中國(guó)東北地區(qū)北部上地幔各向異性及其動(dòng)力學(xué)意義

強(qiáng)正陽(yáng), 吳慶舉

中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081

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中國(guó)東北地區(qū)北部上地幔各向異性及其動(dòng)力學(xué)意義

強(qiáng)正陽(yáng), 吳慶舉*

中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081

中國(guó)東北地區(qū)廣泛發(fā)育新生代板內(nèi)火山，晚中生代以來(lái)巖石圈遭受過(guò)多期拉張作用.作為中國(guó)唯一的深震孕育區(qū)，中國(guó)東北地區(qū)受到太平洋板塊的西向俯沖，使得其成為研究巖石圈變形、板塊俯沖和板內(nèi)火山成因及其相互作用關(guān)系的天然實(shí)驗(yàn)室.通過(guò)分析架設(shè)在中國(guó)東北地區(qū)北部的147個(gè)流動(dòng)和固定臺(tái)站的SKS波形數(shù)據(jù)，共計(jì)得到了377對(duì)各向異性參數(shù)和251個(gè)無(wú)效分裂結(jié)果.結(jié)果表明，中國(guó)東北地區(qū)東西兩側(cè)具有不同的各向異性分布：西部地區(qū)各向異性方向變化范圍為N143-199°E，平均N169°E,與晚中生代巖石圈伸展方向一致；其各向異性延遲時(shí)間平均值約為0.8 s，說(shuō)明來(lái)自地幔的各向異性比較微弱，主要由殘留在巖石圈中的古老變形所引起.同時(shí)，在松遼盆地和佳木斯地塊部分區(qū)域，觀測(cè)到延遲時(shí)間較小的各向異性(～0.4 s)，可能是由于巖石圈的拆沉和熱地幔物質(zhì)的上涌侵蝕了保留在巖石圈的古老形變所致.在研究區(qū)東部，NNW-SSE朝向的各向異性被觀測(cè)到，并伴隨較大的延遲時(shí)間(大于1.0 s)，可能與太平洋板塊撕裂回撤而產(chǎn)生的地幔流動(dòng)有關(guān).此外，近W-E方向的各向異性只在佳木斯地塊被觀測(cè)到，而太平洋板塊在地幔過(guò)渡帶中的俯沖可能是其產(chǎn)生的主要成因.

中國(guó)東北; 剪切波分裂; 地震各向異性; SKS震相

1 引言

中國(guó)東北地區(qū)位于中亞造山帶的東緣，被西伯利亞板塊、華北板塊、西太平洋板塊所夾持(eng?r et al.,1993).區(qū)域上由一系列古代增生楔和微陸塊拼接而成(張興洲等，2006)，主要包括興安陸塊、松遼陸塊和佳木斯陸塊，并被嫩江—賀根山縫合帶和牡丹江縫合帶所分割(Wu et al., 2002)(圖1).普遍認(rèn)為該區(qū)域經(jīng)歷過(guò)兩個(gè)時(shí)期的構(gòu)造演化：在古生代，構(gòu)造演化主要受到了位于西伯利亞克拉通和華北克拉通之間的古亞洲洋的影響；然而自侏羅紀(jì)以來(lái)，太平洋板塊的俯沖則成為控制該區(qū)域構(gòu)造演化的主要因素.研究區(qū)廣泛發(fā)育NNE-SSW向盆地構(gòu)造單元，并在大興安嶺、小興安嶺和長(zhǎng)白山形成三條火山帶.目前對(duì)盆地和板內(nèi)火山的形成機(jī)制仍不明確.一些學(xué)者認(rèn)為板塊內(nèi)部斷裂是軟流圈上涌和太平洋板塊、歐亞板塊和印度板塊綜合作用的結(jié)果(Ren et al., 2002).通過(guò)高分辨率地震波成像研究，Zhao等(2009)提出大地幔楔模型，認(rèn)為太平洋滯留板塊對(duì)于板內(nèi)火山的形成具有重要作用.而最新接收函數(shù)研究結(jié)果表明，長(zhǎng)白山火山的成因主要受到地幔柱控制，而與滯留在地幔過(guò)渡帶中的太平洋板塊可能沒(méi)有直接關(guān)系(Liu et al., 2015).

