青藏高原及其周緣地區(qū)各向異性研究進展

黃 星 高 原

（中國北京100036中國地震局地震預測研究所）

引言

青藏高原被稱為世界屋脊，是正在進行中的年輕陸－陸碰撞造山帶，印度板塊與歐亞板塊在此匯聚碰撞.揭示青藏高原各塊體之間的深部變形特征以及研究大陸內(nèi)部變形和大陸內(nèi)部強震機制具有重要的現(xiàn)實意義.目前，國際上對青藏高原地震各向異性的研究尚處在探索階段，地球科學界對其隆升和地殼縮短的機制及動力學過程仍未達成共識.印度板塊相對青藏高原的俯沖形態(tài)，青藏高原地殼縮短的方式是簡單的地殼俯沖疊加、陸內(nèi)均勻變形、還是陸內(nèi)巖片側(cè)向擠出，以及青藏高原快速隆升的機制等這些核心問題尚待探明，至今仍存在爭論（Tapponnier et al，1982；England，Houseman，1986；England，Molnar，1997）.

20世紀20—30年代，各向異性的概念被引入地震學領域，當時在進行橫波（即剪切波）勘探中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有地震波理論不能解釋的剪切波分裂等現(xiàn)象.橫向偏振的剪切波在通過各向異性固體時，分裂成兩個近似垂直的震相，這種現(xiàn)象被稱作剪切波分裂.這兩個震相的傳播速度和振動方向均不同，這意味著它們在粒子運動偏振圖上會有特征性的差別，由此揭示出地下介質(zhì)存在各向異性.

到20世紀60年代，Hess（1964）發(fā)現(xiàn)了海底擴張學說的有力證據(jù)，即垂直太平洋中脊的P波傳播速度比平行太平洋中脊的速度快.這一發(fā)現(xiàn)促使地球物理和地質(zhì)學界的目光轉(zhuǎn)向?qū)Φ厍虿煌瑯?gòu)造環(huán)境中各向異性現(xiàn)象的觀測研究.各向異性現(xiàn)象廣泛存在于地殼、地幔和地核等各圈層，表現(xiàn)為不同的尺度，大到上地幔、軟流圈，小至單礦物、巖石和包體，都可能存在不同程度的各向異性 （Vinnik et al，1992；Rabbel，Money，1996；Poirier，Price，1999；滕吉文等，2000）.而一些證據(jù)更表明上地幔過渡帶（400—520km和660km）以及D″層也存在明顯的各向異性（Smith et al，2001；Yang et al，2002；蘇偉等，2008）.隨著實驗設備及方法的改進，通過地震各向異性觀測，可以獲取地球內(nèi)部動力學過程、構(gòu)造變形及地幔對流等信息，對青藏高原深部過程具有重要的科學研究價值.本文概述了青藏高原的動力學模型，并總結(jié)了青藏高原及其周緣地區(qū)各向異性的研究進展，以展望未來的研究趨勢.

1 青藏高原動力學模型

從20世紀起，研究人員就不斷提出各種動力學模型，試圖解釋青藏高原隆升和地殼縮短的機制及動力學過程.Argand（1924）提出印度地盾向北長距離俯沖楔入青藏高原地殼之下，以此來解釋青藏高原厚度雙倍于正常地殼厚度，而這一說法成了最早解釋青藏高原成因的動力學模型，對青藏高原的構(gòu)造研究產(chǎn)生了深遠的影響.Dewey和Burke（1973）則提出均勻形變模型，認為剛性的印度板塊將青藏高原向北推擠，從而導致了青藏高原的巖石圈加厚.Tapponnier和 Molnar（1976）分析了包括青藏高原在內(nèi)的整個東亞的構(gòu)造，并結(jié)合構(gòu)造模擬實驗，提出滑線場理論，認為剛性的印度板塊向北推擠，楔入了歐亞板塊內(nèi)部，引起青藏高原和東亞向東產(chǎn)生大規(guī)模的構(gòu)造逃逸.這一模型打破了傳統(tǒng)概念，板塊不再被認為是統(tǒng)一的剛體，為從大陸動力學機制出發(fā)研究青藏高原的形成開辟了新的思路.

