0 引言

地球各向异性研究多以地震学研究为主。地震各向异性是地球内部介质的普遍地球物理现象，是进行地球深部结构、介质特性和应力环境等研究的重要手段之一，对了解板块运动、地幔对流方向、岩石热状态、应力场分布具有重要意义。其研究主体已从大洋向大陆延伸，由上地幔向地壳发展，如：20世纪50年代，Anderson（1961）系统研究了地球各向异性介质中地震面波的传播规律；60年代，Hess（1964）发现太平洋中脊存在方位各向异性，为大洋中脊扩张学说提供了重要的地球物理证据；张中杰（2002）指出，20世纪80年代Crampin发现横波分裂现象以来，地震各向异性研究已成为理论地震学、勘探地震学、地球动力学以及地震灾害监测等研究的焦点；王良书等（2005）提出，地震波各向异性为动力地球作用过程研究提供了一种崭新手段；常利军等（2012）提出，地震各向异性是一种测量地壳或上地幔变形的有效方法，各向异性研究不仅可以用来分析板内变形特征，而且可以用来探测与板块运动有关的岩石圈或软流圈变形模式。

中国地区地下介质各向异性研究始于20世纪90年代，如：宋仲和等（1991）通过对覆盖中国的358条勒夫面波路径资料进行面波各向异性研究，表明青藏高原、天山及印支板块北缘下介质存在明显的各向异性，以构造边缘地区及上地幔低速层附近最为突出；郑斯华等（1994）研究了中国数字地震台网宽频带SKS震相记录的剪切波分裂现象，确定了快速S波的振动方向和慢速S波的时间延迟，并分析了S波分裂的主要原因；李白基等（1995）利用Pn波速的方位测量法与S波分裂法，研究了昆明地区上地幔各向异性；丁志峰等（1996）利用分布在青藏公路沿线和青藏高原东部地区11个宽频带数字临时地震台站记录的高质量远震数据，在多数台站观测到SKS波分裂现象；常利军等（2008）等用S波分裂方法，分别研究了中国大陆及青藏高原、云南等地区上地幔各向异性；顾勤平等（2010）介绍了国外专家利用瑞雷波研究各向异性，并给出瑞雷波和勒夫波在不同周期的方位各向异性分布图像；胡亚轩（2011）等使用远震SKS波形资料，采用最小切向能量法进行偏振分析，获得鄂尔多斯块体及其周缘上地幔各向异性图像；张晖等（2020）对内蒙古呼和浩特地震台单台记录的远震震相（SKS、SKKS、SS），运用旋转相关法和最小能量法进行综合分析，取得较高质量的SKS分裂结果，发现呼和浩特地区SKS波分裂主要反映了上地幔介质的各向异性；许英才等（2019）利用鄂尔多斯块体西缘固定地震台网2010年6月至2017年8月记录的近场地震资料，使用剪切波分裂方法，研究了该区地壳（即银川地堑到海原断裂带）介质的各向异性。

为深入了解呼和浩特、包头、鄂尔多斯等地区（下文简称呼包鄂地区）地下更深区域的介质特性，利用内蒙古自治区地震监测中心测震台网覆盖该区的11个国家数字地震台甚宽频带数字记录，及39个区域数字地震台宽频带数字化记录，在前人研究基础上，利用地震波各向异性研究方法，分析该区岩石圈各向异性特征，以对内蒙古自治区“金三角”地区地下更深层介质的各向异性特征展开研究，探索并初步了解该区岩石圈和地幔活动的动力机制。

1 构造背景及资料选取

鄂尔多斯块体北缘地处华北块体、东北亚块体等一级地块交界，主要指内蒙古中西部地区，包括呼包鄂区域（图 1）。该地区地质构造复杂，新构造运动活跃，存在强震发生背景，形成了阴山地震带（简称阴山带），历来是地震地质学家研究的热点地区。

1.1 研究区域构造背景

呼包鄂地区地处鄂尔多斯块体北缘，区内主要分布包头断裂、鄂尔多斯北缘断裂、大青山山前断裂3条断裂。包头断裂为前第四纪断裂，位于阴山山脉大青山段南麓，在地质构造上，位于华北板块北部的阴山巨型纬向构造带中段的大青山隆起边缘，周围的基本构造格架由阴山隆起、河套断陷构成。鄂尔多斯北缘断裂为左旋走滑正断裂，位于华北地台北部鄂尔多斯地台东北部，周边基本构造格架由河套断裂、鄂尔多斯隆起、吕梁隆起构成。该区域断裂构造发育，乌拉山山前断裂、大青山山前断裂活动时代新，幅度大，是鄂尔多斯周缘垂直差异运动强烈的断裂构造之一。大青山山前断裂带是呼包断陷北边界断裂，形成于燕山早期，具有南降北升垂直差异运动的活动特点，即北侧大青山相对抬升，呼和盆地不断沉降。

