重慶及周邊地區(qū)地殼各向異性研究

董蕾 李建有 姜維松 李翠平

摘要：根據(jù)重慶及周邊地區(qū)固定地震臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震資料提取了接收函數(shù)，并利用接收函數(shù)Pms相到時(shí)方差最小方法建立網(wǎng)格搜索，最終獲得該區(qū)的地殼各向異性參數(shù)。結(jié)果表明：重慶及周邊地區(qū)的地殼各向異性延遲時(shí)間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s;快波偏振方向主要有NEE、NNW和NWW向，并且大部分臺(tái)站快波方向與所在區(qū)域的主壓應(yīng)力方向明顯不一致;重慶地區(qū)地殼各向異性具有橫向不均勻性及分區(qū)特征，巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。

關(guān)鍵詞：接收函數(shù);地殼各向異性;重慶及周邊地區(qū)

中圖分類號(hào)：P313.3?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1000-0666（2021）02-0145-07

0 引言

重慶位于我國(guó)四川盆地東部、南北向構(gòu)造帶的東側(cè)，屬于東、西部板塊運(yùn)動(dòng)的“中間過渡地區(qū)”，以城口斷裂、青峰斷裂分界，分屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和秦嶺地槽褶皺系兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。重慶斷褶構(gòu)造的形成和地殼的縮短、隆升，分別與印度板塊和太平洋板塊碰撞、俯沖擠壓相聯(lián)系，并且以城口斷裂、華鎣山基底斷裂西北側(cè)和七曜山—金佛山基底斷裂為界分為4個(gè)地震構(gòu)造區(qū)。研究表明重慶地區(qū)呈NW向擠壓的應(yīng)變狀態(tài)，其中主壓應(yīng)力方向以NW向?yàn)橹?，部分區(qū)域呈NE向（丁仁杰，李克昌，2004;陳濤等，2018），但不同的形變觀測(cè)手段研究的該地區(qū)內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果并不一致（陳濤等，2018）。因此，該地區(qū)的地殼深部應(yīng)力環(huán)境和構(gòu)造特征有待進(jìn)行更深入的研究。

地震各向異性與介質(zhì)結(jié)構(gòu)、區(qū)域應(yīng)力、介質(zhì)變形及斷裂分布等密切相關(guān)（高原等，2020）。對(duì)地殼構(gòu)造應(yīng)力特征和地球內(nèi)部變形機(jī)制的探討均具有重要的科學(xué)參考價(jià)值。在具有水平對(duì)稱軸的各向異性水平層狀介質(zhì)中，接收函數(shù)的Ps轉(zhuǎn)換波是唯一在Moho面生成并對(duì)橫波分裂敏感的震相，它的到時(shí)與事件入射方位角呈余弦函數(shù)特征，這一特征是診斷各向異性的工具。由地表觀測(cè)到的Pms剪切波分裂所攜帶的關(guān)于傳播介質(zhì)的各向異性信息全部來自地殼內(nèi)部，與地幔無關(guān)。使用接收函數(shù)研究地殼各向異性的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用（Vinnik，Montagner，1996;孫長(zhǎng)青等，2011;Liu，Niu 2012;Chen et al，2013;Kong et al，2016），Rumpker等（2014）提出用多地震事件按方位角疊加方法，并根據(jù)徑向Pms相疊加能量最大原則確定各向異性，可以彌補(bǔ)事件覆蓋不均勻的缺點(diǎn)，同時(shí)可以抑制隨機(jī)噪聲的影響;韓明等（2017）對(duì)比了Pms相到時(shí)方差最小法和Pms相疊加振幅最大法，并進(jìn)行了合成理論地震圖試驗(yàn)，表明Pms相到時(shí)方差最小法受噪聲影響不明顯，可以得到穩(wěn)定的結(jié)果。本文利用Pms相到時(shí)方差最小法，計(jì)算重慶及周邊地區(qū)的地震臺(tái)站下方地殼各向異性參數(shù)，探討該地區(qū)地殼各向異性特征及其深部構(gòu)造意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及處理

本文利用重慶地震臺(tái)網(wǎng)及鄰區(qū)固定的地震臺(tái)站（圖1），根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的地震目錄，從中選取了2011年1月—2018年10月M≥5.5、震中距為30°～95°的遠(yuǎn)震記錄（圖2）。再利用遠(yuǎn)震波形計(jì)算P波接收函數(shù)：截取P波到時(shí)前20 s、后120 s的三分量波形數(shù)據(jù)（圖3a）;將截取后的N、E分量波形旋轉(zhuǎn)至R、T分量（圖3b）;選取濾波因子2.5，利用時(shí)間域反褶積方法，計(jì)算R向接收函數(shù)（圖3c），從中挑選轉(zhuǎn)換相清楚的接收函數(shù)。

