云南地区上地幔各向异性研究

对云南23个数字地震台11次地震的SKS记录，采用理论切向分量与实测切向分量拟合的方法，确定了快S波的偏振方向和快、慢波之间的时间延迟．结果表明，除鹤庆台外，在各台都观测到了S波分裂现象；云南地区的快方向总体特征是北北东向，时间延迟变化范围为0.5～2.0ｓ．在地质构造复杂地区断层对分析的影响很大．分析表明，作为青藏高原与华南块体之间的过渡带，云南地区的S波快方向反映了印度板块向欧亚板块俯冲是该地区地球动力学的基本背景，而由于青藏高原隆起造成的康滇菱形块体的南东-南南东向运动是造成复杂构造、应力环境的重要因素．快方向与上地幔运动的方向存在差异，说明在云南地区低速层或者软流层的运动与地壳块体的运动之间存在着复杂的耦合作用，构造驱动力如同向北东方向张开的手掌．从时间延迟出发，推断各向异性层的厚度为60～225ｋｍ．其变化范围与低速层埋深的变化范围（104～260ｋｍ）相当，认为各向异性层顶面可能在地壳底部，也可能在低速层，且在不同地点是不相同的，这与云南及周边地区莫霍面变化剧烈有因果关系．进一步推断出上地幔的各向异性主要存在于岩石圈而不是整个上地幔．      

中国云南地区上地幔地震各向异性

本文分析云南地区中周期ＳＫＳ偏振，得出观测台附近上地幔Ｓ波快速方向和分裂时间为：昆明，８５°，１．０秒；洱源，８９°，１．０秒；腾冲，１６５°，０．７秒；昭通１６７°，０．９秒。按上地幔地震各向异性是应力作用下矿物优势取向所致的观点，腾冲和昭通的各向异性观测与现代应力场作用相符。但昆明和洱源的观测与现代应力场作用矛盾，它可能是古生代至中生代间攀西裂谷张裂时期，地幔物质流动引起矿物有序排列的结果。     

塔里木盆地南部上地幔各向异性研究

塔里木南缘位于塔里木块体同青藏高原碰撞的前缘,是认识青藏高原同周围块体相互作用的重要位置.横波分裂方法可以获得岩石圈及软流圈地幔的介质各向异性特征,进而探讨岩石圈变形和地幔流动.本文利用横波分裂方法对中国科学院地质与地球物理研究所、北京大学和南方科技大学联合布设在塔里木盆地南部的8个宽频带流动地震台站记录的SKS和SKKS震相进行分析,获得了塔里木盆地南部上地幔各向异性参数.分析结果显示,研究区快波偏振方向总体比较一致呈近东西向,但存在盆地边缘到盆地内部变化,而慢波延迟时间分布在0.3~1.5 s,差异较大.综合前人对青藏高原北缘和阿尔金断裂周边的横波分裂研究结果,研究区内大部分地区地幔流动方向和绝对板块运动方向保持一致,推测青藏高原北缘同塔里木盆地接触带,青藏高原北缘软流圈南东东向流动对塔里木块体下方地幔流动造成扰动,随着深入到塔里木块体内部,干扰越来越弱;同时青藏高原北部软流圈物质可能对塔里木盆地岩石圈产生影响,随着地幔软流圈物质持续向北运动逐渐冷却,对盆地内部岩石圈的影响程度减弱.

     

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.     

用地震面波研究上地幔各向异性

本文论述了上地幔各向异性的参数描述和主要证据,以及与地球动力学的关系。并就近几年来国外利用地震面波研究上地幔各向异性的重要成果和主要方法作了综合评述。     

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.     

华北上地幔各向异性研究

对华北地震科学台阵的200个宽频带和甚宽带地震台站所记录的远震SKS(SKKS)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SKS(SKKS)快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,并结合已发表的固定台站的结果,获得了华北上地幔各向异性图像.从得到结果看,华北东部各向异性快波方向基本为NWW-SEE方向,而西部的快波方向转到NW-SE或NNW-SSE.快、慢波时间延迟范围是0.50~1.47 s,华北西部的平均快、慢波时间延迟小于华北东部.在华北东部,快波方向与绝对板块运动(APM)方向基本一致,预示了NWW向的软流圈地幔流是引起该区域上地幔各向异性的主要原因,它使得上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿地幔物质流动方向,从而导致了NWW趋向的快波方向.然而,在稳定的西部,快波方向既不与绝对板块运动方向一致,也不与构造走向一致,这种弱各向异性很可能是遗留在古老克拉通的厚的岩石圈内的"化石"各向异性.     

上地幔各向异性的反演方法

详细推导了弱各向异性介质的地震波速，在此基础上介绍了用Pn震相研究上地幔各向异性的几种具体算法；推导了用SKS震相和ScS震相反学下地幔各向异性的方法、优缺点及几种方法的相互关系。     

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.     

