地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (4): 1484-1504   PDF    
接收函数揭示的兴蒙造山带西南部的地壳结构特征
张凯文1,2,3, 陈棋福1,2,3, 陈赟1,2,4     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院地球与行星物理重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
3. 中国科学院大学地球与行星物理学院, 北京 100049;
4. 中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029
摘要:针对构造演化历史甚为复杂的兴蒙造山带的地壳结构探测较为有限的问题,本研究利用2016-2018年布设在兴蒙造山带西南部的第3期NECsaids地震台阵和固定地震台及NECESSArray的流动台数据,采用时间域最大熵谱反褶积方法提取到研究区的24027条高质量P波接收函数,进而采用H-κ和共转换点(CCP)叠加方法以及分层剥离转换震相分析地壳各向异性的方法来辨识研究区的地壳结构特征.分析表明:研究区地壳各向异性整体呈近NW向和近EW向,与区域速度场和板块绝对运动方向一致,表明现今地壳结构主要受控于太平洋板块构造域;大兴安岭-太行山重力梯级带是明显的地壳结构差异过渡区,其西侧地壳厚度明显高于东侧且呈降低趋势,而平均波速比则呈现东西两侧盆地较高的分布特征;局部地区的高波速比和不同的各向异性特征则显示受到新生代火山和断裂活动的改造作用,二连盆地的厚地壳和复杂的各向异性特征则展现出古亚洲洋闭合及蒙古-鄂霍茨克和古太平洋等多期构造作用的可能影响.
关键词: 兴蒙造山带      接收函数      地壳各向异性      地壳厚度      平均波速比     
Crustal structure beneath the southwestern Xing'an-Mongolia Orogenic Belt revealed by receiver function analysis
ZHANG KaiWen1,2,3, CHEN QiFu1,2,3, CHEN Yun1,2,4     
1. Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Chinese Academy of Sciences, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Innovation Academy for Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The Xing'an-Mongolian Orogenic Belt (XMOB) is tectonically located in the area surrounded by the Siberian Craton to the north, the North China Craton to the south and the western Pacific Plate to the east. The tectonic evolution in the area was recognized closely related to the Paleo-Asian Ocean and Paleo-Pacific Ocean regimes during the Paleozoic-Early Mesozoic and related to the western Pacific Ocean and Mongol-Okhotsk Ocean regimes during and after the Mesozoic. Therefore, the XMOB is a key area to understand the NE Asian tectonic evolution and its tectonic transition from contractional thickened crust to extensional thinning. Several tectonic models, often conflicting, have been proposed to explain the evolution of the XMOB. The solution of such problems requires a better understanding of deep structure of the crust and mantle. In this study, we use the maximum entropy deconvolution method to obtain 24027 high-quality P-wave receiving function data recorded by our deployed temporary broadband seismic stations in the phase 3 of the NECsaids array, regional permanent stations and temporary stations from NECESSArray covering the southwestern XMOB. We applied the H-κ and CCP stacking techniques and the joint inversion scheme to estimate crustal thickness (H), velocity ratio VP/VS(κ) and crustal anisotropy (fast polarization direction φ and splitting time δt). Our results show that the dominant directions of fast wave polarity in the study area are near NW and EW, which is consistent with the regional velocity field and the absolute plate motion direction, and it reveals that the crustal structure of the southwestern XMOB is dominated by the subducting western Pacific Plate. The Great Xing'an-Taihangshan or the North-South Gravity Lineament (NSGL) is an important transition zone of the southwestern XMOB crustal structure. The crustal thickness is generally high in the west side of the NSGL and low in the east side of the NSGL, while the average crustal velocity ratio (VP/VS) is low on both sides of the NSGL. Some stations with relative high VP/VS and complex anisotropic observations may represent regional fault influences and/or localized imprints of the Cenozoic volcanic activities such as the Shuangliao and Abaga volcanic cluster. The thickened crust and the complex anisotropic observations in the Erlian Basin may reflect the overprinting of the closure of the Paleo-Asian Ocean and the evolution process of the Mongolian-Okhotsk and the Paleo-Pacific tectonic regime.
Keywords: Xing'an-Mongolian Orogenic Belt    Receiver functions    Crustal anisotropy    Crustal thickness    VP/VS ratio    
0 引言

兴蒙造山带夹持于华北克拉通与西伯利亚克拉通之间,中生代之前主要受古亚洲洋构造体系控制,中生代以来不仅经历了环太平洋构造体系的叠加与改造, 而且还受到蒙古—鄂霍茨克构造体系的叠加与改造(Wu et al., 2011许文良等,2013Liu et al., 2017a),先后经历了古亚洲洋的俯冲消亡、微陆块的碰撞拼合及后期的区域伸展作用等复杂的地质构造过程.兴蒙造山带是中亚造山带的重要组成部分,其复杂的构造演化历史为研究者们所关注并存在争议(徐备等,2018).通过地质、地球化学及古地磁等研究, 前人对该区的构造演化过程提出了多种构造演化模式(如Wu et al., 2011, 2016Liu et al., 2017aEizenhöfer and Zhao, 2018),这些模式看法不一, 对古亚洲洋最终闭合的位置、时代及过程以及蒙古—鄂霍茨克洋和古太平洋俯冲过程对古亚洲洋构造域的影响等问题仍存在争议(徐备等,2014).该区的地壳挤压增厚到伸展减薄(王涛等,2014唐杰等,2018)、中新生代盆地发育及火山岩分布广泛(张兴洲等, 2006, 2015Wang et al., 2006)以及自北往南贯穿兴蒙造山带主要分布在大兴安岭—太行山重力梯度带以西的第四纪火山活动(樊祺诚等,2015)等构造活动,使得该地区的地壳演化历史甚为复杂.

