遼寧地區(qū)上地幔各向異性研究

李子昊，琚長輝，李國輝，張衡，王承偉，安祥宇

1.遼寧省地震局, 沈陽 110031；2.中國地震局 地震預(yù)測研究所, 北京 100036；3.中國科學(xué)院 青藏高原研究所, 北京 100101

0 引言

遼寧地區(qū)位于郯廬斷裂帶的北段，西部有朝陽—北票和醫(yī)巫閭山西側(cè)斷裂，中部分布有金州斷裂，東北部發(fā)育渾河斷裂等，這些斷裂帶共同組成了遼寧地區(qū)斷裂構(gòu)造的基礎(chǔ)輪廓(圖1)。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動頻率較低，較大的兩次預(yù)報地震為1975年海城地區(qū)發(fā)生的7.3級地震[1]和1999年海城—岫巖地區(qū)發(fā)生的5.4級地震[2]。遼寧地區(qū)構(gòu)造輪廓基本形成在新近紀(jì)，第四紀(jì)以來繼續(xù)活動發(fā)育，斷裂發(fā)育比較強(qiáng)烈，當(dāng)今構(gòu)造運動為中部下遼河盆地拉張拗陷，東西兩側(cè)山區(qū)為山地擠壓隆升[3]。研究區(qū)域的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)與深部地幔變形密切相關(guān)，研究遼寧地區(qū)上地幔各向異性特征，有助于了解該區(qū)域地下深部運動形態(tài)構(gòu)造和動力學(xué)特征等有關(guān)問題，對于深刻認(rèn)識地表結(jié)構(gòu)也具有重要意義。

圖1 遼寧地區(qū)固定臺站分布Fig.1 Distribution of seismic stations in Liaoning Province

地震各向異性在地球內(nèi)部廣泛存在，尤其是在地殼和上地幔中尤為突出，是研究地球內(nèi)部變形的重要手段[4-7]。諸多研究表明：在上地殼中，各向異性是由于應(yīng)力作用之下介質(zhì)中充滿流體的裂隙定向排列導(dǎo)致；在中下地殼中，各向異性通常是由于角閃石和黑云母等礦物定向排列所造成[8-9]；在上地幔中，各向異性一般被認(rèn)為是地幔變形造成橄欖巖晶格沿著a軸定向排列導(dǎo)致[10-11]；在下地幔中，各向異性較弱。巖石圈和軟流圈深度范圍均存在各向異性，巖石圈的各向異性一般與巖石圈最近一次變形歷史有密切關(guān)系[12]，而軟流圈的各向異性通常與地幔流動有關(guān)[13]。

當(dāng)震中距在85°～140°時，SKS波會與S波產(chǎn)生顯著的分離，因而近垂直入射的SKS震相可以提供臺站下方上地幔各向異性的信息[14]。通?？梢杂脙蓚€參數(shù)來表征地震各向異性的方向和強(qiáng)弱：快波偏振方向(fastpolarizationdirection,FPD)和快慢波到達(dá)的延遲時間(delaytime,DT)。通過上地幔地震各向異性可以探討構(gòu)造運動背景下地球板塊巖石圈的內(nèi)部變化和動力學(xué)特征[15]。

近年來，地震學(xué)家們對剪切波分裂現(xiàn)象開展觀測，獲得了大量研究成果[16-26]。但是對中國東北地區(qū)各向異性的研究相對較少，主要以地殼各向異性觀測為主[27]，對上地幔各向異性的成因認(rèn)識有限。Shietal.[28]通過渤海周邊上地幔各向異性觀測，認(rèn)為上地幔各向異性主要來自于太平洋板塊俯沖形成的軟流圈地幔流；Lietal.[29]對東北地區(qū)的各向異性及地幔流動進(jìn)行了分析，認(rèn)為各向異性源于拉張變形作用；強(qiáng)正陽等[30]計算了東北諾敏河火山巖石圈各向異性，推測可能成因為殘留在巖石圈中的化石；魯明文等[31]的地震各向異性結(jié)果顯示快波方向基本以NW-SE為主，與局部巖石圈拆沉和熱物質(zhì)上涌相關(guān)。本文在前人觀測的基礎(chǔ)上，充分利用遼寧省內(nèi)寬頻帶地震臺站長時間的觀測數(shù)據(jù)，利用遠(yuǎn)震剪切波分裂的方法計算上地幔地震各向異性參數(shù)，并進(jìn)一步探討研究區(qū)域的上地幔變形特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

