地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (6): 1549-1558   PDF    
鄂尔多斯块体及其周缘上地幔各向异性分析研究
胡亚轩 , 崔笃信 , 季灵运 , 郝明     
中国地震局第二监测中心, 西安 710054
摘要: 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.
关键词: 地震波横波分裂      水平运动场      动力学成因      鄂尔多斯块体及其周缘     
Seismic anisotropy of upper mantle in Ordos block and adjacent regions
HU Ya-Xuan, CUI Du-Xin, JI Ling-Yun, HAO Ming     
Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710054, China
Abstract: Based on the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 90 broadband stations in Ordos block and adjacent regions, the splitting parameters of fast polarization direction and delay time between the fast and slow shear waves are determined at each station using the minimum transverse energy method, and the image of upper mantle anisotropy was acquired. Combined with the GPS horizontal velocity field relative to the Ordos block during 1999~2007, we analyze the seismic anisotropy as well as the crust-mantle coupling in Ordos block and its adjacent regions. At last, a new understanding of the block movement and the dynamic causes of the adjacent fault zone is achieved. The results reveal that there are nulls in the block which show an obvious isotropic characteristic. The delay time of the adjacent stations is obviously greater than those in the central block, which indicates an obvious anisotropy; the fast polarization directions are compatible with the tectonic strike direction and the horizontal velocity direction, which shows the crust-mantle coupling, however, the differences between the directions at some stations may possibly be explained by early block activities. According to the SKS shear wave splitting results and the current GPS velocity field, we know that the Ordos block does not rotate. Meanwhile, the horizontal and ascending intrusion and the transverse extension of the plastic material in the upper mantle lead to the bifurcated flow along the southwestern margin of Liupanshan. One flow forms the Fenwei graben..
Key words: Shear wave splitting      Horizontal velocity field      Dynamic causes      Ordos block and adjacent regions     
1 引言

鄂尔多斯地块位于中国大陆北部,南北地震带的东侧,青藏高原的东北缘,华北、华南和青藏三大亚板块的交接部位,其西南部直接受到青藏高原北东向的推挤[1];块体周缘发育一系列的断陷盆地和褶皱山系,盆地带的宽度大约占块体宽度的1/10,外围都有中高山脉围绕,且盆地沉陷深处,相邻山地也高;块体内部地震很少,周缘曾发生过6次8级以上地震,占中国大陆8级以上地震的1/3[2].该地块及周缘以其强烈的新构造运动,特殊的地貌格局和复杂多变的地震活动,引起中外学者的极大关注[34].

地震的各向异性是了解上地幔变形的有效方法之一,其结果不仅能了解板块内部的变形特征,而且能够提供与板块构造运动有关的下覆岩石圈的地幔形变状况,可结合现今进行的地壳水平运动观测资料,更好地了解块体的运动、构造的形成等.鄂尔多斯地块及其周缘区域开展了许多地震各向异性方面的研究.赵亮等[5]研究华北克拉通上地幔变形,指出鄂尔多斯块体东部横波分裂的快波方向比较一致地指向NWSE方向,平均延迟时间达到1.8s±,大于其他地方,块体中间区域大约200km宽度范围的大多数台站仅仅观测到零分裂,但研究台站仅局限在109.5°E~111°E,39.5°N~40°N的区域,且以剖面形式分布;Huang等[6]研究鄂尔多斯块体南缘的两个剖面横波分裂结果表明,块体和渭河盆地北缘的各向异性很弱,延迟时间小于0.5s, 而渭河盆地南缘和更南端的秦岭造山带延迟时间达到1.23±0.39s, 快波方向为98±7°,平行于地表结构和GPS速度方向,但其分析点位仅局限在地块南缘局部区域.另外,常利军等[7]在对四川及邻区上地幔各向异性研究结果表明,甘肃和陕西区域数字台各向异性快波方向为NWWSEE方向,延迟时间为0.5~1.24s, 但仅包含了本文分析区域内的10个点,数据的应用及分析方法也不同.点位分布情况见图 1.

