利用剪切波分裂研究辽宁南部地区上地幔各向异性

利用辽南地区地震观测台站观测的SKS远震波形数据,采用SpitLab软件来计算分析上地幔各向异性的参数特征,分别得到快波偏振平均方向为NWW向,快、慢波延迟时间为0.65~36 s。综合地质构造等依据分析发现:辽南地区自北向南的上地幔变形因素不仅仅是单一的垂直连贯变形或地幔流动,而是二者共存。同时,通过计算得到辽南地区各向异性厚度大致在74~156km,平均厚度在115km。综合分析,认为该地区的各向异性主要成因是来自上地幔的影响。

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0.93~1.20s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EW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.

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0.50～1.47s,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.

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.

青藏高原中部地壳和上地幔各向异性分析

对布设于青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ宽频带数字地震台阵的41个台站记录的远震体波资料所提取出的P波接收函数和SKS波形资料做偏振分析,并采用以误差为权的叠加分析方法求得每一个台站的Pms和SKS快波偏振方向和快慢波的时间延迟,获得了从拉萨块体中部,经喀喇昆仑嘉黎断裂系和班公湖—怒江缝合带,到羌塘块体中部的地壳和岩石圈地幔的地震波各向异性图像.从各向异性分析结果可以看到:Pms快慢波的时间延迟为0.3～0.5 s,在拉萨块体,快波方向主要为NE-SW向,在羌塘块体,快波方向为近E-W向.SKS快慢波的时间延迟为1～2 s,主要分布在拉萨块体的北端和羌塘块体,并且向靠近班公湖怒江缝合带和昆仑—嘉黎断裂带的方向时差增大,快波方向基本与Pms快波方向一致.在喀喇昆仑—嘉黎断裂带以南的拉萨块体中部没有测量到明显的SKS分裂,这可能与该区存在双层快轴方向近垂直的各向异性层有关.结合研究区已有的研究成果可以推测:拉萨块体地壳各向异性层的快轴方向与印度—欧亚板块汇聚方向一致,可能与地壳较强刚性有关,其在板块汇聚过程中不易发生流展变形;而羌塘块体地壳和岩石圈中各向异性层的快轴方向与青藏高原物质逃逸方向一致,表明这一块体流变性均较强,在板块汇聚挤压力的作用下发生了侧向流变变形.

辽宁地区上地幔各向异性研究

利用辽宁数字地震台网2013-2017年间15个宽频带地震台站记录到的震中距在85°到140°之间的且Mw≥5.5的远震SKS波形数据,基于SplitLab软件,使用旋转相关法、最小切向能量法和最小特征值法,计算每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的延迟时间,获得辽宁地区上地幔各向异性参数共398对。结果显示,辽宁地区存在比较明显的上地幔各向异性,快波偏振方向大部分呈NWW方向,与中生代晚期岩石圈伸展形变方向一致;各向异性快慢波延迟时间在0.4~1.2s之间,可以推测软流圈对各向异性的影响比较小,主要是由残留在岩石圈的古老形变所导致。

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0.5～1.63s,推测各向异性层深度为57.5～187.6km,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.

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一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．

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.

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。

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.

青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性研究

本研究使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设流动地震台站以及青藏高原周边地区固定地震台站记录到的波形资料,提取了大量高质量Pn波到时资料.联合中国地震台网观测报告,我们获得了一个新的青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区内上地幔顶部存在明显横向不均匀性.古老盆地和稳定地台区如四川盆地、柴达木盆地、拉萨地块和阿拉善块体呈现为明显高波速异常,而祁连山至西秦岭褶皱带和川滇菱形块体北部等为相对弱高波速异常.在龙日坝断裂带以东的松潘—甘孜地块往南沿安宁河—则木河断裂至川滇菱形块体南部显示为一条近南北向明显低波速异常.三江褶皱系、缅甸弧俯冲带以及四川盆地东南等地区为明显低波速异常.地壳强震多发生在高波速异常边缘或高低波速异常过渡带上,表明地壳强震的孕育可能还与地幔构造作用存在一定相关性.青藏高原东构造结的各向异性快波方向呈顺时针旋转分布,与印度—欧亚碰撞密切相关.龙门山断裂带东西两侧的各向异性快波方向发生明显变化,由其西侧松潘—甘孜地块下方的NE向转变为四川盆地下方的近EW向,说明青藏高原物质流动遇四川盆地后分为NE和SW向两支.在川滇地区26°N以南地区上地幔顶部各向异性呈现近NS向与地表GPS观测相一致,但与SKS分裂结果存在较大差异,可能表明地壳与上地幔顶部形变表现为耦合现象,而上地幔顶部至岩石圈内部则存在解耦现象.

青藏高原东北缘壳、幔深部结构研究的进展与问题

青藏高原东北缘处于青藏高原向中国大陆内部扩展的前缘部位,其地质构造复杂,岩石圈变形样式丰富,是探索大陆内部岩石圈构造变形与深部过程的天然实验室。半个多世纪以来,该地区已开展了多期次以揭示壳、幔深部结构为目标的地球物理探测,通过收集前人的研究成果,对青藏高原东北缘的壳、幔深部结构研究进展以及存在的问题作了简要介绍和初步讨论。国内外最新研究成果表明:1)青藏高原东北缘地壳较厚,但普遍缺失高速铁镁质下地壳,其低泊松比属性预示该地区下地壳流不发育;2)高原东北缘大部分区域保留有较厚的岩石圈,且上地幔各向异性快轴方向与地表构造走向基本一致,表明该地区壳、幔耦合变形可能性较大;3)昆仑断层南北两侧壳、幔深部结构存在较大差异,预示其是上地幔变形的转换带。

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0.7s.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1.0s.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.