地震各向異性是研究巖石圈變形和地幔流動(dòng)最直接有效的方法之一(Silver, 1996; Savage, 1999; Long and Silver, 2009).地震各向異性主要通過(guò)兩個(gè)分裂參數(shù)來(lái)描述：快波極化方向(φ)和快慢波延遲時(shí)間(δt)，它們分別描述了各向異性的方向和程度，是解釋各向異性的關(guān)鍵.研究表明，由SKS分裂所測(cè)到的各向異性主要是由上地幔中橄欖石或是其他易變形的礦物晶軸優(yōu)勢(shì)排列(lattice preferred orientations, LPO)所引起(Christensen, 1984; Nicolas and Christensen, 1987).巖石圈中的各向異性通常被認(rèn)為與巖石圈遭受的最后一次形變有關(guān)(Silver and Chan, 1991; Silver et al., 2001)，而軟流圈中的各向異性則常常受到地幔流動(dòng)影響(Vinnik et al., 1992).前人在俯沖帶及弧后環(huán)境利用剪切波分裂手段開展了眾多各向異性的研究工作.但是由于俯沖板塊形態(tài)及地幔流類型的復(fù)雜性，平行于海溝或是垂直于海溝等多種方向的各向異性均被觀測(cè)到，并且各向異性的時(shí)間也不穩(wěn)定(Long and Silver, 2008).為了解釋各向異性成因機(jī)制，前人提出多種俯沖帶上地幔各向異性模型，例如各向異性存在于地幔楔中由于板塊俯沖而產(chǎn)生的地?；亓?Fischer et al., 2000)，各向異性平行于海溝的B型橄欖石結(jié)構(gòu)(Jung and Karato, 2001; Jung et al., 2009)，亦或是存在于俯沖板片內(nèi)的結(jié)構(gòu)(Sandvol and Ni, 1997)等.

受到地震資料的限制，前人在中國(guó)東北地區(qū)開展的各向異性研究工作較少，對(duì)于上地幔各向異性成因的認(rèn)識(shí)還不夠全面.有學(xué)者認(rèn)為，中國(guó)東北地區(qū)東部W-E朝向的各向異性來(lái)源于太平洋俯沖板塊中亞穩(wěn)定橄欖石晶體的定向排列，西部地區(qū)近N-S朝向的各向異性還可能受到地幔流動(dòng)的影響(Liu et al., 2008).Li和Niu(2010)的研究結(jié)果表明，中國(guó)東北地區(qū)NW-SE向的各向異性是由殘留在巖石圈中的古老拉張變形所引起.

本次研究中，我們使用了密集的流動(dòng)地震臺(tái)陣資料，橫穿了大興安嶺、松遼盆地和佳木斯地塊三個(gè)主要的構(gòu)造單元(圖1)，為我們更為精細(xì)地描畫該區(qū)域上地幔各向異性結(jié)構(gòu)提供了絕好的機(jī)會(huì).同時(shí)，我們將所得到剪切波測(cè)量結(jié)果與前人的研究做了對(duì)比，并從巖石圈和軟流圈的角度討論了上地幔各向異性的可能成因，為建立研究區(qū)上地幔結(jié)構(gòu)模型提供必要約束.

圖1 研究區(qū)域周邊情況及臺(tái)站分布圖流動(dòng)和固定地震臺(tái)的位置分別用黑色和藍(lán)色的圓點(diǎn)表示，而新生代火山的位置用紅色三角表示.灰色粗線是南北重力梯度帶，白色實(shí)線是太平洋俯沖板塊等深線，紅色的虛線是縫合線的位置.斷層F1和F2是郯廬斷裂的兩個(gè)分支.Fig.1 Map showing geology of the study area and surrounding regions and distribution of seismic stationsThe black and blue dots indicate stations associated with our temporary seismic stations and Chinses national and regional seismic networks, respectively. The red triangles denote the Holocene volcanoes.The grey wide line represents the North South Gravity lineament, and the red dash lines represent the suture zone. Faults F1 and F2 are the two branches of the Tanlu fault. The white lines denote the isobaths curve of the subducting Pacific plate.

2 數(shù)據(jù)與方法

2009年6月至2011年8月，受到國(guó)家自然基金委和國(guó)土資源部實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)的資助，我們?cè)谥袊?guó)東北地區(qū)布設(shè)了2條北西—南東方向的流動(dòng)測(cè)線，臺(tái)站間距約20km，共計(jì)116套寬頻帶地震計(jì).同時(shí)，還收集了測(cè)線周邊國(guó)家和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)中30個(gè)固定臺(tái)站同期波形數(shù)據(jù)(鄭秀芬等，2009).此外，我們還從美國(guó)地震學(xué)聯(lián)合研究會(huì)(IRIS)下載了MDJ臺(tái)(44.62°N，129.59°E，位于牡丹江)1997年1月到2013年5月的波形數(shù)據(jù)，用于研究資料的補(bǔ)充.