兴蒙造山带的地球物理探测研究较为有限,除了有几个固定地震台观测外,贯穿兴蒙造山带的地球物理观测剖面并不多(见图 1左下插图).其中的流动地震观测研究的aa′和bb′剖面(张广成等, 2013a, 2013b)与深地震反射ee′剖面(熊小松等,2016)并未经过本文的兴蒙造山带西南部研究区;早期的东乌珠穆沁旗—东沟和满洲里—绥芬河2条地学断面的综合地球物理探测研究(卢造勋和夏怀宽,1993卢造勋等,1993杨宝俊等,1996)与赤峰—东乌珠穆沁旗的大地电测探测研究(白登海等,1993),受限于当时的观测技术和处理方法,所获得的结果分辨精度有限;而穿过本研究区的东乌珠穆沁旗—丹东宽频带地震剖面cc′采用接收函数和面波反演等获得了剖面上较为精细的壳幔结构(李明明和何玉梅,2011王炳瑜等,2013Zheng et al., 2015);深地震反射和宽角反射与折射及宽频带地震观测联合探测实验的dd′剖面(Zhang et al., 2014李文辉等, 2014李英康等, 2014龚辰等, 2016)穿过的是本研究区边缘,其结果缺乏对太平洋构造域的影响约束.近几年利用中美日三国合作布设的NECESSArray宽频带流动地震台阵数据,对兴蒙造山带地区的壳幔结构也进行了一系列的研究(Tao et al., 2014; Guo et al., 2015, 2016; Liu et al., 2016Liu et al., 2017bChen et al., 2017; Li et al., 2017田原等,2017), 但是NECESSArray台阵的台间距较大(约70 km), 对兴蒙造山带地壳结构约束有限.

本研究利用我们在兴蒙造山带西南部布设的探测深俯冲的中国东北地震台阵(NECsaids台阵;Wang et al., 2016)3期数据,以及研究区的NECESSArray流动地震台阵和中国地震局固定地震台站数据,通过接收函数分析来获取研究区的地壳厚度、平均波速比、地壳各向异性等参数,对兴蒙造山带西南部的地壳结构特征进行约束和探讨.

1 数据和方法 1.1 数据和接收函数提取

本研究采用的数据由三部分组成:第一部分是图 1中以紫色倒三角展示的2016年10月至2018年10月布设的NECsaids台阵3期56个宽频带流动地震台数据,这一近东西向的测线由吉林省梨树县刘家馆镇至内蒙古自治区二连浩特市东,测线跨越了松辽盆地、大兴安岭—太行山重力梯度带(也称南北重力梯度带)、达里诺尔—阿巴嘎火山群和二连盆地,测线布设的台间距为10~35 km(在重力梯度带和火山区的台间距约为10~15 km), 采用GVRALP CMG-3ESPC地震计和Reftek-130B采集器进行观测;第二部分是2009年9月到2011年8月的NECESSArray台阵在研究区内的33个流动台数据;第三部分是中国地震台网在研究区内从2010年7月到2017年6月的16个固定台站资料.

图 1 研究区示意及研究所用地震台站分布 黑色矩形为固定地震台,蓝色矩形框为NECESSArray台阵流动台,紫色倒三角为NECsaids台阵3期布设的流动台.带拖尾的红三角为火山活动示意点,NSGL代表大兴安岭—太行山重力梯度带,NCCNB代表华北克拉通北缘,SXCYS代表索伦—西拉沐沦断裂,NBF代表嫩江—八里罕断裂,HHS代表贺根山—黑河断裂.白色细线勾勒出松辽盆地和二连盆地的轮廓.左下角插图表示兴蒙造山带的位置,其中红框代表本研究区.aa′、bb′、cc′、dd′四条蓝线表示流动地震台站观测剖面,黑色虚线矩形框代表早期两条地学断面的综合地球物理探测研究(卢造勋和夏怀宽,1993卢造勋等,1993杨宝俊等,1996),ee′和ff′剖面分别代表熊小松等(2016)深地震反射剖面和白登海等(1993)大地电磁探测剖面. Fig. 1 Tectonic settings and the distribution of seismic stations in the study area The black and blue squares and purple inverted triangles denote CEA permanent stations, NECESSArray stations and NECsaids3 stations, respectively. The red triangle with trailing is the volcanic activity point, the grey line labeled NSGL is the Great Xing′an -Taihangshan gravity lineament, NCCNB represents the North border of North China Craton, SXCYS represents the Solonker-XarMoron suture, NBF represents the Nenjiang-Balihan fault, HHS represents the Heihe-Hegenshan suture. White lines outline the Songliao Basin and Erlian Basin. The lower left insect shows the location of the Xing′an-Mongolian Orogenic Belt, with the red frame representing the study area. The four blue lines aa′, bb′, cc′ and dd′ represent the observation profiles of the seismic stations, and the black dashed rectangular frame represents the comprehensive geophysical exploration of the two early geoscience sections (Lu and Xia, 1993; Lu et al., 1993; Yang et al., 1996), the ee′ and ff′ sections represent deep seismic reflection profile (Xiong et al., 2016) and magnetotelluric survey profile (Bai et al., 1993).