图 1 研究区构造背景和台站分布 正三角:本文分析的60个台站;圆:零分裂或没有有效结果的20个台站;倒三角:文献[6]分析的22个台站;菱形块:本文及文献[7]分析的10个台站;Y1银川盆地;Y2吉兰泰盆地;H1临河盆地;H2白彦花盆地;H3呼包盆地;D1岱海盆地;S1阳原盆地;S2天镇-阳高盆地;S3大同盆地;S4忻定盆地;S5太原盆地;S6临汾盆地;S7灵宝盆地;S8运城盆地;W1渭河盆地. Fig. 1 Tectonic map of the study region and the locations of stations Regular triangle:60 stations of this paper; Circle: 20 stations are nulls or invali dresults; Inverted triangle:22 stations in there ference [6]; Diamond block:10 stationsin there ference [7]; Y1:Yinchuan basin; Y2:Jilantai basin; H1:Linhe basin; H2:Baiyanhua basin; H3:Hubao basin; D1:Daihai basin; S1:Yangyuan basin; S2:Tian zhenYanggao basin; S3:Datong basin; S4:Xinding basin; S5:Taiyuan basin; S6:Linfen basin; S7:Lingbao basin; S8:Yuncheng basin; W1:Weihe basin

针对台站分布不均和点位、区域有限等导致对鄂尔多斯地块及周缘的各向异性研究的缺陷,本文收集了103.5°E~114.5°E,32.5°N~42.0°N范围内鄂尔多斯地块及其周缘区域,甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古等省地震台网的90个宽频带固定台站远震资料[8],并进行横波分裂分析,远震记录时间为2007年8月1日至2008年11月29日;本文还结合大地测量结果、小震分布情况、断裂分布及活动情况以及其他作者的SKS波分裂研究成果等资料,联合分析研究该地块及其周缘上地幔各向异性特征,重新认识块体的运动情况,探讨块体周缘断陷带的动力学成因等问题.

2 原理及方法

横波分裂是指地震波在各向异性介质中传播时,分解为偏振方向相互正交的快慢两个分量的一种特殊现象.目前的常规方法是选择SKS震相系列研究地幔的各向异性.SKS波从震源出发时为S波,经过液态的外核时转换为P波,当再次通过核幔边界时,若从核幔边界到接收台站的介质为各向同性,则P波再次转换为只有径向偏振的S波,然后传播到接收台站;若介质为各向异性,它将分解成两个偏振方向互相垂直的子波并以不同的速度传播,即快慢波[9].由于SKS在上地幔的传播路径近乎于垂直,因此观测的横向分辨率高,主要代表台站正下方的各向异性.

横波分裂能够提供两个反映上地幔各向异性的参数,它们分别是横波传播快分量的偏振方向Φ和快慢分量之间的时间延迟δt[5].其中Φ与介质各向异性的空间分布有关,反映了地幔矿物的晶格优势方向;而δt反映了介质各向异性强度.横波分裂结果可能得到一组确切的Φδt,也可能为零分裂,即数据观测不到明显的横波分裂现象,而只存在径向分量.出现零分裂有两种情况:一是介质是各向异性,其快轴方向平行或垂直入射横波的方向,此时对部分方位角入射横波的观测是零分裂;二是介质是横向的,为各向同性,或者虽然矿物是各向异性,但排列杂乱无章,此时对由不同方位角近乎垂直入射的横波的观测是零分裂[510].SKS震相横波分裂可能包含来自地壳、上地幔和下地幔物质各向异性的效应.一般认为,上地壳的各向异性主要是由于大量裂隙在应力作用下定向排列造成的,中下地壳则主要由各向异性矿物(如黑云母和角闪石)晶格的优势排列引起的.由于地壳厚度有限,通常地壳各向异性产生的时间延迟小于0.3s;下地幔一般具有较弱的各向异性,其产生的时间延迟小于0.2s, 上地幔各向异性一般被认为是由于形变导致橄榄岩等矿物晶格的优势排列引起的,时间延迟范围为0.0~3.0s.

