贝加尔裂谷区地壳上地幔复杂的各向异性及其动力学意义

位于西伯利亚板块东南缘的贝加尔裂谷是最典型的大陆裂谷之一,其形成的动力机制与演化过程一直是地学界争论的焦点.本研究使用一种改进的横波分裂测量方法——全局最小切向能量法,对研究区宽频带固定台站ULN和TLY记录的SKS震相和接收函数PmS震相进行分裂测量,得到了裂谷地区地壳和上地幔的各向异性属性.ULN台的SKS分裂测量结果表明,台站下方存在双层各向异性结构,其中,上层的快波偏振方向为N74°E,快、慢波分裂时差为0.80 s,下层的快波偏振方向为N128°E,快、慢波分裂时差为0.80 s;PmS震相分裂测量结果表明,台站下方地壳内存在单层各向异性结构,其快波偏振方向为N77°E,与SKS分裂测量的上层各向异性的快波偏振方向相近,快、慢波分裂时差为0.26 s,这说明SKS分裂测量的上层各向异性同时包含了地壳和地幔岩石圈.对TLY台进行SKS分裂测量时发现,台站下方上地幔结构表现出横向非均匀性:当反方位角<90°时,快波偏振方向在N60°E左右,快、慢波分裂时差为1.27 s;当反方位角>90°时,快波偏振方向约为N120°E,快、慢波分裂时差为1.40 s;PmS震相分裂测量没有获得有效的结果,并且不同方位的PmS震相到时基本一致,说明TLY台下方地壳结构接近各向同性.根据分裂测量结果,结合贝加尔裂谷区的构造演化过程,得到以下结论:(1)ULN台双层各向异性的上层主要是岩石圈原始结构的反映,并且存在地壳与地幔岩石圈的一致性形变,而下层指示着现今软流圈地幔的流动;(2)由于刚性的西伯利亚克拉通的阻挡,地幔流动方向在克拉通南缘发生了偏转,在深部绕克拉通边缘流动,因此形成了TLY台下方上地幔结构的横向变化.     

利用剪切波分裂研究内蒙古阿巴嘎地区上地幔各向异性

内蒙古阿巴嘎地区壳幔经历强烈变形,岩石圈变形机制尚不明确.利用布设在研究区的32个流动地震台站所记录到的远震剪切波数据,测量得到120对各向异性参数和113个无效分裂结果.结果表明,研究区快慢波延迟时间变化范围为0.4~1.4s,平均0.77±0.21s;各向异性快波方向变化范围为N101°E-N45°W.其中一组快波偏振方向为N82.0°E±12.3°,与区域内断裂走向平行,反映地幔矿物晶格定向排列;另一组快波方向集中位于华北克拉通内部,平均为N146.8°E±9.5°,平行于早白垩纪岩石圈伸展变形方向,推测由残留在岩石圈中的化石各向异性所引起.在研究区北部部分台站,只观测到无效分裂而没有观测到有效分裂结果,可能存在局部热地幔物质上涌.     

蒙古中南部地区地壳各向异性及其动力学意义

利用蒙古中南部地区布设的69套宽频带数字地震仪2011年8月—2013年7月记录的远震事件,使用时间域反褶积方法提取接收函数,并挑选高质量Pms震相,通过改进的剪切波分裂方法对研究区地壳各向异性参数进行了研究,最终获取了1473对各向异性参数.经过统计分析,有48个台站可以归纳出两个方向的各向异性,11台站得到单个方向的各向异性,而剩余10个台站各向异性方向比较发散.结果显示,各向异性在蒙古中南部地壳中呈不均匀分布,有54个台站得到了NE-SW向各向异性,快波偏振方向平均值为N58°E±16°,与最大水平主应力σHmax方向和区域内主要断层走向一致,说明这部分地壳各向异性的主要成因存在于上地壳,可能与流体填充的微裂隙有关.而NW-SE向各向异性在53个台站被观测到,各向异性方向变化范围平均N132°E±16°,与研究区大部分SKS分裂快波方向具有较好的一致性,说明下地壳成岩矿物晶体定向排列是各向异性的主要成因.研究区地壳各向异性的分层特征总体上支持岩石圈受到NE-SW向挤压的动力学模型.     