圖2 事件震中分布圖Fig. 2 The distribution map of the epicenters

在本次研究中，遠(yuǎn)震SKS震相被用來(lái)測(cè)量臺(tái)站下方的各向異性.雖然所用事件絕大部分來(lái)自南太平洋地區(qū)，反方位角集中分布在120°～150°之間，但是加之其他區(qū)域也有部分事件分布，所以事件方位分布總體上滿足研究的要求.我們挑選震中距大于80°，震級(jí)大于5.0的地震事件，以期獲得高信噪比的SKS震相.我們所使用的地震事件目錄來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)，IASP91地球參考模型(Kennett and Engdahl, 1991)則用于計(jì)算波形的到時(shí).最終我們選取了132個(gè)地震事件(圖2)，用于地震各向異性的測(cè)量.

為了更加有效地處理大批量剪切波數(shù)據(jù)，我們使用SplitLab軟件(Wüstefeld et al., 2008)來(lái)獲取剪切波分裂參數(shù).它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了旋轉(zhuǎn)相關(guān)(RC)的方法(Bowman and Ando, 2007)和切向最小能量(SC)的方法(Silver and Chan, 1991)，從而不僅可以驗(yàn)證分裂結(jié)果的有效性，而且還可以判斷出無(wú)效分裂(null)的結(jié)果(Wüstefeld et al., 2008).無(wú)效分裂結(jié)果可能來(lái)源于以下三個(gè)方面的原因(Savage, 1999)：(1)不存在明顯的水平各向異性；(2)存在水平單層各向異性結(jié)構(gòu)，但是快波方向平行或垂直于事件反方位角方向；(3)存在多層或是直立傾斜各向異性層位等復(fù)雜各向異性結(jié)構(gòu).對(duì)于每一個(gè)事件，我們?cè)跍y(cè)量各向異性參數(shù)之前進(jìn)行濾波處理(0.02～1 Hz)，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好的事件直接使用原始數(shù)據(jù)，保證分裂結(jié)果的可靠性.圖3中所展示的是我們使用上述方法所得到的一個(gè)事件的處理結(jié)果，可以看出不同方法所得到的剪切波分裂參數(shù)還是非常一致的.

參照Wüstefeld等(2008)對(duì)分裂結(jié)果的判別標(biāo)準(zhǔn)，我們同時(shí)考慮以下三個(gè)方面對(duì)所得分裂結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí)(good，fair和poor)：(1)原始波形的信噪比；(2)校正前后質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡；(3)等值線極值的收斂程度.最終我們只保留good和fair的處理結(jié)果，并且考慮到測(cè)量誤差的影響，將延遲時(shí)間小于0.4 s的分裂結(jié)果認(rèn)為是無(wú)效分裂.在所有147個(gè)臺(tái)站中，129個(gè)臺(tái)站得到了測(cè)量結(jié)果.其中有40個(gè)臺(tái)站只得到了無(wú)效分裂，47個(gè)臺(tái)站只得到了有效分裂.在結(jié)果分析中，考慮到結(jié)果的穩(wěn)定性，我們采用SC方法得出的分裂參數(shù)，而RC方法所得結(jié)果只會(huì)被用做最終結(jié)果的質(zhì)量評(píng)定.

3 剪切波分裂結(jié)果

本次研究在90個(gè)臺(tái)站得到了共計(jì)377對(duì)各向異性參數(shù)，在88個(gè)臺(tái)站獲得了251個(gè)null的結(jié)果.有效分裂的各向異性結(jié)果被展示在表1中，其中包含RC和SC方法的詳細(xì)測(cè)量參數(shù).為了便于分析和討論，我們將每一組各向異性參數(shù)繪制在圖4a中，將所有null的結(jié)果繪制在圖4b中.

同時(shí)，我們還將測(cè)量結(jié)果與前人剪切波分裂研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.即我們分別和Li和Niu(2010) 與Huang等(2011) 在相同的14個(gè)和6個(gè)臺(tái)站上取得分裂結(jié)果(圖5).在GNH臺(tái)，我的測(cè)量到的各向異性方向雖然與Li和Niu(2010)較為一致，相差只有8°，但是與Huang等(2011)的結(jié)果相差66°；在JMS臺(tái)，我的測(cè)量到的各向異性方向和Li和Niu(2010)的結(jié)果有48°的差異.除去這2個(gè)臺(tái)的結(jié)果，在其他相同臺(tái)站上，我們測(cè)量到的快波偏振方向與Li和Niu(2010)的結(jié)果平均只有9°的偏差，與Huang等(2011)的結(jié)果平均有14°的差異.前人在MDJ臺(tái)測(cè)量所得結(jié)果較多，快波方向平均最大值為118°(Zheng and Gao, 1994), 最小值為78°±8°(Li and Niu, 2010), 而本研究得到的快波平均方向?yàn)?9°±29°.總體上來(lái)說(shuō)，我們得到的結(jié)果與前人的基本一致，說(shuō)明了本次研究所得各向異性參數(shù)的可靠性.

