2013, Vol. 56
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
印度板块与欧亚板块的汇聚作用不仅形成了青藏高原, 而且由于这一动力学过程的持续, 青藏高原仍在不断地向外扩展和隆升.高原的扩展和隆升过程伴随着复杂的构造变形运动和深部动力过程, 因此被视为大陆动力学研究的“最佳天然实验室”.近年来, 青藏高原的隆升机制研究开始更多的关注上地幔流变驱动、岩石圈性质差异性控制的块体运动与连续变形耦合模式[1]等.在印度-欧亚大陆碰撞造山期间, 至少1500km宽的特提斯洋消亡, 而现今的地壳增厚量远不足以吸纳如此庞大的特提斯洋壳[2].为了探讨如此大规模地壳缩短形变机制, 人们陆续提出了诸如“块体挤出”、“重力均衡扩散”、“连续流变”等多种假设.其中多数模型认为物质东移是高原保持基本均衡的主要原因, 但在物质运移方式上存在不同看法.地球物理学家在着眼于青藏高原这个研究主体的同时, 正逐渐把研究目光转移到青藏高原周缘地区, 从而探寻更多的青藏高原及邻区的地震学证据.
青藏高原东北缘作为青藏块体东北部大型边界变形带, 地处青藏块体、华南地块、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的交汇处, 是新构造时期以来较为活跃的地质构造单元, 其内部发育了多条规模较大的断裂:阿尔金断裂、祁连山断裂带和海原断裂等(图 1).地震各向异性是了解壳幔形变的有效方法之一, 深入系统地研究该地区的壳幔各向异性及形变机制, 将有助于理解该区域内块体深部构造、形变场特征, 剖析不同块体间的相互作用及不同圈层的耦合关系.同时, 对解释板块之间的碰撞模式、青藏高原的隆升机制以及物质的逃逸方式等动力学过程有特殊意义[3].
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图 1 青藏高原东北缘构造背景和台站分布 F1:阿尔金断裂; F2:河西走廊北侧断裂; F3:祁连山北缘断裂; F4:北祁连断裂; F5托勒-冷龙岭断裂; F6:中祁连山北侧断裂; F7:海原断裂; F8:庄河断裂; F9:秦岭地轴北缘断裂; F10:青铜峡-固原断裂.AB:阿拉善地块; OB:鄂尔多斯地块; QTB:青藏块体; SCB:华南地块. Fig. 1 Tectonic map of the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau and the locations of stations F1:Altun Faults; F2:The faults on north side of Hexi Corridor; F3:The faults on north margin of Qilian Mountains; F4:North Qilian Faults; F5:Tuole-Lenglongling Faults; F6:North side middle Qilian mountains Faults; F7:Haiyuan Faults; F8:Zhuanghe Faults; F9: Northern QinlingFaults; F10:Qingtongxia-Guyuan Faults; AB:Alxa block; OB:Ordos block; QTB:Qinghai-Tibet block SCB:South China block. |
一般来说, 中上地壳各向异性被认为主要是由于充液微裂隙在应力作用下定向排列(即EDA裂隙)产生[4]的; 下地壳各向异性由各向异性矿物晶格的优势排列引起[5]和EDA裂隙引起[4]两种主要观点; 上地幔地震各向异性的产生也存在两种观点:一是形变导致橄榄岩等矿物晶格的优势排列引起[6], 一是与地幔物质流动有关[7].许多学者关注青藏高原及其周缘壳幔变形问题, 开展了大量的介质各向异性研究.郑斯华与高原[8]采用理论地震图与观测地震记录直接比较的方法, 对中国大陆地震台站SKS震相反演得到10个台站下方S波偏振方向和慢波时间延迟, 给出了第一张中国大陆岩石层方位各向异性的初步分布图; McNamara等[9]发现青藏高原内部地幔各向异性与地表地质特征一致, 得出由陆陆碰撞导致的变形一直延伸到上地幔地区的结论; Holt等[10]把剪切波分裂结果与地幔应变模型、地壳快剪切波方向进行对比研究, 发现现今地幔剪切波方向与地壳剪切波方向具有一致性; Shapiro等[11]利用地震各向异性发现青藏高原存在一层下地壳流, Sherrington等人[12]和Ozacar等[13]利用接收函数方法都得出了青藏高原中下地壳存在各向异性的结论; Hirn等[14]把地震各向异性作为喜马拉雅和青藏高原下方的地幔流的指示, 认为青藏高原的各向异性是由水平面内的差异剪切变形导致晶体重新定向或充液裂隙定向排列引起的.虽然, 青藏高原周缘地球介质各向异性研究工作有一些积累[15-17], 但目前对区域壳幔形变机制仍然还处于探索之中.
