東亞地區(qū)上地幔頂部Pn速度結(jié)構(gòu)的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)意義

張國民 汪素云 王 輝

1)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

2)中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

上地幔頂部Pn速度結(jié)構(gòu)即是上地幔頂部的P波速度結(jié)構(gòu)。Pn波是殼內(nèi)地震震源發(fā)出的P波在莫霍(Moho)界面以90°角折射進(jìn)地幔并沿其頂部的殼幔界面(莫霍面)滑行的波。因此，利用Pn波的走時(shí)記錄可以反演巖石圈內(nèi)殼幔界面上地幔一側(cè)的Pn速度分布及其橫向變化，此即被稱之上地幔頂部的Pn速度結(jié)構(gòu)。

上地幔頂部Pn波速度橫向變化的研究，對于了解殼幔速度結(jié)構(gòu)，尤其是上地幔頂部的物性結(jié)構(gòu)、溫度結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)環(huán)境都有十分重要的意義。Sonder(1989)給出，巖石圈強(qiáng)度受其莫霍面溫度所控制，而溫度又反比于巖石中地震波的傳播速度，因此上地幔頂部Pn波速度變化有可能反映巖石圈強(qiáng)度的變化，且與巖石圈的動(dòng)力學(xué)背景和構(gòu)造活動(dòng)性相關(guān)。擠壓型動(dòng)力學(xué)背景和構(gòu)造上穩(wěn)定的地區(qū)有較高的Pn波速度值，而拉張型動(dòng)力學(xué)背景和構(gòu)造上活動(dòng)的地區(qū)往往呈Pn速度偏低的特征。20世紀(jì)90年代以來P波速度分布及其橫向變化的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注(Hearn et al.，1994，1996，2004;汪素云等，2001;裴順平等，2001;許忠淮等，2003)。本文在汪素云等對東亞地區(qū)Pn波速度反演研究(將另文發(fā)表)的基礎(chǔ)上，探討東亞地區(qū)上地幔頂部Pn速度橫向變化特征及其動(dòng)力學(xué)意義。

1 東亞地區(qū)Pn波速度變化的基本特點(diǎn)

1.1 Pn速度分布的獲取

本文的研究區(qū)為15°～60°N，60°～145°E，是歐亞板塊、印度洋板塊與太平洋板塊(含菲律賓海板塊，下同)的會(huì)聚部位。研究區(qū)覆蓋中國及周邊地區(qū)，包括印度洋板塊與歐亞板塊、太平洋板塊與歐亞板塊的動(dòng)力邊界帶，文中統(tǒng)稱其為東亞地區(qū)。

汪素云等對該地區(qū)Pn速度做了系統(tǒng)的反演研究，其所應(yīng)用的Pn波震相走時(shí)資料包括引自中國地震年報(bào)(1986—2011)、ISC報(bào)告(1964—2011)以及ISC用Engdahl等(1996)算法重新定位所用的地震報(bào)告EHB(1960—2008)等。從這些報(bào)告中選取震中距≤9°的Pn震相和部分震中距為9°～15°的Pn震相，共收集到約48.5萬條震相到時(shí)數(shù)據(jù)。以這些資料為基礎(chǔ)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，從這些數(shù)據(jù)中進(jìn)一步篩選出符合震中距在1.8°～12°之間，走時(shí)殘差≤4.0s，每次地震的Pn射線數(shù)≥5條，每個(gè)地震臺(tái)的Pn射線數(shù)≥5條等條件的資料做反演研究。按照這些條件，共篩選出27 777次地震在1 354個(gè)臺(tái)站上記錄到的P波射線共296 334條，運(yùn)用這近30萬條射線的走時(shí)數(shù)據(jù)，用迭代最小二乘法對Pn走時(shí)隨震中距變化進(jìn)行線性擬合，得到東亞地區(qū)Pn平均速度為8.03km/s。圖1是Pn射線路徑圖。

圖1 Pn射線路徑圖Fig.1 Pnray paths.

