中国东部上地幔各向异性研究

对布设在中国东部的固定和流动宽频带地震台网共65个台站记录作远震SKS波形资料偏振分析,采用SC方法和叠加分析求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了中国东部上地幔各向异性图像。中国东部的各向异性快波方向从华南的近EW方向到华北的NWW-SEE方向,再到东北的NW-SE方向,由南向北呈顺时针旋转的趋势。快、慢波时间延迟范围是0.41-1.52s。通过分析研究区各向异性特征,认为中国东部上地幔各向异性可能与中国大陆受印度板块与欧亚板块的碰撞以及太平洋板块和菲律宾海板块向欧亚板块下方的俯冲的共同作用有关。在中国西部地壳增厚隆起的同时,物质向东挤出,使得东部上地幔物质向东和东南方向流动。中国东部大陆岩石圈和岩石圈下的上地幔物质在板块的相互作用下产生变形,使上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿物质流动方向。各向异性快波方向与岩石圈的伸展方向和GPS得到的速度场方向一致,表明中国东部壳幔变形具有垂直连贯变形特征。     

鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性研究

对布设在鄂尔多斯块体及周缘的固定和流动宽频带地震台网共111个台站记录作远震SKS（SKKS）波形资料偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索和叠加分析求得每一个台站的SKS（SKKS）快波偏振方向和快、慢波的延迟时间,获得了鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性图像.在鄂尔多斯块体西缘和北缘,各向异性的快波方向为NW-SE方向,一致性较好;在鄂尔多斯多斯块体南缘,快波方向主要是NWW-SEE和近EW方向;在鄂尔多斯块体东缘,快波方向总体表现为近EW方向,间有NEE-SWW方向和NWW-SEE方向.在鄂尔多斯块体内部,快波方向在北部是近NS方向,而南部则是近EW方向.快、慢波的时间延迟范围是0.48～1.50s,鄂尔多斯块体内部的时间延迟平均值小于其周缘地区.通过分析研究区各向异性特征,认为构造稳定的鄂尔多斯块体内部的各向异性主要来自于古老的华北克拉通保存的＂化石＂各向异性;青藏高原东北缘向NE方向的推挤,造成岩石圈NW-SE方向的拉张伸展,鄂尔多斯块体西缘和北缘下的上地幔物质沿NW-SE方向发生了形变,使得上地幔中橄榄岩的晶格排列方向平行于物质形变的方向;在鄂尔多斯块体南缘,刚性的华北块体和扬子块体碰撞作用,使得各向异性快波方向平行于两个刚性块体的碰撞边界和秦岭造山带的走向.结合该区域绝对板块运动和速度结构研究,认为在秦岭造山带下可能存在一个青藏高原物质东流的地幔流通道;在鄂尔多斯块体东缘的汾河地堑和太行山,相对复杂的各向异性特征可能由于西太平板块俯冲、区域伸展构造、造山运动等共同作用引起的.对于YCI台得到的各向异性参数（快波方向变化范围是45°～106°,时间延迟变化范围是0.6～1.5s）随事件反方位角呈现出π/2周期的变化,符合双层各向异性模型.基于0.125Hz的主频和实测的各向异性参数,我们模拟得到了最佳的双层各向异性模型,下层φlower=132°,δtlower=0.8s,上层φupper=83°,δtupper=0.5s.上层各向异性归功于古老克拉通保留的＂化石＂各向异性,下层各向异性则受到了青藏高原东北缘NE方向推挤导致的岩石圈NW-SE方向的拉张伸展作用.通过该区域各向异性快波方向与全球定位系统（GPS）的观测结果的对比分析,鄂尔多斯块体的周缘壳幔变形符合垂直连贯变形模式,而其内部变形复杂,有待进一步研究.     

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.     

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。     

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.     