依据三部分台站的观测时段选取震中距30°~90°且震级大于5.0的地震事件,所选用地震事件的分布如图 2所示,从图中可以看出地震事件具有较好的方位角分布.

图 2 研究所使用的远震事件分布 图中红色五角星指示研究区中心,a、b、c中圆圈分别表示CEA台站、NECESSArray台和NECsaids3台阵记录的远震事件. Fig. 2 Distribution of teleseismic events used in this study The red star indicates the center of the study area. Dots represent teleseismic events used by CEA (a), NECESSArray (b) and NECsaids3 (c) arrays respectively.

对选用的远震事件波形首先进行资料预处理,即将每一个地震事件截取P波理论到时前50 s至后200 s的波形,然后去线性、去均值、去倾斜等处理,之后再进行0.05~1.5 Hz的带通滤波.接着根据方位角把地震记录从ZNE(垂直、南北、东西)三分量旋转到ZRT(垂向、径向、切向)坐标系中进行P波接收函数提取.提取P波接收函数采用时间域最大熵谱反褶积(吴庆举等,2003),选用高斯系数为1.5以减少高频成分的干扰,进而得到较高信噪比的接收函数供H-κ及地壳各向异性分析使用.对求得的接收函数, 先将同台的振幅过大和振幅比过大的接收函数去掉,再将符合条件的所有接收函数叠加,计算叠加接收函数和每条接收函数的互相关系数,将互相关系数较小的除去后再进行人工挑选,最后得到105个台共24027条P波接收函数,其中有86个台的接收函数数量超过100条.

1.2 H-κ叠加搜索方法和CCP叠加方法

获取接收函数后,利用广为使用的H-κ叠加搜索方法(Zhu and Kanamori, 2000)获得地壳厚度和平均波速比.由Zhu和Kanamori(2000)提出的该方法,在台站下方地壳介质均匀假设前提下,联合利用莫霍面转换波Ps及多次波震相PpPs及PsPs(PpSs)与P波初至之间的到时差对台站下方的接收函数进行叠加搜索,即以式(1)的叠加函数搜索最优的Hκ值.

(1)

式中s(H, κ)为叠加接收函数的总振幅,ER(t)为径向接收函数,ω1ω2ω3为权重系数,且ω1+ω2+ω3=1.当三个震相相交时的s(H, κ)取到极大值,此时的Hκ即为该台站下方的平均地壳厚度和平均波速比.

本研究还采用Zhu(2000)提出的共转换点(CCP)叠加方法对测线上的莫霍面进行成像约束,其思路是利用速度模型进行时深转换,将转换点落在同一面元以内的接收函数进行时差校正叠加,来对莫霍面进行成像.

1.3 接收函数Pms震相计算地壳各向异性方法

接收函数的莫霍面转换波(Pms)穿过整个地壳,在经过各向异性的地壳介质时会发生横波分裂,分裂成偏振方向相互正交的快波和慢波.这里我们首先采用Liu和Niu(2012)提出的多事件各向异性分析方法来进行地壳的平均各向异性分析,该方法使用台站下方的接收函数集的数据,利用如下三个目标函数来获取快波偏振方向(φ)和快慢波到时差(δt):

(1) 在对Ps震相到时作余弦校正后,对径向接收函数叠加使其能量最大化

(2)

其中的Frj代表径向上的第j个接收函数;θj为第j个接收函数的后方位角,下标max表示Ps到时窗口[tb, te]内的最大幅值.

(2) 去除各向异性之后的径向接收函数互相关最大化

(3)

其中的Fr, jc代表原径向接收函数Frj经各向异性校正后的接收函数.

(3) 去除各向异性之后切向接收函数能量最小化

(4)

其中的Ft, j代表切向的第j个接收函数;Ft, jc代表经各向异性校正后的切向接收函数.

最后对三个目标函数进行加权平均之后形成联合目标函数的(5)式,再对其求最大值即可求得对应的一组快波偏振方向和快慢波到时差(φ, δt).

(5)

1.4 地壳介质多层各向异性的分层剥离分析

Liu和Niu(2012)提出的计算地壳各向异性方法是基于简单的单层各向异性假设,但实际情况下可能存在双层甚至多层各向异性介质的情况.为解决这个问题,RüRümpker等(2014)提出了一种分层剥离的分析思路,其基本思想是:2个各向异性层的总影响是单层影响的叠加效应,因此可以首先计算地壳内上层的各向异性参数,在上层的各向异性参数已知情况下,就可以将去除上层各向异性之后的接收函数波形再解析其下层的各向异性参数,从而得到上下两层的两组快波偏振方向和快慢波到时差(φ, δt).当地壳中有多层各向异性时也可采取这种分层剥离的思路.本研究借鉴这种思路,用1.3节提到的三目标函数联合方法来分析地壳中存在的双层各向异性.