根據(jù)Hearn(1991，1996)的方法，將Pn射線的走時(shí)殘差(實(shí)際觀測走時(shí)與理論走時(shí)之差)用于反演上地幔頂部速度的橫向變化。由于Pn震相的射線路徑是從地殼內(nèi)的震源向下到達(dá)莫霍面，并沿上地幔頂部傳播，然后折回地殼到達(dá)接收臺(tái)站，所以可將射線路徑分為3段，即震源路徑、地幔路徑和臺(tái)站路徑。其中震源路徑是震源至莫霍面的路徑，臺(tái)站路徑是莫霍面至臺(tái)站的路徑，這2段路徑都是在地殼內(nèi)傳播的，故其走時(shí)與地殼厚度、速度及震源深度有關(guān)。而地幔路徑則是在上地幔頂部傳播的，其走時(shí)與上地幔頂部速度有關(guān)。由于地殼厚度僅幾十km，且地殼平均P波速度6.3km/s相對穩(wěn)定，而地幔路徑則長達(dá)數(shù)百至上千km以上，所以Pn波走時(shí)殘差的主體部分是由地幔路徑所產(chǎn)生的。將上地幔頂部劃分成n個(gè)速度網(wǎng)格，Pn射線的走時(shí)殘差方程可寫成

式中tij是第i個(gè)臺(tái)站與第j個(gè)地震之間的走時(shí)殘差，ai是第i個(gè)臺(tái)站的靜延遲項(xiàng)，bj是第j個(gè)地震靜延遲項(xiàng);dijk是第j個(gè)地震至第i個(gè)臺(tái)站的射線經(jīng)過第k個(gè)速度網(wǎng)格的長度，Sk是第k個(gè)速度網(wǎng)格的慢度(即速度的倒數(shù))變化。用Hearn(1996)的反演程序，反演各網(wǎng)格點(diǎn)上Pn速度相對于平均速度8.03km/s的橫向變化。經(jīng)過多次試驗(yàn)，采用網(wǎng)格大小為30′×30′，待求解的慢度阻尼常數(shù)取為900。圖2為反演結(jié)果所給出的Pn速度橫向變化圖，圖中紅色為速度偏低異常區(qū)，藍(lán)色為速度偏高異常區(qū)，相對于平均速度8.03km/s，速度變化從-0.42km/s至+0.41km/s。為分析圖2結(jié)果的可靠性，圖3給出了用經(jīng)60次bootstrap反演得到的速度橫向變化誤差，圖中顯示，98%的地區(qū)誤差不超過0.05km/s，其中射線覆蓋密集的地區(qū)(占全區(qū)70%)誤差不超過0.03km/s，最典型的地區(qū)如臺(tái)站密集、射線密度高的中國南北帶地區(qū)、華北地區(qū)和天山地區(qū)等。由于速度橫向變化的誤差基本不超過0.05km/s，所以圖2中變化絕對值超過0.1km/s的速度異常區(qū)應(yīng)該是可信的。

1.2 東亞地區(qū)Pn速度分布特征

1.2.1 研究區(qū)東部和西部Pn速度存在區(qū)域性的顯著差別

從總體上看，圖2給出的Pn速度分布顯示出東西部之間明顯的區(qū)域性差異，大致以東經(jīng)108°為界，Pn速度呈西高東低的變化，即西部以速度高異常為主，東部以速度低異常為主。由圖2可以看到，這一東西部差異帶有整體性差異的特點(diǎn)。東部的低值異常自太平洋板塊邊界帶起往西向中國陸區(qū)延伸，一直延續(xù)到東經(jīng)110°～108°之間，在太平洋板塊邊界區(qū)Pn速度最低，低速異常最為突出，異常量高達(dá) -0.4km/s左右，在低異常區(qū)向西延伸的過程中異常量逐漸減小，異常區(qū)延伸到大約110°E附近。從太平洋板塊邊界到中國陸區(qū)東部，低值異常區(qū)向西延伸距離達(dá)2 000km以上。西部地區(qū)為Pn速度的高值區(qū)，從總體上看，高值異常區(qū)的分布從印度洋板塊邊界帶向北延伸，直到蒙古和俄羅斯西伯利亞地區(qū)，最大高值異常達(dá)+0.4km/s左右。

