2. 中国地震局地震研究所,武汉 430071
2. Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Wuhan 430071, China
近年来,地震各向异性已经发展成研究上地幔变形的强大工具,它能解释影响全球板块运动的地球动力学过程,可以进一步认识与板块构造相联系的地幔对流和板块内部形变特征[1~3].在地学研究中,剪切波分裂技术作为各向异性研究的一种有效手段,主要是利用剪切波穿过各向异性介质时不同偏振方向的波速差异及其引起的时间延迟,来揭示地下各向异性结构.这种结构与地幔的应力/应变方向及强度密切相关,从而可以用来研究地幔的流动方向和(或)遗留在岩石圈中的地质历史过程.用于剪切波分裂研究的震相有多种,如SKS、ScS和S波等.但SKS波获得的分裂信息是不确定性最少的,因此在研究大陆地幔的形变特征、探索大陆动力学和演化过程中被广泛应用,尽管其在精确锁定各向异性区域的深度,以及考虑倾斜对称轴的情况方面还存在一定缺陷[4],但比较适用于大陆地区的研究.
长期以来,国内学者[5~15]对青藏高原、云南、四川、中国东部等热点地区进行了大量地震各向异性的研究,也取得了丰硕的成果.而对一些现今地质构造活动较弱的地区关注较少,如湖北及邻区,仅少数学者[16, 17]对该地区的地壳各向异性进行过研究.在大地构造位置上(图 1),湖北分属秦岭褶皱系与扬子地块两个一级大地构造单元,两者以青峰(房县)-襄樊-广济断裂为分界,其北部属秦岭-大别造山带,南部是地壳相对稳定地区,属扬子地块.对湖北及邻区上地幔各向异性的研究,将有助于探查大别造山带的构造演化特征,剖析扬子地块北缘岩石圈纵向不同层次的耦合关系和动力学驱动机制,深化各向异性与应力应变场、构造过程的认识.
本研究所使用的资料来自中国地震局三分量宽频带数字化地震台网(CB 台网)和湖北省区域数字地震台网(HB台网).根据ANSS地震目录,挑选震中距85°~130°范围内的地震事件.因为在此范围内,SKS波近垂直出射,且和S 波分离,容易识别,能很好地被观测到,反映了地震台站下方的介质各向异性[12, 20].由于观测时间不长,为避免漏掉可能的有用事件,震级下限取5.5级,对于震源在100km以下的中深震,适当放宽.在各向同性介质中,SKS震相在球对称的地球中传播是径向偏振的,S 波在穿过核幔边界时,只有径向分量,没有切向分量.而在穿过各向异性介质时,存在切向分量.根据这一特点,对数据进行初筛,总共选取了25个远震事件,并采用IASPI91地球参考模型进行到时计算[21].必须指出,SKS 震相的反方位角(台站相对于震中的方位角,从正北开始,以顺时针为正)分布不是很理想,地震事件主要集中在南太平洋地区的Tonga、Fiji、 Vanuatu一带.为提高信噪比,我们在选取地震事件后,在0.05~0.2Hz范围内进行了带通滤波.之后,选取SKS震相,截取合适的窗口长度,至少包含信号的一个完整周期进行剪切波分裂计算.
2.2 剪切波分裂计算方法地表台站接收到的是SKS震相的三个分量,根据其中两个水平分量反演地下介质各向异性参数一般采用的是网格搜索技术[20].本文基于SplitLab[22]同时采用旋转相关法(简称RC 法)和切向能量最小法(简称SC 法)这两种方法进行剪切波分裂计算.在计算中,RC 和SC 方法的初始偏振角假定是径向的,RC 法搜索步长是1°,SC 法搜索步长是2°.
RC 方法是将地震图旋转到新的坐标系,即由原来的Z-E-N 坐标系旋转到L-Q-T 坐标系(式1),搜索所有可能的(φ,δt)使快波和慢波分量最大相关,即重建后的水平面内质点振动轨迹最线性化[23].
(1) |
式中,β 是反方位角,δ 是地震波入射角,L分量沿射线路径为正,从震中指向台站;Q分量指向地震为正.
对单一地震,SC 法在快轴方向(-90~ +90°)和分裂时间(0~4s)上进行2D 网格搜索,对不同的快轴方向和分裂时间进行组合,使切向能量达到最小的那一对组合就给出了该地震的剪切波分裂解[24].
剪切波测量质量依据RC 和SC 方法计算结果的差异进行评价,这比直观的依据地震图形状和线性偏振更为客观.定义分裂计算质量的好坏主要依据两个参数:ρ 和ΔΦ.定义ΦRC、ΦSC分别为用RC 和 SC 方法计算得到的快波偏振方向,δtRC、δtSC分别为用RC和SC方法计算得到的时间延迟,ΔΦ =ΦSC -ΦRC,ρ =δtSC/δtRC.