这里给出一个如表 1所示双层各向异性模型的正演测试示例来表明分层剥离分析思路的可行性,所用的正演计算程序RaySum据Frederiksen和Bostock(2000).如图 3a中所示,Ps(1)震相代表上下地壳分界面产生的转换震相,Ps(2)是通常说的莫霍面转换波震相.在上下两层均具有各向异性时,Ps(1)和Ps(2)震相径向上均具有周期为π的波形变化,且切向上均有一定的能量,这是典型的各向异性特征.而对Ps(1)震相作各向异性校正后,如图 3c3d所示,Ps(1)震相径向被拉直,切向能量消失,但可以看出Ps(2)震相仍然存在径向为π的周期变化和切向具有能量分布的各向异性特征,反演得到的快轴偏振方向是20°,与上层模型参数吻合.再对Ps(2)震相作各向异性校正,如图 3e3f所示,校正后Ps(2)震相径向也被拉直且切向能量消失,反演结果的快轴偏振方向是70°,同样与下层模型参数吻合.从以上分析可以看出,采用分层剥离的思路去分析双层各向异性,可以求得与模型吻合的双层各向异性参数.对低角度(小于10°)界面倾斜和各向异性与低角度倾斜界面同时存在的简单模型测试表明:只存在低角度界面倾斜时,对接收函数Ps震相的影响极小,解析各向异性得到的延迟时间趋近于0;倾斜层和各向异性同时存在时,会对Ps震相产生影响,解析得到的快轴方向φ也与模型有一点偏差,但整体而言偏差较小,仍能得出与模型较为一致的各向异性参数.

表 1 地壳双层各向异性模型 Table 1 Two-layer anisotropic model
图 3 表 1所示双层各向异性模型的接收函数各向异性分析示意图 (a)根据模型正演得到的接收函数,其中Ps(1)和Ps(2)分别代表上下层产生的转换震相; (b)按照地壳单层各向异性假设分析得到的结果,从左到右四个玫瑰图分别对应按径向能量、径向互相关和切向能量及联合目标函数的各向异性分析结果; (c)原始接收函数对上层各向异性校正以后的接收函数; (d)上层各向异性分析得到的结果; (e)经双层各向异性校正以后的接收函数; (f)下层各向异性分析得到的结果. Fig. 3 Receiver function splitting analysis for the two-layer anisotropic model shown in Table 1 (a) Azimuthal gather of receiver functions. The Ps(1) and Ps(2) are the converted phases that originated from the upper and lower layers. (b) Results obtained from the analysis for single-layer anisotropy. The four rose diagrams correspond to three different ways for estimating seismic anisotropy: (1) R energy maximization with cosine moveout correction; (2) Radial cc maximization and (3) T energy minimization; (4) Joint of objective functions based on (1) to (3) individual functions. (c) Azimuthal gather of receiver functions after correcting the splitting parameters of the upper layer. (d) Results obtained from the splitting analysis for the upper layer. (e) Azimuthal gather of receiver functions after correcting the splitting parameters of two layers. (f) Results obtained from the splitting analysis for the lower layer.
2 分析处理

2.1 H-κ叠加搜索

本研究参照前人研究资料设定H-κ叠加搜索分析的参考P波速度为6.3 km·s-1,地壳厚度扫描范围和搜索间隔分别是20~60 km和0.1 km,κ值搜索范围和间隔分别为1.5~2.1和0.002.处理过程中,对各台尝试了(0.5, 0.25, 0.25)、(0.7, 0.2, 0.1)、(0.6, 0.2, 0.2)和(0.6, 0.3, 0.1)等ω1ω2ω3的权重组合,结果表明不同组合策略的实际影响很小,在接收函数数量较多且多次波震相较清晰时得到的结果具有较好的一致性,但某些情况下尤其是位于盆地的台站会出现两个或多个局部极小,通过对比不同权重组合时易于发现进而改善这一点,如图 4中EW31台取(0.5, 0.25, 0.25)和(0.7, 0.2, 0.1)权重组合时落入不同的局部极值区域.考虑到三震相的信噪比顺序减小的特点,为讨论方便,本文采取(0.6, 0.3, 0.1)的权重组合获得的结果进行分析讨论.

图 4 4个台站的接收函数和H-κ叠加搜索示意图 图(a)、(c)、(e)和(g)分别表示图 1标注的CHF、EW51、NE54和EW31台按反方位角排列的接收函数,蓝线为以搜索的H-κ结果进行计算得到的Ps震相、PpPs震相和PsPs+PsSs震相的理论位置.图(b)、(d)、(f)和(h)分别为相应台的H-κ搜索结果,红色五角星代表H-κ平面搜索到的最优的结果.图(i)和图(j)分别表示EW31台以(0.5, 0.25, 0.25)和(0.7, 0.2,0.1)权重组合的H-κ搜索结果. Fig. 4 Receiver functions and H-κ stacking results for four stations (a), (c), (e) and (g) are receiver functions at stations CHF, EW51, NE54 and EW31 marked in Fig. 1 respectively; blue lines indicate the arrive times of the Ps, PpPs and PsPs+PsSs phases based on our H-κ stacking results. (b), (d), (f) and (h) are H-κ stacking results for related stations respectively. Red stars indicate the best result of the H-κ stacking. (i) and (j) represent the H-κ search results for the EW31 station with (0.5, 0.25, 0.25) and (0.7, 0.2, 0.1) weight combinations respectively.

图 4中示例给出了3个不同台阵的接收函数,可以看出其中的CHF、NE54和EW51台因位于基岩出露的大兴安岭地区,可用的接收函数条数相对较多,其莫霍的转换波震相和多次波震相都较为清晰.而位于松辽盆地的台由于盆地沉积层的混响效应,再加上个别流动台仪器故障和供电中断等原因,研究区内有4个盆地台无法得到可靠的H-κ结果.对少量如图 4所示的EW31盆地台,因为混响效应可能在H-κ结果中出现2个分别以红色和紫色五角星表示局部极值的现象;针对此种情况,本文将2个极值均给出,并结合各自对应的三震相走时及周边台站与图 5所示的CCP叠加结果给出倾向的数值.经过挑选后,本研究共得到101个台站的H-κ结果(表 2).