横波分裂方法主要采用SC (Silver和Chan)最小切向能量的网格搜索法[11],即找到某对值(Φδt)对观测记录校正,使切向能量Et (Φδt)最小,推断出介质的各向异性参数.本文应用建立在MATLAB平台上的SplitLab软件[12],远震选在85°~110°震中距范围,这样保证SKS波近于垂直入射,能量较强,且和S波分离,容易识别,有很高的切向分辨率,直接反映台站下方的各向异性.另外,震级一般取大于5.5级的深源地震(震源深度大于150km)或震级大于6级的浅源地震(震源深度小于150km),最后将多次远震记录测得的分裂参数进行加权平均作为台站的分裂参数.

3 SKS分裂结果

鄂尔多斯块体形状为不等边五边形[13],西南边界为青藏高原东北缘构造带,属祁连褶皱系,是一条挤压性或压扭性构造边界,总体走向NWNWW,由海原-六盘山-陇县、天景山-香山、烟筒山和牛背山等逆走滑断裂、逆断裂、褶皱隆起山地和压陷盆地组成;东边界是山西断陷带,是一条不连续的右旋剪切拉张带,总体走向NNE;银川-吉兰泰断陷盆地带构成其西部边界,整体近NS向延伸;南界为渭河断陷带,走向近EW,包括西安凹陷、固市凹陷和灵宝盆地等;北缘的河套断陷带为一东西向剪切拉张带,由呼包、白彦花和临河等3个次级盆地右阶斜列组成,东北角是NE向的岱海断陷带,鄂尔多斯块体在此处与阴山隆起相连[314](图 1).采用上述远震事件选取的标准和横波分裂方法,得到研究区内70个台站确切的Φδt,这些台站主要分布在鄂尔多斯地块的南缘和东缘,西侧有一定的分布,北缘河套地区点位更少,鄂尔多斯地块内部点位也很少且不均匀;20个台站出现零分裂或没有得到有效结果,主要分布在渭河盆地以外的其他区域.

表 1图 2给出了70个台站的横波分裂结果及精度情况.可看出绝大多数台站快、慢波时间延迟在0.3~3s之间,主要反映上地幔的各向异性;其中86%台站的时间延迟误差小于0.3s, 96%台站偏振方向误差小于10°.图 3显示了各向异性参数的离散情况.总体上说SKS横波分裂所用的地震数较多,快波偏振方向一致性较好,偏振方向和时间延迟均方差较小,结果可靠.

表 1 SKS波分裂参数 Table 1 Splitting parameters for SKS phase
图 2 快波偏振方向(a)和快慢波延迟时间(b)及精度 Fig. 2 (a) The fast-wave direction and errors; (b) The delaytime between fast and slow waves and error
图 3 各台站SKS波分裂测量结果 同心圆的半径表示快、慢波时间延迟.内圆半径为1s, 外圆半径为2s.线段方向代表快波偏振方向,长度代表各向异性强度. Fig. 3 Results of anisotropy measurements of SKS splitting by stations Radius of concentric circle denotes the delay time between fast and slow waves.Radius of the inner circle is 1 s, outward circle is 2 s.The line direction denotes the fast-wave direction, the line length denotes anisotropic intensity.

