0 引言
印度板块和欧亚板块相互碰撞导致了青藏高原的形成[1],这一碰撞过程是新生代以来地球上发生的非常重要的地质事件,伴随着构造变形运动和壳幔物质流动,使得青藏地区下方的介质呈现各向异性特征,因此青藏高原地区一直是地球物理学家们关注的热点。青藏高原及其周缘地区断裂分布密集,且具有强烈的地震活动性,地震频发。历史上,尤其是海原断裂带多次发生7级以上地震,破坏性极大。在青藏高原大部分地区,5~6级地震均有发生且震源位置无规律性,6级以上地震大多发生在构造活动强烈的断裂带地区。青藏高原下方地壳的平均厚度在60~80 km,此地区地震基本发生在2~35 km的中、上地壳范围内,而下地壳尺度内几乎不发生地震。
地球物理学家们对青藏地区的各向异性特征展开了大量研究。王椿镛等[2]和常利军等[3]发现青藏地区SKS分裂测量快轴显示了顺时针的变化,表明了上地幔物质顺时针流动变形。对于青藏东北缘地区,Li等[4]测量的快轴极化方向平行于地表构造走向、地壳运动方向为NWW。Huang等[5]发现青藏东北缘快轴的优势方向为NW—SE,同时提出了该地区的双层各向异性特征。吕晋妤等[6]利用径向和切向接收函数后方位角加权叠加方法,发现青藏东北缘的各向异性呈现出横向不均匀变化特征,但整体表现出连续流变模式,伴有小范围的走滑断层的局部侧向挤出现象。对于青藏东南缘地区,此地区位于喜马拉雅东构造结和华南板块之间,发育着3条大的走滑断层和很多小的走滑断层,这些断层的发育和活动对于青藏东南缘的构造演化过程起到了重要作用。黄周传等[7]发现丽江—小金河断裂阻挡了该地区地壳物质的流动,但此过程产生的应力导致位于东南方位的小江断裂带发生地壳变形。李莹等[8]发现青藏东南缘地区以26°20'N左右为界,南北部的各向异性快轴方向不同,其中南部地区上地幔和地壳的快轴方向差距很大,说明壳幔发生解耦变形。
青藏高原及其周缘的构造变形运动特征和壳幔物质流动模式复杂,本研究旨在利用横波分裂方法,为进一步解释此地区的各向异性、构造变形和壳幔物质运动特征提供依据。
1 数据与方法
横波分裂方法是获取地球内部的各向异性信息的重要手段之一,图1展示了常用的剪切波震相,包括S、ScS、SKS、SKKS、PKS等。本文利用穿过地核的震相SKS进行横波分裂测量。
图1
图1
常用于横波分裂测量的地震震相射线路径示意
Fig.1
Schematic of seismic phase raypath commonly used for shear wave splitting measurement
SKS震相从地震震源出发,首先以横波的形式向下传播进入地幔,随后穿过核幔边界进入外核,在液态外核中以转换P波形式向前传播,继续向上再次穿出核幔边界后,以转换SV波的形式穿过地幔被地震台站接收。SKS分裂测量结果是整条传播路径上的累积,但是核震相通过在核幔边界处发生横波向纵波的转换,消除了震源侧的地幔和外核各向异性,因此最终的测量结果只是代表SKS震相在台站侧的核幔边界穿出点到台站这段路径上的各向异性信息。
图2
图3
2 测量实例
横波未发生分裂的一个重要特征就是质点运动轨迹在各向异性校正前后都近似为直线。图4显示了在BAS台获取的未分裂结果。
图4
图4
利用旋转互相关方法获得的SKS横波未发生分裂的测量结果
Fig.4
Example of SKS transverse wave without splitting measurement obtained using rotation-correlation method
图5给出了在BAS台获取的SKS横波分裂测量结果。分裂测量的结果显示各向异性校正前质点运动轨迹呈椭圆形,校正后近似为直线。如果各向异性校正后,质点运动轨迹呈近似直线且校正后的快慢波能够很好地重合在一起,则证明测量参数准确和可靠。
图5
图5
