.

Miao Qingjie，Liu Xiqiang，Li Yonghua，Zhou Yanwen，Zheng Jianchang，Cui Xin，Ji Aidong.2011.Study on seismic anisotropy of upper mantle beneath Shandong region.ActaSeismologicaSinica，33（6）：746－－754.

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y2007E09）和山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（2009GG10008002）資助.

2010－09－14收到初稿，2010－12－01決定采用修改稿.

e－mail：qjmiao＠163.com