1.2.2 Pn速度分布的非均勻性特點(diǎn)

東亞地區(qū)的Pn速度橫向變化，除了總體性地呈現(xiàn)為東、西部兩大分區(qū)的區(qū)域性差異之外，還需特別注意的是，無論是東部的低值區(qū)還是西部的高值區(qū)，Pn速度的橫向變化在各自區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)為復(fù)雜的非均勻性特點(diǎn)。在東部地區(qū)，低速異常區(qū)除了太平洋板塊邊界帶及其邊緣地區(qū)外，在中國東部Pn低速異常區(qū)主要分布在華北平原及渤海灣，山西地塹及其北部的大同盆地等地。更值得指出的是在總體上呈現(xiàn)為低速異常的中國東部地區(qū)，也存在一些高值異常區(qū)，如鄂爾多斯地區(qū)，華南(揚(yáng)子)地臺(tái)的主體部分等地區(qū)。

圖2 Pn速度橫向變化圖像Fig.2 Tomographic image of lateral velocity variations.

圖3 Pn速度橫向變化誤差圖Fig.3 Standard errors for the Pnvelocity estimates.

西部地區(qū)的Pn高速異常區(qū)主要分布在一些構(gòu)造穩(wěn)定的地塊區(qū)，如塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地及四川盆地，以及研究區(qū)北部的西伯利亞地區(qū)，研究區(qū)西部與中亞接壤的地區(qū)等。在動(dòng)力學(xué)背景上呈強(qiáng)烈碰撞擠壓的印度洋板塊邊界帶以高速異常為主，但在Pn速度總體偏高的背景中，西部地區(qū)也分布一系列低速異常區(qū)，如青藏高原的中部和東部地區(qū)、祁連構(gòu)造帶和天山構(gòu)造帶、帕米爾地區(qū)以及帕米爾至貝加爾的大型變形帶地區(qū)，在喜馬拉雅構(gòu)造帶上，也有一些低速異常穿插在高速異常之中。其中，青藏高原是一個(gè)值得關(guān)注的地區(qū)，在西部Pn速度總體呈高值的背景下，青藏高原是高中之低的區(qū)域，尤其是其中部和東部，低速異常更為顯著，與西部的平均水平相比，Pn速度偏低0.2～0.3km/s。青藏高原的這一低值異常特征與其地殼構(gòu)造變形和地震活動(dòng)強(qiáng)烈的特性相吻合。

2 東亞地區(qū)Pn速度結(jié)構(gòu)特征的動(dòng)力學(xué)意義

2.1 Pn速度分布區(qū)域性差異特征與巖石圈動(dòng)力學(xué)背景

Sonder(1989)認(rèn)為，上地幔頂部Pn速度變化有可能反映巖石圈的動(dòng)力學(xué)環(huán)境和構(gòu)造變形的性質(zhì)及構(gòu)造活動(dòng)性。具有強(qiáng)烈擠壓環(huán)境的構(gòu)造區(qū)域往往是Pn高值區(qū)，而拉張型環(huán)境的構(gòu)造區(qū)Pn速度呈低值特性。東亞地區(qū)處于歐亞、印度洋和太平洋3大板塊的會(huì)聚部位，研究區(qū)處于太平洋和印度洋2大板塊構(gòu)造邊界的動(dòng)力作用區(qū)。研究區(qū)東部為近EW向作用的太平洋板塊俯沖帶動(dòng)力背景區(qū)，而西部則為近SN向作用的印度洋板塊動(dòng)力背景區(qū)。前者在研究區(qū)東部，包括中國陸區(qū)東部的華北等地區(qū)形成拉張型動(dòng)力環(huán)境，而后者在研究區(qū)西部形成了以強(qiáng)烈擠壓為主的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。因此是否可以認(rèn)為，東部以Pn速度低值異常為主要特征的區(qū)域是太平洋板塊俯沖邊界動(dòng)力作用影響區(qū)，而西部以Pn速度高值異常為主體的區(qū)域可能是印度洋板塊強(qiáng)烈碰撞擠壓動(dòng)力作用的影響區(qū)。