当0.8<ρ <1.1 且|ΔΦ|<8°时,定义剪切波分裂质量好;
当0.7<ρ <1.2 且|ΔΦ|<15°时,定义剪切波分裂质量一般;
0<ρ<0.3且32°< |ΔΦ|<58°为近似无剪切波分裂,如0<ρ<0.2 且37°< |ΔΦ|<53°时,为无剪切波分裂质量好.
其他均视为分裂计算质量较差.
图 2显示了对2003年1月4 日05 点15 分斐济群岛南Mw6.5 地震在ENH 台的记录所作的 SKS波分裂分析,发现RC 和SC 两种方法的计算结果基本一致.RC 方法首先进行坐标系转换,然后进行时间延迟校正,重建地震记录图,建立相关系数等值线图,最大相关系数所对应的(φ,δt)即为所求的分裂参数(图 2b).SC 方法同样对各向异性的影响进行改正,重建地震记录图,比较每个(φ,δt)组合对所对应的切向能量E(φ,δt),并将重建的地震记录图中E(φ,δt)的值画出等值线图.从等值线图中,可以清楚地看到其能量分布,找出对应能量最小(十字交叉对应的位置)的那对(φ,δt)即为所求的分裂参数.由图 2c可见,经过各向异性校正后的地震记录,其切向分量已变得很小,且质点的运动轨迹也由椭圆变成了直线.这说明计算出的分裂参数具有较高的可靠性.
使用上述方法,逐一对研究区域27个台站记录资料进行分析(表 1).但麻城、潜江、十堰、郧西地震台由于记录波形信噪比低,震相不清晰,无法进行剪切波分裂计算,我们得到了湖北地区20个台站下方上地幔各向异性参数,快波方向从正北方向顺时针计算.
表 1的计算结果表明,RC 法和SC 方法计算结果基本一致,本文各向异性图像采用SC 方法的计算结果进行绘制.整个研究区中各向异性快波轴的分布情况如图 3所示,每个台站分裂参数的离散情况如图 4所示.
从表 1看出,由于数据有限,其中有11 个台站仅使用了1条地震记录,但所选取的地震事件震相清晰,且所得计算结果与周围台站计算结果一致性较好.总体上,从质量评价结果看,大多数台站的测量质量还是比较高的.
该地区20个地震台站的快、慢波时间延迟范围在0.5~1.35s之间,平均快、慢波时间延迟为0.8s左右.图 4为湖北地震台站的远震SKS波形资料的偏振分析结果,从整体上看,湖北地区介质各向异性快波偏振方向主要有两组,在鄂西南地区恩施、利川方向,以NE 向为主,而湖北其他地区则以NWW为主.在荆门、钟祥和竹山台站下方观测不到介质各向异性,主要是因为地震事件的反方位角方向基本平行于快波偏振方向.
本文计算结果中的恩施台剪切波分裂参数与郑斯华、罗艳等[5, 26]的结果相似,与刘希强[27]结果相差较大.武汉台站计算结果与Chang等[28]的结果基本一致,与罗艳、刘希强等[26, 27]的结果相差较大.这种结果的差异与震相的选取不同有关,还可能是由于用于研究的事件质量以及资料处理和选择标准的不同.
4 讨论与结论 4.1 各向异性层的深度一般认为,地壳和上地幔都普遍存在地震各向异性.研究区地壳厚度总体上较薄,为31~43km, 地壳厚度变化总趋势是由东向西渐增[28].假设中国东部地壳产生的平均时间延迟是3.53ms·km-1[29, 30],可以估算出研究区地壳产生的时间延迟为0.10~0.15s, 而SKS分裂计算得到的快慢波分裂时间延迟为1s左右,所以地壳对SKS分裂分析的影响很小.一般认为下地幔是各向同性的[31],因此,用SKS波分裂测量得到的各向异性主要来自上地幔.根据上地幔橄榄石及其他矿物的含量和实验室的测量结果[31],认为上地幔介质的相对速度差的平均为δv=0.04,故推断当时间延迟δt=1s时,各向异性介质层厚度为115km, 因此,根据湖北地区得到的SKS分裂时间延迟(0.5~1.35s),估算各向异性层厚度范围是58~155km.在这样一个不太大的区域内存在这样比较大的差异,考虑除了误差影响外,主要说明该地区上地幔变形是横向不均匀的,这与地震层析成像反演结果[32]相一致.层析成像研究[32]还表明,在超高压变质地体之下存在着向北倾斜的高速体,该高速体在110~150km 深处被一低速区截断,推测为软流圈位置所在,说明湖北地区各向异性主要来自上地幔岩石圈,可能也有软流圈的贡献.