关于青藏高原东北缘地区壳幔各向异性特征及其与深部介质运动关系的研究仍在探索中, 有待进一步更新与完善.张辉等[18]对青藏东北缘18个台站进行地壳剪切波分裂分析, 得到地壳介质各向异性分布, 分析了区域主压应力方向分布特征.基于甘肃区域地震台网宽频带波形数据资料, 本文依据不同于以往大多数研究者仅使用SKS震相, 而是采用PKS、SKS、SKKS(以下简称XKS)三种震相进行剪切波分裂分析.在此基础上, 结合张辉等[18]近场剪切波分裂、GPS观测数据、区域断裂分布, 分析青藏高原东北缘地区上地幔介质形变特征, 探讨壳幔介质各向异性关系及其变形机制.
2 数据与方法本研究收集了甘肃区域地震台网41个宽频带地震台站的远震记录(2007-07-2010-07)[19], 利用远震记录中的XKS震相开展剪切波分裂分析(图 2), 地震事件震级为不小于MS5.5.为拓展可用数据, 对于PKS震相选取震中距120°~180°的地震事件, 对于SKS和SKKS震相选取84°~180°的地震事件.为了提高远震记录中XKS震相的信噪比, 在计算各向异性参数前对数据进行带通滤波处理, 滤波参数为0.04~0.5Hz.
XKS波由地幔进入地核, 由于S波在地核内不传播, 所以XKS全部转换成P波, P波经过核幔边界再次进入地幔后, 又会转换成S波, 此时S波只有径向分量, 没有切向分量.如果地幔中存在各向异性介质, 则S波会分裂成正交方向的两列波, 快波和慢波.这时, 就能观测到明显的切向分量.因此, 能否从观测记录识别明显的XKS切向能量, 是鉴别台站下方是否存在各向异性介质的重要标准.通常, 我们把快剪切波偏振方向(φ)与慢剪切波延迟时间(δt)作为描述各向异性介质的两个重要参数.XKS分裂计算采用的是较为常用的SC方法[6], 该方法主要根据切向能量最小原理, 进行二维网格搜索, 反演获取台站下方各向异性参数(φ, δt).其解的误差估计用F-试验的置信区域来表示, 置信度一般为95%.具体的数据选择、分类和分析技术与文献[20-21]一致.
本文利用三个参数对得到的分裂结果进行归类:1)Ror原始径向分量上信号的信噪比; 2)Rot原始切向分量上信号的信噪比; 3)Rct各向异性校正后切向分量信噪比.根据公式
(1)Ror≥10.0, Rot≥2.0, Rct/Rot≤0.7定义剪切波质量好(A).
(2)3.0≤Ror < 10.0, Rot≥2.0, Rct/Rot≤0.7定义剪切波质量一般(B).
(3)Ror≥3.0, Rot < 2.0定义为N, 说明该处可能存在弱各向异性, 也可能是各向异性快、慢波方向与波到达的方向一致, 这就需要通过观察波形手动挑选结果, 由于本文中使用的台站都存在各向异性, 对这类质量的结果也进行挑选使用.
(4)Ror≥3.0, Rot≥2.0, Rct/Rot>0.7定义剪切波质量为S, 此类质量的结果, 在径向和切向上都能看到高信噪比波形, 但是得到的各向异性参数并没有很好的校正切向分量, 这可能是因为复杂各向异性、介质离散等原因造成[21].
(5)Ror < 3.0定义剪切波质量差(C), 直接删除.
文中我们采用质量为A和B的分裂结果, 对于质量为N的, 通过查看其波形, 如果各向异性特征明显则保留该结果.
使用上述方法, 计算了甘肃地区41个台站的各向异性参数, 最后得到了249条高质量的XKS波分裂结果, 其中SKS结果148条, PKS结果45条, SKKS结果56条.涉及到的地震事件共86次, 事件空间分布见图 2.图 3-5显示基于Silver & Chan[6]方法, 经过改进后[21]XKS震相分裂参数计算的过程.由图 3-5可以看出, 使用多种方法对XKS分裂进行研究, 可以得到相对准确的结果.最优各向异性参数使XKS波经各向异性校正后切向分量变为零, 快、慢波运动同步, 同时质点运动轨迹由椭圆变成直线.