青海地区S波分裂研究

本文利用国家地震台网及中国地震局“十五”期间在青海布设的30个宽频带地震台站记录到的远震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法对SKS、SKKS和PKS波震相进行了偏振分析,计算了台站下方介质的各向异性分裂参数：快波的偏振方向（φ）和慢波延迟时间（δt）.本文研究结果表明,研究区多数台站下方的地震各向异性参数都表现出随方位角变化而变化的特征,可以用双层各向异性模型来解释.其中上层各向异性的快波偏振方向位于N65°E～N95°E之间,可能与中下地壳物质的流动有关;而下层各向异性的快波偏振方向位于N105°E～N135°E之间,可能为祁连块体NEE向的推移及导致的岩石圈缩短有关.此外,我们还发现,与周边的台站下方各向异性分裂参数相比,昆仑断裂附近两个台站GOM和DAW的各向异性特征急剧变化,其快波方向都与该断层近乎平行,这很可能暗示昆仑断裂已经切穿整个岩石圈;阿尔金断裂附近两个台站（LEH和HTG）无效分裂事件的方位分布与阿尔金断裂走向缺乏相关性,我们推测研究区内阿尔金断裂可能为地壳尺度的断裂.     

喜马拉雅东构造结及周边地区地壳各向异性特征

利用喜马拉雅东构造结及周边地区的48个宽频带地震台站记录的远震波形数据,通过Pms波分裂测量得到了 295对地壳各向异性横波分裂参数,获得了研究区的地壳各向异性图像.喜马拉雅东构造结的快波偏振方向主要为NE-SW方向,周边地区的快波偏振方向呈现出绕东构造结顺时针旋转的趋势.Pms波分裂的慢波延迟时间范围为0.11～0.30 s,平均值为0.24 s.对比分析研究区内Pms波分裂、近震直达S波分裂和远震SKS波分裂的结果发现,上地壳各向异性对Pms波分裂影响有限,地壳各向异性主要来自于中下地壳矿物和熔体的定向排列;地壳各向异性对SKS波分裂影响较小,SKS波分裂主要反映了上地幔的各向异性特征;Pms波分裂的快波偏振方向与近震直达S波分裂和远震SKS波分裂的快波偏振方向表现出较好的一致性,并且与地表构造和变形特征具有较好的相关性,反映了喜马拉雅东构造结及周边地区的岩石圈变形可能为垂直连贯变形模式.     

南北构造带北段上地幔各向异性特征

对布设在南北构造带北段的中国地震科学探测台阵项目二期674个宽频带流动台站和鄂尔多斯台阵21个宽频带流动台站记录的远震XKS(SKS、SKKS和PKS)波形资料作偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索法和"叠加"分析方法求得每一个台站的XKS波的快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,并结合该区域出版的122个固定台站的分裂结果,获得了南北构造带北段上地幔各向异性图像.快波方向分布显示青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘的快波方向主要表现为NW—SE方向,秦岭造山带的快波方向为近E—W方向,鄂尔多斯块体内部的快波方向在北部为近N—S方向,南部表现为近E—W方向.时间延迟分布来看,鄂尔多斯块体的时间延迟不仅明显小于其周缘地区,而且小于其他构造单元,特别是在高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体的交汇地区的时间延迟很大,反映了构造稳定单元的时间延迟小于构造活跃单元.通过比较快波方向的横波分裂测量值与地表变形场模拟的预测值,并结合研究区地质构造和岩石圈结构特征分析表明,在青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘各向异性主要由岩石圈变形引起,地表变形与地幔变形一致,地壳耦合于地幔,是一种垂直连贯变形模式;秦岭造山带的各向异性不仅来自于岩石圈,而且其岩石圈板块驱动的软流圈地幔流作用不可忽视;鄂尔多斯块体内部深浅变形不一致,具有弱的各向异性、厚的岩石圈和构造稳定的特征,我们认为其各向异性可能保留了古老克拉通的"化石"各向异性.     