20世紀80年代之后，地表GPS測量技術(shù)的提高，使得更加詳細地揭示青藏高原的現(xiàn)代地殼運動狀態(tài)成為可能，再加上地殼應力和各向異性等方法的利用為青藏高原的研究積累了大量的地表和深部資料，由此產(chǎn)生了多種關(guān)于青藏高原形成和演化的動力學模型.

Nelson等（1996）將下地殼流動機制引入到青藏高原新生代構(gòu)造過程的解釋之中.青藏高原地區(qū)具有異常高的熱流值及地殼雙倍加厚，下地殼處于較高溫度狀態(tài).在該狀態(tài)下，青藏高原內(nèi)廣泛發(fā)育殼內(nèi)低速層和部分熔融體，而部分熔融體的存在勢必導致中下地殼進一步弱化.弱化的中下地殼在重力作用下平衡產(chǎn)生高而平坦的高原面.他們認為，青藏高原存在著足夠軟、弱的中下地殼，其在一定的剪應力梯度或側(cè)向壓力梯度下產(chǎn)生側(cè)向流動從而構(gòu)成了高原物質(zhì)逃逸的通道.

Royden等（1997）首次用“管道流”（channel flow）模型來解釋青藏高原東緣的地貌變化.“管道流”模型基于下地殼流動，即高原下地殼向東流動推擠青藏高原東部升高，進而向東側(cè)擴張.若相鄰的東部地殼相對較弱，則向東流動會相對容易，會出現(xiàn)諸如青藏高原東南緣的較低梯度變化的地形；若相鄰地殼較強，影響了東向的地殼流動，則會形成諸如龍門山與四川盆地交匯地區(qū)的梯度變化較大的高原邊緣 （Clark，Royden，2000）.

Tapponnier等（2001）則認為青藏高原的隆升呈現(xiàn)出階段式的發(fā)展，其源自不同的巖石圈塊體之間的局部剪切作用.他們提出解釋這種擴展過程的階梯式增長（stepwise growth）模型，并指出青藏高原的形成是斜向向北次第變新的3個階段漸進過程.

拆沉（delamination）作用也被認為對青藏高原的形成有貢獻.拆沉理論是近些年來提出的用于解釋造山帶后期青藏高原的隆起和變形.其理論依據(jù)是：巖石圈地幔雙倍增厚，根部變冷導致重力不穩(wěn)定從而下沉剝離進入軟流圈，相對較熱較輕的軟流圈地幔物質(zhì)上升取代較重的巖石圈根部.上升的軟流圈起到了熱墊的作用，巖石圈由于平均密度變小而在浮力作用下快速抬升.這種觀點得到不少研究人員的支持（鐘大賚，丁林，1996）.

姜枚等（2001）和許志琴等（2004，2006）總結(jié)了青藏高原內(nèi)部及周邊的各向異性資料，并結(jié)合其構(gòu)造結(jié)構(gòu)，提出青藏高原隆升的動力學模型：南部印度巖石圈向陸內(nèi)俯沖，北部克拉通向陸內(nèi)淺俯沖，中部深地幔熱結(jié)構(gòu)的右旋隆升及物質(zhì)向東擠出.

Sun等（2012）提出三維地殼模型，展示了下地殼流在青藏高原東南緣的地殼結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方式（圖1），并對下地殼流動模型對地殼結(jié)構(gòu)和形變的影響進行了推測.