根据快、慢波1s的到时差相当于115km厚度的各向异性层[79],推算各区域各向异性层厚度.位于块体西南缘的台站时间延迟平均在1.3s左右,表明各向异性层厚度在152km左右;而南缘台站时间延迟量级相对小一些,平均1.1s, 表明该处的各向异性层厚在124km左右;西缘和北缘台站较少,延迟时间长短不一,可估算出各向异性层厚度多在80~161km;东缘15个台站时间延迟从0.6s (LIS)至1.9s (XIY),88%台站的时间延迟小于1.5s (各向异性层厚度173km).各向异性层厚度变化较大的地区,说明上地幔变形的横向不均匀.块体东缘和北缘不均匀性比较明显,但与中国大陆面波各向异性研究结果基本一致,即在大约70~150km深度各向异性较强[15].鄂尔多斯块体下的地壳深度大约在43~46km之间,变化平缓,岩石圈厚度大约为100~110km.渭河盆地、河套盆地等地壳仅厚32km, 银川盆地、太原盆地和运城盆地也不超过36km, 盆地的岩石圈厚度50~70km[3].其他研究结果有:鄂尔多斯块体西缘及西南缘的研究表明地壳深度在40km左右[16];深地震测深结果研究山西中南部的壳幔速度结构,显示临汾盆地附近地壳厚度稍薄为39km左右,往西地壳厚度更厚为42km以上[17].地壳厚度薄,由此引起的时间延迟在0.3s以下.通过对研究区域各向异性层厚度的分析,说明横波分裂主要是由于上地幔各向异性层的存在引起的.

图 4为由各台站所得向异性参数绘制的鄂尔多斯地块及其周缘各向异性结果分布,同时给出点位1999~2007年相对鄂尔多斯地块的GPS水平运动速率.可看出快波偏振方向与水平运动速率方向在大部分区域一致性较好.GPS速率反映地表物质的运动方向,若与快波偏振方向一致,表明地壳和地幔物质运动方式相似,二者存在一定的耦合作用;若有所差别,表明浅部和深部的物质运动模式有所不同,存在某种复杂的耦合作用[9].从二者的方向来看,西南缘以NWNWW向为主,至南缘的渭河盆地转为EW向,直至东缘山西断陷带的NNE;而西缘的宁夏地区则以NNW向为主.另外山西盆地东缘点位的偏振方向转为NEE,与华北克拉通东部的拉张方向相同.从延迟时间上分析,块体南缘、西南缘及东缘各台站延迟时间相对较短,而西缘、北缘相对长一些,各台站延迟时间差异较大.

图 4 鄂尔多斯地块及其周缘GPS水平运动场和各向异性结果分布图 Fig. 4 GPS horizontal rates and the fast polarization directions and intensity of the stations in Ordos and its margin

另外构造地震的发生与深部介质活动密切相关.构造地震是现代地壳运动的一种表现形式,是构造应力与深部介质相互作用的结果.地震的发生与断裂活动有关,深部流变介质的存在会把下地壳的应力向上传递,遇到脆性增加的介质就会引发地震,从而导致中地壳下部地震的发生[18].图 5给出1970~2008年以来2.0级以上地震的分布情况,可看出块体周缘构造活动非常强烈[1011].块体周缘活动断裂系的发生和发展是上地幔活动,特别是软流圈中的热脉动、先存的地质构造格架、与板缘活动有关的水平挤压应力场等几种因素联合作用的结果.地震各向异性特征的小尺度变化可能与区域岩石圈厚度的强烈横向变化和(或)岩石圈构造历史的差异密切相关[1920].本文得到的各台站快波偏振方向基本与各处的构造方向相同,与GPS速度方向也基本相同,表明各向异性介质主要来自上地幔,地壳与地幔存在一定的耦合.个别区域内的台站快波方向与周围不同,同时该处地壳内的地震特征也与周围相异,可见二者存在一定的相关性.

