鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各項異性結果探討分析

周　琳，王慶良，季靈運，宋尚武

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西　西安　710054；2.防災科技學院，北京　燕郊　101601)

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鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各項異性結果探討分析

周琳1，王慶良1，季靈運1，宋尚武2

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054；2.防災科技學院，北京燕郊101601)

摘要：搜集整理鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有上地幔各向異性研究結果，進一步探討地震計方位對SKS各項異性研究的影響。結果表明，區(qū)域各項異性反演結果整體上較為可靠。地震計方位偏差對SKS各向異性反演結果的影響，表現(xiàn)為(φ，δt)兩參數的綜合變化，而非單一參量變化。因此，在研究SKS等現(xiàn)代地震學時，應進行地震計方位角的校正。

關鍵詞：鄂爾多斯地塊及周緣；各項異性；地震計方位角

0引言

通過地震波橫波分裂觀測上地幔各項異性，盡可能分辨區(qū)域構造演化的動力學成因及其作用的空間分布特征。隨著“十五”數字地震網絡工程項目的建成，鄂爾多斯地塊周緣地區(qū)數字化測震能力有了很大提升，除鄂爾多斯地塊西北角附近測震監(jiān)測能力較弱外，其它區(qū)域已基本實現(xiàn)2.0級以上地震的監(jiān)測。近年來，鄂爾多斯地塊及周緣的各項異性研究取得了實質性進展，獲得了大規(guī)模密集研究結果[1-5]。本文在搜集整理前人已有的鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各向異性研究結果基礎上，綜合分析研究區(qū)域各項異性特征，進一步探討地震計方位對SKS分裂研究的影響。

1區(qū)域地質構造、地震活動性背景

鄂爾多斯地塊位于華北克拉通西部，東起呂梁山，西抵銀川—吉蘭泰斷陷帶，南起渭河斷陷帶，北至河套斷陷帶，是華北克拉通最穩(wěn)定完整的次級構造單元。鄂爾多斯塊體內部穩(wěn)定，具有很好的整體性，但它的周緣在不同期次的構造應力環(huán)境中形成了顯著差異的周緣構造特征。如第6頁圖1所示，西南邊界弧形斷陷帶呈NW-NNW向展布，西北段顯示左旋走滑，東南端表現(xiàn)為左旋走滑—逆沖斷裂帶；渭河斷陷帶和河套斷陷帶呈EW向展布，是左旋剪切拉張帶；銀川-吉蘭泰和山西斷陷帶呈NNE向展布，為右旋剪切拉張帶。分析其地幔各項異性變化特征，對中國大陸構造和動力學演化研究具有重要意義[6]。

地塊周緣由活動斷陷帶和弧形斷裂帶包圍，這些邊界帶上構造活動強烈，地震頻發(fā)。據史料記載僅8級以上地震就發(fā)生過5次, 是中國大陸內部一個著名的強震活動帶。如第7頁圖2所示(圖中，黑色實心圓為1970年以來的3級以上地震，白色實心圓為有1970年以前歷史記載的5級以上地震)，鄂爾多斯地塊內部是一個相對穩(wěn)定的地塊，鮮有地震發(fā)生，地震帶的展布方向與斷裂帶的延伸方向基本一致。東側的山西斷陷帶、西側的銀川—吉蘭泰斷陷帶和鄂爾多斯西緣弧形斷裂帶(三關口—牛首山斷裂、香山—天景山斷裂、海原—六盤山—寶雞斷裂)地震展布密集。

2各項異性研究結果

地震波各向異性，是指沿不同傳播方向地震波速度不同。橫波分裂是指地震波在各向異性介質中傳播時，分解為偏振方向相互正交的快慢兩個分量的一種特殊現(xiàn)象。上地幔橄欖巖晶格優(yōu)勢方向記錄了以往或現(xiàn)今的動力學信息(巖石圈層各向異性對應于以往變形；軟流圈層各向異性對應現(xiàn)今變形)。不同的構造事件對上地幔施加的應力分布不同，必然會產生不同的上地幔變形模式，從而在上地幔晶體中保留相應的晶格變形記錄。如果后續(xù)事件能改寫之前發(fā)生事件所產生的晶格變形，則上地幔各項異性特征將指示最后一次重大事件所產生的變形。目前，常規(guī)方法是選擇SKS震相系列研究上地幔的各向異性。SKS波從震源出發(fā)時為S波，經過液態(tài)的外核時轉換為P波，當再次通過核幔邊界時，若從核幔邊界到接收臺站的介質為各向同性，則P波再次轉換為只有徑向偏振的S波，然后傳播到接收臺站；若介質為各向異性，它將分解成兩個偏振方向互相垂直的子波并以不同的速度傳播，即快慢波。當震中距在85°～140°時，SKS波近似垂直入射到地表，能量強，與S波震相分離，容易識別，其分裂參數(φ，δt)僅反映核幔界面到臺站這一路徑的各向異性，即主要代表臺站正下方的各向異性特征。這里φ為快波偏振方位，δt為快慢波分裂延時。目前，通過SKS橫波分裂研究獲取上地幔各向異性特征是認識區(qū)域或全球動力學過程不可替代的手段[7]。