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图 2 用于XKS分裂分析的地震事件震中分布图五星代表研究区域; 黑色圆点代表地震事件 Fig. 2 Spatial distribution of teleseismic events used in this study Pentagons represent study area; Black dots represent teleseismic events |
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图 3 SKS震相剪切波分裂分析图(台站LXA) (a)原始的和各向异性校正后的径向和切向SKS波形图; (b)SKS波切向能量等值线图, 黑色圆点代表能量最小点, 该处的分裂参数即为最优分裂参数; (c)利用分裂参数优化后的快､慢到达波; (d)进行延迟校正后的快慢波; (e)各向异性校正前质点的运动轨迹; (f)各向异性校正后质点的运动轨迹. Fig. 3 Diagrams associated with shear wave splitting analysis for an SKS phase recorded by station LXA (a)Original and corrected radial and transverse SKS arrivals; (b)Contour map of normalized energy on the corrected transverse component plotted as a function of trial φ and δt pairs.A well-defined pair of splitting parameters is marked by black dot; (c)Normalized fast and slow SKS arrivals computed using optimal pair of splitting parameters; (d)Same as (c)but slow component was advanced by δt; (e)Particle motion pattern of the normalized fast and slow arrivals shown in (c); (f)Particle motion pattern of the normalized fast and slow arrivals shown in (d). |
对于地壳各向异性, 它的物理机制、分析方法等与上地幔介质各向异性有明显不同.一般认为, 地壳介质各向异性主要源于地壳内沿应力方向定向排列的充液微裂隙.通常采用在地壳内传播的S直达波来计算并获取地壳介质各向异性参数.当S直达波在各向异性介质中传播时, 会分裂成速度不同, 偏振方向相互垂直的两列波, 其中快剪切波偏振方向反应了原地最大主压应力方向, 慢剪切波延迟时间表明了介质各向异性程度的强弱.地壳各向异性受地质构造、岩相、断裂分布和应力环境等影响, 同时也与地壳运动特征相关[22-23].张辉等[18]依据甘肃区域地震台网近震资料, 采用地壳剪切波分裂的系统分析方法---SAM方法[24-25], 获取青藏高原东北缘地壳介质各向异性参数.SAM分析主要是基于偏振分析[26], 加入了相关分析和时间延迟的扣除技术, 具有自我检验特点.研究表明[27], 增加对地壳特性的观测可以多尺度更准确地探讨壳幔各向异性性质.
3 剪切波分裂计算结果由图 2可以看出, XKS事件主要来自西太平洋板块边界和北美洲板块边界地带.对每个台站的快波偏振方向和延迟时间进行平均(表 1), 同时, 为了清楚展现每个台站得到的各向异性分裂参数的离散程度, 对于具有多个数据结果(≥2)的台站, 数据标准偏差采用无偏估计:
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表 1 XKS分裂参数 Table 1 Splitting parameters for XKS phase |
其中, N为每个台站数据个数.AXX、DHT、LTT、LXA等台站的数据资料较丰富, 平均后的可信度也较高.而ZHQ和ZHY每个台站虽然只得到一个数据, 但数据信噪比较高, 震相很清楚, 故保留结果作为参考.
