2013, Vol. 56
2. 中国科学院青藏高原研究所, 大陆碰撞与高原隆升重点实验室, 北京 100101
2. Institute of Tibetan Plateau, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
许多学者利用地震体波和面波走时反演了中国大陆地壳和上地幔三维速度结构[1-3].由于岩石圈强度受莫霍面（Moho）温度所控制[4]，并且温度反比于岩石中地震波传播的速度，因此，上地幔顶部速度变化有可能反映岩石圈强度的变化，而岩石圈强度的变化与地震活动的深部构造背景密切相关，因此，研究上地幔顶部速度结构是了解强震发生的深部构造背景、研究强震发生机理的重要手段之一.要获取上地幔顶部速度结构，采用Pn层析成像方法比P波三维成像更可靠，这是由于Pn射线近乎水平地沿上地幔顶部传播，利用Pn波走时层析成像实质上是反演了上地幔顶层的二维速度结构，对所研究的空间区域而言，利用Pn波层析成像技术比P波三维成像可获得更高的射线穿透密度.许多作者曾经利用Pn波走时层析成像方法研究过中国大陆地区的上地幔顶部速度结构[5-10]，结果表明，Pn波速度横向变化与地壳上地幔的构造活动存在一定的联系，构造上活动地区往往是Pn波速度低的地区，而构造上稳定地区具有较高的Pn速度.本文研究范围为蒙古国及其周边地区（40°N-55°N，80°E-130°E），简称为中蒙地区，包括蒙古国、俄罗斯的贝加尔湖以及我国北部的新疆、内蒙古、东北等地.利用Pn波层析成像方法研究中蒙地区的上地幔顶部速度结构，对了解我国北部及相邻地区强震活动的深部构造背景，理解强震发生机理与地震预测都有重要意义.同时为了解贝加尔裂谷的形成机制和演化过程[11-12]提供结构约束.
2 资料为保证研究区（40°N-55°N，80°E-130°E），尤其是边界地区内有足够多的射线和广泛的覆盖，将用于反演的数据选取范围向四周各扩展5°，研究范围为（35°N-60°N，75°E-135°E）.图 1给出了研究区的地势及基本的构造信息.
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图 1 研究区构造简图 Fig. 1 Sketch tectonic map of the study area |
Pn震相到时数据主要来自中国地震年报（1985-2011年）以及ISC（International Seismological Centre）报告（1964-2011年）；从地震报告中粗选出震中距≤9°的Pn波震相及少量震中距为9°~12°的P波震相，共得到25884次地震在507个地震台站上记录到的279424条震相到时数据.
为了取得可靠的反演结果，在反演过程中经过反复试验，进一步确定从上述资料中选用的Pn射线应符合以下条件：①震中距在1.8°~10°之间；②走时残差≤3.0 s；③每个地震的Pn射线数≥5条；④每个地震台站的Pn射线数≥5条.按上述条件共选出7871次地震在401个地震台站上记录到的Pn射线78364条，其中震中距在9°范围内的射线占总数的95%.用迭代最小二乘法对Pn走时随震中距的变化进行线性拟合，得出拟合直线的斜率的倒数（平均速度）为8.08 km/s.
图 2a，2b分别给出了Pn射线路径和射线密度图.从图中可见，射线基本覆盖蒙古及邻区，在贝加尔湖及我国天山地区射线覆盖最密，而在蒙古东部地区射线覆盖较稀甚至缺失.
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图 2 Pn射线路径分布（a）及射线密度（b）图 Fig. 2 Path distribution (a) and ray density (b) of Pn waves |
根据Hearn[13-14]的方法，可以将Pn射线的走时残差用于同时反演上地幔顶部速度的横向变化和各向异性的变化.从图 2中可见，射线路径的方位分布不均匀，难以给出可信的各向异性结果，所以本文仅考虑速度的横向变化.由于Pn震相的射线路径是从地壳内的震源向下到达Moho面，并沿上地幔顶部传播，然后折回地壳到达接收台站，因此可将射线路径分为三段：①震源路径；②地幔路径；③台站接收路径.其中路径①和③是在地壳内，在这两段内的走时与地壳厚度、地壳速度及震源深度有关，路径②在上地幔顶部，其走时与上地幔顶部速度变化有关.将上地幔顶部划分成n个速度网格，Pn走时残差可用以下方程组表示：
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式中tij是第i个台站与第j个地震间的走时残差；ai是i台站静延迟项，它与台站下面的地壳厚度和速度的变化有关；bj是j地震静延迟项，它不仅与震中下面的地壳厚度和速度有关，而且与地震震源深度有关；dijk是第j个地震至第i个台站的射线经过第k个速度网格的长度；sk是第k个速度网格的慢度（即速度的倒数）变化.用预条件LSQR共轭梯度最小二乘的迭代算法求解上述方程组，迭代次数为60次.