圖1　鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)構造背景圖Fig.1　Tectonic setting of Erdos block and periphery

鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有SKS各向異性結果圖如第8頁圖3所示，前人所用資料、研究方法及研究結果的主要異同點如表1所示。

鄂爾多斯地塊周邊地區(qū)SKS分裂參數(φ，δt)具有比較復雜的空間分區(qū)差異特征，快波方向與地質構造走向基本一致。鄂爾多斯地塊西緣SKS快波方向以NWW向為主，南緣以近EW向為主。各向異性快波方向平行于兩個剛性塊體碰撞邊界和秦嶺造山帶的走向，東部區(qū)域從北到南快軸方向一致為NW-SE方向，在東南部山西斷陷帶太原盆地、臨汾—運城盆地一帶附近快波方向表現(xiàn)出較大的NE向偏轉，地塊南緣和東緣形成了明顯的繞流運動形態(tài)。鄂爾多斯地塊內部各向異性分裂延遲時間δt較小。青藏高原東北緣向NE-NNE向推擠過程中，受到穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊阻擋，在塊體西南緣的海原—六盤山斷裂帶附近發(fā)生明顯的分叉擾流運動。其中，一股沿鄂爾多斯地塊西緣向北流動，形成銀川、吉蘭泰盆地現(xiàn)今右旋拉張剪切運動，另一股沿渭河盆地、秦嶺造山帶流動然后轉向山西斷陷帶。SKS各向異性結果表明，印度—歐亞板塊碰撞遠程效應已經延伸至鄂爾多斯地塊東部地區(qū)。鄂爾多斯地塊的上地幔已卷入了青藏高原上地幔的北東向動力變形擴展體系。

表1　鄂爾多斯地塊SKS各向異性的代表性研究對比表

圖2　鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)地震活動分布圖Fig.2　Seismicity distribution in Erdos block and periphery

3地震計方位偏差對SKS各向異性結果影響分析

全球和區(qū)域三分向寬頻帶數字地震臺網的規(guī)?；⒑瓦\行，極大促進了現(xiàn)代地震學的研究發(fā)展。現(xiàn)代地震學研究的許多方面，如SKS剪切波分裂研究、接收函數研究和面波研究等，都需要通過坐標旋轉將BHN、BHE和BHU三分量質點運動分解為徑向(水平入射方向)、橫向(水平面內與入射方向垂直)和垂向三個正交分量。但實際中，很多因素造成的不確定性導致地震計三分向精確地安裝在正北、正東和垂直方向并不容易。例如，利用羅盤儀進行尋北定向時，由于山洞巖石磁性、儀器本身磁性、以及磁偏角誤差等因素的影響，所定出的BHN方向(相應BHE方向)可能會出現(xiàn)較大偏差。儀器安裝過程或安裝后的多種人為干擾、環(huán)境變化等因素，也會使地震計BHN、BHE方位出現(xiàn)偏差?，F(xiàn)有研究證明，中國數字地震臺網1 000多個臺站中有近三分之一的臺站存在地震計水平方位偏差大、地震計極性接反或分量互混等方面的問題[8]。北京大學等數據用戶在此之前也發(fā)現(xiàn)類似的問題，中國地震局監(jiān)測預報司利用高精度尋北儀(陀螺儀)對一些地震計方位偏差突出的臺站重新進行了地震計的安裝和方位校正。如果臺站地震計的BHN方向與真北方向存在較大的系統(tǒng)偏差(相應BHE分量與真東方向也存在較大偏差)，則依據臺站后方位角理論值旋轉得到的徑向、橫向分量也將存在較大的系統(tǒng)偏差，從而可能影響SKS剪切波分裂、接收函數等現(xiàn)代地震學研究結果的真實性和可靠性。

圖3　SKS各向異性結果圖Fig.3　Results of SKS anisotropy

從表1可以看出，其不同點主要是Li Juan等研究時對地震計方位偏差較大的臺站(>10°)進行了方位校正，而其他學者的研究結果則沒有進行過該方面校正。本文通過常利軍等[1]研究結果與Li Juan等[3]同臺站結果對比，定性或定量分析地震計方位偏差對SKS各向異性反演結果的可能影響。

由第9頁表2兩者地震計方位偏差大于10°臺站和極性顛倒臺站的各向異性參數對比結果可以看出，是否進行地震計方位偏差校正對兩者之間的SKS各向異性(φ，δt)反演結果確實存在一定差異性，但(φ，δt)單個各向異性參數的差異變化與地震計方位偏差大小之間并沒有明顯的相關關系(見第9頁圖4)，即地震計方位偏差大的臺站其快波方位φ之差或分裂延時δt之差不一定大，地震計方位偏差小的臺站其快波方位φ之差或分裂延時δt之差也不一定小。造成上述現(xiàn)象的原因可能包括：