图 5 1970~2008年2.0级以上地震的分布情况 Fig. 5 Locations of the earthquakes (ML>2.0) during 1970~2008
4 分析与解释

鄂尔多斯地块中部分布的地震台站较少,平均时间延迟小于1.0s, 结合赵亮等[5]和Huang[6]等的研究结果,说明该地块各向异性层厚度薄,保留了较弱的各向异性特征;上地幔低速层的埋深较相邻的太行山地区深,且低速层的速度也较高,显示出稳定的上地幔特征;另外赵金仁等[21]认为鄂尔多斯是一个内部较完整,地表构造简单的地块,自晚白垩世起,块体就表现为区域性整体隆起,在内部没有明显的断层活动和断陷盆地分布,地震活动不发育[14].鄂尔多斯正是这种刚性很强的块体,由于缺少低速和流变层,不易形成新的断层,也不利于块体层间解耦和大地震的孕育发生[22].另外,从GPS结果可看出,内部速率极小,而且没有统一的取向,其空间分布是随机的,表明块体内部的运动具有较好的一致性[23].另外,块体内部的零分裂也说明上地幔介质表现为各向同性.

地块西南缘的受力情况对理解鄂尔多斯地块运动及其周缘断陷带的形成尤为重要.青藏高原地壳缩短增厚的同时,其东缘下地壳韧性物质分别沿秦岭、祁连两个软弱带向周缘塑性流动[24].另外甘青块体的顺时针旋转运动影响鄂尔多斯块体的耦合作用点即为北西向的六盘山褶皱断裂带[25].鄂尔多斯块体及其边界多样化的构造特征反映了不同刚性程度的地质体在外部不同应力作用下产生了显著的地质构造形态,这种构造形态具有继承性和叠加性.块体周边的4个断陷盆地(银川、河套、渭河和山西断陷盆地) Moho面最浅处均从盆地最深处沿水平方向向鄂尔多斯克拉通块体偏移,是鄂尔多斯块体隆升和来自青藏高原碰撞带在六盘山处施加NE向挤压力联合作用的结果.SKS分裂结果及GPS速度场方向在此处以NWNWW向为主,与青藏块体对鄂尔多斯区域的挤压方向是一致的.六盘山附近SKS分裂结果及GPS速率二者的方向一致性较好,表明此处由于受压而在地壳、地幔物质取向表现一致.

块体南缘的渭河盆地是古近纪开始发育的近EW向的断陷盆地[24].本文对盆地内台站SKS分裂结果表明,快波偏振方向基本为EW向,延迟时间及差异性较小,说明各向异性层较薄且一致性较好,与Huang等[6]和常利军等[9]的研究结果基本一致.该区域GPS水平运动方向也以EW向为主,说明壳幔具有一定的耦合关系,与路凤香等[25]的研究结果一致.台站FUP和PCH快波偏振方向与断层走向垂直,表明此处壳幔解耦的区域性特点,推测该处地壳内可能存在新生代以来活动的断裂构造;该处也是速度、地震的分异带,沿渭河盆地中部铜川-三原-临潼一带分布的地震条带已延伸至鄂尔多斯地块之内,且该条带内现代地震分布于历史地震分布区以北[26],形成这一结果的原因可能与此处块体的不均匀隆升有关[27].

块体东缘山西断陷带总体走向NNE,构造特征为断陷盆地和横向隆起交替分布[28].断陷带内偏振方向与构造基本一致,GPS位移方向也基本沿断层方向.相对渭河盆地,延迟时间稍大.山西断陷带与鄂尔多斯块体毗连的沉积盖层中的台站XIX和LIS与离石深大断裂有一定的夹角,说明块体边缘的复杂性;另外台站ANZ、YAC、LIC和CHZ位于断陷带与太行山之间,为华北克拉通破坏作用区域,偏振方向和断层走向存在一定的夹角,由NE转向NEE,与华北克拉通东部区域偏振方向趋于相同,与中新生代拉张方向一致,说明该地区上地幔各向异性可能记录了新生代以来的岩石圈减薄事件的变形.