綜上，青藏高原動力學模型大致可分為4類：① 俯沖模型，平面上表現(xiàn)為從單向俯沖向雙向俯沖或三向俯沖及多次俯沖發(fā)展，剖面上表現(xiàn)為從淺俯沖到深俯沖以及超深俯沖的發(fā)展趨勢；② 碰撞模型，從板塊碰撞、地殼和巖石圈擠壓縮短均勻變形加厚發(fā)展到上、下地殼分層加厚和多階段隆升模式；③ 擠出模型，印度板塊向北推擠造成青藏高原中部及東南塊體東向的構(gòu)造逃逸，并形成青藏高原系列大型走滑斷裂系統(tǒng)；④ 拆沉－板片斷離模型，巖石圈地幔根部剝離下沉到軟流圈中，被輕而熱的軟流圈地幔物質(zhì)上升所取代，在浮力作用下，巖石圈由于平均密度變小而快速抬升.

圖1 青藏高原東南緣的深部模型（引自Sun et al，2012）地形剖面為黑色線條，黃色箭頭表示地殼流的流動方向Fig.1 Deep model in the southeastern margin of the Tibetan Plateau（after Sun et al，2012）Topographic profiles along the west and south sides of the studied area are shown as black lines.Yellow arrows on the topographic surface illustrate the direction of the lower crust flow

不同動力學模型側(cè)重面不同，均有一些證據(jù)，然而均存在尚待解釋的一面.從現(xiàn)有研究來看，印度板塊與歐亞板塊經(jīng)歷了復雜的地質(zhì)過程完成拼接，其形成應是多種因素綜合作用的結(jié)果，單一模型勢必不能圓滿地解釋觀測現(xiàn)象.為了建立一個青藏高原形成機制的綜合模型，需要從地表GPS觀測結(jié)果、斷層構(gòu)造、殼內(nèi)低速層和部分熔融體發(fā)育狀況及深部結(jié)構(gòu)等方面進行綜合討論.通過分析塊體各向異性特征獲得常規(guī)手段難以得到的深部信息，將有助于動力學分析和構(gòu)造過程的推演.

2 青藏高原及其周緣地區(qū)各向異性研究

自20世紀90年代以來，對于青藏高原地震方位各向異性的研究，最常用的方法是剪切波分裂法.一般認為遠震剪切波分裂（SKS，PKS，SKKS）所反映的各向異性主要是由上地幔引起的（鄭斯華，高原，1994），而利用接收函數(shù)方法來研究各向異性也是一種常用方法.接收函數(shù)的莫霍面轉(zhuǎn)換震相Ps在地殼的各向異性介質(zhì)中會發(fā)生分裂，用波形互相關(guān)法和切向能量最小法計算接收函數(shù)Ps波的分裂參數(shù)，此法傳承于SKS分裂方法（高原，滕吉文，2005）.

Hirn等（1995）和Lav等（1996）對青藏高原印度－雅魯藏布縫合帶進行各向異性研究，發(fā)現(xiàn)該縫合帶以北的地震各向異性相對較強，特別在藏北的Sn波缺失地區(qū)觀察到了較強的快慢波到時差（2.4—2.52s）.他們認為，印度－亞洲巖石圈的碰撞促使軟流圈產(chǎn)生流動，因而在喜馬拉雅和青藏高原下方產(chǎn)生各向異性.

McNamara等（1994）也利用波形互相關(guān)法和切向能量最小法研究了青藏高原地區(qū)下方的地殼各向異性，得到了11個臺站的快波偏振方向和慢波到時，但他們將青藏高原的各向異性歸結(jié)為巖石圈中的有限應變.

Chen和?zalaybey（1998）及Chen等（2010）則更進一步推測青藏高原中部顯著的地震各向異性揭示了北部變形的亞洲巖石圈與南部剛性的印度巖石圈的邊界.Chen等（2010）對西藏中西部的研究表明，S波雙折射向西藏腹地有兩次顯著的幅度增加；第一次雙折射增加（區(qū)分時間Δt＝（0.1±0.1）s）持續(xù)至印度－雅魯藏布江縫合帶以北約75km，位于印度地盾與西藏南部的拉薩地塊之間；第二次，在班公湖－怒江縫合線以北約100km處，即在西藏中部拉薩地塊與羌塘地塊之間雙折射出現(xiàn)快速增長.他們據(jù)此推測，印度－雅魯藏布縫合帶偏北處可能是歐亞巖石圈地幔的末端，班公湖－怒江縫合線以北則是印度地盾嵌入歐亞巖石圈的末端.