為了更好地闡明研究區(qū)各向異性的特點(diǎn)，我們根據(jù)各向異性參數(shù)所表現(xiàn)出來(lái)的區(qū)域性特點(diǎn)將研究區(qū)劃分為兩個(gè)部分：第一部分包含松遼盆地中西部及大興安嶺地區(qū)(Part A)；第二部分包含松遼盆地東部區(qū)域及佳木斯地塊(Part B).

圖3 使用SplitLab軟件獲取SKS震相分裂參數(shù)的示例左上方顯示的是各向異性校正之前的初始地震波形：實(shí)線代表切向分量，虛線代表徑向分量；垂直的虛線是理論震相到時(shí)，陰影區(qū)域?yàn)橛?jì)算時(shí)窗.右上角顯示的是結(jié)果的水平投影.上方中間顯示事件信息以及三種方法所得的分裂參數(shù).中間一行是旋轉(zhuǎn)相關(guān)法(RC)所得結(jié)果：(a)快波和慢波波形對(duì)比圖；(b)經(jīng)過(guò)校正的徑向分量和切向分量；(c)校正前后的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)軌跡；(d)相關(guān)系數(shù)隨延遲時(shí)間和快波方向變化的極值圖.最后一行展示的是最小能量法(SC)的結(jié)果：(e)快波和慢波波形對(duì)比圖；(f)經(jīng)過(guò)校正的徑向分量和切向分量；(g)校正前后的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)軌跡；(h)切向分量最小能量圖.Fig.3 Example of a SKS splitting measurement using the SplitLab packageThe upper left panel shows the initial seismograms before anisotropy correction: solid line is transverse component, dashed line is radial component, vertical dashed lines are theoretical phase arrival times and the shaded area represents the selected calculation window. The upper right panel represents a stereoplot of the result. Header shows the specification of teleseismic event as well as splitting parameters resulting from the three techniques. Center panels display the results from the Rotation-Correlation (RC) technique: (a) normalized components after rotation in RC anisotropy system; (b) corrected radial (dashed) and transverse (solid) components; (c) particle motion before (dashed) and after (solid) RC correction and (d) contour plot for the maximum value of correlation coefficient as function of delay time and fast polarization angle. Lower panel displays the results from the minimum energy (SC) technique: (e) normalized components after rotation in SC anisotropy system; (f) corrected radial (dashed) and transverse (solid) components; (g) SC particle motion before and after correction and (h) map of minimum energy on transverse component.

從圖4a中我們可以看到，在Part A中，除去在GNH臺(tái)站測(cè)量到一組N111°E的快波方向，所有臺(tái)站下方的各向異性方向都集中在N143°E—N199°E范圍內(nèi)，平均值接近N169°E.此外可以明顯看出，在松遼盆地西側(cè)邊緣，各向異性方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)(圖6)，這種情況也在EH測(cè)線中表現(xiàn)出來(lái)(例如，EH42和EH43).在盆地中央，各向異性的方向則發(fā)生短暫的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，之后又變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)(從ZLT到SM37).另一方面，各向異性的延遲時(shí)間從0.4 s變化至1.6 s，平均值為0.85±0.23 s.如果假設(shè)各向異性程度為4%，那么該區(qū)域平均延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)著98±26 km的各向異性層厚度(Silver, 1996).值得注意的是在松遼盆地內(nèi)(例如SM32等)和佳木斯地塊部分臺(tái)站(例如 EH24、YIL和SM47等)，各向異性的延遲時(shí)間達(dá)到最小0.4 s左右，而位于松遼盆地西側(cè)臺(tái)站的各向異性延遲時(shí)間都比較穩(wěn)定，維持在0.9±0.2 s.

相比較Part A中一致的NNE-SSE各向異性朝向，Part B中的各向異性就顯得十分雜亂，NNW-SSE和W-E方向被同時(shí)觀測(cè)到.NNW-SSE方向的各向異性方向變化范圍為N155°E—N196°E，平均N172°E±11°.而其延遲時(shí)間的差異則十分明顯，最小0.4 s，最大可達(dá)1.7 s.在相距80 km的LBE臺(tái)站和EH13臺(tái)站，延遲時(shí)間從1.7 s驟變?yōu)?.8 s，這可能暗示著該區(qū)域存在多種各向異性的成因.另一方面，我們?cè)?5個(gè)臺(tái)站得到了W-E方向的各向異性，變化范圍是N63°E—N113°E，平均值為N91°E.

