山東地區(qū)殼幔耦合關(guān)系探討

苗春蘭

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

0 引言

殼幔運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系對(duì)板塊的活動(dòng)性和強(qiáng)震的孕育發(fā)生等起至關(guān)重要的作用，也對(duì)地球動(dòng)力學(xué)模式的建立有關(guān)鍵性的影響。用地震波各向異性特性研究殼幔耦合關(guān)系是一種有效的方法(Wang et al，2008;王椿鏞等，2007)，通過(guò)對(duì)地震剪切波分裂特征的研究，可以獲得地殼和地幔介質(zhì)各向異性的分布。通常認(rèn)為，地幔各向異性的主要成因是由地幔物質(zhì)形變導(dǎo)致橄欖石晶軸的定向排列所引起的(Hess，1964;Nicolas et al，1987)，地殼介質(zhì)的地震各向異性雖然是與地殼中定向排列的裂隙直接有關(guān)，但其實(shí)質(zhì)上是與地殼的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)(Crampin，1978;Crampin et al，2004; 高原等，1995、2008a)。研究發(fā)現(xiàn)，剪切波分裂的快波方向與礦物長(zhǎng)軸定向排列的優(yōu)勢(shì)取向一致，但對(duì)于形成橄欖石晶軸的定向排列的原因目前還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這是由于板塊運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的水平剪切作用(Vinnik et al，1995)的結(jié)果，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，它與巖石圈下部乃至地幔中的構(gòu)造形變有關(guān)(Silver et al，1991;Mainprice et al，1993;Silver，1996;Plomerova et al，1996;Vauchez et al，1996)，二者代表了在巖石圈-地幔變形和構(gòu)造演化研究方面兩種截然不同的觀點(diǎn)(任金衛(wèi)，2004)。通過(guò)地震學(xué)方法研究地幔各向異性的分布，就能以一定的精度確定地幔塑性流動(dòng)的空間分布圖像，通過(guò)對(duì)地幔塑性流動(dòng)和地表的GPS應(yīng)變測(cè)量對(duì)比分析，可以建立其空間聯(lián)系，這是用來(lái)研究殼幔耦合關(guān)系的主要方法之一，若能再慮及地殼內(nèi)較高頻率的近場(chǎng)地震資料各向異性結(jié)果，顯然有益于更深入的討論。加入地殼各向異性分析，結(jié)合殼、幔各向異性和地表GPS觀測(cè)，是對(duì)殼幔耦合關(guān)系研究的重要推進(jìn)(高原等，2010)。

地震活動(dòng)是地殼內(nèi)部應(yīng)變能釋放的一種形式，并且與深部發(fā)震斷層的活動(dòng)密切相關(guān)，這種能量釋放的過(guò)程與破裂機(jī)制是與地殼和上地幔的物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)的，而殼幔運(yùn)動(dòng)的耦合作用對(duì)強(qiáng)震的孕育發(fā)生等具有至關(guān)重要的作用。山東地區(qū)分布有3條大型斷裂構(gòu)造帶:NNE向的沂沭斷裂帶、NE向的聊考斷裂帶和NW向的渤海-威海斷裂帶，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)。對(duì)山東地區(qū)殼幔運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系開(kāi)展研究，不僅在巖石圈動(dòng)力學(xué)研究、地震活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)和強(qiáng)震深部力源研究方面有重要的理論意義，也對(duì)探究該地區(qū)的地殼穩(wěn)定性、完善其工程地震安全性評(píng)價(jià)以及防震減災(zāi)工作的諸多環(huán)節(jié)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料和方法

對(duì)山東地區(qū)36個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站記錄的2000～2010年的數(shù)字記錄進(jìn)行了篩選，從中選取震中距在85～110°且震級(jí)MW＞5.5的地震事件。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。

使用最小能量法(Silver et al，1991)和旋轉(zhuǎn)相關(guān)法(Bowman et al，1987)對(duì)單個(gè)記錄的遠(yuǎn)震SKS震相進(jìn)行偏振分析，求取其地震各向異性參數(shù) (φ，δt)，其中φ表示快波的偏振方向，δt表示快、慢波的到時(shí)差。震中距為85～110°的SKS波幾乎是垂直入射到地面臺(tái)站下方，如果存在各向異性介質(zhì)，則SKS波在到達(dá)地震臺(tái)站時(shí)，其快波存在偏振φ，快、慢波之間存在到時(shí)差δt。這組參數(shù)(φ，δt)用來(lái)描述上地幔地震各向異性。圖1是對(duì)WUL(五蓮)臺(tái)進(jìn)行SKS震相偏振分析的例子(苗慶杰，2011)。由圖1可看到，同時(shí)使用多種方法展開(kāi)SKS波分裂求取的地震各向異性參數(shù)，較任何一種單一方法得到的結(jié)果更為可靠。

根據(jù)Barruol等(1997)、Wüstefeldt等(2007)關(guān)于剪切波分裂的判別方法，在進(jìn)行 SKS波分裂參數(shù)均值計(jì)算時(shí)僅使用質(zhì)量一般及以上的有效分裂結(jié)果(表1)。通常認(rèn)為，在SKS波分裂測(cè)量方法中，利用最小能量法測(cè)得的結(jié)果相對(duì)更為可靠、穩(wěn)定(Vecsey et al，2008;Gao et al，2009)，故本文采用最小能量法測(cè)得的結(jié)果。

