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.     

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.     

远震剪切波分裂研究华南西南部上地幔各向异性特征

华南板块由扬子克拉通和华夏地块在新元古代碰撞拼合形成, 其西南部的缝合带位置存在强烈争议.本文基于一条南北向宽频带流动台阵天然地震数据, 利用SKS波分裂研究华南西南部上地幔各向异性特征的南北向变化.分裂测量结果显示, 26°N以南的右江盆地快波偏振方向为E-W或NEE-SWW方向, 分裂时差为0.5~2.5 s, 变化范围较大; 川东褶皱带存在较多空解, 快波偏振方向以近东西向为主, 分裂时差在0.5~1.5 s范围内变化; 在右江盆地北缘和川东褶皱带的过渡区域(约26°N附近)各向异性明显较弱.结合前人的上地幔速度成像结果, 我们认为川东褶皱带与右江盆地过渡带是扬子克拉通的南边界, 在其下方北侧的川东褶皱带巨厚的岩石圈向南转变成较薄的岩石圈, 陡变的岩石圈边界引起了软流圈上涌, 软流圈的垂向运动导致其水平方位各向异性较弱.

     

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.     

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.     

利用地震各向异性方法研究地幔底部的形变特征

地震波在穿过地幔底部(即D"层)时表现出很明显的各向异性特征(地震波速度随着方位角变化而变化)[1-5].D"层各向异性的形成机制一般认为是由D"层的主要相变矿物MgSiO3-post-perovskite (ppv),由于形变导致晶体的晶格定向排列引起的.如果这种解释机制正确的话,那么先前从单个方向测量D"层的各向异性来推断ppv晶体的滑动机制就是不充分的,因为ppv晶体是正交晶系.我们根据美洲北部和中部地区在核-幔边界处仍残留着俯冲海洋板块的残片[6]的构造特点,挑选了穿过D"层的浅震和深震,来增加射线在D"层的方位覆盖,处理得到美洲北部和中部D"层的各向异性.我们分别处理了穿过3个研究区的D"层的700多个剪切波波形数据,每一次同时处理来自两个不同方位的震相,研究发现,先前假设的垂直对称轴的横向各向同性(波速不随方位的变化而变化)[2-3,7]机制是不可能的,需要引入更复杂的机制.我们将MgSiO3-ppv多种形变机制和观测结果进行对比,发现在(001)面上的剪切与观测到的数据和俯冲带的核-幔边界处剪切形变的预期结果相吻合.利用新的地幔流动模型及改善后的ppv滑移系的实验观测确定方法,我们可以对核-幔边界的形变特征进行成像,将D"层中的动力过程(比如,地幔柱的形成)与地幔的其他部位联系起来.     

川滇地区壳幔介质地震各向异性特征研究

川滇地区位于青藏高原东缘,由于印度-欧亚大陆碰撞造成物质的侧向挤出和逃逸,造成了该地区的构造格局由近东西向转为近南北向.该地区的地震活动强烈,地质构造十分复杂,对该地区的各向异性研究,对于该区域主压应力场特征、断层性质、地震成因、板块运动和强震深部背景等问题的研究具有重要意义,尤其对青藏高原的隆升演化的动力学研究有重要意义.     

基于地幔动力学模拟推断云南地区剪切波各向异性源的深度

地震各向异性与地幔对流导致的变形存在因果关系,因此地幔对流模拟可被用来预测地震各向异性,并推测剪切波各向异性地幔源的深度.本文建立了基于地震速度结构的地幔对流模型来预测云南地区剪切波分裂的快波方向,它同时受地表板块运动和地幔内部的温度扰动所驱动.通过与观测结果进行对比分析,推测在云南地区西北部和东部区域,剪切波各向异性源主要存在于岩石圈中.在西南部和四川盆地及其西缘,地幔流动可能是剪切波各向异性的主要贡献者,各向异性层分别位于210~330 km和170~330 km深度,导致西南部剪切波各向异性的地幔可能处于大幅度的剪切变形状态,而四川盆地及其西缘主要处于中等强度的剪切变形状态.