由XKS分裂参数结果, 可得该地区上地幔各向异性图像(图 6中红色线段).由各向异性分布特征可知:青藏高原东北缘西部阿尔金-祁连山-河西走廊断裂区各向异性快波偏振方向呈NW-SE和NWW-SEE方向, 一致性较好; 其中, 位于阿尔金断裂带的5个台站(DHT、SBC、LYT、AXX、YWX)的快波偏振方向与断裂带走向有明显夹角, 这与姜枚等[29]得到的在阿尔金山脉附近SKS各向异性分布不同; 而位于河西走廊断裂区内台站快波方向与该区断裂走向和构造带走向等基本重合; 陇中盆地及其南部区域快波偏振方向主要呈NWW-SEE方向和近EW方向, 个别台站如静宁台(JNT)、舟曲台(ZHQ)等快波方向出现较大幅度变化.通过对研究区域内结果的分析, 以景泰台(JTA)和永登台(YDT)为界, 可以把研究区域分成东部和西部(图 6).对两个分区分别进行分析, 可以发现近场S波快波偏振和远场XKS快波偏振的方向之间存在明显不同(图 7).从XKS射线在200km出射点的剪切波分裂参数空间分布可以更清楚看到(图 8), 西部阿尔金-祁连山-河西走廊断裂区各台站的各向异性参数受事件反方位角影响比较小, 相同台站不会发生太大变化, 一致性比较好; 但东部陇中盆地区域各向异性方向分布比较离散, 例如武山台(WSH)的快波方向变化范围是44°~129°, 单层各向异性可能无法给出相应的解释.事实上, 在青藏高原腹地及其边缘地区, 许多学者开始尝试用双层水平对称轴介质各向异性模型对剪切波分裂结果给予解释[7, 30-32].由图可以看出, 从西北和东南传来的XKS波各向异性快波方向一致性较好, 呈NWW-SEE方向和近EW方向, 而从东北和西南方向得到的XKS快波偏振方向呈NE方向, 这暗示青藏高原物质东流过程中受鄂尔多斯坚硬块体阻挡开始向东南方向移动.
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图 6 青藏高原东北缘地震各向异性快波偏振分布图 地壳各向异性快波方向资料来自张辉等[18]; GPS观测数据来自Gan等[28]; 绝对板块运动方向(APM)数据来自www.unavco.org. Fig. 6 Distribution of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau Results in the crust obtained from Zhang[18]; GPS data from Gan[28]; APM data from www.unavco.org |
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图 7 青藏高原东北缘剪切波偏振等面积投影玫瑰图 (a)W_XKS代表青藏高原东北缘西部XKS快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图; (b)W_SWS代表青藏高原东北缘西部直达S波快剪切波等面积投影玫瑰图; (c)E_XKS代表青藏高原东北缘东部XKS快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图; (d)E_SWS代表青藏高原东北缘东部直达S波快剪切波等面积投影玫瑰图. Fig. 7 Equal-area projection rose diagrams of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau a)W_XKS is XKS fast polarization in the west of northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau; (b)W_SWS is S-wave fast polarization in the crust in the west of northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau; (c)E_XKS is XKS fast polarization in the east of northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau; (d)E_SWS is S-wave fast polarization in the crust in the east of northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau. |
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图 8 XKS射线在200km出射点的各向异性特征的地表投影 Fig. 8 XKS splitting parameters plotted above ray-piercing points at depths of 200km |
本文SGS台124°±10.8°和胡亚轩等[33]SKS平均结果123.5°一致, WYT台130.7°±6.9°与其结果124°一致; LZH台结果126°±6.3°与Liu等[21]结果(126°±7°)一致; HZT(106°±6.2°)、MXT (117.0°±11.2°)、SGT(128.9°±3.5°)、TSS(114.3°±18.9°)快波偏振方向与常利军等[16, 30]结果(HZT: 112.3°; MXT:119.7°; SGT:127.5°; TSS:121.3°)一致.而陇中盆地BYT、HNT两个台站与前人[30, 33]结果之间有很大差别, 其中HNT台相差30°以上.个别台站时间延迟结果也有不同, 如MXT台站, 本文由4个地震事件得到的快慢波时间延迟为1.62s, 常利军等由3个地震事件得到的时间延迟为0.7s, 胡亚轩等[33]同样对这个台站进行各向异性计算, 得到的时间延迟为1.3s.造成这些差异的原因可能与使用数据时间段、计算程序、参数选取标准以及地下复杂构造等因素有关, 且地震射线方位选取的不适当也可能造成计算结果的误判.
4 结果分析 4.1 各向异性层厚度由于XKS震相的射线路径是接近垂直的, 所以利用XKS测量得到的分裂结果有较好的横向分辨率, 垂向分辨率则比较低.由XKS波分裂获取的各向异性参数描述的是从核幔边界到接收台站的介质各向异性叠加效应, 各向异性有可能源于任意深度.因此, 单独利用XKS测量无法探测台站下方各向异性的确切深度, 但根据XKS波分裂的特点及其他地球物理探测, 可以定性地对各向异性的厚度给出约束.大量研究表明, XKS分裂主要在上地幔范围[8, 20-21].