表 2 地壳特征参数 Table 2 Crustal characteristic parameters
2.2 CCP叠加

图 1中自西向东横跨二连盆地、大兴安岭和松辽盆地南部的延伸近1000 km的AB测线上(位置如图 1所示)NECsaids3期台56个和国家地震台网4个固定台共60个台的观测数据,基于IASP91一维速度模型(Kennett and Engdahl, 1991)进行CCP叠加分析.CCP叠加分析的空间网格划分采用平面内沿测线AB方向和垂直于测线方向步长都取8 km,垂直深度方向上步长取0.1 km;沿测线AB方向上和垂直于测线方向上叠加步长都取4,垂直深度方向上叠加步长则取5.图 5中给出了用不同高斯系数得到的CCP叠加结果,图 5c展示引入相对高频成分的高斯系数(取3.0)可得到较高分辨率的莫霍面成像结果,但图 5c在二连盆地和松辽盆地下方展示出较图 5b更为复杂的图像(以虚线椭圆圈示),可能是由于沉积层引起的多次波等干扰所引起.从图 5中可以看出,CCP对莫霍面能量的刻画与H-κ求得的地壳厚度结果有较好的一致性,西边的大兴安岭和二连盆地等地区地壳相应较厚,而东边的松辽盆地地壳相应较薄.

图 5 图 1中AB测线的CCP叠加与H-κ结果对比示意图 (a)地表高程和观测台及其接收函数数量(右边纵轴),NSGL代表大兴安岭—太行山重力梯度带;(b)和(c)分别表示高斯系数为1.5和3.0时的CCP叠加结果.黑色圆圈表示使用H-κ给出的Moho结果,2个Moho深度圆圈为极少数台有2个局部极值的相应结果. Fig. 5 Comparison of CCP stacking and H-κ results along AB profile shown in Fig. 1 (a) shows the topography with corresponding seismic stations and the number of receiver functions labeled in the right vertical axis. The NSGL indicates the Great Xing′an -Taihangshan gravity lineament; (b) and (c) are CCP stacking results with Gaussian coefficient 1.5 and 3.0 respectively. The black circle indicates the Moho results from the H-κ stacking analysis. Very few stations have two Moho results and therefore give two Moho depth circles accordingly.
2.3 单层各向异性

将单台获取的接收函数Ps震相到时作为参考的中心到时,以0.1 s为滑动间隔在参考中心到时±1 s进行滑动,通过改变时窗宽度使时窗能够覆盖目标震相能量而不引入其他震相的能量,这样分析得到较为可靠的各向异性参数结果.并将该台下方的H-κ结果和各向异性参数作为模型正演得到的接收函数波形与原始接收函数波形作对比,进一步通过波形验证来确保所得到的各向异性及地壳厚度等相关参数的可靠性.

图 6a中可以看出,NE21台由式(2)—(5)4个目标函数分别得到的(φ, δt)各向异性结果(87°, 0.70 s;89°, 0.56 s;95°, 0.50 s;92°, 0.52 s)有着较好的一致性.图 6b的接收函数图中绿线表示选用分析时窗的范围,径向接收函数中的白圆圈线是以获得的各向异性参数和H-κ结果进行正演得到的接收函数Ps震相的振幅最大位置,可以看出正演的波形结果与实际波形有着很好的对应.图 6c图 6d展示的EW41台分析结果同样具有较好的一致性,表明本研究采用Liu和Niu(2012)的多事件各向异性分析方法获取地壳单层各向异性结果的可靠性.

图 6 NE21和EW41台的地壳各向异性联合分析实例 (a) NE21台4个目标函数得到的各向异性结果; (b) NE21台对应的径向和切向接收函数; (c), (d) EW41台的分析结果. Fig. 6 Receiver function splitting analysis for stations NE21 and EW41 (a) The anisotropy results obtained by the four objective functions at station NE21; (b) Radial and tangential receiving functions recorded at station NE21; (c), (d) Same as (a) and (b), but for station EW41.
2.4 双层各向异性

在进行接收函数各向异性的分析过程中,对少量台站的接收函数波形中可以清晰看到地壳内的分界面导致的震相的情况,本研究进一步采用分层剥离的思想来分析其可能存在的多层各向异性.如图 7中所示的NE41台,基于单层假设的各向异性结果见图 7a图 7b,其径向中的白圆圈线表明正演结果对应尚好.但若取如图 7d中绿线所限定的莫霍面转换震相Ps到时之前的地壳内部界面转换震相来计算上地壳各向异性,其结果具有较好的一致性(图 7c),据震相到时和背景速度场给出的相应层厚及上地壳各向异性参数给出的正演结果(图 7d)对应甚好,将展示上地壳各向异性校正后所对应的径向接收函数波形校直(见图 7f蓝虚线),然而图 7f所展现的莫霍面转换震相Ps(参见图中绿线限定范围)仍存在各向异性特征,同理可计算出下地壳的各向异性参数值并给出其正演结果(图 7e7f).