4.2 各向异性成因及动力学研究表明[33],上地幔各向异性是由于应变导致的橄榄石晶格的优势排列引起的,而这种应变是由于上地幔或岩石圈物质的运动造成的.引起橄榄石晶体优势排列的可能性有下面两种:一种是碰撞造山运动挤压应力引起大陆内部地壳和上地幔一致变形所致,此时橄榄石晶体b轴方向(SKS 慢波偏振方向)倾向于与最大缩短方向一致.对稳定大陆来说,这种优势排列反映的是遗留在岩石圈中的上一次造山运动造成的所谓“化石各向异性"[33];另一种可能性是上地幔对流作用所致[34],此时橄榄石晶体的a轴(SKS 快波偏振方向)与上地幔剪切流动方向或者与上地幔驱动下的板块运动方向一致.
从本文地震各向异性计算结果可以看到,台站间介质各向异性参数存在差异,这应是所在地区地质构造过程差异的反映[35].位于大别造山带地区的地震台站快波偏振方向基本为NWW 向,平行于造山带构造走向,与挤压应力方向垂直(图 3, 5),显示了扬子与华北两板块相向俯冲、挤压碰撞造山的过程.大别造山带经历了多期次的构造变形改造,印支主期,位于造山带南部的扬子板块向北俯冲,并且陆壳由浅入深到达地幔深度.在碰撞拼合过程中,扬子板块沿缝合带往北俯冲到华北板块之下,板块北缘基底沿大别南缘构造带向北往大别山之下俯冲消减碰撞.到燕山早期,北部的华北地块向南对大别造山带作陆内俯冲,导致华北地块插入大别山造山带之下[36],便形成了两板块南北相向对冲,双侧挤压的“鳄鱼式"构造[37].区域构造应力场为近南北向挤压(图 5),在华北、扬子板块的夹持下大别造山带轴部物质相对于两侧由北西往南东方向流动.根据HS3- Nuvel1a模型[38]求取的中国东部相对于热点参考系的绝对板块运动(APM)总体方向为NWW 向,与造山带台站快波偏振方向基本一致,各向异性又可能与地幔流动有关.汤加富等[37]认为,地幔差速流动正是导致板块横向收缩挤压的力源.现今大别造山带缺乏地震、火山和岩浆侵入活动,构造活动性弱,为一稳定大陆,NWW向各向异性可能反映了地幔流动和固结在岩石圈中的印支期造山运动所造成的“化石各向异性"的共同作用.在缺少GPS测量资料的情况下,其上地幔各向异性方向与主要构造带的走向平行,这可以作为地壳变形与上地幔连贯变形的证据[39].
扬子地块是一个岩石圈很厚的稳定地块,鄂东南地区地震各向异性的方向为NWW 向,虽与绝对板块运动(APM)方向趋势相似,但存在较大的离散性,说明各向异性受全球地幔流动的影响不是特别明显,可能受NWW 向襄樊-广济深大活动断裂的控制.而鄂西南地区地震各向异性则转变为NE 向,可能与晚期应力场的转变有关.燕山晚期,NW 向造山带构造体系转变为濒太平洋NE、NNE 向构造体系.早期华北、扬子板块之间的相互作用转变为太平洋板块对东亚大陆的挤压俯冲.此外,鄂西南区内分布着燕山期形成的NE 向走滑断裂[40],推测扬子地块内的地震各向异性主要还是由于印支-燕山时期造山作用遗留在岩石圈中的“化石各向异异性"造成的.鄂西南地震构造区内构造线方向,与该地区台站下方快波偏振方向基本一致,推测认为该区地壳与上地幔是垂直连贯变形的.
4.3 结论综上所述,我们得出湖北地区大部分台站记录的SKS波存在横波分裂现象,引起横波分裂的各向异性层主要分布在上地幔;估算各向异性层厚度范围是58~155km, 除了岩石圈,可能还有软流圈的贡献;由快波偏振方向分析发现,NWW 向快波偏振方向与绝对板块运动趋势基本一致,与造山过程中挤压应力方向垂直;而NE 向偏振方向主要与燕山后期之后应力场的改变有关.推测认为湖北地区地震各向异性应该是地幔对流和遗留在岩石圈中的“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垂直连贯变形的证据.
致谢感谢法国Guilhem Brrauol博士,美国宾厄汉姆大学HaoKuo-Chen博士在程序学习过程中提供的帮助!感谢两位审稿老师提出的宝贵修改意见和建议!同时,湖北省地震局戴苗、魏贵春、吴建超等为本文也提供了大力帮助,在此深表感谢!
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