经过多次试验，如：网格大小取20′×20′和30′× 30′；待求解的慢度阻尼常数取为500、700、900等.然后，对各种试验结果进行对比分析，使获得的反演结果既能稳定地反映主要结构特征又能抑制过多的噪声干扰.最后反演中选定的网格大小为30′×30′，阻尼常数取为500.
4 结果利用Hearn[14]的反演程序，反演得到Pn速度相对于平均速度8.08 km/s的横向变化；台站延迟及地震延迟图像.利用bootstrap方法估计解的误差[15]，文中做了60次bootstrap反演，给出了解的标准误差分布.反演前后走时残差分布的统计结果表明：在反演前Pn走时残差的标准差为1.56 s，在反演后Pn走时残差的标准差降低到0.80 s.
4.1 结果的分辨率由于LSQR算法不能直接给出分辨率矩阵，本文采用测试板（checkboard）方法测试结果的分辨率.即对文中的射线分布，用不同尺度（如：2°×2°，3°×3°，4°×4°等）的测试板，施加幅值为+0.3 km/s与-0.3 km/s的正弦函数速度扰动模型计算理论走时残差，然后对这组理论走时残差方程进行反演，看能否恢复给定的速度扰动模型.图 3给出了结果的分辨率.
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图 3 分辨率分别为3°×3°（a）和2°×2°（b）的检测板测试图 Fig. 3 Checkerboard test with resolution of 3°×3°(a) and 2°×2°(b) |
结果表明，在大部分地区分辨率达3°×3°；在射线密集区如：准噶尔盆地、塔里木盆地、贝加尔湖地区，每个网格经过的射线数≥100条，因此，分辨率达到2°×2°.相反，在研究区东北边缘部分及蒙古的东部，由于台站及地震都较少，射线分布稀疏，分辨率不足3°×3°.
4.2 速度横向变化特征图 4a给出了速度横向变化图像，图中用颜色的变化表示速度的变化，红色代表低速异常，蓝色表示高速异常.相对于平均速度8.08 km/s，速度变化从-0.39 km/s至+0.30 km/s，即速度变化从-7.69 km/s至+8.38 km/s.经60次bootstrap反演，得出了速度横向变化误差分布图（图 4b）.图中显示，除研究区边缘射线稀少地区误差达到0.07 km/s外，绝大部分（91%）的地区横向速度变化误差均不超过0.05 km/s，因此，图 4a中速度变化绝对值高于0.1 km/s的速度异常区是可信的.
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图 4 速度横向变化图像（a）及其误差分布（b） 图（a）中颜色的变化显示了速度异常的变化，红色表示低速异常，蓝色表示高速异常.图（b）中红色表示误差较大而绿色表示误差较小. Fig. 4 (a) Lateral variation of velocity and (b) error distribution The colors in (a) represent velocity variation, red means low velocity anomaly and blue means high velocity anomaly.In (b) red color stands for larger error and green for smaller error. |
从图 4a中可以看到，蒙古高原Pn速度变化不大（-0.13~+0.13 km/s），平均速度为8.08 km/s.蒙古西部与我国接壤的阿尔泰山地区Pn速度呈现明显的高速异常，最大异常达0.30 km/s.贝加尔湖周围地区速度变化较大（-0.39~+0.20 km/s），总体速度偏低，贝加尔湖湖区Pn速度相对较低，强烈的低速度异常出现在贝加尔湖西南，最大异常达-0.39 km/s，刚好对应于Tunkin盆地火山，贝加尔湖周围的其他几个火山和低速异常也有较好的对应关系.而贝加尔湖西侧的西伯利亚地台则是明显的高速异常.该结果与Yakovlev等[16]的结果是一致的，Yakovlev等[16]在贝加尔地区地壳上地幔三维速度结构的研究中指出，贝加尔湖裂谷带的西南侧呈现出很低的速度异常，是与该区新生代的火山活动有关的.