图 7 NE41台的地壳各向异性分析 (a) 4个目标函数得到的地壳单层各向异性的分析结果; (b)对应的径向和切向接收函数; (c) 4个目标函数得到的上地壳各向异性结果; (d)对应的径向和切向接收函数; (e) 4个目标函数得到的下地壳各向异性结果; (f)经上地壳各向异性校正后的径向和切向接收函数. Fig. 7 Receiver function splitting analysis for the NE41 station (a) shows the total crustal anisotropy results of NE41; (b) shows the corresponding radial and tangential receiver functions; (c) shows the upper crustal anisotropy results; (d) The corresponding radial and tangential receiver functions; (e) shows the lower crustal anisotropy results; (f) shows the radial and tangential receiver functions after the upper crust anisotropy correction.

由于个别台的接收函数质量限制,难以得到可靠的接收函数各向异性分析结果,在剔除少量各向异性延迟时间甚小(< 0.1 s)的结果后,得到了研究区内共88个台的各向异性结果,其中有8个台站得到了双层各向异性结果(表 2).

3 分析讨论 3.1 地壳厚度和平均波速比

图 8展示了H-κ分析得到的研究区结果,从中可以看出研究区的地壳厚度总体呈现西厚东薄的趋势,而平均波速比则呈现东西两侧盆地较高而中间低的趋势,大兴安岭—太行山重力梯度带附近是较为明显的分界线.

图 8 研究区地壳厚度(a)和地壳平均波速比(b)分布图 矩形框表示CEA台,倒三角表示NECESSArray流动台,三角表示NECsaids3流动台,圆圈为何静等(2018)给出的台站结果,菱形为李天觉和陈棋福(2019)给出的台站结果.黄色细线勾勒出松辽盆地和二连盆地的轮廓. Fig. 8 Distribution of crustal thickness (a) and average velocity ratio (b) in the study area The square, inverted triangles, triangles denote CEA permanent stations, NECESSArray stations and NECsaids3 stations, respectively. The circles come from the data of He et al. (2018), and the diamond comes from the data of Li and Chen (2019). Yellow lines outline the Songliao Basin and Erlian Basin.

所得到的松辽盆地西南部地壳厚度和平均波速比平均值分别为31.0 km和1.82,与之前相关研究(Tao et al., 2014朱洪翔等,2017李天觉和陈棋福,2019)展示的松辽盆地地壳厚度平均值和松辽盆地大部分地区波速比值较大(大于1.8)相吻合,进一步确认了松辽盆地南部具有的地壳薄和波速比高的特征.松辽盆地的较薄地壳,可能与中生代的蒙古—鄂霍茨克洋关闭和古太平洋俯冲导致的地壳伸展减薄作用相关(王涛等,2014唐杰等,2018).而松辽盆地的高波速比(少量台大于1.90)则可能与其较厚的沉积层(Wei et al., 2010)及中生代地壳伸展减薄过程(王涛等,2014唐杰等,2018)和新生代时期火山活动(Liu et al., 2001)中的岩浆底侵作用有关,而EW30、NE56、NE39台的局部波速比低值可能与沉积层横向分布不均和火山活动分布位置有关.有研究表明沉积层常具有较高的波速比(Saikia et al., 2017),约2 km厚的沉积层可使获取的平均壳内波速比数值抬高~0.03(Yeck et al., 2013).

西部二连盆地的地壳厚度平均值(38.6 km)和平均波速比与何静等(2018)得到的该区域的结果较为吻合,其地壳较厚的特征很可能是该地区与蒙古—鄂霍茨克构造体系演化有关的陆壳加厚(王涛等,2014唐杰等,2018)的直接体现,与蒙古—鄂霍茨克洋闭合的远程效应及古太平洋板块俯冲作用影响相关的地壳伸展减薄区域主要发生在大兴安岭—太行山梯度带以东地区(王涛等,2014唐杰等,2018)的认识相符.而二连盆地的平均波速比(均值1.76,少部分台大于1.80)较松辽盆地稍低,这可能与该盆地较松辽盆地薄的沉积层相符,而较正常值偏高些的平均波速比,则可能与该地区发现有中生代和新生代的岩浆底侵作用有关.松辽盆地高波速比背景中出现的几个低波速比结果与Tao等(2014)得到的结果相一致,其可能蕴含的构造意义有待更多的精细分析.而二连盆地内部在高波速比背景中出现局部的低波速比(EW70、EW71、EW76台),这些点位与花岗岩的位置(童英等,2010)相对应,这与花岗岩地区易表现出低波速比的特征(Lowry and Pérez-Gussinyé,2011)相符.

位于松辽盆地和二连盆地之间的大兴安岭南部地区,其地壳厚度平均值和平均波速比分别为35.8 km和1.72,也与Tao等(2014)得到的大兴安岭等东北西部地区平均值相接近,这与该地区所处的大兴安岭—太行山重力梯度带两侧的显著地质特征差异(徐义刚, 2006)较为相符,很可能是兴蒙造山带的地壳挤压增厚到伸展减薄过渡区域的反映.