块体北缘的河套断陷带台站较少,SKS分裂结果和GPS速率及地震均具有分段性的特点.从呼和浩特-和林格尔附近台站的计算结果来看,偏振方向与GPS速率方向一致性较好,以NW向为主,且GPS速率较大,二者与断层走向有一定的夹角.中部无横波分裂结果.西部GPS速率相对较小,快波方向与GPS速率方向不一致,但与断层走向一致.另外,该区域地震的分段性比较明显,主要集中在五原-乌海、包头、呼和浩特-和林格尔三个区段,这些地段正是河套断陷带中活动断裂的交会复合地段,活动断裂控制的锐角地段,以及主干活动断裂差异隆升运动较大的地段[29].鄂尔多斯块体与阴山隆起相连的东北角也是研究该地区运动学与动力学时必须考虑的,该地区以NE向压应力作用与块体西南缘的北东向水平压缩形变为主相一致[3].该处及周围多个台站横波分裂结果不很理想,可能与该处复杂的受力状态及台站下方异常复杂的构造有关.块体西缘的台站偏振方向与断裂(包括隐伏断裂)方向一致,和GPS速率方向也一致,与块体内部点位速率相差较大,NNENS的黄河-灵武断裂是块体与银川盆地的交界,该处存在着切穿Moho界面的地壳深断裂[21].

5 结论与讨论

通过对鄂尔多斯块体及其周缘固定宽频带地震台网远震SKS波形资料偏振分析,并结合GPS速度场、地震震中分布等资料,可看出块体内部以零分裂为主,各向同性特征明显,GPS速率差异性较小,中强地震少;块体周缘各向异性的快波偏振方向与GPS测量的地壳运动速度方向变化基本相一致.个别区域存在区域的差异性特征可能与早期的块体活动有关.块体西南缘台站快慢波延迟时间较长,六盘山附近SKS分裂结果及GPS速率方向一致性较好;南缘渭河盆地台站延迟时间较短,快波偏振及GPS速率方向以EW向为主;SKS分裂结果、GPS速率以及地震活动性均显示的盆地中部铜川-三原-临潼一线与两侧的差异性,可能与壳幔在该处的差异性变化有关.东缘的山西断陷带内偏振方向及GPS速率方向与构造基本一致,但东侧的几个台站偏振方向表明华北克拉通破坏或过渡区域的特征;西缘及北缘延迟时间相对长一些,且台站相互间延迟时间差异较大;北缘的河套断陷带分段性特征明显.西缘台站偏振方向与点位GPS速率方向一致,块体与盆地间存在明显的差异带.

联合SKS横波分裂结果和GPS地壳水平运动场进行分析,可以帮助我们重新认识鄂尔多斯块体的运动及周围断陷带的动力学成因.现今的GPS地壳水平运动观测结果和地块东北角的块体连接性,不支持以前认为的“地块曾发生过或正在发生整体逆时针旋转运动[3031]";也不完全支持“鄂尔多斯地块相对周边地块没有旋转运动,块体周缘断陷带是青藏高原挤压和地幔上涌垂直力联合作用的结果[3233]".现今GPS观测揭示块体部分旋转,汾渭断陷带由西至东、由南向北的发展.上地幔SKS快波方向和GPS地壳水平运动表现出的沿汾渭断陷带的侧向绕流运动特征,更符合最新的研究结果:“相对有整体旋转运动的鄂尔多斯地块,青藏块体向NENEE向的运动受鄂尔多斯地块岩石圈深根阻挡在块体西南缘的六盘山一带发生了明显的分叉绕流运动,其中一股沿鄂尔多斯块体西缘向北流动,形成银川、吉兰泰盆地现今右旋拉张剪切运动;另一股沿渭河地堑盆地、秦岭造山带流动然后转向山西断陷带[3435]".GPS地壳水平运动、上地幔SKS快波方向沿鄂尔多斯南缘和东缘的相似性绕流运动启示我们,汾渭断陷带的成因应该与青藏高原东北缘上地幔-下地壳塑性物质沿秦岭中央造山带(印支期)、山西隆起造山带(燕山期)等岩石圈薄弱部位的横向挤出密切相关,是上地幔塑性物质一边沿挤出方向水平运动,一边沿裂隙向上入侵、横向扩张的综合演化结果.

致谢

感谢中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心提供地震波形数据.

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