由于各個(gè)地震事件的射線參數(shù)（或震中距）不同，并且R分量接收函數(shù)的Pms相到時(shí)與震中距有關(guān)，所以必須先進(jìn)行到時(shí)校正。將接收函數(shù)曲線上的Ps震相的到時(shí)都校正到一條任取的基準(zhǔn)曲線上（本文以IASP91模型為參考，取震中距為67°）。到時(shí)校正后，按后方位角10°為間隔，將這一后方位角范圍內(nèi)的接收函數(shù)疊加成一道信號(hào)。圖4a和圖5a分為ROC臺(tái)和WAS臺(tái)接收函數(shù)的后方位角疊加結(jié)果。

1.2 各向異性參數(shù)

在水平各向異性介質(zhì)中，R分量接收函數(shù)的Pms相到時(shí)隨后方位角呈現(xiàn)π的周期性。Pms相的到時(shí)tps與后方位角的關(guān)系為：

tps=t0+Δt=t0-δt2cos（2baz-2φ）（1）

式中：t0為各向同性下，Pms相的到時(shí);tps為計(jì)算得出的理論到時(shí)。本文對(duì)0～360°后方位角范圍內(nèi)的36道疊加信號(hào)進(jìn)行Pms相識(shí)別，拾取不同后方位角的Pms相觀測(cè)到時(shí)tops。

為了求得穩(wěn)定的快波方位角（φ）和分裂時(shí)間（δt），給定不同的快波方位角和快慢波之間的延時(shí)，以此計(jì)算Ps震相的理論到時(shí)tps，以Pms相的觀測(cè)到時(shí)tops與理論到時(shí)tps之差的平方和達(dá)到最小為準(zhǔn)則，進(jìn)行二維網(wǎng)格搜索獲取穩(wěn)定的Pms相的分裂參數(shù)。如圖4b所示，圖中黑色圓點(diǎn)代表Pms相最大振幅對(duì)應(yīng)的到時(shí)，黑線為ROC臺(tái)Pms相理論到時(shí)，最終進(jìn)行網(wǎng)格搜索得到快波偏振方向?yàn)?1°，延遲時(shí)間為0.39 s（圖4c）。

2 研究結(jié)果

由于觀測(cè)原因等，需剔除接收函數(shù)質(zhì)量較差或后方位角覆蓋較差的臺(tái)站，本文對(duì)重慶及周邊地區(qū)44個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)進(jìn)行疊加，其中有一些臺(tái)站的周期性不明顯，如WAS臺(tái)接收函數(shù)質(zhì)量較好，但到時(shí)隨方位角變化周期性不明顯（圖5b），因此認(rèn)為這些臺(tái)站地殼弱各向異性。PAL臺(tái)、SHG臺(tái)、BZH臺(tái)、CHS臺(tái)存在同樣的情況，一并剔除這些臺(tái)站的結(jié)果。

本文最終對(duì)周期性明顯的39個(gè)臺(tái)站進(jìn)行各向異性參數(shù)計(jì)算，獲得39組Pms相分裂結(jié)果（表1）。由表1可見，研究區(qū)延遲時(shí)間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s。如圖6所示，快波偏振方向主要有NE、NNW和NWW向，主要受斷裂分布的影響。華鎣山斷裂兩側(cè)的各向異性特征差異較大，斷裂附近的ROC、YUM、HYS臺(tái)偏振方向?yàn)镹E向，與斷裂走向一致，延遲時(shí)間平均為0.36 s;而其東南部的YUB、XIM臺(tái)延遲時(shí)間較小，各向異性較弱。七曜山—金佛山斷裂西南側(cè)的SLO、FUL、L5540、XNS臺(tái)延遲時(shí)間為0.39～0.62 s，偏振方向?yàn)镹E向，與該斷裂走向一致。七曜山—金佛山斷裂西北側(cè)、方斗山斷裂東側(cè)的LOH、SHZ臺(tái)偏振方向?yàn)镹NW向。