中国东北诺敏河火山岩石圈变形:来自剪切波分裂的证据

中国东北新生代板内火山广泛发育,其中诺敏河火山由于上地幔结构研究的匮乏,火山成因尚不明确.利用布设在诺敏河火山周围的40个流动台站所记录到的远震剪切波数据,测量得到82对各向异性参数和219个无效分裂结果.结果表明,研究区快慢波延迟时间变化范围为0.4～1.4s,平均0.78±0.21s;各向异性快波方向范围为N77°W—N18°E,绝大多数快波方向集中在N6.9°W±9.87°,平行于中生代晚期岩石圈伸展变形方向,推测由残留在岩石圈中的化石各向异性所引起.同时,在火山中心及周边部分台站,只观测到无效分裂而没有观测到有效分裂结果,可能是由于残存在岩石圈内的古老形变被上涌的热地幔物质所侵蚀.     

青藏高原东北缘壳幔各向异性研究:基于SKS和Pms震相分析

利用甘肃和青海两省固定宽频带地震台记录的远震波形资料,挑选高质量SKS震相,联合使用最小切向能量方法和旋转互相关方法获得230对高信噪比分裂参数;同时对接收函数中Pms震相随方位角的变化进行拟合,得到了24个台站的地壳各向异性分裂参数.整个区域SKS分裂快波方向均值为123°,Pms分裂快波方向均值为132°,且大部分区域SKS、Pms快波方向与地表构造走向相一致,说明青藏高原东北缘以岩石圈垂直连贯变形为主,地壳上地幔相互耦合.SKS、Pms分裂时差均值分别为1.0s和0.6s,显示地壳各向异性对于SKS分裂时差有较大贡献.昆仑断裂附近Pms、SKS分裂快波方向与昆仑断裂走向基本一致,说明昆仑断裂可能是岩石圈尺度深大断裂;而阿尔金断裂东缘二者快波方向显著差异意味着阿尔金断裂在东缘可能仅为地壳尺度的断裂.     

新疆地区S波分裂研究h

利用国家地震台网及中国地震局ldquo;十五rdquo;期间在新疆地区布设的宽频地震台站记录到的远震波形数据,采用最小能量法和旋转相关法分别对SKS、 SKKS震相进行了偏振分析,计算了台站下方介质各向异性的分裂参数:快波的偏振方向（phi;）和慢波延迟时间（delta;t）．研究结果表明,塔里木盆地北缘、天山造山带和阿尔泰造山带大多数台站的快波偏振方向与台站下方构造走向方向接近,其快慢波分裂延迟介于0.8——1.8 s之间. 这与印度 欧亚碰撞导致的岩石圈缩短有关．相比而言,塔里木盆地和准噶尔盆地内部的各向异性强度明显要弱,表明其自前寒武形成以来并没有经历强烈的变形作用．阿尔金断裂带附近台站下方各向异性快波方向与断裂带的走向具有很强的相关性,表明该断裂已经切穿整个岩石圈．      

青藏高原东南缘远震S波分裂:对地壳上地幔复杂变形的启示

利用位于青藏高原东南缘云南地区的中国地震科学探测台站(ChinArray)一期300多个宽频带流动台站记录到的XKS波形(包括SKS,SKKS,PKS)进行了S波分裂分析。XKS分裂结果最主要的特征是快波偏振方向(φ)在26~27°N附近,从北部的近N—S向突变为南部的近E—W向。研究区西部喜马拉雅东构造结附近的结果较好地反映了岩石层左旋剪切变形下发育的各向异性。26°N以南地区,快波分裂方向以E—W向为主,与中上地壳最大张应力的方向一致,表明云南地区整个岩石层都可能处于纯剪切变形环境。但是该区岩石层厚度不足80km,产生的XKS分裂快慢波时差(0.7s)仅能解释部分观测值(0.9~1.5s)。因此,软流层中的各向异性对于该地区的S波分裂结果(快波偏振方向为NW—SE和近E—W向)可能产生了重要的作用。一方面,NW—SE向快波偏振方向可能反映了缅甸块体的俯冲及其随后撤退引起的上地幔流动造成的各向异性。另一方面,伴随着高原构造演化发生的从青藏高原向中国东部的软流层物质流动,以及由于绝对板块运动造成的软流层顶部的剪切作用,将产生快波方向为近E—W向的各向异性。本研究结果为研究青藏高原东南缘不同深度的变形特征及其差异提供了重要的信息,尤其在研究青藏高原的构造抬升及其向东南缘的扩展方面产生了新的认识。     