2007年開始，在中國地震局“十五”項目開展期間，遼寧地區(qū)布設(shè)了大量的寬頻帶地震觀測臺站，積累了高精度地震波形資料。本研究對遼寧地區(qū)架設(shè)的地震臺站進(jìn)行篩選，最終選擇了2013—2017年遼寧地區(qū)15個數(shù)字化寬頻帶地震臺站(圖1)所記錄到的波形數(shù)據(jù)[32]，選取地震事件的約束標(biāo)準(zhǔn)為：震中距在85°～140°之間，震級Mw≥5.5。圖2為用于SKS波分裂計算的地震事件分布，滿足條件的地震主要集中在南太平洋一帶，反方位角集中在120°～140°之間，地震事件隨反方位角的分布并不均勻，并不適用于多層各向異性模型，所以本文在解釋中采用單層各向異性模型。

a.地震事件隨反方位角分布柱狀圖； b. 基于等距方位投影地圖上的用于計算剪切波分裂的地震事件分布。(紅色空心圓代表地震事件，黃色方框表示研究區(qū)域)圖2 用于計算剪切波分裂的地震事件分布Fig.2 Distribution of earthquakes used for shear wave splitting

選擇大連臺記錄到的格林威治時間2016年2月1日19時發(fā)生在新西蘭的6.3級地震的遠(yuǎn)震SKS波震相進(jìn)行分析，主要步驟包括：轉(zhuǎn)換為SAC格式、去均值、去線性趨勢、去傾向和去儀器響應(yīng)等簡單處理。對其進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和帶通濾波后，獲得了如圖3所顯示的波形記錄，其中紅色線段代表SKS相對理論到時(零時刻)，灰色框部分表示截取用于計算的時間窗。

圖3 旋轉(zhuǎn)到RTZ坐標(biāo)系后的三分量地震事件波形記錄Fig.3 Three-component seismic event waveform record after rotating to RTZ coordinate system

本文基于SplitLab程序[33]對遠(yuǎn)震SKS波形進(jìn)行處理并計算各向異性參數(shù)，采用最小切向能量法、旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小特征值法[12]同時計算，獲得可靠的分裂參數(shù)對。該方法不僅可以計算并評判有效分裂結(jié)果的質(zhì)量，還可以獲得無分裂(Null值)觀測結(jié)果。

2 分析實例

圖4為利用SplitLab軟件計算剪切波分裂參數(shù)的示例，大連臺觀測的發(fā)生于2016年2月1號19:00的遠(yuǎn)震事件，波形記錄如圖3，震中距為88°，其中圖4a是大連臺記錄到的事件波形，分別采用上述三種方法計算各向異性參數(shù)，結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小切向能量法的結(jié)果相似，校正后快慢波波形一致，校正后的切向能量近似為零，校正前后質(zhì)點運動軌跡分別為近似橢圓與近似直線，互相關(guān)系數(shù)和切向能量的等值線圖上95%置信區(qū)間均收斂，表明計算結(jié)果可靠。

圖5是朝陽臺觀測的發(fā)生于2016年3月31號11:53的遠(yuǎn)震事件無分裂(Null)實例，校正前后切向能量都接近于零，質(zhì)點振動軌跡都接近為線性，旋轉(zhuǎn)相關(guān)法得到的時間延遲一般較小，最小切向能量法得到的時間延遲比較大。

a.原始地震波形的徑向分量(藍(lán)色虛線)和切向分量(紅色實線)，陰影部分為計算SKS波分裂的時間窗口；b. 入射角分布； c和d分別為旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小切向能量法的計算結(jié)果，其中(1)為校正后的快波(藍(lán)色虛線)、慢波(紅色實線)，(2)為校正后的徑向(藍(lán)色虛線)、切向(紅色實線)分量，(3)為校正前(藍(lán)色虛線)、校正后(紅色實線)質(zhì)點的振動軌跡，(4)為互相關(guān)系數(shù)和切向能量等值線分布圖。圖4 高質(zhì)量剪切波分裂結(jié)果示例Fig.4 Example of high-quality result of shear wave splitting

a.原始地震波形的徑向分量(藍(lán)色虛線)和切向分量(紅色實線)，陰影部分為計算SKS波分裂的時間窗口；b. 入射角分布； c和d分別為旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小切向能量法的計算結(jié)果，其中(1)為校正后的快波(藍(lán)色虛線)、慢波(紅色實線)，(2)為校正后的徑向(藍(lán)色虛線)、切向(紅色實線)分量，(3)為校正前(藍(lán)色虛線)、校正后(紅色實線)質(zhì)點的振動軌跡，(4)為互相關(guān)系數(shù)和切向能量等值線分布圖。圖5 高質(zhì)量Null值觀測示例Fig.5 Example of high-quality null-result from shear wave splitting observation

3 結(jié)果

本次研究運用上述方法，對遼寧地區(qū)15個地震臺站為期5年的SKS數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，共獲得了398對SKS分裂結(jié)果(表1)，考慮到地震事件隨反方位角的分布不均勻，本文采用加權(quán)疊加的方法[34]獲得每個臺站的綜合觀測結(jié)果(圖6)。