表1 中國(guó)東北地區(qū)北部臺(tái)站SKS震相分裂測(cè)量結(jié)果Table 1 The SKS splitting parameters for stations beneath the north of northeast China

續(xù)表1

續(xù)表1

圖4 (a) 各向異性方向和延遲時(shí)間展示圖，短線的方向與長(zhǎng)短分別代表各向異性方向和延遲時(shí)間，黑色圓點(diǎn)表示臺(tái)站的位置；(b)無(wú)效分裂結(jié)果展示圖，平行或垂直于事件的反方位角的方向用十字線來(lái)表示，而紅色的十字線代表只有無(wú)效分裂結(jié)果的臺(tái)站Fig.4 (a) Individual splitting measurement plotted at each temporary station is characterized by their azimuths and the delay time (orientation and length of the segment, respectively). Location of each station is represented by black dot. (b) Null measurements plotted at the station location as crosses whose bars parallel and perpendicular to the back-azimuth of the analyzed events. The red crosses represent the results of solely null measurements. Black dots are the location of each station

其快慢波延遲時(shí)間從0.5 s變化至1.4 s，平均值為0.85±0.25 s.其中有4個(gè)臺(tái)站(BAQ、HEG、MIH和SM47)同時(shí)觀測(cè)到了2個(gè)不同方向的各向異性.遺憾的是，由于事件數(shù)目較少且分布范圍集中，沒(méi)能歸納出雙層各向異性的模型.

既然我們?cè)趦蓚€(gè)相距較近的臺(tái)站得到了完全相反的各向異性結(jié)果，那么為了檢驗(yàn)這個(gè)差異是否真實(shí)地反映了上地幔結(jié)構(gòu)的差異，我們以MDJ和SM58臺(tái)為例進(jìn)行具體分析(圖7).在MDJ臺(tái)，有35個(gè)事件反方位角范圍在N134—147°E之間，得到各向異性方向?yàn)镹72—105°E.而在距MDJ臺(tái)以東不足70 km的SM58臺(tái)，有四個(gè)來(lái)自N133—141°E反方位角的事件，最終的到快波方向?yàn)镹9—15°E.這說(shuō)明來(lái)自同一個(gè)方向的地震事件在兩個(gè)臺(tái)站下方所得到的各向異性方向有顯著變化，類似的結(jié)果同樣也在HEG和JMS臺(tái)被觀察到，暗示該區(qū)域復(fù)雜的上地幔結(jié)構(gòu).

此外，在松遼盆地及佳木斯塊體區(qū)域，null結(jié)果的地震事件反方位角與剪切波分裂方向既不平行也不垂直，說(shuō)明存在多重復(fù)雜的各向異性成因；而在松遼盆地以西的區(qū)域，所有快波方向(除EH59和EH46)都被null結(jié)果所驗(yàn)證，表明該區(qū)域各向異性成因相對(duì)單調(diào).

4 討論

眾所周知，由于剪切波分裂所得到的各向異性是整個(gè)傳播路徑上的各向異性的積累，所以確定各向異性的深度就顯得十分困難.利用莫霍面Ps轉(zhuǎn)換波對(duì)研究區(qū)地殼各向異性的研究表明(張廣成等, 2013)，地殼介質(zhì)各向異性快慢波延遲時(shí)間約為0.15～0.3 s，相較SKS各向異性延遲小.吳晶等(2007)通過(guò)分析近震S波發(fā)現(xiàn)，中國(guó)北方的地殼各向異性變化范圍只有0.1～0.3 s，因此我們認(rèn)為中國(guó)東北地區(qū)地殼各向異性程度較弱，所測(cè)量到的各向異性主要來(lái)自于上地幔的貢獻(xiàn).

此外，剛性的巖石圈通常被認(rèn)為漂浮在軟流圈之上，由于巖石圈的運(yùn)動(dòng)拖曳軟流圈地幔而產(chǎn)生的各向異性通常會(huì)平行于板塊運(yùn)動(dòng)的方向(Vinnik et al., 1992).基于HS3-Nuvel1A板塊運(yùn)動(dòng)模型所得出的研究區(qū)歐亞板塊運(yùn)動(dòng)速度(相對(duì)于熱點(diǎn)參考系)為2 cm·a-1，方向N62°W(Gripp and Gordon, 2002)(圖8).顯然，絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向(APM)與我們測(cè)量所得到的絕大多數(shù)各向異性方向有較大差別，所以這種機(jī)制也可能不是產(chǎn)生各向異性的主要因素.