3 討論

上地殼各向異性主要是由EDA（extensive dilatancy anisotropy，各向異性）微裂隙定向排列造成（Crampin，Atkinson，1985;Crampin，Peacock，2005;Crampin，Gao，2014），一般情況下，快波方向與裂隙優(yōu)勢(shì)排列方向和最大水平主壓應(yīng)力方向一致（Crampin，Peacock，2005;高原等，2020）。而在中下地殼裂隙閉合，各向異性成因主要與下地殼造巖礦物晶格的定向排列或物質(zhì)流動(dòng)引起的層理優(yōu)勢(shì)排列有關(guān)（韓明等，2017;高原等，2020）。韓明等（2017）根據(jù)Pms震相計(jì)算得到的青藏高原東南緣平均延遲時(shí)間為0.54 s左右，認(rèn)為該區(qū)Pms震相分裂主要由下地殼引起;邵若潼等（2019）同樣根據(jù)各向異性延遲時(shí)間，認(rèn)為青藏高原東北緣地殼各向異性主要由下地殼各向異性引起。本文計(jì)算得到的平均分裂時(shí)間為0.4 s，因此認(rèn)為研究區(qū)地殼的各向異性主要為中下地殼的各向異性。

丁仁杰和李克昌（2004）依據(jù)斷層力學(xué)性質(zhì)和現(xiàn)代地震震源機(jī)制解P軸軸向等綜合分析得出，重慶新生代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有由渝西向渝東地區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向從NWW向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE向的變化（圖6）;賀曼秋等（2008）利用SAM方法對(duì)ROC臺(tái)進(jìn)行S波分裂研究，認(rèn)為S波快波優(yōu)勢(shì)分布方向?yàn)镹W向，與榮昌地區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向（陳濤等，2018）大體一致，與該區(qū)的主要基底斷裂走向接近垂直。本文計(jì)算得到的ROC臺(tái)快波方向?yàn)镹E向，平行于華鎣山斷裂，與上地 殼的各向異性快波方向基本垂直，ROC臺(tái)地殼各`向異性延遲時(shí)間為0.39 s，大于上地殼S波分裂延遲時(shí)間0.11 s。孫長(zhǎng)青等（2013）發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)地殼各向異性快波方向與研究區(qū)內(nèi)斷裂帶走向一致，與最大主壓應(yīng)力方向存在較大差異，認(rèn)為其各向異性可能主要與礦物晶格定向排列或者熔體的定向排列有關(guān);強(qiáng)正陽等（2016）認(rèn)為韌性的中下地殼與地幔在受到主壓應(yīng)力擠壓后，礦物晶體發(fā)生定向排列，形成垂直于主壓應(yīng)力方向的各向異性。本文計(jì)算得到的研究區(qū)大部分臺(tái)站快波方向與臺(tái)站附近的斷裂走向較一致，而與主壓應(yīng)力方向明顯不一致（圖6），進(jìn)一步說明研究區(qū)地殼各向異性主要由中下地殼引起。

重慶地區(qū)地殼各向異性具有橫向不均勻性，且具有分區(qū)特征。城口斷裂、巫溪斷裂以北的渝東北推覆構(gòu)造區(qū)（主要有CHK、HCB和WUX臺(tái)）內(nèi)的斷裂以逆沖性質(zhì)為主，與倒轉(zhuǎn)褶皺構(gòu)造構(gòu)成強(qiáng)烈擠壓的推覆構(gòu)造區(qū)。從該區(qū)等面積玫瑰投影圖（圖7a）可以看出，延遲時(shí)間平均為0.33 s，快波方向由NNW向轉(zhuǎn)至EW向，與斷裂走向基本一致，該區(qū)的地殼各向異性快波方向應(yīng)該與NNE方向的主壓應(yīng)力擠壓作用及推覆構(gòu)造帶有關(guān)。在華鎣山基底斷裂東南，七曜山—金佛山、方斗山斷裂西北地區(qū)為渝中央褶皺區(qū)，主要有15個(gè)臺(tái)站（SHL、HOT、LIJ、WAZ、YAL、XIM、FUL、L5540、YUB、CQT、SLO、MAL、XNS、LOH、SHZ）;該區(qū)主要有兩個(gè)快波方向，NNW向和NE向（圖7b），NNW向的臺(tái)站有LIJ、SHZ、LOH，其余臺(tái)站為NE向，垂直于該區(qū)主壓應(yīng)力方向，平行于七曜山—金佛山斷裂;該區(qū)中部（主要有XIM、YUB、CQT臺(tái)）各向異性較弱，延遲時(shí)間最小為0.14 s。渝東南褶斷區(qū)（主要有WUL、LUJ、QIJ、HOP、XIS臺(tái)）的地殼各向異性等面積玫瑰投影圖如7c所示。從圖中可以看出，平均延遲時(shí)間為0.49 s，各向異性較強(qiáng)烈，快波方向?yàn)镹EE至EW向，與斷裂NE走向有一定差異;該區(qū)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹W向，基本垂直于該區(qū)的主壓應(yīng)力方向;該區(qū)NE走向斷裂力學(xué)性質(zhì)以逆沖為主，但也發(fā)育少量的正斷層，其中2017年武隆5.0級(jí)地震的發(fā)震斷層被認(rèn)為是張性斷裂（李翠平等，2019）。該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜，這可能是造成快波方向與斷裂走向不太一致的原因。