Ozacar和Zandt（2004）用鄰域算法（neighborhood algorithm）反演了青藏高原中部附近地殼結(jié)構(gòu)，得到一含有傾斜界面且各向異性與各向同性介質(zhì)互層的地殼模型.

近年來很多研究人員在青藏高原東北緣地區(qū)開展剪切波各向異性研究，基于遠震剪切波分裂的研究表明該地區(qū)上地幔各向異性存在明顯的橫向不均勻性.在其北部和東南部地區(qū)，快波偏振方向在北部呈北東向，在東部邊緣呈北西向，東南部地區(qū)則表現(xiàn)為近南北向，總體上各向異性強度比較大且與構(gòu)造走向近似平行，由此可推測各向異性主要起源于巖石圈地幔.Holt（2000）和Huang等（2000）通過對比GPS的觀測結(jié)果與上地幔各向異性分布結(jié)果認為，上地幔變形與上覆地殼變形可能具有垂直連貫變形特征.但這一觀點與Clark等（2005）和Copley（2008）通過地震層析成像和數(shù)值力學模擬所獲取的中下地殼存在管道流且上地殼與上地幔變形解耦的結(jié)論相矛盾.而在南部和喜馬拉雅地區(qū)，各向異性很弱，幾乎觀測不到各向異性（Hirn et al，1995；Sandvol et al，1997）.對于此現(xiàn)象的解釋尚無定論，目前主要存在以下兩種看法：①該地區(qū)存在雙層各向異性介質(zhì)，對稱軸相互垂直的雙層各向異性共同作用，導致觀察到的各向異性大為減弱；②Sandvol等（1997）提出的俯沖的印度板塊各向同性模型.

張輝等（2012）和王瓊（2012）基于位于青藏高原東北緣的甘肅區(qū)域臺網(wǎng)41個寬頻帶地震臺站的遠震波形資料，通過對XKS（即SKS，PKS和SKKS）震相的剪切波分裂分析，獲取了臺站下方介質(zhì)的各向異性分裂參數(shù)，得到該地區(qū)上地幔的各向異性分布圖像（圖2，3）.他們聯(lián)合地殼剪切波各向異性與GPS速度場，分析了青藏高原東北緣的殼幔各向異性特征與形成機制.結(jié)果表明，各向異性快波偏振方向在阿爾金斷裂帶西側(cè)與斷裂帶走向存在一定的角度偏差，呈WNW-ESE方向.其方向與塔里木盆地俯沖入柴達木盆地的方向大體相同，表明該區(qū)古構(gòu)造運動影響了其上地幔變形.各向異性快波偏振方向在祁連山—河西走廊構(gòu)造區(qū)與區(qū)域斷層走向方向相同，呈NW-SE方向；由區(qū)域小震的地殼剪切波分裂分析得到的地殼剪切波快波偏振在該區(qū)域與相對于穩(wěn)定的歐亞大陸的GPS運動速率一致，呈NE-SW方向.殼?？觳ㄆ穹较虻牟町惐砻髁藲めＷ冃慰赡芷鹨蛴诓煌臋C制（王瓊等，2013）.

石玉濤等（2013）給出了松潘—甘孜地塊東部、川滇地塊北部與四川盆地西部的地殼剪切波分裂結(jié)果.高原等（2013）通過分析地殼剪切波分裂，揭示了龍門山斷裂帶區(qū)域的地殼主壓應力方向及其與斷裂之間的關(guān)聯(lián)（圖4）.結(jié)合蘆山地震余震的定位結(jié)果，高原等（2013）認為蘆山地震的破裂區(qū)與汶川地震的破裂區(qū)并未貫通，二者之間形成了一個“破裂空段”.