呼包鄂地区近代地震活动水平较高，附近及外围曾发生多次中强地震，是内蒙古自治区地震重点监视区，研究该区岩石圈介质各向异性具有现实意义。

1.2 资料选取

为了深入研究呼包鄂区域地下更深层介质是否存在各向异性，选取包围研究区域的11个固定地震台（内蒙古地震台网所属，图 1）的宽频带地震计记录，从中截取2007-2013年震中距在85°-110°范围内、M_W＞6.0的远震事件记录，得到156个远震事件的数据，事件方位分布均满足研究要求。地震分布见图 2。

使用剪切波分裂软件（Splitlab），运用其中提供的旋转相关法（简称RC法）和最小能量法（简称SC法），测量并给出各地震台站记录的远震事件SKS波分裂参数。通过对所选11个地震台站记录的远震事件SKS波分裂参数的综合分析，推断研究区域地下介质的各向异性。

2 处理方法

对于选取的远震波形，使用剪切波分裂软件（Splitlab），运用RC法和SC法，经滤波、波列分量旋转、高信噪比记录筛选、分析时间窗合理选择、SKS波分裂结果质量评定、误差估计，测量SKS波分裂参数，包括快波偏振方向（φ）、快波偏振方向相应误差（E_φ）、快波和慢波的时间延迟（δt）及相应误差（E_δt）。为提高远震记录中SKS震相识别度，在计算各向异性参数前，对波形数据进行带通滤波处理，一般选择0.02-1 Hz的高斯滤波器。对每个震中在85°-110°的远震记录的SKS震相进行偏振分析，求取各向异性参数对（φ，δt）（通常用于描述上地幔各向异性），其中φ表示快波偏振方向，δt表示快、慢波到时差。

在使用RC法和SC法分析处理远震数据的同时，鉴别某些可靠、有效的SKS波分裂结果。SKS波在介质中进行传播，进入各向异性介质层前，切向能量为零，进入各向异性介质时，分裂成一对偏振方向正交的快、慢波。快、慢波先后到达地震台站，出现到时差，记为δt，且快波具有偏振方向，记为φ。找到某对值（φ，δt），对观测记录进行校正，使切向能量E(φ，δt)最小，则可推断介质的各向异性参数。计算SKS波分裂参数均值时，只使用质量一般或较优的有效分裂结果，且以最小能量法测量所得结果为准。以包头台（BTO）记录的汤加事件为例，进行SKS震相偏振分析，分裂结果详见图 3。

3 计算结果

根据上述方法，对研究区域各台站记录数据逐一计算，得到11个地震台站下方介质的各向异性参数，结果见表 1，其中φ和E_φ为快波偏振方向及相应误差，δt和Eδ_t为快、慢波的时间延迟及相应误差。各台站SKS波分裂结果见图 4。根据统计，11个地震台符合要求的记录数不多，包头台满足要求的记录数最多，但仅6条，而其他台站多为2-3条（表 1），样本量有所欠缺，但为了对研究区域形成包围，计算结果要反映研究区域的各向异性，必须使用11个台站的少量有效数据记录，否则可用于计算的样本量更少。

据表 1，参阅每个台站SKS波的分裂参数φ（快波偏振方向）值，综合发现，11个台站φ值集中分布在78.9°-108.5°范围内，可知其SKS波分裂参数快波偏振方向φ具有区域性分布特点。由图 4所示每个台站的SKS波分裂结果可知，11个台站的快波偏振优势方向集中表现为ESE向（以正北方向顺时针旋转为正）。综合图 4和表 1，可知：该研究区域快波偏振方向主要集中在78.9°-108.5°范围内，优势方向为ESE向；快、慢波时间延迟0.87-1.74 s，平均约1.26 s。