(1) 不同學者之間所用地震事件數量和方法細節(jié)仍有一些差別，造成結果之間存在一定差異；(2) 基于Silver等[7]原理的SKS反演算法主要為網格搜索方法，其結果本身具有一定誤差。因此，地震計方位偏差對SKS各向異性參數的影響，可能在其誤差范圍之內。其中寧夏靈武臺(LWU)、山西偏關臺(PIG)結果偏差較大，可能是由SKS信號較弱等因素引起；(3) 地震計方位偏差造成的切向能量變化可由φ變量和δt變量的均衡變化進行消化，并不一定表現(xiàn)為顯著的各向異性(φ，δt)單變量變化。但本文在地震計方位偏差與各向異性偏振方向的研究方面還存在很多不足，需進一步研究，以獲得更全面的研究結果。

表2　代表性臺站SKS各向異性參數反演結果對比表

圖4　SKS各向異性反演結果差值對比圖Fig.4　Difference contrast of inversion results of SKS anisotropy

4結論

通過整理分析鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有各項異性研究結果，得到如下結論：

(1) 快波方向與地質構造走向基本一致，鄂爾多斯地塊的上地幔已卷入青藏高原上地幔的北東向動力變形擴展體系。

(2) 鄂爾多斯地塊西緣SKS快波方向以NWW向為主，南緣以近EW向為主。各向異性快波方向平行于兩個剛性塊體碰撞邊界和秦嶺造山帶的走向，東部區(qū)域從北到南快軸方向一致為NW-SE方向，在東南部山西斷陷帶太原盆地、臨汾—運城盆地一帶附近快波方向表現(xiàn)出較大的NE向偏轉，地塊內部各向異性分裂延遲時間δt較小。

(3) 區(qū)域各項異性反演結果整體上比較可靠，揭示了地震計方位偏差對SKS各向異性(φ，δt)反演結果的影響表現(xiàn)為(φ，δt)兩參數的綜合變化，而非由單一參量變化獨立承擔。因此，在研究SKS等現(xiàn)代地震學時，應對地震計方位角進行校正。

參考文獻：

[1]常利軍，王椿鏞，丁志峰.鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各向異性研究[J].中國科學:地球科學,2011,41(5):686-699.

[2]胡亞軒，崔篤信，季靈運，等.鄂爾多斯塊體及其周緣上地幔各項異性分析研究[J].地球物理學報，2011,54(6):1549-1558.

[3]Li Juan,Wang Xiujiao,Niu Fenglin.Seismic anisotropy and implications for mantle deformation beneath the NE margin of the Tibet plateau and Ordos plateau[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors,2011(189):157-170.

[4]Zhao L,Xue M.Mantle flow pattern and geodynamic cause of the North China Craton reactivation:Evidence from seismic anisotropy,Geochem.Geophys.Geosyst.,11,Q07010,doi:10.1029/2010GC003068,2010.

[5]Zhao L,Zheng T Y,Lu G,et al.No direct correlation of mantle flow beneath the North China Craton to the India-Eurasia collision:constraints from new SKS wave splitting measurements,Geophys[J].J Int,2011(187):1027-1037.

[6]鄧起東，程紹平，閔偉，等.鄂爾多斯塊體新生代構造活動和動力學的討論[J].地質力學學報,1999(3):13-21.

[7]Silver P G,Chan W W.Share-wave splitting and subcontinental mantle deformation[J].J Geophys Res,1991(96):16429-16454.

[8]Niu Fenglin,Juan Li.Component azimuths of the CEArray station estimated from P-wave particle motion[J].Earthq Sci,2011(24):3-13.

文章編號：1000-6265(2016)02-0005-06

收稿日期：2015-12-01

基金項目：地震行業(yè)科研重點專項(201508009)。

第一作者簡介：周琳(1987—)，女，黑龍江省哈爾濱人。2013年畢業(yè)于中國地震局蘭州地震研究所，碩士研究生，助理工程師。

中圖分類號：P315.73

文獻標志碼：A

Results of Upper Mantle Anisotropy in Erdos Block and Periphery

ZHOU Lin1, WANG Qing-liang1, JI Ling-yun1, SONG Shang-wu2

(1.The Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an, Shanxi 710054, China; 2.Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China)

Abstract:By collecting existing research results of upper mantle anisotropy in Erdos block and periphery, influence of seismograph azimuth on SKS anisotropy studies is discussed. The results show that the region anisotropy inversion results are more reliable. The effect of seismograph azimuth deviation on SKS anisotropy inversion results is shown as an integrated change of two parameters(φ,δt), but not the change of a single parameter. Therefore, seismometer azimuth should be corrected in SKS and other modern seismological research.

Key words:Erdos block and periphery; Anisotropy; Seismograph azimuth