2.2 Pn速度東西兩分區(qū)的應(yīng)力場特征

為討論P(yáng)n速度分布的動(dòng)力學(xué)含義，本文應(yīng)用震源機(jī)制資料來進(jìn)一步分析Pn速度結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場特性的關(guān)系。在研究區(qū)內(nèi)共收集了反映應(yīng)力場水平主壓應(yīng)力軸方位的剪切型地震和逆沖型地震的震源機(jī)制解共2 899條。其中剪切型震源機(jī)制約1 000條，逆沖型震源機(jī)制解約1，900條。震源機(jī)制類型、空間分布及其水平主壓應(yīng)力(P軸)方位示于圖4。

對圖4所示的主應(yīng)力方向的空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以研究區(qū)內(nèi)經(jīng)度10°為空間間隔單位為統(tǒng)計(jì)子區(qū)，統(tǒng)計(jì)各子區(qū)內(nèi)P軸的方位分布。P軸的方位角以45°為劃分單位(表1)。由于P軸方位在360°全空間角域內(nèi)具有對稱性，如N30°E方位等于S30°W，即30°方位角等于210°，因此在統(tǒng)計(jì)方位時(shí)應(yīng)用半圓空間，即在0°～180°方位內(nèi)統(tǒng)計(jì)。研究區(qū)內(nèi)水平主壓應(yīng)力(P軸)方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。在表1中，我們將方位分布大體歸并為SN方向和EW方向2個(gè)方向域，0°～45°和135°～180°為 SN 方向，46°～90°和 91°～135°為 EW 向(即以 SN 向?yàn)檩S線，正負(fù) 45°為SN向域;以EW向?yàn)檩S線，正負(fù)45°為EW向域)。由表1可給出在東經(jīng)110°以西的西部地區(qū)，應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向以SN向?yàn)閮?yōu)勢，SN向域(0°～45°與136°～180°方位角)占區(qū)內(nèi)全部震源機(jī)制的74%。而東經(jīng)110°以東的東部地區(qū)EW向主應(yīng)力占81%，顯示其應(yīng)力場特性以EW向主壓應(yīng)力為優(yōu)勢方向。研究區(qū)內(nèi)應(yīng)力場特性的東西分區(qū)的差異性特征正好與Pn速度結(jié)構(gòu)的區(qū)域性差異特征一致，顯示了Pn速度結(jié)構(gòu)與地殼(巖石圈)動(dòng)力學(xué)背景之間的相關(guān)性。

圖5是表1中震源機(jī)制P軸方位空間分布的方位角統(tǒng)計(jì)圖，由圖5可更直觀地看到研究區(qū)東西部地區(qū)應(yīng)力場的整體性差異特征。

圖4 震源機(jī)制解P軸方位分布Fig.4 Azimuths of P-axis from earthquake focal mechanisms.

表1 研究區(qū)震源機(jī)制P軸方位的空間分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Spatial distribution of P-axis azimuths

2.3 Pn速度結(jié)構(gòu)變化與強(qiáng)震活動(dòng)

圖5 P軸方位角隨經(jīng)度分布統(tǒng)計(jì)Fig.5 Variations of P-axis azimuth with longitude.