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．      

四川及邻区上地幔各向异性研究

对布设在四川及邻区的固定和流动宽频带地震台网共94个台站记录作远震SKS波形资料偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索和叠加分析求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的延迟时间,获得四川及邻区的上地幔各向异性图像．从得到结果整体看,各向异性快波方向在研究区东北部为NWW-SEE方向,到中部的NW-SE方向,再到西部的近NS方向,有顺时针旋转的趋势,主体以NW—SE方向为主,快、慢波延迟时间是0．47～1．68s．各向异性的快波偏振方向与GPS测量的地壳运动速度场方向变化相一致．通过分析各向异性图像,认为四川及邻区上地幔物质在区域构造应力场的作用下发生了变形,它使橄榄岩中晶格排列方向平行于物质变形方向,研究区壳幔变形可能存在垂直连贯变形特征．汶川地震可能是高原东缘地壳或上地壳物质受上地幔物质SE向的拖曳力作用向东挤压,这种挤压受到四川盆地下的刚性地块的顽强阻挡,经过长期的构造应力能量的积累,最终在龙门山映秀地区突然释放,导致汶川8．0级地震发生．     

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。     

青藏高原东部上地幔各向异性及相关的壳幔耦合型式

对国家数字地震台网和云南、四川、甘肃、青海区域数字地震台网, 以及布设在川、滇、藏地区的宽频带流动地震台网共116个台站所记录的远震SKS波形资料作偏振分析, 采用叠加分析方法求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快慢波的时间延迟, 获得青藏高原东部及其邻近地区的上地幔各向异性图像. 将该地区全球定位系统(GPS)的观测结果与上地幔各向异性分布相结合作地壳-地幔耦合变形的分析, 研究表明青藏高原内部和高原外部的云南地区具有不同的壳幔变形特征, 在高原的东缘地区(大致位于川滇西部的26°~27°N之间)存在一个壳幔变形的横向过渡带. 过渡带以南地区的快波偏振方向从滇西南的S60°~70°E逐渐转变到滇东南的近东西向, 以北的滇西北部和川西南部, 快波偏振方向为近似的南北向. 高原内部表现为强壳幔耦合型, 高原外部则属于壳幔解耦型. 这一横向过渡带与地表的断裂走向不一致, 但在地壳和上地幔, 其地球物理场(如: 地壳厚度, 布格重力异常和构造应力方向等)都具有横向过渡的特征. 该横向过渡带邻近东喜马拉雅构造结, 在板块边界动力学上有着重要的意义.     

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。     

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.     

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.     

阿尔金断裂西部邻区的上地幔各向异性研究

本文利用横波分裂方法对北京大学于田流动台阵记录的SKS震相进行分析,获到了阿尔金断裂西部及邻区的上地幔各向异性参数.分析结果显示,快波偏振方向在整个研究区基本呈近E-W向,与研究区内阿尔金断裂的走向几乎一致,分裂延迟时间在0.93~1.20 s之间.综合研究区附近前人横波分裂研究结果,我们认为,在印度和欧亚大陆板块碰撞作用下,青藏高原北部上地幔软流圈物质向北流动,遇到塔里木盆地"克拉通"较厚岩石圈阻挡并发生了旋转,向东西两侧流动,导致在青藏高原和塔里木盆地边界地带软流圈上地幔橄榄岩中晶格沿近E-W向优势排列.这一模式显示阿尔金断裂可能是一个岩石圈尺度的大型走滑断裂:它既控制近地表的上地壳构造运动,同时也影响了上地幔软流圈物质的流动.另外,在向塔里木盆地内部延伸的台站也观测到显著的各向异性和近E-W向的快波偏振方向.这些结果表明塔里木盆地"克拉通"岩石圈的中、下部分在南部边界被青藏高原北部上地幔软流圈流动"热侵蚀"而损失一部分,导致青藏高原软流圈向东西两侧的流动已经延伸到塔里木盆地内部.本文的研究结果揭示克拉通岩石圈"活化"不仅可以在垂直方向发生(如,岩石圈拆沉或软流圈上涌导致的热侵蚀),也可以在水平方向上发生,即软流圈的水平流动对克拉通岩石圈边界的热侵蚀作用.     