4 讨论与结论

McNamara等（1994）认为，上地幔各向异性一般是由于形变导致地幔橄榄岩中的晶格优势排列引起的，快波偏振方向反映了地幔变形的方向，快、慢波的时间延迟则反映了地幔变形的强度。上地幔各向异性不仅受到来自软流圈地幔流的影响，也受到岩石圈板块驱动的影响。上地幔各向异性反映了大陆岩石层在过去和现在的构造运动中产生的内部变形，根据上地幔中橄榄石和其他矿物的含量及实验室测量结果，推算得出：快、慢波到时差1 s，相当于波在层厚115 km的各向异性层中传播。基于此理论，根据上文得出的呼包鄂地区SKS波分裂结果：该地区慢波延迟时间为0.87-1.74 s，估算呼包鄂地区各向异性层厚度在100-200 km，平均层厚约145 km。呼包鄂地区各向异性层厚度变化较大，说明该区岩石圈包括上地幔顶层变形存在横向不均匀性，具有各向异性特征。

彭艳菊等（2007）利用Love波和Rayleigh波得到S波速度结构差值，对中国大陆及邻区海域地壳上地幔中2种波的偏振各向异性进行分析，表明：在大陆地区，地下介质的各向异性强度随深度增加具有显著变化，上地壳和上地幔盖层中介质的各向异性普遍较弱。易桂喜等（2010）利用Rayleigh波传播方位的各向异性研究中国大陆岩石圈形变特征，表明：104°E以东地区地壳上地幔各向异性较西部地区弱，说明其构造变形总体弱于西部地区。常利军等（2008）研究发现，快波偏振方向有可能指示了中生代以前最后一次大规模构造运动造成的岩石圈地幔变形。而本研究给出的结果表明，这种弱各向异性较大可能受到遗留在古老克拉通的厚岩石圈内“化石”各向异性的影响。高原等（2010）采用首都圈地震台网、国家地震台网、IRIS台站记录，参考华北流动地震台阵部分台站资料，进行地震各向异性分析，得到华北地区穿透壳幔的SKS波分裂的快剪切波偏振方向在NE110.2°±15.8°。在本研究中，呼包鄂地区快波偏振方向主要集中在78.9°-108.5°范围内，其优势方向为ESE向，与高原等（2010）的结论有一定一致性，2个研究结论的共性部分，从另一个侧面反映了华北地区上地幔岩石圈具有的不变总体稳定性。

本研究区域作为印度板块碰撞和太平洋板块俯冲的远程效应的交汇部位，也受到岩石圈块体推挤和软流圈物质运动的共同作用，而且软流圈物质的水平拖曳和垂向热侵蚀均可对断陷盆地的运动特征产生影响。在鄂尔多斯北缘，水平运动有助于盆地的剪切走滑，而垂向运动对盆地的拉张伸展影响可能较弱，与呼包凹陷盆地左旋走滑的运动特征有较好的对应。石云等（2017）研究发现：软流圈物质运动对岩石圈底面和地壳的摩擦拖曳力，软流圈物质上涌引起的浅部拉张应力，板块间相互作用的区域拉张应力等，多种作用力相互叠加，共同构成了断陷盆地形成和发展的动力来源。张晖等（2020）对鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳介质的地震各向异性进行研究，使用内蒙古自治区数字测震台网区域小地震波形记录，采用SAM方法，分析地壳剪切波分裂特征，得出研究区域剪切波快波平均偏振方向为NE44.4°±38.4°，而本研究中快波偏振方向主要集中在78.9°-108.5°范围内，二者有重合处，证明研究结果存在一致性，也说明了该研究区域地下深层介质各向异性来源的复杂性。

对呼包鄂地区11个地震台站得到的各向异性分裂结果进行综合分析，认为：该区各向异性快波偏振方向呈ESE向，快、慢波时间延迟范围在0.87-1.74 s，推测的各向异性层厚度范围为100-200 km，平均层厚145 km；本研究区域是呼包凹陷盆地和鄂尔多斯盆地的综合体，鄂尔多斯盆地弱各向异性存在的根本原因是上地幔板块之间运动的相互约束，而呼包凹陷盆地的各向异性发源于软流圈物质的水平拖曳和垂向热侵蚀。

5 结束语

由于本研究区域大部分地震台站的有效记录数据量较少，受台站密度和分布位置所限，未密集覆盖研究区，且波形数据质量理论信噪不高。基于此，在探索呼包鄂地区地下岩石圈更深区域的介质各向异性及动力机制的条件稍欠成熟，后续研究尚需更多有效资料的再加入及再验证。

审稿专家在稿件审核过程中提出合理化修改意见，并反复认真审阅批注文章，在此对审稿专家的辛勤工作表示真挚的谢意。