3.2 地壳各向异性

地壳各向异性的成因相对复杂,一般来说,上地壳各向异性主要由浅部地壳分布的裂隙定向排列引起(Crampin and Peacock, 2008; Rabbel and Mooney, 1996),中下地壳各向异性主要由造岩矿物以及熔体的定向排列引起(Barruol and Mainprice, 1993).本研究得到的地壳各向异性的快波极化方向分布亦较为复杂,但主要集中于近NW向及近EW向(图 9—11),与研究区域处于的NWW板块绝对运动方向(据HS3-NUVEL1A,Gripp and Gordon, 2002)、GPS速度场数据(Zhao et al., 2015)展现的NWW-SEE向拉张状态及前人由SKS分析得到的东北地区总体呈NW-SE向的各向异性结果(Chen et al., 2017Li et al., 2017)较为一致,与张广成等(2013a)利用单事件分析方法得出的东北北部绥芬河—满洲里测线的地壳各向异性快波极化方向主要集中在NNW和NWW也较为一致,但与应力场数据(WSM,Heidbach et al., 2016中国大陆地壳应力环境基础数据库,谢富仁等,2007)呈现的NEE和EW向压应力状态呈较高角度斜交.由于研究方法和区域的不同,本研究得到的地壳各向异性延迟时间(平均在0.31 s,除EW74台0.92 s外,其他台位于0.12~0.76 s范围)整体较张广成等(2013a)得出的0.16~0.3 s略大一些,但小于由SKS得到的东北地区的平均延迟时间(0.84 s, Chen et al., 2017;1.0 s,Li et al., 2017),整体上而言,本研究得到的Pms延迟时间集中在0.1~0.3 s,而SKS分裂时差集中在0.5~1.2 s(图 9c).地壳各向异性与SKS展示的各向异性结果的一致性,反映出研究区地壳和岩石圈地幔耦合的变形模式.

图 9 研究区地壳各向异性与SKS分裂结果对比图 (a)本研究所得到的地壳各向异性快波极化方向和延迟时间分别用黑色短棒和黄色圆圈表示,绿色短棒和紫色短棒分别表示少量存在双层各向异性台的上地壳和下地壳的快波极化方向.白色粗箭头表示欧亚板块于全球热点参考系中的绝对运动矢量(据HS3-NUVEL1A,Gripp and Gordon, 2002).SKS结果来自于Li和Niu(2010)Chen等(2017),SKS(Null)表示SKS的空测量结果; (b) Pms分裂分析结果同SKS分裂分析的快波极化方向分布玫瑰图,灰色代表Pms的分裂方向,蓝色代表SKS的分裂方向,红色代表SKS空测量的分裂方向; (c) Pms及SKS的快慢波延迟时间柱状统计图,颜色与图例颜色对应. Fig. 9 Comparison of our crustal anisotropic results and SKS splitting results (a) The black lines and the yellow circle indicate our measured fast polarization directions and splitting times. The green and purple lines indicate our measured fast polarization directions for the upper and lower crust at some stations, respectively. The white thick arrow indicates the absolute plate motion relative to global hotspot reference frame (Gripp and Gordon, 2002). The SKS results are from Li and Niu (2010) and Chen et al. (2017).SKS (Null) denotes the null measurements; (b) The fast-wave polarization direction distributions of the Pms splitting analysis results and the SKS splitting analysis results. The Pms, SKS and SKS (Null) results are indicated by gray, blue and red colors respectively; (c) The delay time distributions of the Pms and SKS results, and the color corresponds to the legend color.
图 10 研究区地壳各向异性与区域应力场及GPS速度场对比图 图 9.应力场数据来自世界应力图(Heidbach et al., 2016)和(中国大陆地壳应力环境基础数据库谢富仁等,2007),其中灰色、蓝色和绿色细线棒分别表示震源机制反演给出的上地壳、中地壳和下地壳应力方向.红色和紫色箭头分别表示由连续和流动GPS台观测得到的相对于欧亚大陆板块的速度矢量. Fig. 10 Comparison of our crustal anisotropic results with regional stress field and GPS velocity field Same as in Fig. 9.The stress field includes the world stress map (Heidbach et al., 2016) and China′s crustal stress environment basic database (Xie et al., 2007).The gray, blue and green lines indicate the stress inversion results using earthquake mechanism solutions occurred in the upper, middle and lower crust respectively. The red and purple arrows indicate the velocity vectors relative to the Eurasia plate observed by continuous and campaign GPS stations respectively.
图 11 沿近东西向密集台站测线的接收函数结果综合展示图 (a)地表高程和观测台及其接收函数数量(右边纵轴),NSGL代表大兴安岭—太行山重力梯度带;(b) CCP叠加结果;(c)和(d) H-κ叠加分析的地壳厚度和VP/VS平均波速比结果,其中紫色圆圈为另一个局部极值的结果;(e)地壳各向异性结果,其中带拖尾的红三角自西向东分别是阿巴嘎火山、达里诺尔火山和双辽火山群分布位置. Fig. 11 Receiver function analysis results along the near EW profile with dense seismic stations (a) shows the topography, seismic stations and their receiver function numbers shown in right vertical axis respectively, the NSGL represents the Great Xing′an-Taihangshan gravity lineament; (b) shows the CCP stacking results; (c) and (d) show the crust thickness and average VP/VS ratio results from the H-κ analysis respectively, where the purple circle is the second maximum result; (e) shows the crustal anisotropic analysis results. The red triangles with trailing from west to east are the Abaga volcano, the Dalinor volcano and the Shuangliao volcano respectively.