4.1 各向異性與巖石圈中的古老形變

通常認(rèn)為各向異性會(huì)記錄巖石圈最后一次構(gòu)造變形，無(wú)論這次變形發(fā)生在遠(yuǎn)古或是現(xiàn)今(Silver, 1996).從晚中生代以來(lái)，中國(guó)東北地區(qū)巖石圈經(jīng)歷了多期拉張作用(Ren et al., 2002).在侏羅紀(jì)時(shí)期，太平洋板塊向西的持續(xù)俯沖，導(dǎo)致中國(guó)東北地區(qū)巖石圈擠壓增厚.而在早白堊紀(jì)時(shí)期，由于俯沖板塊的轉(zhuǎn)向，巖石圈從擠壓轉(zhuǎn)為拉張并伴隨著巖石圈地幔的拆沉(Wang et al., 2006; Zhang et al., 2010).中國(guó)東北地區(qū)這一時(shí)期的拉伸環(huán)境得到了巖石年代學(xué)研究的支持(Wu et al., 2005).此外，變質(zhì)核雜巖的研究也表明，早白堊紀(jì)時(shí)期的巖石圈有NW-SE向的拉伸構(gòu)造(Allen et al., 1997).前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在伸展構(gòu)造區(qū)域，礦物的定向排列往往平行于構(gòu)造伸展方向，從而使得各向異性的方向與伸展方向一致(Savage, 1999).另一方面，各向異性層位的厚度是影響各向異性延遲時(shí)間的主要因素.中國(guó)東北地區(qū)巖石圈的拆沉以及活躍的熱地幔物質(zhì)上涌都會(huì)破壞保留在巖石圈中的古老形變，可能是造成松遼盆地部分臺(tái)站和佳木斯地塊NW-SE或NNW-SSE朝向各向異性延遲時(shí)間明顯小于研究區(qū)平均水平的原因.體波成像結(jié)果顯示，松遼盆地下方呈現(xiàn)以高速為主、高低速異常的混合，可能存在巖石圈拆沉過(guò)程；而佳木斯地塊巖石圈下方表現(xiàn)為局部低速區(qū)，說(shuō)明有熱地幔物質(zhì)上涌(張風(fēng)雪等, 2013，2014).接收函數(shù)的研究結(jié)果表明，松遼盆地下方的巖石圈比興安地塊減薄近50 km (Zhang et al., 2014).如果假設(shè)4%的各向異性程度，那么這將對(duì)應(yīng)著各向異性延遲時(shí)間減少約0.4 s，與我們觀測(cè)的結(jié)果所吻合.因此我們認(rèn)為，中國(guó)東北上地幔各向異性反映了巖石圈拉張形變，這種古老形變自晚中生代以來(lái)就一直被保存在巖石圈內(nèi)，并在后期經(jīng)歷了不同程度的改造.

圖5 各向異性方向與前人研究結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFig.5 Comparison diagram of mean anisotropy directions against with previous studies

圖7 MDJ和SM58臺(tái)剪切波偏振方向玫瑰圖(6°分割)Fig.7 Rose diagrams of fast directions beneath MDJ and SM58, plotted in bins of 6°

圖6 SM測(cè)線部分臺(tái)站下方各向異性參數(shù)隨經(jīng)度的變化趨勢(shì)(a) 各向異性延遲時(shí)間； (b) 快波極化方向.Fig. 6 Variations of the mean anisotropy parameters obtained along the latitude beneath several stations from SM seismic line(a) The delay times; (b) Fast polarization directions.

4.2 各向異性與太平洋俯沖板塊

中生代以來(lái)，日本海溝的持續(xù)東移(Miller et al., 2006)，造成了太平洋俯沖板塊的回撤，并可能會(huì)導(dǎo)致俯沖板塊下方地幔呈現(xiàn)平行于海溝方向的各向異性(Peyton et al., 2001).這種現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)室所觀察到的俯沖模型結(jié)果一致(Kincaid and Griffiths, 2003).另一方面，俯沖板片的形態(tài)會(huì)對(duì)地幔流產(chǎn)生顯著影響(Long and van der Hilst, 2005; Kneller and van Keken, 2007).Li和Niu(2010)認(rèn)為太平洋俯沖板塊可能在地震活動(dòng)性缺失的區(qū)域存在撕裂，其向東的回撤會(huì)引起地幔北西向的流動(dòng)，從而解釋該區(qū)域出現(xiàn)的NNW-SSE方向且延遲時(shí)間較大的各向異性.而Karato(2003)認(rèn)為俯沖帶各向異性的變化與含水量和壓力條件有關(guān).在距離海溝比較近的地方，由于俯沖板塊含水量高或是受到壓力大，會(huì)產(chǎn)生“B型”橄欖石礦物晶體的定向排列(Jung and Karato, 2001)，從而產(chǎn)生平行于海溝方向的各向異性；在遠(yuǎn)離海溝區(qū)域，隨著地幔物質(zhì)的脫水或是壓力減小，“A型”橄欖石礦物晶體定向排列，產(chǎn)生方向與海溝垂直的各向異性.這種模型也很好解釋了Part B區(qū)域中所觀察到的兩組方向近乎正交的各向異性.