重庆及周边地区地壳各向异性研究

根据重庆及周边地区固定地震台站记录的远震资料提取了接收函数,并利用接收函数Pms相到时方差最小方法建立网格搜索,最终获得该区的地壳各向异性参数。结果表明:重庆及周边地区的地壳各向异性延迟时间为0.14～0.91 s,平均为0.4 s;快波偏振方向主要有NEE、NNW和NWW向,并且大部分台站快波方向与所在区域的主压应力方向明显不一致;重庆地区地壳各向异性具有横向不均匀性及分区特征,岩石圈形变特征主要来自地幔各向异性。     

中国大陆及邻区SKS波分裂研究

SKS波分裂测量是研究大陆地幔的形变特征、探索大陆动力学和演化过程的重要工具. 本文对中国大陆及邻区地震台站的SKS波分裂现象进行了研究. 选用中国数字化宽频带地震台网(CB台网)和美国IRIS数据中心提供的三分量宽频带数字化地震资料，使用SC(Silver and Chan,1991)方法，得到了中国大陆及周边地区80多个台站下方上地幔各向异性参数，即快波偏振方向φ和快慢波到时差δt. 快波偏振方位在相同地块有一定的优势排列方向，大多数台站快波偏振方向都能与过去或现今大规模的构造运动得到很好的符合. 整个研究区域所得到的分裂延迟时间在0.4～2.4s之间，平均为1.2s. 根据SKS波测量得到的分裂参数，分析了该研究区域各向异性介质的特性，从而探索与岩石弹性各向异性相关的地球内部动力学过程.     

中国东北地区北部上地幔各向异性及其动力学意义

中国东北地区广泛发育新生代板内火山,晚中生代以来岩石圈遭受过多期拉张作用.作为中国唯一的深震孕育区,中国东北地区受到太平洋板块的西向俯冲,使得其成为研究岩石圈变形、板块俯冲和板内火山成因及其相互作用关系的天然实验室.通过分析架设在中国东北地区北部的147个流动和固定台站的SKS波形数据,共计得到了377对各向异性参数和251个无效分裂结果.结果表明,中国东北地区东西两侧具有不同的各向异性分布:西部地区各向异性方向变化范围为N143-199°E,平均N169°E,与晚中生代岩石圈伸展方向一致;其各向异性延迟时间平均值约为0.8s,说明来自地幔的各向异性比较微弱,主要由残留在岩石圈中的古老变形所引起.同时,在松辽盆地和佳木斯地块部分区域,观测到延迟时间较小的各向异性(~0.4s),可能是由于岩石圈的拆沉和热地幔物质的上涌侵蚀了保留在岩石圈的古老形变所致.在研究区东部,NNW-SSE朝向的各向异性被观测到,并伴随较大的延迟时间(大于1.0s),可能与太平洋板块撕裂回撤而产生的地幔流动有关.此外,近W-E方向的各向异性只在佳木斯地块被观测到,而太平洋板块在地幔过渡带中的俯冲可能是其产生的主要成因.     