圖2 青藏高原東北緣地震各向異性快波偏振分布圖（引自王瓊等，2013）Fig.2 Distribution of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Tibetan Plateau（after Wang et al，2013）

圖3 青藏高原東北緣剪切波偏振等面積投影玫瑰圖（引自王瓊等，2013）（a）、（b）為快剪切波偏振方向在西部的等面積投影玫瑰圖；（c）、（d）為快剪切波偏振方向在東部的等面積投影玫瑰圖.其中（a）和（c）顯示XKS震相的結(jié)果，（b）和（d）顯示直達S波的結(jié)果Fig.3 Equal-area projection rose diagrams of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Tibetan Plateau（after Wang et al，2013）（a）and（b）are the fast polarization in the west of northeastern margin of Tibetan Plateau，（c）and（d）are that in the east of northeastern margin of Tibetan plateau；（a）and（c）are for XKS；（b）and（d）are for the direct S-wave

上述諸多剪切波各向異性研究成果為青藏高原的演化提供了新的深部構(gòu)造約束.根據(jù)剪切波分裂資料產(chǎn)生了多種青藏高原的構(gòu)造演化模式.例如，呂慶田等（1996）認為巖石圈內(nèi)部北東向流動變形與沿大型走滑斷裂帶方向的旋轉(zhuǎn)是青藏高原地殼縮短的主要原因；Huang等（2000）則推測藏北上地幔受到南部印度巖石圈北向擠壓向東流動而造成地幔加厚，之后由于重力的不穩(wěn)定性導致了拆離.

圖4 地殼剪切波分裂快剪切波偏振方向在研究區(qū)的等面積投影玫瑰圖（引自高原等，2013）圖中龍門山斷裂帶被藍色虛線圈分為A，B，C等3段Fig.4 Equal-area projection rose diagrams of fast shear-wave polarizations in the southeastern margin of Tibetan Plateau（after Gao et al，2013）The Longmenshan fault zone is divided into A，B，Cthree sections.Black line represents the fault zone.One pair of white arrows indicate the direction of principal compressional stress.Blue triangles represent seismic stations，white triangles represent the mobile seismic stations，yellow asterisks represent the 2008Wenchuan MS8.0 earthquake and the 2013Lushan MS7.0earthquake

目前青藏高原的構(gòu)造模型大多建立在地球物理資料與地質(zhì)考察相結(jié)合的基礎上，而高溫高壓巖石物理及流變學等學科的約束則相對欠缺，因此大多數(shù)是定性結(jié)果，難以得出定量結(jié)論，這在很大程度上限制了青藏高原隆升機制的研究.

近年來，利用面波研究地震方位各向異性在較大程度上加強了當前急需對各向異性深度的約束.根據(jù)頻散瑞雷波的傳播特性，不同頻率的瑞雷波反映了不同深度層內(nèi)介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)和方位各向異性.據(jù)此，采用相應周期段的方位各向異性可以用來研究地殼、巖石圈地幔和軟流圈等不同深度的地層的形變特征.相比剪切波分裂方法，面波方位各向異性能夠為地震各向異性研究提供深度約束.但由于當背景噪聲源分布不均時，其源的方位角分布會與介質(zhì)的方位各向異性耦合在一起（Stehly et al，2007），并且在反演過程中面波方位各向異性也會與相速度相互耦合，因而結(jié)果具有多解性.因此利用面波方位各向異性研究青藏高原東部地區(qū)地震各向異性的成果比較少.目前對于面波反演，已經(jīng)有了一種新方法，被稱為程函成像（Eikonal tomography）（Lin et al，2009），該方法不用進行傳統(tǒng)意義的“反演”就可以得到穩(wěn)定的結(jié)果.如果考慮有限頻，則可以用亥姆霍茲成像（Helmholtz tomography）（Lin，Ritzwoller，2011）.蘇偉等（2008）利用瑞雷波群速度獲得的方位各向異性結(jié)果表明：青藏高原東北緣中部巖石圈和軟流圈均顯示近東西向的快波方向，強度由3%隨深度逐漸減小至軟流圈的1.2%；在其偏東部，地殼與上地幔的快波方向一致，為北西—南東向，但強度由地殼的4%減少至上地幔的2%.易桂喜等（2010）利用瑞雷波相速度獲取的各向異性快波方向分布與蘇偉等（2008）結(jié)果近乎一致，但各向異性強度存在較大差異.雖然面波各向異性分析方法具有較好的垂向分辨率，但其橫向分辨率比較低，并且長周期面波對上地幔深部缺乏約束，因而也難以得到精確的分析解釋.近兩年，背景噪聲面波的各向異性也開始應用于青藏高原及其周緣地區(qū)的深部物質(zhì)運動研究之中（王瓊，2012）.由于背景噪聲從數(shù)據(jù)源來說，不依賴于地震的發(fā)生，因而具有更廣泛的應用前景.