圖8 研究區(qū)臺(tái)站下方各向異性參數(shù)綜合分析圖小圓圈代表臺(tái)站的位置.黑色、綠色和紅色的短棒代表各向異性參數(shù)，其中紅色的短棒是NNW-SSE朝向的并且延遲時(shí)間大于1.0 s的各向異性，而綠色的短棒則代表近W-E向的各向異性.紫色的箭頭為絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)速度.橙色的實(shí)線和虛線分別代表斷層與縫合帶的位置.灰色寬線代表南北重力梯度帶.實(shí)心圓點(diǎn)代表了深部地震活動(dòng)性(紫色: 300～400 km; 粉紅色: 400～500 km; 紅色:>500 km).藍(lán)色陰影區(qū)域是太平洋俯沖板塊可能存在撕裂的地方.右上角的圖是我們提出的太平洋板塊撕裂模型：藍(lán)色和紅色分別表示太平洋俯沖板塊和地幔流.綠色的箭頭表明了俯沖板塊的移動(dòng)方向，而紅色的箭頭表明了地?？赡芰鲃?dòng)的方向.Fig.8 Comprehensive analysis diagram of the measured fast directions and splitting timesLocations of stations are represented by little circles.Black, green and red bars represent the anisotropy parameters, of which the red bars represent the NNW-SSE trending anisotropy with delay time lager than 1.0s and the green bars represent the nearly W-E trending anisotropy. The purple arrow represents the absolute plate motion vector of the Eurasian plate (Gripp and Gordon, 2002).The orange solid and dash line indicate branches of the Tanlu fault and the suture zone, respectively.The grey wide line represents the North South Gravity lineament. Deep seismicity is shown as solid dots (purple: 300～400 km; pink: 400～500 km; red:>500 km).The shaded area indicates a speculative slab tear. The upper right shows our proposed slab-tear model for the origin of anisotropy under this area:the subducting Pacific slab and the mantle flow are shown in blue and red, respectively.The green arrow indicates the subduction of the Pacific slab and the red arrow indicates the possible direction of the mantle flow.

另一方面，我們認(rèn)為只出現(xiàn)在佳木斯地塊中的近W-E向的各向異性，可能是太平洋板塊在地幔過(guò)渡帶中俯沖所留下的痕跡.Liu等(2008)在分析SKS分裂的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)比近震S波分裂時(shí)間與事件震源深度的關(guān)系，認(rèn)為MDJ臺(tái)下方的各向異性主要來(lái)源于地幔過(guò)渡帶.而數(shù)值模擬和巖石物理實(shí)驗(yàn)表明，地幔過(guò)渡帶中兩種主要礦物(瓦茲利石和尖晶橄欖石)都不能在SKS路徑上產(chǎn)生明顯的各向異性(Tommasi et al., 2004; Li et al., 2006).因此，我們所觀察到的近W-E向的各向異性就很可能來(lái)自于太平洋俯沖板塊中的橄欖石.橄欖石—瓦茲利石相變的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在俯沖板塊中其相變發(fā)生的深度可以超過(guò)地幔過(guò)渡帶深度上百公里(Devaux et al., 1997; Schubert et al., 2001).接收函數(shù)研究結(jié)果表明(Liu et al., 2015)，在緯度40°N—46°N之間，660 km間斷面產(chǎn)生下沉，暗示著太平洋俯沖板塊在地幔過(guò)渡帶的滯留，這與我們所觀測(cè)到的W-E方向的各向異性區(qū)域相符合.因此，我們認(rèn)為太平洋板塊的西向俯沖，造成了板塊中亞穩(wěn)定狀態(tài)的橄欖石礦物晶體定向排列，從而產(chǎn)生W-E向的各向異性.

5 結(jié)論

我們測(cè)量了位于中國(guó)東北地區(qū)共計(jì)147個(gè)地震臺(tái)站的剪切波分裂數(shù)據(jù)，從中獲取的大量各向異性參數(shù)為我們了解該區(qū)域上地幔結(jié)構(gòu)提供了很好的約束.我們所得結(jié)果與前人具有很好的一致性，其表明中國(guó)東北地區(qū)上地幔各向異性十分復(fù)雜，可能與多種成因機(jī)制有關(guān).整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，NW-SE朝向的各向異性與研究區(qū)晚中生代巖石圈拉張變形方向一致，平均延遲時(shí)間約0.8 s，我們認(rèn)為巖石圈中殘存的古老形變是產(chǎn)生各向異性的原因.同時(shí)，由于巖石圈拆沉或是地幔熱物質(zhì)的上涌，使得殘留在巖石圈中的古老形變減弱，可能是松遼盆地和佳木斯地塊部分區(qū)域各向異性延遲時(shí)間較小的原因.研究區(qū)東部(Part B)，NNW-SSE向的延遲時(shí)間較大的各向異性可能與太平洋板塊撕裂回撤而產(chǎn)生的地幔流動(dòng)有關(guān)，而太平洋板塊在地幔過(guò)渡帶中的俯沖則可能是W-E向的各向異性產(chǎn)生的主要成因.此外由于太平洋板塊俯沖而產(chǎn)生的橄欖石礦物含水量和壓力環(huán)境的變化也是造成研究區(qū)上地幔各向異性的可能因素.致謝 感謝所有參與到中國(guó)東北流動(dòng)地震觀測(cè)工作中的同志，感謝中國(guó)地震局地球物理研究所“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”提供的固定臺(tái)地震波形數(shù)據(jù).與張瑞青副研究員和李永華研究員的討論對(duì)本文十分有益.匿名審稿專家的寶貴修改意見(jiàn)使得本文更加嚴(yán)謹(jǐn)、流暢.文章大部分圖件使用GMT軟件繪制(Wessel and Smith, 1998).