地殼各向異性計(jì)算采用的是地殼剪切波分裂的綜合分析方法，稱之為SAM計(jì)算分析技術(shù)(高原等，2008b)。SAM主要是基于偏振分析，并加入了相關(guān)分析和時(shí)間延遲的扣除技術(shù)，大量的研究表明(高原等，2008b;太齡雪等，2009;石玉濤等，2009)，使用SAM計(jì)算技術(shù)得到的結(jié)果是可靠的。

地殼地震各向異性計(jì)算使用的是近場(chǎng)記錄的直達(dá)剪切波，地震波形需要符合剪切波窗口的約束條件，即剪切波射線入射角要小于全反射臨界角。本研究中用于地殼剪切波分裂計(jì)算的近場(chǎng)記錄資料使用的是山東地區(qū)2005～2007年的數(shù)字化地震波形資料，大部分地震震源深度在6～20km，且多數(shù)集中分布在8～16km的區(qū)間內(nèi)，波形記錄經(jīng)嚴(yán)格挑選后，進(jìn)行了剪切波分裂計(jì)算①鄭建常等，2009，山東地區(qū)地殼介質(zhì)各向異性與剪切波分裂研究(見(jiàn):山東省2009年度地震趨勢(shì)研究報(bào)告)。

圖1 對(duì)WUL(五蓮)臺(tái)SKS震相展開(kāi)偏振分析的實(shí)例

2 山東地區(qū)殼幔地震各向異性特征

把山東地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)36個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站的遠(yuǎn)震SKS波形進(jìn)行SKS分裂計(jì)算，通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)選擇，最后得到159個(gè)高質(zhì)量波形記錄的SKS分裂計(jì)算結(jié)果(表1)。圖2展示出這36個(gè)臺(tái)站的SKS分裂平均快剪切波偏振。

常利軍等(2009)給出了泰安臺(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°，與本文采用的結(jié)果相似。

對(duì)于地殼剪切波分裂結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)篩選計(jì)算獲得14個(gè)臺(tái)站的結(jié)果。由于快剪切波偏振會(huì)受到臺(tái)站下方或臺(tái)站附近斷裂的明顯影響，因此本研究中把明顯受到地表構(gòu)造影響的臺(tái)站的結(jié)果剔除。為了保證討論的可靠性，將有效數(shù)據(jù)≤5條的臺(tái)站數(shù)據(jù)也舍棄，最后將7個(gè)臺(tái)站的結(jié)果用于本研究的討論中(圖2)，把每個(gè)臺(tái)站的快剪切波偏振結(jié)果按臺(tái)站計(jì)算得到快剪切波偏振平均值(表2)①。

表1 山東地區(qū)各臺(tái)站SKS波分裂參數(shù)

表2 山東地區(qū)SKS快剪切波偏振與近場(chǎng)地殼快剪切波偏振統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)表2可以看到，穿透殼幔的SKS分裂的快剪切波偏振平均值為94.7°，而地殼直達(dá)剪切波的快剪切波偏振平均值為117.1°，與SKS快剪切波偏振平均值相差22.4°。這表明地殼主壓應(yīng)力方向與巖石圈內(nèi)的平均主壓應(yīng)力方向有22°的差別。

3 山東地區(qū)地震各向異性及殼幔耦合作用的討論

地殼中近場(chǎng)記錄的剪切波分裂主要使用地殼內(nèi)地震的直達(dá)剪切波，其剪切波分裂反映的各向異性是地殼內(nèi)的特性。根據(jù)現(xiàn)代中小地震震源機(jī)制解得知(周翠英等，2005)，山東地區(qū)目前處于NEE向(80°左右)主壓應(yīng)力作用中，山東地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)資料計(jì)算的位移場(chǎng)分析結(jié)果顯示(殷海濤等，2008)，山東地區(qū)的主應(yīng)變場(chǎng)呈 NEE-SWW向擠壓，NWW-SEE向拉張，與地震資料得到的最大主壓應(yīng)力有較好的相關(guān)性。為了減少斷裂的影響，并去掉可靠性較差的較少數(shù)據(jù)樣本的臺(tái)站，本研究選取了7個(gè)臺(tái)站，地殼直達(dá)剪切波的快剪切波偏振方向?yàn)?17.1°±l4.1°，穿透地殼和上地幔的 SKS分裂的快剪切波偏振平均值為 94.7°± 15.3°。

圖2 快剪切波偏振方向

表3 穿過(guò)地幔的SKS的快剪切波偏振與近場(chǎng)地殼的快剪切波偏振的對(duì)比

為了更準(zhǔn)確地對(duì)比分析地殼中近場(chǎng)快剪切波偏振與殼幔SKS分裂的快剪切波偏振的異同，把同時(shí)獲得的SKS分裂和近場(chǎng)剪切波分裂結(jié)果的臺(tái)站進(jìn)行直接比較(表3)。通過(guò)表3可以看到，在5個(gè)臺(tái)站上獲得的二個(gè)結(jié)果都明顯不同，2種快剪切波偏振方向都相差在13.5°以上。這種差異可能說(shuō)明，山東地區(qū)殼幔之間構(gòu)造活動(dòng)可能有一定程度的解耦，表明山東地區(qū)的殼幔運(yùn)動(dòng)耦合作用可能既不屬于殼幔強(qiáng)耦合型，也不屬于簡(jiǎn)單的殼幔解耦型，該地區(qū)的殼幔運(yùn)動(dòng)耦合作用可能是2種模式共存的不均勻分布或者是物理性質(zhì)介于二者之間的漸變模式，這與高原等(2010)對(duì)華北地區(qū)的相似研究獲得的結(jié)論一致。

致謝:對(duì)匿名審稿專家在本文修改過(guò)程中提出的中肯意見(jiàn)及耐心指教，深表感謝!