大别—苏鲁及邻区上地幔的各向异性

大别—苏鲁是扬子与华北的碰撞造山带,对该地区上地幔各向异性的研究有助于了解该区的地幔动力学机制.本文选用了中国数字化地震台网和区域数字地震台网(山东、安徽、江苏、河南、湖北)三分量宽频带的远震地震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法,对大别—苏鲁及邻区进行剪切波偏振分析,计算了研究区台站下方介质的各向异性分裂参数:快波偏振方向(Φ)和快慢波延迟时间(δt).本文研究结果发现,研究区内快、慢波延迟时间0.5~1.63 s,推测各向异性层深度为57.5~187.6 km,由软流圈和岩石圈地幔的各向异性共同作用引起.快波偏振方向在4个不同构造区表现出不同的特点:华北板块快波偏振方向为近E-W向,根据地质资料,我们分析认为华北板块的各向异性受地幔软流圈流动的影响明显;大别造山带各向异性平行于大别主构造,反映造山过程中岩石圈物质沿大别造山轴部NW-SE向迁移的特点; 在大别南侧和东侧的扬子板块快波偏振方向分别表现为近垂直于造山带走向和NEE-SWW,苏鲁造山带各向异性结果为NEE-SWW,与地表构造有一定的夹角,同时与板块运动方向相差较大,分析认为扬子板块和苏鲁造山带各向异性是由地幔软流圈流动和印支—燕山期构造运动残留在岩石圈地幔的"化石各向异性"共同作用的结果.     

中国大陆上地幔各向异性和壳幔变形模式

近10年来,中国布设的宽频带地震台站大幅度增加.宽频带地震记录中含有大量的剪切波分裂信息,它在揭示中国大陆上地幔的各向异性特征起重要作用.本文对这些台站的远震SKS和(或)SKKS记录,采用最小切向能量的分析方法,确定各台站剪切波分裂的快波偏振方向和延迟时间.此外,还收集了前人在中国大陆及其周边地区的剪切波分裂研究的部分结果,形成拥有1020个剪切波分裂参数对的数据集.这些分裂参数展示了复杂的上地幔各向异性图像.统计分析表明,中国大陆存在较强的上地幔各向异性,平均的剪切波时间延迟为0.95 s,其中西部地区为1.01 s,东部地区为0.92 s.西部地区的各向异性强度略大于东部地区.在大尺度意义下,青藏高原及天山地区,其SKS波分裂和地表变形数据共同支持岩石圈变形模式,即地壳与岩石圈地幔是连贯变形的;东部地区的平均快波偏振方向近似平行于绝对板块运动方向,上地幔各向异性归因于软流圈流动.中部的鄂尔多斯至四川盆地一带为东、西部两种变形模式的过渡带,各向异性结构较为复杂,表现为"化石"各向异性和(或)双层各向异性.印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆西部上地幔各向异性的主要影响因素,东部地区则与太平洋板块和菲律宾板块向欧亚板块俯冲有关.     

北天山上地幔各向异性研究

利用新疆地震台网记录到的远震波形数据,对北天山地震带上的15个台站记录到的58次地震进行剪切波偏振分析,采用最小能量法和旋转相关法,计算台站下方介质的各向异性分裂参数,即快慢波延迟时间和快波的偏振方向。研究结果表明,在沿准噶尔盆地西南和东南边缘,台站下方各向异性快波方向呈NWW向,与天山造山带的走向基本一致,其慢波延迟时间基本在0.7~1 s,而在南北天山交汇区附近,台站下方各向异性方向转为与天山山脉走向垂直的NE—NEE向,这种变化可能是与坚硬的塔里木块体和准噶尔及哈萨克斯坦块体双向俯冲,导致岩石圈缩短变形,产生了复杂各向异性结构。     

青藏高原东北缘岩石圈厚度与上地幔各向异性

利用青海地震台网和甘肃地震台网2007-2009年记录的远震波形资料,提取S波接收函数和SKS分裂参数,得到了青藏高原东北缘的三维岩石圈厚度分布和上地幔各向异性特征.S波接收函数结果表明:昆仑-阿尼玛卿缝合带以南的松潘-甘孜地块东北缘和西秦岭造山带下方岩石圈较薄,厚度为125~135 km;昆仑-阿尼玛卿缝合带以北具有较厚的岩石圈,在昆仑和祁连地块下方岩石圈厚达145~175 km,并向柴达木盆地(175~190 km)和克拉通(鄂尔多斯南部约为170 km、阿拉善南缘约为200 km)下方增厚.上地幔各向异性结果显示:东北缘地区的SKS快波偏振方向为NW-SE向,与前人得到的昆仑断裂带南侧的快波方向存在较大差异,南侧自高原内部呈顺时针旋转,表明昆仑断裂带可能为上地幔变形的转换带.SKS快、慢波延迟时间为0.8~1.9 s,且在昆仑-阿尼玛卿缝合带以北,延迟时间与岩石圈厚度呈正相关关系,推断该区各向异性主要来源于地幔盖层的初期伸展变形.     