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(本文編輯 胡素芳)

Upper mantle anisotropy beneath the north of northeast China and its dynamic significance

QIANG Zheng-Yang, WU Qing-Ju*

InstituteofGeophysics,ChineseEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

Northeast China located in the eastern part of the Central Asian Orogenic Belt (CAOB), one of the largest Paleozoic orogens on Earth. Surrounded by the Siberian craton, North China plate and the Pacific plate, northeast China is characterized by widespread Cenozoic intraplate volcanism and lithospheric deformation caused by multiepisode extension since Late Mesozoic.As the only area developing deep earthquake in China, northeast China has suffered the subduction of the Pacific plate, which makes it become the natural laboratory of studying the lithospheric deformation, subduction and intraplate volcanos and also their interaction relationship.Seismic anisotropy determined by the splitting of shear waves, especially the core-refracted phases like SKS, is one of the most direct and effective ways to image the structure and deformation in the interior of the Earth. We measure the shear wave splitting parameters,the fast polarization direction (φ) and the splitting time between the fast and slow waves (δt), using the SplitLab analysis software package which combine both the rotation-correlation (RC) method and the transverse minimum energy (SC) method. A quality factor (good, fair, or poor) is assigned to all the shear wave splitting measurements,according to the signal to noise ratio of the initial phase, the rectilinear polarization of the particle motion after correction, and well-defined extreme value of contour plot.Only the measurements marked as ‘good’ or ‘fair’ are retained in the subsequent analysis and discussion, and the delay times less than 0.4 s will be marked as null measurements based on measurement error consideration.A total of 377 pair of SKS splitting measurements obtained at 147 temporary and permanent seismic stations in northeast China are used to infer the upper mantle structure of this area. The shear wave splitting results at most of stations in western part of our study area are characterized by homogeneously oriented fast directions trending N143°E to N199°E with an average close to N169°E, in agreement with the extensional orientation of the Late Mesozoic lithosphere. Additionally, the delay times vary from 0.4 s to 1.6 s with a mean value of 0.85±0.23 s and correspond to a 98±26 km thick layer if 4% anisotropy is assumed, suggesting the anisotropy mainly reside in the lithosphere. Several anisotropy with small delay times (～0.4 s) are observed in the Songliao basin and Jiamusi massif which are probably caused by the lithosphere delamination or the hot mantle upwelling that partially eroded the ancient deformation frozen within lithosphere.While in the eastern part, NNW-SSE trending fast directions with large delay times (larger than 1.0 s) are observed. As the missing of the deep seismicity of this area, we speculate that there exist a slab tear at the end of Pacific plate, whose roll-back may induce NW trending mantle flow. In addition, nearly W-E fast splitting directions are observed in Jiamusi massif only, which can be best explain by the LPO of metastable olivine within the Pacific slab.

Northeast China; Shear-wave splitting; Seismic anisotropy; SKS phase

10.6038/cjg20151010.

Qiang Z Y, Wu Q J. 2015. Upper mantle anisotropy beneath the north of northeast China and its dynamic significance.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3540-3552,doi:10.6038/cjg20151010.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41474074、90814013)和國(guó)土資源部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)(SinoProb-02-03)聯(lián)合資助.

強(qiáng)正陽(yáng)，男1988年生，在讀博士生，主要從事地震各向異性及動(dòng)力學(xué)方面的研究. E-mail：qmail@aliyun.com

*通訊作者 吳慶舉，男，1966年生，研究員，主要從事地震學(xué)、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)研究.E-mail：wuqj@cea-igp.ac.cn

10.6038/cjg20151010

P315

2015-08-11，2015-09-18收修定稿

強(qiáng)正陽(yáng), 吳慶舉. 2015. 中國(guó)東北地區(qū)北部上地幔各向異性及其動(dòng)力學(xué)意義.地球物理學(xué)報(bào)，58(10):3540-3552,