4.2.2 中国北部地区速度变化特征在中国北部地区得到的Pn速度变化趋势与作者以前的结果[5-9]大体一致，东部与西部存在明显差异，大致在110°E以西为速度高异常区，以东则为速度低异常区.
西部地区速度变化以高速异常为主，最高速度异常为0.30 km/s：高速异常区主要是沿青藏高原隆起区的周边分布.速度高的几个强异常区与准噶尔盆地、塔里木盆地及鄂尔多斯高原等在空间位置上有较好的契合关系.
东部地区速度变化以低速异常为主，最低速度异常为-0.28 km/s：我国东部Pn低速异常区主要分布在华北平原、山西地堑北部的大同盆地新生代火山岩地区及渤海湾附近等地.
5 讨论上述各地区Pn速度的明显差异与所处的构造应力环境有关，本文收集了研究区内158个M≥4.5级地震的震源机制解[17-19]，其中正断层型（P轴倾角≥45°）的地震14个；逆断层型（T轴倾角≥45°）的地震68个；走滑断层型（P轴和T轴倾角均＜45°）的地震76个，图 5展示了速度横向变化与震源机制解分布图.
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图 5 Pn速度变化与震源机制解分布图 Fig. 5 Pn velocity variation and focal mechanisms |
从图 5可见，呈现低速度异常的贝加尔湖地区是正断层型地震集中分布的地区，表明该区处于最大主压应力轴（P轴）呈近于垂直和最大主张应力轴（T轴）呈近于水平的张性应力状态中，熊熊等[20]利用区域均衡重力异常资料反演了蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流流场及作用于岩石层底部的应力场，结果显示贝加尔裂谷区下存在地幔上升流，对流应力场呈拉张状态.
呈现高速度异常的阿尔泰山地区以及夹在两个高速度异常区准噶尔盆地与塔里木盆地之间的天山地区是逆断层地震集中分布的地区，表明该区处于最大主张应力轴（T轴）呈近于垂直和最大主压应力轴（P轴）呈近于水平的挤压应力状态中.
走滑型地震广泛分布，主要分布在研究区的中、东部，该区处于最大主压应力轴（P轴）与最大主张应力轴（T轴）均呈近于水平状态的剪切型应力状态中.
产生这种应力状态的主要原因是由于中蒙地区位于欧亚板块内，处于太平洋和印度洋两大板块构造边界的动力作用之下[20-23].研究区东部（包括我国东部的华北等地区）为近东西向作用的太平洋板块俯冲带动力背景区，该区地震以走滑断层活动为主形成剪张型动力环境；而西部则为近南北向作用的印度板块动力背景区，该区地震以逆断层活动为主，形成挤压型动力环境；位于西伯利亚板块东南缘的贝加尔裂谷带的地震以正断层活动为主，形成拉张型动力环境.因此，可以认为东部以Pn速度低值异常为主要特征的速度分布形态与太平洋板块俯冲动力作用引起的东部地区地壳的伸展减薄和伴生的岩浆活动有关；而西部以Pn速度高值异常为主体的区域（如，准噶尔盆地、塔里木盆地等），则是印度板块强烈碰撞挤压动力作用所形成的影响区.
6 结论本文利用Pn走时资料，采用地震层析成像方法，反演了蒙古及邻区上地幔顶部Pn速度结构.结果表明：
（1） 蒙古高原Pn速度变化不大（-0.13~+0.13 km/s），平均速度为8.08 km/s.蒙古西部与我国接壤的阿尔泰山地区Pn速度呈现明显的高速异常，最大异常达0.30 km/s.贝加尔湖地区总体速度偏低，贝加尔湖西南呈现出强烈的低速度异常达-0.39 km/s，可能与该区新生代的火山活动有关.
（2） 在中国北部地区得到的Pn速度变化东部与西部存在明显差异，大致在110°E以西为速度高异常区，以东则为速度低异常区.