如上所述，研究區(qū)位于印度洋、太平洋、歐亞板塊的會(huì)聚部位，這幾大板塊的相互作用和歐亞板塊內(nèi)部地球動(dòng)力作用造就了該區(qū)不同類型的活動(dòng)構(gòu)造，控制著區(qū)域內(nèi)強(qiáng)震活動(dòng)的空間分布。以中國陸區(qū)及鄰近地區(qū)為例，各種類型的大型構(gòu)造將其分割成一系列多級(jí)別構(gòu)造塊體(張培震等，2003;張國民等，2004)。圖6展示了Pn速度橫向變化與Ⅰ級(jí)地塊區(qū)構(gòu)造及6級(jí)以上強(qiáng)震分布，從總體上看，強(qiáng)震發(fā)生在Pn速度偏低的地區(qū)，即地震活動(dòng)與Pn速度分布成反向變化。但這2者間的關(guān)系又是受Pn速度橫向變化的區(qū)域背景制約的，亦即受不同的區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景所控制。

圖6 Pn速度橫向變化與Ⅰ級(jí)地塊區(qū)及M≥6強(qiáng)震分布Fig.6 Pattern of active tectonic blocks and distribution of strong earthquakes in East Asia.

為分析Pn速度分布與地震活動(dòng)之間的關(guān)系，本文以張培震等(2003)劃分的中國陸區(qū)6個(gè)Ⅰ級(jí)地塊區(qū)為對象，統(tǒng)計(jì)各地塊區(qū)內(nèi)Pn波速度和地震活動(dòng)水平。其中Pn波速度(VPn)是以地塊區(qū)內(nèi)各格點(diǎn)上的VPn求其平均值ˉVPn來表征，地震活動(dòng)水平以各地塊區(qū)單位時(shí)間、單位面積所釋放的地震應(yīng)變能e為特征量，即e=。表2給出中國陸區(qū)6個(gè)Ⅰ級(jí)活動(dòng)地塊區(qū)(東、西部各3個(gè))Pn平均速度值和地震活動(dòng)水平e的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7為表2中給出的東部3個(gè)Ⅰ級(jí)地塊區(qū)和西部3個(gè)Ⅰ級(jí)地塊區(qū)的與地震活動(dòng)水平(e)的關(guān)系圖，并分別給出了擬合的關(guān)系式。由圖7可見，盡管中國陸區(qū)的東、西部由于其構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景的差異，地震活動(dòng)的總體水平有很大差別，但在東、西2個(gè)不同的動(dòng)力學(xué)分區(qū)內(nèi)各自都顯示了強(qiáng)震活動(dòng)水平與上地幔頂部Pn速度呈反向變化的共性特征，即強(qiáng)震活動(dòng)與Pn速度的負(fù)異常相關(guān)。這與前人工作所給出的強(qiáng)震區(qū)往往與其下地殼、上地幔低速異常相關(guān)(張先康等，2003)。

表2 活動(dòng)地塊區(qū)強(qiáng)震活動(dòng)與Pn波速度的關(guān)系Table 2 Relationship between strong earthquake activity in the active block regions and Pnvelocity

圖7 中國陸區(qū)Ⅰ級(jí)活動(dòng)地塊區(qū)強(qiáng)震活動(dòng)水平與Pn波速度關(guān)系Fig.7 Relationship between strong earthquake activity level in the first class active block regions and Pnvelocity in the Chinese continent.

3 結(jié)論與討論

本文研究了東亞地區(qū)(15°～60°N，60°～145°E)上地幔頂部Pn速度結(jié)構(gòu)的基本特征，并嘗試性探討了其動(dòng)力學(xué)意義，得到了一些初步結(jié)果。

(1)應(yīng)用從多種資料渠道收集的研究區(qū)內(nèi)27 777次地震在1 354個(gè)臺(tái)站記錄到的296 334條Pn射線，反演給出東亞Pn平均速度為8.03km/s，速度橫向變化從-0.42km/s至+0.41km/s。速度橫向變化顯示為東、西2大分區(qū)。從太平洋板塊邊界到中國東部(大約以108°E為界)為Pn速度偏低地區(qū)，東經(jīng)108°以西為Pn速度偏高地區(qū)。但不管是東區(qū)還是西區(qū)，均顯示為活動(dòng)構(gòu)造區(qū)為Pn速度呈低值異常，構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)為Pn速度高值異常。