下扬子江苏地区P_n残差与上地幔波速各向异性

本文搜集江苏台网1982年—1987年2月间发生在江苏及其邻近地区103次地震的1047个P_n数据,经过静校正和质量分类,重新计算了震中距.选择灌云台为参考台,对一次地震的P_n数据,其它台均减去参考台的数据,成功地消除了与震源参数不确定有关的误差.处理中采用质量加权,获得了上地幔平均速度、大部分台P_n残差以及不同方位上P_n视速度估计值. 按Backus给出的波速各向异性的公式,求出江苏地区P_n速度与方位之间有2％左右的速度各向异性,最大方向和对称方向近南北,最小方向为北东东.推断其成因是由于白垩纪至第三纪期间壳下岩石圈北南向流变引起橄榄石晶体从优定向的结果.这为苏北盆地及下扬子碳酸盐岩地区地质构造形成发展动力学的建立提供了有利的深部依据.     

山东地区上地幔各向异性研究

通过分析山东地区数字地震台网37个宽频带地震台站的远震SKS波形资料,使用最小能量法和旋转相关法求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波时间延迟,获得了山东地区上地幔各向异性图像.该研究区的各向异性快波方向基本呈WNW-ESE方向,快、慢波时间延迟为0.73-1.71 s.研究表明,山东地区上地幔存在明显的各向异性...     

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.     

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.

     

Seismic anisotropy beneath the Chinese Mainland: Constraints from shear wave splitting analyses

We use earthquakes recorded by the China National Seismic Network from 2015 to 2019 and measure shear wave splitting parameters of SKS to study the anisotropic characteristics beneath the mainland of China. In general, the fast directions change from nearly E-W in western China (northwest China and Qinghai-Tibetan Plateau) to nearly N–S in central China (Ordos and Sichuan-Yunnan), and then turn to approximately E-W in eastern China (North and South China). The delay times of slow wave in eastern China are about 1.0–1.7 ​s, larger than those in central and western China (about 0.6–1.0 ​s). In addition, the fast directions in eastern China are highly consistent with the plate motion direction and horizontal GPS velocities with respect to Eurasia, indicating that the observed anisotropy is mainly from the asthenosphere which is strongly coupled to the overlying lithosphere. However, the fast directions in western China are mostly in accord with the strike of the surface structures (such as faults), possibly due to the directional arrangement of crystal lattices caused by shear deformation under tectonic activities.     

南北构造带南段上地幔各向异性特征

对布设在南北构造带南段的中国地震科学探测台阵项目一期350个宽频带流动台站和中国地震台网90个宽频带固定台站记录的远震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,获得了南北构造带南段上地幔各向异性图像.结果显示研究区的各向异性具有明显的南北分区特征,北部的快波方向为近N-S方向,而南部主要表现为近E-W方向,且北部的平均时间延迟小于南部.分析表明,具有厚岩石圈的北部的各向异性主要由岩石圈变形引起,是一种垂直连贯变形模式;具有薄岩石圈的南部的各向异性主要由软流圈地幔流引起,缅甸和巽达板片的后撤/回转作用产生了指向西南的软流圈地幔流,在岩石圈底部和软流圈之间产生了一个水平差异运动,产生了一个与简单剪切一致的软流圈变形结构,从而产生了南部观测的各向异性.     

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.     

中国东北地区SKS分裂的上地幔各向异性结构与动力学

本研究收集了中国东北地区2008—2016年九年时间内207个固定地震台站和127个NECESSArray流动地震台站的波形资料,利用SKS波分裂的最小切向能量网格搜索方法获得了243个台站的有效分裂结果.研究结果显示,尽管研究区各向异性快波方向基本以NW-SE向为主,但无论是在快波方向上还是快慢波时间延迟上不同构造单元内部与不同构造单元之间均存在着较大差别.大兴安岭造山带北部的各向异性快波方向自北向南由NNE-SSW向转变为NNW-SSE向,在中部以NW-SE向为主,而南部自北而南由NE-SW向逐渐转变为近E-W向;松辽盆地的各向异性快波方向在北部自西向东主要表现为由NNW-SSE向逐渐转变为NW-SE向,在中部自西向东由NE-SW向转变为近E-W向,而在南部既有NE-SW向又有NW-SE向;佳木斯地块各向异性方向由西部的NW-SE转变为东部的NNW-SSE,同时快慢波时间延迟逐渐变大;长白山造山带北部自北向南由NW-SE向逐渐转变为近E-W向,中部各向异性快波方向为NNW-SSE向,且快慢波时间延迟较大,而南部以NW-SE向为主;燕山造山带的各向异性快波方向主要沿E-W向分布,基本平行于燕山造山带的走向.这些结果说明,尽管复杂的各向异性快波方向与局部岩石圈拆沉和热物质上涌有关,但更重要是与"大地幔楔"中物质水平流等动力过程密切相关,也有待将来结合更多地震资料如面波不同深度的特征各向异性进行分析.在阿巴嘎火山群、哈拉哈火山群、长白山火山、龙岗火山和镜泊湖火山区及五大连池火山区等特殊构造区的周边地区,各向异性快波方向围绕这些构造区随方位均发生明显变化,暗示了火山区下方热物质上涌可能影响了"大地幔楔"中的软流圈物质水平流方向.