（3） 构造上稳定的克拉通地台具有较高的Pn速度，如准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地等；而构造上活动的强烈剪切变形带和新生代扩张盆地往往是速度低的地区，如：华北断陷盆地，贝加尔湖裂谷带.
（4） 速度异常还可能与应力环境有关.挤压环境呈现速度高异常，如研究区的西部，主要受到印度板块与欧亚板块的碰撞挤压作用而处于近南北向的挤压状态中，因而呈现总体高速度异常；拉张环境呈现速度低异常，如研究区北部的贝加尔湖地区，以及东部大同盆地和渤海湾.
由于反演结果的可信度在很大程度上取决于数据的数量及质量，在研究区的边缘部分及蒙古地区，射线覆盖较稀，分辨率不足3°×3°，还需补充与积累数据后进一步研究.
致谢本文图件采用GMT[24]绘制，数据来源于中国地震局台网中心、ISC和蒙古科学院，特此致谢.同时感谢两位匿名评审人提出的宝贵建议.
| [1] | 宋仲和, 陈国英, 安昌强, 等. 中国大陆及其海域地壳-上地幔三维速度结构. 中国科学(B辑) , 1994, 37(1): 104–116. Song Z H, Chen G Y, An C Q, et al. 3D S-wave velocity structure of the crust and upper mantle. Science China (Chemistry) (in Chinese) , 1994, 37(1): 104-116. |
| [2] | 胥颐, 刘福田, 刘建华, 等. 中国大陆西北造山带及其毗邻盆地的地震层析成像. 中国科学(D辑) , 2000, 30(2): 113–122. Xu Y, Liu F T, Liu J H, et al. Tomography study of the orogens and basins in northwest China. Sci. Chin. Ser. D (in Chinese) , 2000, 30(2): 113-122. |
| [3] | Huang J L, Zhao D P, Zheng S H. Lithospheric structure and its relationship to seismic and volcanic activity in southwest China. J. Geophys. Res. , 2002, 107(B10): ESE13-1-ESE13-14. DOI:10.1029/2000JB000137 |
| [4] | Sonder L J, England P C. Effect of a temperature dependent rheology on large-scale continental extension. J. Geophys. Res. , 1989, 94(B6): 7603-7619. DOI:10.1029/JB094iB06p07603 |
| [5] | 汪素云, HearnT M, 许忠淮, 等. 中国大陆上地幔顶部Pn速度结构. 中国科学(D辑) , 2002, 45(2): 144–150. Wang S Y, Hearn T M, Xu Z H, et al. Velocity structure of uppermost mantle beneath China continent from Pn tomography. Sci. Chin. Ser. D (in Chinese) , 2002, 45(2): 144-150. |
| [6] | 裴顺平, 许忠淮, 汪素云, 等. 新疆及邻区Pn速度层析成像. 地球物理学报 , 2001, 45(2): 218–225. Pei S P, Xu Z H, Wang S Y, et al. Pn velociy tomography in Xinjiang, China and adjacent regions. Chinese J. Geophys (in Chinese) , 2001, 45(2): 218-225. |
| [7] | Pei S P, Zhao J M, Sun Y S, et al. Upper mantle seismic velocities and anisotropy in China determined through Pn and Sn tomography. J. Geophys. Res. , 2007, 112(B5): B05312. DOI:10.1029/2006JB004409 |
| [8] | 许忠淮, 汪素云, 裴顺平. 青藏高原东北缘地区Pn波速度的横向变化. 地震学报 , 2003, 25(1): 24–31. Xu Z H, Wang S Y, Pei S P. Lateral variation of Pn velocity beneath norteastern marginal region of Qingzang plateau. Acta Seismologica Sinica (in Chinese) , 2003, 25(1): 24-31. |
| [9] | Hearn T M, Wang S Y, Ni J F, et al. Uppermost mantle velocities beneath China and surrounding regions. J. Geophys. Res. , 2004, 109(B11). DOI:10.1029/2003JB002874 |
| [10] | 司少坤, 田小波, 张洪双, 等. 贝加尔裂谷区地幔过渡带大范围增厚与局部减薄现象及其动力学意义. 中国科学--地球科学 , 2013, 56(1): 31–42. Si S K, Tian X B, Zhang H S, et al. Prevalent thickening and local thinning of the mantle transition zone beneath the Baikal rift zone and its dynamic implications. Science China Earth Sciences (in Chinese) , 2013, 56(1): 31-42. DOI:10.1007/s11430-012-4547-4 |
| [11] | 张建利, 田小波, 张洪双, 等. 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. 地球物理学报 , 2012, 55(8): 2523–2538. Zhang J L, Tian X B, Zhang H S, et al. The crust and upper mantle anisotropy in Baikal Rift Zone and its dynamic significance. Chinese J. Geophys (in Chinese) , 2012, 55(8): 2523-2538. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.005 |
