通過橫波分裂測(cè)量來分析華北克拉通上地幔各向異性

常利軍 王椿鏞 丁志峰

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

古老克拉通是地球上相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造單元，通常具有密度和熱流值低、剛性的特點(diǎn)，多具有>200 km的巨厚巖石圈根。然而，華北克拉通是個(gè)例外。相對(duì)于世界上其他克拉通，華北克拉通具有獨(dú)特的殼幔結(jié)構(gòu)。基于巖石組成、構(gòu)造樣式、地球化學(xué)特征、同位素年齡及變質(zhì)作用P-T演化方面的差異，華北克拉通分為西部陸塊、東部陸塊和中部帶。西部陸塊也叫鄂爾多斯塊體，具有厚的穩(wěn)定的克拉通型的巖石圈根；相對(duì)于長期構(gòu)造穩(wěn)定的西部陸塊，東部陸塊自中生代以來遭受了強(qiáng)烈的改造，發(fā)生了大規(guī)模的構(gòu)造變形、巖漿活動(dòng)和盆地形成，致使其原有的克拉通結(jié)構(gòu)和性質(zhì)遭到明顯的破壞，巖石圈厚度從太古代或原生代的>200 km減小到目前的-80 km；中部帶是西部陸塊和東部陸塊的碰撞造山帶，其東邊界接近南北重力梯度帶。一些研究通過對(duì)比南北重力梯度帶兩側(cè)的地殼厚度、地形高度、重力異常、巖石組成認(rèn)為南北重力梯度帶是中生代-新生代華北克拉通減薄的最西界線。然而，中生代-新生代火山活動(dòng)研究表明中部帶也遭受了破壞。有關(guān)華北克拉通破壞的時(shí)間演化和空間分布一直受到廣泛的關(guān)注。諸如克拉通下的上地幔變形和與板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)的軟流圈地漫流等基本特征對(duì)理解華北克拉通的演化具有重要的意義。

地震各向異性是一種測(cè)量地殼和上地幔變形的有效方法。上地幔各向異性一般被認(rèn)為是由于形變導(dǎo)致地幔橄欖巖中的晶格優(yōu)勢(shì)排列引起的，反映了過去和現(xiàn)在的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大陸下巖石層中的內(nèi)部變形，因此通過各向異性的研究可以推測(cè)地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)模式。橫波分裂現(xiàn)象是各向異性在地震波形記錄中最明顯的表現(xiàn)形式?？觳ㄆ穹较蚝涂?、慢波的時(shí)間延遲這兩個(gè)分裂參數(shù)分別反映了地幔變形的方向和強(qiáng)度。因此，各向異性研究不僅可以用來分析板內(nèi)變形特征，而且可以用來探測(cè)與板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)的巖石圈或軟流圈變形模式。華北地震科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目的實(shí)施，使得華北地區(qū)形成了稠密和分布均勻的地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并獲得大量高質(zhì)量的寬頻帶數(shù)字地震記錄，使我們能夠深入分析華北上地幔各向異性特征和進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。

本文對(duì)華北地震科學(xué)臺(tái)陣和研究區(qū)內(nèi)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶臺(tái)站記錄作遠(yuǎn)震SKS（SKKS）波形資料偏振分析，采用最小切向能量的網(wǎng)格搜索和疊加分析求得每一個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向和快、慢波的延遲時(shí)間，獲得華北克拉通上地幔各向異性圖像?！隘B加”分析是提高臺(tái)站SKS波分裂測(cè)量質(zhì)量的有效方法，對(duì)于干擾背景較大的臺(tái)站，效果尤為明顯。從得到結(jié)果整體看，根據(jù)快波方向趨勢(shì)的分布，研究區(qū)基本可劃分為兩個(gè)部分，即華北東部和華北西部。按照快波方向趨勢(shì)分布劃分的華北西部主要位于研究區(qū)華北克拉通西部陸塊的南部，而華北東部包括研究區(qū)華北克拉通的東部陸塊、中部陸塊和西部陸塊的北部。華北東部的快波方向趨勢(shì)為NWW-SEE，而在華北西部快波方向轉(zhuǎn)為NW-SE方向和NNW-SSE方向?？?、慢波時(shí)間延遲范圍是0.50～1.47 s。華北西部的各向異性參數(shù)平均值為（153°±12°，0.75±0.17 s），華北東部的各向異性參數(shù)平均值為（107°±9°，0.98±0.19 s）。整體上，華北西部的快、慢波時(shí)間延遲小于華北東部。在華北東部，快波方向與APM方向基本一致，預(yù)示了NWW向的軟流圈地幔流是引起該區(qū)域上地幔各向異性的主要原因，它使得上地幔橄欖巖等晶體的晶格優(yōu)勢(shì)取向沿地幔物質(zhì)流動(dòng)方向，從而導(dǎo)致了NWW趨向的快波方向。華北東部的中部帶與東部陸塊的各向異性特征相同，支持了中部帶在中生代和新生帶也經(jīng)歷了巖石圈的活化過程，巖石圈遭到了破壞。然而，在穩(wěn)定的西部，快波方向既不與絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向一致，也不與構(gòu)造走向一致，這種弱各向異性很可能是遺留在古老克拉通的厚的巖石圈內(nèi)的“化石”各向異性。