用接收函数方法研究华北克拉通中部造山带及其邻域地壳方位各向异性

华北克拉通是中国东部的重要组成部分,近年来众多研究结果表明,华北克拉通东部在中生代以来发生了明显的岩石圈减薄和破坏.深部岩石圈破坏过程必然伴随地壳构造变形.因此,详细的地壳变形信息可为认识华北克拉通东部的破坏过程和方式提供基本观测依据.文章采用远震接收函数集约束地壳方位各向异性结构的方法,对华北克拉通198个流动地震台站的莫霍面Ps转换波进行谐波分析,获得了其中23个台站下方稳定可靠的地壳平均方位各向异性结构信息,并进一步分析判断了这些台站所在的渤海湾盆地边缘、阴山-燕山造山带及太行山地区的地壳变形特征.研究结果显示,华北克拉通中部造山带邻域台站下方地壳的S波快慢波分裂时间从0.05到0.68s不等,平均值为0.23s,说明在研究区域存在明显的地壳方位各向异性.分析认为,华北克拉通破坏峰期中国东部强烈的NW-SE向伸展变形事件对该区域地壳方位各向异性的贡献很大.除此以外,渤海湾盆地边缘台站下方近E-W向的快波方向,说明该区域可能还受到ENE-WSW方向的现今地壳最大水平主压应力场的作用;阴山-燕山构造带附近地壳各向异性特征还受到侏罗纪到早白垩世多期主要为N-S向的缩短变形运动的影响;太行山地区的台站分裂时间较大,快波方向呈现一致的NW-SE向,与远震SKS波分裂方法得到的快波方向的一致性较好,推测该区域地壳变形可能主要与晚中生代到新生代以来的岩石圈改造和上地幔物质底侵有关.     

利用莫霍面Ps震相研究中国东北地区地壳各向异性

利用中国东北地区布设的65套宽频带数字地震仪2009年6月—2011年6月记录的远震事件, 用时间域最大熵谱反褶积方法提取接收函数, 并用改进的剪切波分裂分析方法对该区地壳介质各向异性参数进行研究, 获得了该区地壳介质各向异性图像. 结果表明, 该区地壳介质各向异性快波偏振方向大致为北西向, 快慢波时间延迟在0.15—0.3 s之间; 但有7个台站下方地壳各向异性快波方向表现为北东向, 可能与当地复杂构造有关. 该区地壳各向异性快波偏振方向与主压应力场方向近乎垂直, 与板块移动方向基本一致, 与SKS/SKKS各向异性快波方向也基本一致. 推断本研究区地壳介质各向异性反映了该区的主张应力方向, 且主要各向异性来源于中下地壳, 暗示了壳-幔垂直变形的一致性.      

南极长城站地壳和上地幔各向异性分析

利用我国第24次和第25次南极科学考察队于2008年2月—2010年3月南极长城站记录到的地震事件数据进行剪切波分裂研究. 选取近震事件对Sg波进行剪切波分裂计算,结果表明快波偏振方向有两个,分别为北东向和近南北向; 慢波延迟时间的范围为1.45—5.17 ms/km,平均值为3.54 ms/km.同时选取长城站记录到的远震数据SKS波震相进行剪切波分裂计算,得出上地幔快波偏振方向优势取向为北东向, 慢波延迟时间平均值为1.60 s. 剪切波分裂结果显示长城站地区地壳和上地幔具有明显的各向异性, 并显示长城站地区地壳与上地幔快波偏振方向几乎平行,表明壳幔变形的一致关系.另外,地壳和上地幔各向异性的快波偏振方向不仅与长城站附近的海沟方向平行,同时也与绝对板块的运动方向平行.该结果进一步说明了绝对板块的运动是构成上地幔各向异性的主要原因.