     

华北地区地壳上地幔速度各向异性研究

本文介绍面波反演得到的华北地区地壳上地幔速度各向异性分布图像,并与S波分裂的结果作初步的定性比较.不同周期瑞利波群速度的方位各向异性图像呈现显著的横向变化,与华北地区地壳上地幔的构造分块和垂直分层结构有比较密切的联系.在鄂尔多斯和阿拉善等稳定地块中,岩石圈地幔到160 km深度都保持比较一致的显著各向异性;而在发生过岩石圈减薄的华北克拉通东部,大约80~150 km深度范围内基本没有探测到方位各向异性,可能说明岩石圈减薄过程抹去了原有的各向异性印迹而且没有显著的水平构造运动造成新的方位各向异性.地球介质的各向异性具有明显的分层特征,面波的反演结果是如此,而S波分裂测量所表现的离散性,也可能是由各向异性的分层差异和倾斜的各向异性对称轴等因素引起.采用多层的各向异性模型,在多数情况下可以定性地解释面波反演和S波分裂结果之间的差异.进一步的工作要求增大面波的探测深度和改善分辨能力,获取更多的S波分裂测量资料,从而建立定量或半定量的三维各向异性模型.     

西北太平洋俯冲带东北地区壳幔结构研究进展

总结了近年来西北太平洋俯冲前端东北地区地壳的精细结构和上地幔间断面410和660km的研究成果.认为：该区莫霍面深约为30～39km.410km的间断面有30km的深度异常,这种异常是否在过渡带正常或含水相变展布厚度的内,还是于该区俯冲带的后退有关,还需做进一步的研究论证.在中国东北地区,日本海俯冲带向西倾斜,在660km的间断面上近似水平停滞汇集被大多数层析成像、接收函数、波形拟和以及深震研究所认同.然而,俯冲带具体的形式、大小范围,向下渗透到多深以及在局部地区表现的横向不连续性的看法并不一致.由此带来的动力学模式什么力来支撑着停滞的板片,在板片最终下沉到下地幔以前,有多少俯冲的板片能停滞在间断面之上,这些问题都还需要更合理的解释.     

Seismic anisotropy of upper mantle in Sichuan and adjacent regions

Based on the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 94 broadband seis-mic stations in Sichuan and adjacent regions, the SKS fast-wave direction and the delay time between the fast and slow shear waves were determined at each station using the grid searching method of minimum transverse energy and the stacking analysis method, and the image of upper mantle anisot-ropy was acquired. The fast-wave polarization directions are mainly NW-SE in the study area, NWW-SEE to its northeast and NS to its west. The delay time falls into the interval [0.47 s, 1.68 s]. The spatial variation of the fast-wave directions is similar to the variation of GPS velocity directions. The anisotropic image indicates that the regional tectonic stress field has resulted in deformation and flow of upper mantle material, and made the alignment of upper mantle peridotite lattice parallel to the di-rection of material deformation. The crust-upper mantle deformation in Sichuan and adjacent regions accords with the mode of vertically coherent deformation. In the eastern Tibetan Plateau, the crustal material was extruded to east or southeast due to SE traction force of the upper mantle material. The extrusion might be obstructed by a rigid block under the Sichuan Basin and the crust has been de-formed. After a long-term accumulation of tectonic strain energy, the accumulative energy suddenly released in Yingxiu town of the Longmenshan region, and Wenchuan MS8.0 earthquake occurred.     

鄂尔多斯块体及其周缘上地幔各向异性分析研究

对布设在鄂尔多斯块体及其周缘的固定宽频带地震台网90个台站记录作远震SKS波形资料偏振分析,采用最小切向能量法求得每个台站的SKS快波偏振方向和快慢波时差,获得块体及其周缘上地幔各向异性图像,并结合1999~2007年相对鄂尔多斯块体的GPS水平地壳运动速度场,分析块体及其周缘的各向异性特征和壳幔耦合特征并重新认识块体的运动及周缘断陷带的动力学成因.分析结果认为,块体内部以零分裂为主,表现为各向同性特征;块体周缘台站延迟时间则明显大于块体中部,表现出明显的各向异性特征;快波偏振方向与地质构造走向、水平速度场方向基本一致,表明壳幔之间存在耦合,而个别台站在方向上与周围台站存在差异,可能与早期的块体活动有关.SKS横波分裂结果和现今GPS地壳水平运动场解释了鄂尔多斯块体没有旋转运动,在西南缘六盘山一带存在分叉绕流运动,汾渭断陷带的形成和发展是由于上地幔塑性物质沿挤出方向水平运动和沿裂隙向上入侵、横向扩张的综合演化结果.     