青藏高原东北缘地壳厚度是52~60km[34], 地壳介质各向异性产生的平均时间延迟约为2.31ms·km-1[18], 由此可估算青藏高原东北缘地壳产生的快慢剪切波时间延迟为0.10~0.12s.该区XKS分裂平均时间延迟为1.32s(图 9), 推断地壳介质各向异性对上地幔介质各向异性的贡献很小, 本文获取的XKS各向异性参数主要反映研究区域上地幔介质各向异性特征.McNamara等[9]依据上地幔含量主要为橄榄岩加其他矿物, 结合实验室的测量结果, 认为青藏高原地区上地幔介质的相对速度差为4%, 据此推断当时间延迟为1s时, 对应的各向异性介质层厚度约为115km.由此估算各向异性层厚度, 阿尔金断裂带5个台站得到的慢波时间延迟平均为1.41s, 表明各向异性层厚度在162km左右; 祁连山-河西走廊断裂区14个台站得到慢波平均时间延迟为1.19s, 对应各向异性层厚度136km; 陇中盆地及其周围22个台站得到慢波平均时间延迟是1.39s, 表明各向异性层厚度在160km左右.可以看出青藏高原东北缘各向异性层厚度呈现两端厚中间薄的趋势.根据中国大陆岩石圈厚度分布图[35], 塔里木盆地岩石圈相对于祁连山-河西走廊地区要厚, 由Rayleigh面波双台法得到的三维横波速度结构也显示, 塔里木盆地上地幔横波速度较高, 软流层不明显[36], 这说明塔里木盆地下方介质各向异性性质主要受岩石圈物质影响.在陇中盆地附近WXT台、WDT台时间延迟较大, 分别为1.98s和1.7s, 对应各向异性层厚度大约为228km和200km, 而区域岩石圈厚度大约在160km左右[35], 表明该地区的上地幔各向异性可能超越岩石圈深至软流圈.这种明显的各向异性层厚度变化说明青藏高原东北缘内部变形是不均匀的.研究显示, 上地幔仅有50%~70%的橄榄石, 其余主要是斜方辉石[6].考虑青藏高原东北缘地质构造的复杂性, 利用上述方法估算的各向异性层厚度方法是一种近似, 更准确的估算有待进一步探讨.
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图 9 青藏高原东北缘XKS分裂时间延迟直方图(N:结果总数, Ave:平均值) Fig. 9 The histogram about δt from XKS shear-wave splitting in the northeastern margin of Qinghai-Tibet plateau(N:number of the results, Ave:average of all the results) |
上地幔各向异性是物质缓慢变形而造成的橄榄石晶格的优势排列引起的[6], 反映了过去和现在的构造运动产生的大陆岩石层中的内部变形.用XKS波分裂测量得到的分裂参数反映地震波传播路径上介质的各向异性, 这种各向异性可能在岩石圈[6], 也可能在软流圈[37].本文揭示出在青藏高原东北缘, 上地幔的各向异性至少在某些地方仅仅使用岩石圈内部的各向异性是解释不通的.如果各向异性仅发生在岩石圈, 在构造稳定区, 各向异性被认为是最后一次大规模构造运动遗留在岩石圈中的“化石”各向异性; 在构造活动区, 各向异性则反映了正在进行的构造运动.如果各向异性也发生在软流圈[21], 如本研究所揭示的, XKS分裂参数还反映了软流圈地幔物质流动而引起的各向异性.
已有的研究表明, 在现代板块聚合带附近区域, 各向异性主轴平行于板块边界; 在裂谷区, 各向异性主轴平行于地壳裂谷的拉伸方向; 在造山带, 各向异性主轴与山脉的走向平行; 在大型走滑断裂带附近, 与断裂带的走向平行[38-40].SBC、DHT、AXX、LYT、YWX5个台站位于阿尔金断裂带东北侧塔里木盆地及其周边, 阿尔金断裂带是青藏高原北缘的一条主控左旋走滑边界断裂带[41-42], 其东北部发育数条相同走向的走滑断层, 走向为NEE-SWW.塔里木盆地是非常古老和稳定的块体, 中地壳比较厚, 下地壳比较薄, 上地幔整体速度较高, 下伏的软流层不发育[36], 属于构造稳定区.阿尔金断裂带本身巨大的左旋走滑位移被普遍认为是印度和塔里木板块斜向下挤压下青藏高原向东作挤出运动的产物[43], 相关层析成像结果也显示塔里木岩石圈曾挤入到柴达木盆地下面, 并受到后来发育形成的阿尔金断裂的切割[44].利用XKS得到5个台站快波方向为NW-SE方向, 与断裂走向存在明显夹角, 与塔里木俯冲方向一致, 这说明该地区各向异性主要受古构造活动影响, 属于“化石”各向异性.同时, 位于阿尔金断裂附近的石包成台(SBC)各向异性快波方向与阿尔金断裂走向的不一致也表明阿尔金断裂东段可能为地壳深度等级的断裂[2].