由于SKS波分裂垂向分辨率較差，SKS波相各向異性包含了上、下地殼和上地幔的各向異性特征。本文收集了重慶及周邊地區(qū)的SKS計(jì)算結(jié)果，與本文獲取的地殼各向異性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，除SHZ臺(tái)的偏振方向與常利軍等（2008）計(jì)算的上地幔快波方向較一致外，其余臺(tái)站（ROC、XCO、HYS、XHA、WAZ、YUB、CHS、FUL、WUL）與上地幔快波方向相差較大，并且地殼各向異性弱于上地幔各向異性，說明研究區(qū)巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。佐佳卉和鈕鳳林（2019）在接收函數(shù)地殼各向異性研究結(jié)果（Sun et al，2012）的基礎(chǔ)上，利用剝?nèi)シ▽?duì)SKS波分裂進(jìn)行了分層計(jì)算，認(rèn)為四川盆地中部（包括ROC）上地幔的各向異性特征一致，主要是地幔各向異性的貢獻(xiàn)。SKS波分裂受上地殼裂隙各向異性的影響（姚陳等，2016），雖然筆者認(rèn)為研究區(qū)地殼的各向異性主要為中下地殼的各向異性，但不可忽略的是Pms分裂應(yīng)該也包含上地殼各向異性，如何分離上、下地殼的各向異性有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文利用重慶地震臺(tái)網(wǎng)及鄰區(qū)固定臺(tái)站的遠(yuǎn)震波形資料計(jì)算P波接收函數(shù)，經(jīng)到時(shí)校正后按后以方位角10°為間隔將接收函數(shù)疊加，最后利用Pms相到時(shí)方差最小法獲取研究區(qū)地殼各向異性參數(shù)，得出以下主要結(jié)論：

（1）重慶及周邊地區(qū)的地殼各向異性延遲時(shí)間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s;研究區(qū)的快波方向與該區(qū)的主壓應(yīng)力方向明顯不一致，大部分臺(tái)站的快波方向垂直于主壓應(yīng)力方向。

（2）本文計(jì)算得到的地殼各向異性主要為中下地殼的各向異性;重慶地區(qū)地殼各向異性具有橫向不均勻性及分區(qū)特征，渝東北構(gòu)造區(qū)的地殼各向異性與主壓應(yīng)力擠壓作用及推覆構(gòu)造帶有關(guān)。將本文研究結(jié)果與研究區(qū)其他上地幔各向異性研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為重慶及周邊巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。

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Study of the Crustal Anisotropy beneath Chongqing and Its Surrounding Area

DONG Lei1，LI Jianyou2，JIANG Weisong1，LI Cuiping1

（1.Chongqing Earthquake Agency，Chongqing 401147，China）

（2.Kunming Southern Geophysical Technology Development Inc.，Kunming 650091，Yunnan，China）

Abstract

In this paper，a receiver function is extracted from the teleseismic data recorded by the seismic network and earthquake stations in Chongqing and its surrounding areas，and a grid search is established by using the minimum variance of arrival time of Pms phase of the receiver function.Finally anisotropic parameters of the crust are obtained.The results indicate that the delay time of the crustal anisotropic in Chongqing and its surrounding areas is ranges within 0.14～0.91 s，with an average of 0.4 s;The fast wave mainly polarizes in NEE，NNW，and NWW directions，and the direction of the fast wave at most of the stations is obviously different from the direction of the main compressive stress in the study area.And in this area the anisotropy of the crust features transverse heterogeneity and zoning;the characteristics of lithospheric deformation are mainly derived from mantle anisotropy.

Keywords：receiver function;crustal anisotropy;Chongqing area

收稿日期：2020-07-05.

基金項(xiàng)目：地震監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題（3JH-202001072）資助.

第一作者簡(jiǎn)介：董蕾（1986-），工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.E-mail：dongleiyue@163.com.