华北中西部和青藏高原东北缘上地幔各向异性变形特征

基于华北中西部和青藏高原东北缘3个流动台阵共480个台站新得到的远震XKS（SKS、SKKS和PKS）波分裂结果,并结合研究区已得到的987个台站的分裂结果,获得了高分辨率的上地幔各向异性图像.分析表明,鄂尔多斯块体的时间延迟较小,反映了其稳定性和弱的各向异性变形特征,可能保留了古老克拉通根的"化石"各向异性,但其靠近边缘的局部区域表现出与相邻边缘相一致的各向异性特征,反映了其局部区域受到了与其相邻边缘的构造活动影响.青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘快波方向主要为NW-SE方向,鄂尔多斯块体北缘主要为NNW-SSE方向,反映了青藏高原沿NE方向推挤过程中岩石圈沿NW-SE方向和NNW-SSE方向发生了伸展变形;位于四川盆地和鄂尔多斯块体两个刚性块体间的秦岭造山带的快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,推测岩石圈东向挤出和软流圈东流共同促进了观测的各向异性;在鄂尔多斯块体南部边缘,快波方向自西向东逆时针沿西南缘六盘山的NW-SE方向转到南缘渭河地堑的近E-W方向再到东南缘太行山的NEE-SWW方向,推断该区域可能存在一个绕刚性块体的逆时针软流圈绕流,与上覆岩石圈左旋简单剪切变形产生了观测的各向异性,并一起驱动了鄂尔多斯块体的逆时针旋转.作为华北克拉通东西部的过渡带,华北中部的各向异性相对复杂,其东部快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,其各向异性主要反映了太平洋板块西向俯冲作用引起的地幔流;其西北部吕梁山的各向异性主要由岩石圈沿NNW-SSE到NW-SE的拉张变形导致,而西南部太行山的各向异性还反映了软流圈绕流作用.鄂尔多斯块体东北缘大同火山区存在一个快波方向顺时针快速旋转且时间延迟较小的区域,可能与火山群下地幔岩浆上涌形成的局部地幔对流相关.紧邻华北北部的中亚造山带中南部快波方向为近E-W方向,其各向异性不仅受到与构造走向一致的岩石圈变形作用,而且也受到太平洋板块西向俯冲引起的地幔流影响.     

Seismic anisotropy of upper mantle in eastern Tibetan Plateau and related crust-mantle coupling pattern

By using the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 116 seismic stations which respectively involved in China National Digital Seismograph Network, and Yunnan, Sichuan, Gansu and Qinghai regional digital networks, and portable broadband seismic networks deployed in Sichuan, Yunnan and Tibet, we obtained the SKS fast-wave direction and the delay time between fast and slow waves of each station by use of the stacking analysis method, and finally acquired the fine image of upper mantle anisotropy in the eastern Tibetan Plateau and its adjacent regions. We analyzed the crust-mantle coupling deformation on the basis of combining the GPS observation results and the upper mantle anisotropy distribution in the study area. The Yunnan region out of the plateau has dif-ferent features of crust-mantle deformation from the inside plateau. There exists a lateral transitional zone of crust-mantle coupling in the eastern edge of the Tibetan Plateau, which is located in the region between 26° and 27°N in the west of Sichuan and Yunnan. To the south of transitional zone, the fast-wave direction is gradually turned from S60°―70°E in southwestern Yunnan to near EW in south-eastern Yunnan. To the north of transitional zone in northwestern Yunnan and the south of western Sichuan, the fast-wave direction is nearly NS. From crust to upper mantle, the geophysical parameters (e.g. the crustal thickness, the Bouguer gravity anomaly, and tectonic stress direction) show the feature of lateral variation in the transitional zone, although the fault trend on the ground surface is inconsis-tent with the fast-wave direction. This transitional zone is close by the eastern Himalayan syntaxis, and it may play an important role in the plate boundary dynamics.     

地球内部壳幔介质地震各向异性与动力学响应

实际的地球介质十分复杂,远非当今人们所采用的理想模型可以概括,因为其属性和结构的变异是非均匀、非线性和各向异性的.在研究地球内部壳幔介质与结构、构造与属性差异、金属矿产资源和油、气、煤能源的勘查中,无论是区域构造格局、岩相和结构特征(如裂缝、破碎带、不同尺度的洞穴以及一些不规则几何体)均十分复杂.近年来基于成山、成盆、成矿、成岩和成灾研究的不断深化,对地下介质各向异性的研究受到广泛的关注.地震波动传播理论和介质与结构的物理属性研究结果表明:地震各向异性在成因上主要是由岩石、矿物和晶体的晶格优势取向、应力场异常变异和构造裂缝与深部物质运移造成的.为此,本文对14次地震各向异性会议的主体内涵进行分析,在此基础上,指出了在各向异性研究的发展进程中、特别是在应用中尚存在着的一些问题.在深化认识地球内部物质物理属性的基础上,探讨了S波分裂和偏振效应与地震各向异性与介质结构分区、构造活动,油气田勘探与岩相特征,裂隙与构造精细刻划和地震活动区(带)深部介质与构造环境的深层过程和动力学响应的关系.最后提出了地震各向异性在地球物理学发展中的作用和今后的任务.