3 討論與結(jié)論

目前青藏高原各向異性研究主要側(cè)重于探索深部各向異性結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段已經(jīng)取得了令人矚目的理論和實際應用成果，在解釋大陸巖石圈的縮短機制、高原深部構(gòu)造及隆升機制、碰撞巖漿活動、地幔剝離作用等大陸動力學的一系列基本問題上起到了重要作用.但也應看到，青藏高原各向異性研究還需要在以下方面繼續(xù)推進：

1）為了定量解釋各向異性，需要了解深部結(jié)構(gòu)與各向異性之間的關(guān)系.大部分研究人員認為青藏高原各向異性主要是由地幔流動使橄欖石的晶格定向排布而產(chǎn)生的，其深度集中于上地幔和軟流圈（嵇少丞等，1989；金振民等，1994）.而一些證據(jù)表明，青藏高原北部莫霍面下的巖石圈地幔，由于較高的溫度導致了部分熔融作用.熔體在青藏高原北部巖石圈近東西向擠壓作用下進行定向分布，形成熔體優(yōu)選方位（melt preferred orientation，簡稱為MPO），從而強化了巖石圈各向異性.針對較長的青藏高原北部SKS震相分裂延時，楊曉松等（2002）認為熔體組構(gòu)的定向分布強化了巖石圈的各向異性.而Smith等（2001）也表明水引起的橄欖石組構(gòu)轉(zhuǎn)變可能會導致一些難以解釋的各向異性觀測結(jié)果.此外，裂隙定向排列、不同成分的層理等各種因素均會影響到對地幔各向異性的解釋，因此亟需對深部結(jié)構(gòu)與各向異性之間的關(guān)聯(lián)進一步深入研究.

2）尋找更加精細的研究手段.目前地震各向異性作為推斷大陸深部結(jié)構(gòu)變形的重要手段，主要基于地震波觀測資料反演各向異性參數(shù).巖石圈或上地幔各向異性研究中，應用最為廣泛的地震波震相為SKS波（包括PKS和SKKS）.SKS波擁有良好的橫向分辨率，可達50km（王永鋒，金振民，2005）.但由于遠震橫波分裂反映的各向異性是核幔邊界到臺站的整個路徑的整體各向異性，對各向異性層的深度分辨率還較低.因此不能提供深度的準確參數(shù)，對地區(qū)各向異性究竟起源于地殼、巖石圈地幔、還是軟流圈仍然無法得出一個確切的結(jié)論，從而導致對其分裂結(jié)果的解釋存在很大困難.面波各向異性則可以指示各向異性區(qū)深度，但其橫向分辨率很差.由于依靠目前較為粗糙的各向異性分布特征定性獲取地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及變形，且研究分析方法單一和反演具有多解性，致使一些研究結(jié)果相互沖突.就目前來看，將面波與體波進行聯(lián)合反演可以更好地約束各向異性的分辨率，而將地球動力學模擬等正演手段與地震波各向異性等反演手段相結(jié)合也可能是未來的趨勢之一.

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