松辽盆地南部的地壳各向异性整体上呈NWW向,但在局部地方却显得较为复杂.与之对应的是,Li等(2017)Chen等(2017)得到的松辽南部的SKS结果也具有复杂性,具体表现为延迟时间较小,null值较多且一致性的结果较少.在新生代的双辽火山群附近的地壳各向异性出现了EW向和NE向的复杂结果,并在EW28和EW29台出现了复杂的双层各向异性结果,且EW28台的上层和下层地壳的优势方向结果高角度相交,而以单层分析得到的地壳各向异性结果与分层分析得到的下地壳优势方向一致,这说明地壳各向异性以下地壳为主导,这可能是与双辽火山活动变形相关的体现.双辽火山群附近得到的下地壳NE优势方向,与Liu等(2016)得到的18 s和25 s瑞利波方位各向异性的NE方向较一致,也可能是受到(古)太平洋构造过程相关影响的体现(Liu et al., 2016).而在更西侧的EW38台地壳各向异性方向体现了与嫩江断裂走向的一致性,这与已有研究展现的地壳各向异性方向与断裂走向的一致性(如Gao et al., 2011)是相符的.

大兴安岭南部的地壳各向异性整体亦呈NWW向和近EW向.在南北重力梯度带两侧的台站各向异性结果集中于NWW或NW向,与该区的速度场较为一致,且平均延迟时间相对较小,这与Liu等(2016)得到的在南北重力梯度带附近较弱的地壳各向异性结果相一致.该区SKS结果则主要为NW向,与地壳各向异性结果平行或低角度相交.而位于南部索伦缝合带处的NE41台,出现了复杂的双层各向异性结果,且其上下层各向异性方向均与整体的地壳各向异性方向较一致,推测可能是邻近的晚更新世末期到全新世2期喷发的鸽子山火山的变形反映.

更西的二连盆地处的地壳各向异性优势方向则更显复杂,除了NWW及近EW向分布外还有NE向及双层各向异性(EW74、EW78、EW81台)的结果.但该区域仅在二连盆地东缘有少量SKS结果,这些结果仍与地壳各向异性方向较为一致.徐备等(2018)新近的系统研究表明该区域展布有NEE向的早石炭世二连—贺根山裂谷带及早二叠世伴有大量火山喷发的NE向爱力格庙—二连伸展构造带等.结合现今的区域应力场与GPS速度场结果,并考虑到二连盆地可能先后历经了古亚洲洋、蒙古—鄂霍茨克和环太平洋三大构造体系的叠加作用与改造,分析认为该区复杂的地壳各向异性结果可能是多种复杂构造环境的体现.

对比有着较密集NECsaids 3期流动地震台和固定地震台分布的近东西向测线的CCP叠加、地壳厚度、平均波速比和地壳各向异性的分析结果(图 11),可以看到兴蒙造山带复杂构造演化过程导致的地壳结构特征差异,大兴安岭—太行山重力梯度带附近是明显的差异过渡区.自东向西来看地壳各向异性的整体分布,其优势方向与现今板块运动方向和区域速度场的一致性表明研究区的结果主要受到太平洋构造域的影响,松辽盆地局部点还反映了新生代火山和断裂的变形改造作用,而二连盆地有些点则可能展现了受到古亚洲洋闭合及蒙古—鄂霍茨克和古太平洋多期构造作用的影响.因受到沉积层的影响,松辽盆地南部的地壳厚度和平均波速比相对离散,但整体上仍清晰展现出显著受控于太平洋构造域的松辽盆地地壳厚度较薄且平均波速比较高的特征,自东向西穿过南北重力梯度带附近的地壳厚度逐渐变厚且波速比降低,大兴安岭—太行山重力梯度带西侧的地壳厚度进一步增厚,则反映了与蒙古—鄂霍茨克构造体系演化有关的陆壳加厚结果,表明地壳伸展减薄区域确实是主要发生在大兴安岭—太行山重力梯度带以东地区.而在阿巴嘎和达里诺尔火山群附近及二连盆地的波速比相对较高,则可能是不同构造运动时期的岩浆底侵作用导致的.

4 结论

本研究利用兴蒙造山带西南部密集布设的流动地震台阵和固定地震台获取的P波接收函数,分析得到了研究区内各台站下方的H-κ结果和地壳各向异性结果,结合前人的地质与岩石化学地球物理研究结果,综合分析得到如下结论:

(1) 研究区地壳厚度总体呈现西高东低趋势,大兴安岭—太行山重力梯度带是明显的分界线.

(2) 研究区平均波速比呈现东西两边高中间低的趋势.东部松辽盆地南部较高波速比可能与沉积层分布及双辽的新生代火山活动有关,西部二连盆地稍高的波速比则可能由中-新生代岩浆活动的底侵导致.

(3) 研究区地壳介质的各向异性整体方向呈近NW向及近EW向,与区域速度场和板块绝对运动方向相一致;平均快慢波时间延迟约0.31 s,约为SKS分裂给出延迟时间的三分之一.

(4) 研究区现今主要受到太平洋板块构造域的影响,局部地区明显受到新生代火山和断裂活动的改造作用,二连盆地则反映出古亚洲洋闭合及蒙古—鄂霍茨克和古太平洋等多期构造作用的影响.

致谢  感谢二位评审专家的完善修改意见,感谢参与NECsaids台阵(探测深俯冲的中国东北地震台阵)3期的台站布设和定期维护工作的所有人员,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(doi:10.7914/SN/CB)和IRIS Data Management Center(www.iris.edu)为本研究提供的国家固定地震台和NECESSArray台阵的地震事件数据.文中图件采用GMT软件绘制(Wessel and Smith,1998).
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