| [12] | Pei S P, Sun Y S, Toksöz M N. Tomographic Pn and Sn Velocity beneath the Continental Collision Zone from Alps to Himalaya. J. Geophys. Res. , 116, B10. DOI:10.1029/2010JB007845 |
| [13] | Hearn T M, Beghoul N, Barazangi M. Tomography of the western United States from regional arrival times. J. Geophys. Res. , 1991, 96(B10): 16369-16381. DOI:10.1029/91JB01509 |
| [14] | Hearn T M. Anisotropic Pn tomography in the western United States. J. Geophys. Res. , 1996, 101(B4): 8403-8414. DOI:10.1029/96JB00114 |
| [15] | Hearn T M, Ni J F. Pn velocities beneath continental collision zones: the Turkish-Iran Plateau. Geophys. J. Int. , 1994, 117(2): 273-283. DOI:10.1111/gji.1994.117.issue-2 |
| [16] | Yakovlev A V, Koulakov I Y, Tychkov S A. Moho depths and three-dimensional velocity structure of the crust and upper mantle beneath the Baikal region, from local tomography. Russian Geology and Geophysics , 2007, 48(2): 204-220. DOI:10.1016/j.rgg.2007.02.005 |
| [17] | 许忠淮, 汪素云, 高阿甲, 等. 我国部分早期震源机制解答的重新测定. 地震地磁观测与研究 , 1994, 15(5): 1–9. Xu Z H, Wang S Y, Gao A J, et al. Redetermination of some early focal mechanism solutions of Chinese earthquakes. Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese) , 1994, 15(5): 1-9. |
| [18] | Dziewonski A M, Chou T A, Woodhouse J H. Determination of earthquake source parameters from waveform data for studies of global and regional seismicity. J. Geophys. Res. , 1981, 86(B4): 2825-2852. DOI:10.1029/JB086iB04p02825 |
| [19] | International Seismological Centre. Global Centroid Moment Tensor, 2011. |
| [20] | 熊熊, 单斌, 王继业, 等. 蒙古-贝加尔地区上地幔小尺度对流及地球动力学意义. 地球物理学报 , 2010, 53(7): 1594–1604. Xiong X, Shan B, Wang J Y, et al. Small-scale upper mantle convection beneath the Mongolia-Baikal Rift Zone and its geodynamic significance. Chinese J. Geophys (in Chinese) , 2010, 53(7): 1594-1604. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07.010 |
| [21] | 时振梁, 环文林, 曹新玲, 等. 我国强震活动和板块构造. 地质科学 , 1973, 3(4): 281–292. Shi Z L, Huan W L, Cao X L, et al. On the intensive seismic activity in China and its relation to plate tectonics. Chinese Journal of Geology (in Chinese) , 1973, 3(4): 281-292. |
| [22] | 时振梁, 环文林, 卢寿德, 等. 中亚、东亚大陆地震活动特征. 中国科学(B辑) , 1982, 26(4): 438–448. Shi Z L, Huan W L, Lu S D, et al. On the characteristics of seismic activity in central and eastern Asia continent. Scientia Sinica (B) (in Chinese) , 1982, 26(4): 438-448. |
| [23] | 张国民, 汪素云, 王辉. 东亚地区上地幔顶部Pn速度结构的构造动力学意义. 地震地质 , 2012, 34(4): 586–596. Zhang G M, Wang S Y, Wang H. Tectonic implication of crust and uppermost mantle Pn velocity structure of Eastern Asia. Seismology and Geology (in Chinese) , 2012, 34(4): 586-596. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2012.04 |
| [24] | Wessel P, Smith W H F. New, improved version of the Generic Mapping Tools released. EOS Trans. , 1998, 79(47): 579. DOI:10.1029/98EO00426 |