祁连山为阿拉善地块、祁连地块及柴达木地块在加里东末期板块碰撞形成的典型加里东造山带, 而后又经历晚古生代至中生代后造山构造变动才进入新生代造山阶段, 相关研究表明, 整个祁连山为双向逆冲断裂系所夹持的挤出体[45], 南北两侧地块均俯冲到祁连山下.该构造区内得到的XKS各向异性快波方向呈NW-SE方向, 与区域断裂走向一致.据此推断, 祁连山-河西走廊构造区上地幔物质沿东西方向发生形变和流动, 使得上地幔中橄榄岩的晶格优势排列方向平行于物质形变或流动方向.
海原断裂东部陇中盆地及其周围, 属于青藏块体与鄂尔多斯地块之间的过渡带, 是青藏高原物质东流的必经区域.该区域XKS快波方向总体呈NWW-SEE方向, 反映了高原物质东流方向.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[46].上地幔层析成像研究表明[47], 该区西部的青藏块体上地幔200km深度范围内平均速度比较低, 速度结构横向变化明显; 在鄂尔多斯地块则表现为相对完整均一的速度结构, 明显高于青藏块体同样深度范围的平均速度值, 反映了鄂尔多斯相对稳定的块体结构, 位于鄂尔多斯块体内部的环县台(HXT)和华池台(HCH), 快波偏振方向分别为近NS向和NWW向, 与其西侧的其他台站结果不同, 这可能是中生代以前古老克拉通所保存下来的一种“化石”各向异性造成的.S波速度剖面显示, 从鄂尔多斯向青藏高原东北缘Moho面深度逐渐加深, 在海原断裂及周边区域的下方, S波速度横向变化明显[48], 显示其下方的结构比较复杂, 位于该区域的JNT台快波偏振方向约为160°, 与海原断裂走向平行, 明显受到海原断裂下方上地幔物质流动的影响, 相对较高的时间延迟也暗示台站下方上地幔物质流动造成的较强的各向异性特征.
4.3 壳幔各向异性综合讨论基于板块驱动力假设下的壳幔变形的运动模型主要有两种简单的模式:垂直连贯变形模型[49-50]和简单软流圈流动模型[51].前者模型预示板块强烈地耦合于地幔, 上下同时发生相同性质的形变, 地壳上地幔均存在相同性质的各向异性, 并受地幔中密度不均匀产生的流动场驱动, 称为板块跟随; 后者模型则预示板块自驱动, 并由力学上软弱的软流圈与地幔有效解耦, 各向异性只存在于软流圈, 称为板块引导, 地幔变形归因于软流圈顶部和底部的差异速度[52].
Gan等[28]得到的青藏高原东北缘相对于欧亚板块的速度场可以看到, 高原东北部以顺时针旋转运动为主, 表现为西侧呈NE向运动, 到中部转变为近EW向运动, 再往东则逐渐转变为ES方向运动, 运动速率由南向北逐渐减小.根据GPS速度场得到的该区域最大主压应变方向也呈现NE向ES旋转趋势.对于近场剪切波分裂结果, 由图 6(图中蓝色和绿色实线)看出, 青藏高原东北缘东西两部分地壳介质各向异性快波偏振方向有明显不同, 在高原东北缘西部, 快剪切波平均优势偏振方向为42.7°, 与地表GPS运动速率一致, 与断层走向呈一定夹角; 在高原东北缘东部, 快剪切波优势偏振方向为102.15°, 亦与地表GPS一致.