(2)研究區(qū)位于印度洋、太平洋、歐亞3大板塊會(huì)聚部位，研究區(qū)西南部的印度洋板塊邊界帶、研究區(qū)東部的太平洋板塊邊界帶分別構(gòu)成西部地區(qū)和東部地區(qū)2大動(dòng)力作用區(qū)，從而使研究區(qū)呈現(xiàn)為西部以強(qiáng)烈擠壓為主的動(dòng)力學(xué)背景區(qū)和東部拉張型動(dòng)力學(xué)背景區(qū)，前者呈現(xiàn)Pn速度高值區(qū)而后者呈現(xiàn)為Pn速度低值區(qū)。

(3)從所收集到的研究區(qū)內(nèi)2 899個(gè)震源機(jī)制解資料所得到的水平主壓應(yīng)力方向的空間分布給出，研究區(qū)西部應(yīng)力場主壓應(yīng)力以SN向?yàn)橹鳎鴸|部地區(qū)應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向顯示為東西為主，這與西部地區(qū)印度洋板塊向北強(qiáng)烈碰撞擠壓和東部地區(qū)太平洋板塊向西俯沖的動(dòng)力作用背景相一致。

(4)盡管東、西兩大分區(qū)的動(dòng)力學(xué)背景和Pn速度結(jié)構(gòu)有顯著差異，但在兩個(gè)分區(qū)內(nèi)，均顯示強(qiáng)震活動(dòng)與Pn速度的低值異常相關(guān)，其強(qiáng)震活動(dòng)水平與Pn速度成反向變化關(guān)系。

(5)本文在研究Pn數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其橫向非均勻性變化的基礎(chǔ)上，還給出了震源機(jī)制獲取的應(yīng)力場、地震活動(dòng)性和活動(dòng)地塊構(gòu)造與Pn速度分布的關(guān)系，且顯示了較好的相關(guān)性。由于地震活動(dòng)性、震源機(jī)制和構(gòu)造活動(dòng)主要是反映上部地殼的動(dòng)力背景和構(gòu)造活動(dòng)，而Pn速度分布則反映上地幔頂部的動(dòng)力學(xué)背景，因此其兩者之間的相關(guān)性顯示了地殼和上地幔(至少是其頂部)構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性。盡管二者在不同的深度層位上，但由于巖石圈的厚度相對于橫向地球尺度是一個(gè)小量，因此可近似為一個(gè)統(tǒng)一的巖石圈層，許多大型的活動(dòng)構(gòu)造是貫穿莫霍面的，這似乎可以從中國南北地震構(gòu)造帶等大型塊體邊界延伸到上地幔，而一些穩(wěn)定地塊(如鄂爾多斯塊體)的內(nèi)部地殼和上地幔是耦合在一起的等殼幔結(jié)構(gòu)特性中得到一些引證。

(6)2011年3月11日在日本宮城東部海域(38.32°N，142.37°E)發(fā)生9級(jí)特大地震(此次地震被稱之為東日本地震)。從GPS觀測所得此次地震的遠(yuǎn)場效應(yīng)看，東日本大地震對中國東北、華北地區(qū)產(chǎn)生了指向震源的同震水平位移，最大位移可達(dá)27～33mm，華東部分地區(qū)也觀測到mm量級(jí)的位移。同震位移向西衰減，至東經(jīng)110°以西地區(qū)基本不受影響。東日本地震所造成的中國東部地區(qū)加速東移與其震源動(dòng)力學(xué)過程相一致，而且中國東部此地震前后的位移量與之前的背景性位移量相比，有數(shù)倍的顯著性增大(王敏等，2011)。這一結(jié)果進(jìn)一步引證了中國東部伸展引張性變形可能受控于太平洋板塊俯沖作用的動(dòng)力學(xué)背景。

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