湖北地区上地幔各向异性及其动力学意义

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.本文选用湖北数字地震台网(HB台网)和中国数字化宽频带地震台网(CB台网)提供的三分量宽频带数字化地震资料,使用旋转相关法和切向能量最小法,计算得到了湖北地区23个地震台站下方上地幔各向异性参数.结果表明,快波偏振方向较为复杂:大别造山带内,呈平行于大别造山带构造走向的NWW向,且与绝对板块运动方向基本一致,反映印支—燕山期扬子板块与华北板块南北向挤压碰撞造山的过程,而地幔流动则是造成这种南北挤压的力源.扬子板块内NWW向虽与绝对板块运动趋势一致,但比较离散,受地幔对流影响不明显,而NE向各向异性主要与燕山后期之后应力场的转变有关.分析认为,该地区的上地幔各向异性为地幔流动和固结在岩石圈中的"化石各向异性"共同作用的结果.根据上地幔各向异性方向与主要构造带的走向平行,可以作为地壳变形与上地幔连贯变形的证据.整个研究区域得到的分裂延迟时间在0.5~1.35 s之间,厚度在58~155 km之间.     

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 of upper mantle in eastern China

Based on the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 65 seismic stations which respectively involved in the permanent and temporary broadband seismograph networks deployed in eastern China, the SKS fast-wave direction and the delay time between the fast and slow shear waves at each station were determined by use of SC method and the stacking analysis method, and then the image of upper mantle anisotropy in eastern China was acquired. In the study region, from south to north, the fast-wave polarization directions are basically EW in South China, gradually clockwise rotate to NWW-SEE in North China, then to NW-SE in Northeast China. The delay time falls into the interval [0.41 s, 1.52 s]. Anisotropic characteristics in eastern China indicate that the upper mantle anisotropy is possibly caused by both the collision between the Indian and Eurasian Plates and the subduction from the Pacific and Philippine Sea Plates to the Eurasian Plate. The collision between two plates made the crust of western China thickening and uplifting and the material eastwards extruding, and then caused the upper mantle flow eastwards and southeastwards. The subduction of Pacific Plate and Philippine Sea Plate has resulted in the lithosphere and the asthenosphere deformation in eastern China, and made the alignment of upper mantle peridotite lattice parallel to the deformation direction. The fast-wave polarization direction is consistent with the direction of lithosphere extension and the GPS velocity direction, implying that the crust-upper mantle deformation is possibly a vertically coherent deformation. Supported by Special Project for the Fundamental R & D of Institute of Geophysics, China Earthquake Administration (Grant No. DQJB06B06), Special Program of the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2006FY110100), China Digital Earthquake Observation Network Project “North China Seismic Array”, and National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40334041 and 40774037)     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P 波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5deg;times;0.5deg;的网格划分,反演得到了华北北部地区（111deg;E——120deg;E,37deg;N——42deg;N）深至400km 的地壳上地幔三维P 波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60——120km 深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km 深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km 以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200——300km 存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

华北克拉通中部过渡带SKS波分裂研究:鄂尔多斯东南角的局部软流圈绕流

本文对布设在华北克拉通东西两块体交界区域的宽频带流动地震观测台阵和部分固定台站的远震波形记录开展了SKS波分裂研究.结果显示,鄂尔多斯块体内部的各向异性比较弱,剪切波分裂导致的时间延迟一般小于0.7 s.鄂尔多斯块体东缘的山西断陷带和太行山以及华北平原西部均表现出了比较强的各向异性,时间延迟大于1.0 s.特别是在太行山地区观测到的ENE趋向的快波偏振方向明显不同于鄂尔多斯块体和华北平原地区的近E-W和ESE方向的快波偏振方向.在华北克拉通东西两块体交界过渡带的太行山地区观测到的显著上地幔各向异性及变化可能对应于围绕鄂尔多斯块体东南角的局部软流圈绕流,而后者可能起因于鄂尔多斯块体的逆时针旋转以及青藏高原软流圈沿秦岭大别造山带向东的流动.