为更准确分析地壳中近场资料的快波偏振方向和壳幔XKS分裂的快剪切波的异同, 对比两种方法得到的结果:图 7表示地幔介质各向异性方向与地壳介质各向异性方向的等面积投影玫瑰图, 表 2分别对比每个台站两种各向异性快波偏振方向结果.综合图 7和表 2, 发现在青藏高原东北缘西部, 壳幔介质各向异性快波偏振方向差异性明显, 在西部祁连山-河西走廊断裂区, 每个台站快剪切波偏振平均方向相差90°左右.受印度板块向北推挤作用, 河西走廊属于压陷盆地, 当盆地相对下降、祁连山相对隆起时, 区域自SW向NE的挤压作用比较强烈, 西部以NE向地壳缩短为主.地壳剪切波快波方向就反映了该区最大主压应力方向, 与GPS相对于欧亚板块运动方向一致, 与区域内断裂走向呈一定夹角.而地幔XKS偏振方向与区域断裂走向一致, 青藏高原东北缘向北东方向的扩展表现为一系列NWW向逆冲断裂和褶皱, 这些断裂在第四纪以前以逆冲和地壳缩短为特征, 而第四纪以来有向东滑移的趋势, 同时与相对于热点参考系的绝对板块运动(APM)的运动方向[53]一致, 反映了地幔流对各向异性有较明显的作用.SNT和SGT两个台站得到的剪切波第二优势方向与XKS快波各向异性方向一致, 说明壳幔介质各向异性形成可能存在一定联系.
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表 2 XKS快波偏振方向与近场地壳的快剪切波快波偏振对比 Table 2 Comparisons of fast polarization azimuths at several of the stations, between XKS phases through the mantle and shear-waves in the crust |
青藏高原东北缘东部, 玫瑰图显示(图 7c、d), 地壳剪切波快波平均偏振方向和XKS快波平均偏振方向一致, 呈NWW方向.但具体到每个台站平均偏振方向, 地壳和地幔结果有5个台站仍有20°左右的差距, 说明该地区复杂的地质构造使快波偏振方向离散程度比较大, 各向异性受局部特征影响显著.静宁台(JNT)XKS快波方向为160.5°, 地壳剪切波快波方向为46.93°, 与区域平均快波偏振方向均不同, 说明除了受海原断裂影响, 或许是高原物质在向东挤出过程中, 受坚硬鄂尔多斯块体阻挡造成的.武都台(WDT)地壳和地幔快波偏振方向一致, 但与区域平均偏振方向不同, 说明该台站下方地壳和地幔具有相同性质的变形, 局部构造占重要作用.
5 结论基于对甘肃地区共41个宽频带地震台站记录资料XKS震相的剪切波分裂分析, 采用最小切向能量的网格搜索计算每一个台站的XKS快波偏振方向和快慢波的延迟时间, 获得了青藏高原东北缘上地幔各向异性图像.根据得到的慢波延迟时间显示出青藏高原东北缘各向异性层厚度呈现两端厚中间薄的趋势, 反映了区域内各向异性强弱程度.在阿尔金山断裂带西侧, 各向异性快波偏振呈NWW-SEE方向, 与断裂带走向有一定夹角, 与塔里木盆地向柴达木盆地俯冲方向一致, 说明该地区上地幔物质变形主要受古构造运动的影响, 属于“化石”各向异性; 在祁连山-河西走廊构造区, XKS快波偏振呈NW-SE方向, 一致性较好, 与区域断层走向方向相同; 由SAM分析方法得到的地壳剪切波快波偏振在该区域呈NE-SW方向, 与相对于稳定欧亚大陆GPS运动速率一致, 地壳和地幔快波偏振方向的差异说明了壳幔变形可能有着不同的形变机制.地壳各向异性快波方向反映了区域主压应力方向, 受印度板块向北推挤作用, 当走廊盆地相对下降、祁连山相对隆起时, 区域自SW向NE的挤压作用比较强烈, 西部以NE向地壳缩短为主; 而在挤压过程中, 高原物质自第四纪以来有向东滑移的趋势, XKS波各向异性可能就反映了物质东流过程.在陇中盆地及其周缘, 因为处于活跃青藏地块向稳定鄂尔多斯地块过渡地带, 所以相对于其他区域具有更加复杂的构造.地壳快波偏振和地幔快波偏振总体上呈NWW-SEE方向, 说明壳幔变形机制可能相同; 但不同台站结果之间存在一定离散性, 推测是由于受局部构造特征差异性造成.
致谢本文研究采用了Stephan Gao和Kelly Liu两位教授发展的计算程序, 特此致谢.感谢张辉提供地壳剪切波分裂的数据及其对本研究的支持.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”为本研究提供地震波形数据.感谢两位匿名评审专家对本研究的重要评审意见及建议.
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