由圖6及表1可以看出，遼寧地區(qū)上地幔各向異性主要為NWW向，平均快波方向為-34°，快慢波延遲時間為0.4～1.2 s,平均延遲時間為0.7 s。大多數(shù)臺站快波偏振方向與平均值接近，只有法庫和清原兩個臺站快波偏振方向較小；另外法庫和沈陽臺相距不到90 km，延遲時間從0.4 s增大至0.8 s，有可能與遼寧地區(qū)存在多種各向異性成因相關(guān)。平均延遲時間< 0.5 s的臺站只有2個(法庫和西豐)，分布在研究區(qū)的東北方向，延遲時間> 1 s的臺站只有1個(營口)，其偏振方向為NW向，與東部臺站方向存在差異。在研究區(qū)東部，還觀察到NE-SW向偏振方向，與周圍臺站方向不同。

圖6 本研究各向異性結(jié)果(紅色)與魯明文等[31](藍(lán)色)對比圖Fig.6 Comparison of anisotropic results between present studies (red) and Lu et al. (blue)

表1 遼寧地區(qū)各臺站SKS震相分裂測量結(jié)果Table 1 SKS splitting parameters for stations beneath Liaoning region

與前人結(jié)果[31]進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)臺站快波偏振方向差值在15°，快慢波延遲時間差最大為0.5 s，結(jié)果基本一致。與Shi et al.[28]的結(jié)果相比，朝陽、建昌和寬甸臺站快波偏振方向相近，相差10°；Li et al.[29]的結(jié)果表明快波方向和平均延遲時間分別為NW向和0.85 s，本文觀測為NWW方向和0.7 s，其中丹東、法庫、桓仁、寬甸和遼陽臺延遲時間差在0.2 s以內(nèi)，相似性高；大連臺的快波偏振方向(-82°)與Liu[35]研究結(jié)果(95±6°)一致。

與相鄰區(qū)域的觀測結(jié)果對比，諾敏河火山周圍附近臺站快慢波延遲時間平均為0.78±0.21 s[30]，與本文結(jié)果0.7 s基本一致；東北地區(qū)其他觀測給出的快波偏振方向大都為NW向[36-38]，與本文觀測一致。

選取寬甸臺(40.7°N, 124.8°E)與前人進(jìn)行比較(表2)，可以看出快波方向最大差值為31.2°，最小差值為16°，快慢波延遲時間最大差值為0.4 s，本文用于計算的地震事件更多，結(jié)果更加穩(wěn)定。此外，該區(qū)存在不少Null值結(jié)果，對應(yīng)的地震事件反方位角既不平行也不垂直于快波偏振方向，表明該區(qū)各向異性成因相對復(fù)雜。

表2 寬甸臺站研究結(jié)果與前人結(jié)果比較Table 2 Results of Kuandian station compared with previous studies

4 討論

4.1 各向異性的深度分布

各向異性普遍存在于地殼以及上地幔介質(zhì)之中，通過剪切波分裂計算得到的各向異性參數(shù)是整個傳播路徑上的綜合效應(yīng)，垂向分辨率較低。首都圈東南部上地殼各向異性造成的慢波延遲時間平均為3.5 ms/km[39]，以此帶入，考慮遼寧地區(qū)地殼厚度為30～36 km[3]，推測遼寧地區(qū)地殼延遲時間為0.11～0.13 s，而本文結(jié)果表明上地幔延遲時間為0.4～1.2 s。假設(shè)介質(zhì)有4%的各向異性，估算研究區(qū)域的各向異性厚度為46～138 km，平均厚度為92 km。地殼對各向異性貢獻(xiàn)不大，主要成因是來自上地幔。

4.2 各向異性與巖石圈變形

地震各向異性，與巖石圈最近一次構(gòu)造變形關(guān)系密切[40]。中國大陸東北區(qū)域快波偏振方向為NW-SE向[41]，遼寧地區(qū)快波偏振方向為NWW方向，與板塊運動方向大體上相一致，可能與太平洋板塊向歐亞板塊俯沖引起的地幔流動相關(guān)，造成軟流圈物質(zhì)發(fā)生形變，橄欖巖等晶體的晶格沿著物質(zhì)流動方向優(yōu)勢排列取向。中生代晚期巖石圈處于伸展構(gòu)造區(qū)域，伸展構(gòu)造方向平行于礦物定向排列方向；晚中生代以來巖石圈發(fā)生了拉張形變，伸展方向與快波偏振方向一致。

5 結(jié)論

(1)SKS分裂研究得到遼寧地區(qū)各向異性貢獻(xiàn)主要來自于上地幔，各向異性層平均厚度為92 km。

(2)快慢波延遲時間范圍在0.4～1.2 s，各向異性方向大部分為NWW向，和中生代晚期巖石圈伸展形變方向一致。

(3)部分臺站不一致的快波偏振方向有可能是受到斷裂作用的影響，巖石圈在擠壓過程中的古老形變可能是各向異性產(chǎn)生的主要原因。

致謝感謝中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”提供的地震波形資料。文中圖件使用GMT軟件繪制，在此表示感謝。