利用旋转互相关方法获得的SKS横波分裂测量结果
Fig.5
Example of SKS transverse wave splitting measurement obtained using rotation-correlation method
3 测量结果
图6
图6
青藏地区的SKS分裂测量结果
Fig.6
SKS splitting measurement results in the Tibetan Plateau
图7为青藏东南缘川滇地区的SKS横波分裂测量结果。该地区延迟时间主要分布在0.4~1.1 s之间,快轴方向在局部范围内快速变化:以北纬27°左右为界,北部的快轴为近SN向,而南部为近EW向,且南部地区的SKS波快轴方向与Chen等[18]测得的Pms地壳各向异性快轴方向大多以大角度相交,说明此地区的上地幔和地壳物质流动方向不一致。在鲜水河断裂(F5)和安宁河断裂(F6)上,SKS快轴方向平行于断裂走向。由于上述2个断裂为走滑断裂,应力来自于2个断层盘之间的剪切作用,所以走滑断裂走向平行于断层下方的地壳应力方向,同时平行于此地区的SKS快轴方向,表征了地壳变形方向与上地幔的一致性。在龙门山断裂(F9)、澜沧江断裂(F2)、则木河断裂(F7)和小江断裂(F8)上,SKS快轴方向与断裂走向大多以大角度相交,表明上述几个断裂下方的地壳变形特征与上地幔存在很大差异。
图7
4 结论与讨论
在青藏高原内部地区,SKS横波分裂测量的快轴自西向东逐渐从NE—SW向转为E—W向,再转为NNW向,呈顺时针方向变化,且与GPS速度场方向基本一致。SKS横波分裂测量结果表征上地幔深度范围的各向异性特征,GPS方向指示浅层地表的变形特征,二者方向的一致性表明青藏内部地区上地幔与地表变形方向几乎一致。因此,推测造成此地区各向异性的来源主要是上地幔地区,很有可能是起源于上地幔的某种力驱动了上地幔到地壳地表尺度的物质运动,如:缅甸板块向东俯冲时发生向西的后撤运动,使得此区域的岩石圈产生环状变形[3],从而造成了本文的测量结果。
本次在川滇地区的SKS分裂测量结果与前人一致,快轴方向以北纬27°左右为界,自北向南出现了从S—N向转为E—W向的快速变化特征。走滑断层鲜水河断裂(F5)和安宁河断裂(F6)的走向平行于SKS快轴方向,表明下方地壳变形方向与上地幔一致,发生壳幔垂直连贯变形。走滑断层龙门山断裂(F9)、澜沧江断裂(F2)、则木河断裂(F7)和小江断裂(F8)的走向与SKS快轴方向多以大角度相交,表明断裂下方的地壳变形特征与上地幔存在很大差异,发生壳幔解耦作用。另外,川滇地区南部的GPS数据显示了近E—S向的地表形变且走滑断层走向为NW—SE,Chen等[18]测量Pms地壳转换波的快轴方向主要为S—N或NNE—SSW向,本文测量的SKS分裂结果揭示了E—W向的上地幔各向异性特征,与Pms地壳各向异性快轴方向以大角度相交或垂直,说明云南地区深部软流圈地幔流动场与地壳及地表变形特征不一致,地幔和地壳的变形机制和各向异性来源不同,发生解耦变形。鲁来玉等[19]利用背景噪声方法也发现云南地区的壳幔解耦变形。川滇地区北纬27°以南,SKS比Pms测得的快慢波时差的量级大,因此该地区的各向异性特征受地壳和地表变形影响较小,主要由上地幔物质流动主导[20]。
快轴方向在北纬27°左右,自北向南出现了由S—N向转为E—W向的快速变化,造成此变化的原因可能有以下3个:一是西藏下方的地壳物质向东滑落从而挤压云南地区,相当于对云南地区的下伏地幔施加了EW向的挤压碰撞力[21];二是与缅甸和巽他板块的东向俯冲和后撤运动有关[3];三是因为川滇北部下方的岩石圈坚硬,且在北纬26°处岩石圈南缘产生了一个近E—W走向与“墙面”相似的结构,这使得北纬26°以南较软的上地幔物质只能沿北侧“墙面”进行EW向的流动[22]。本文的结果更加支持第三个观点。相比于前人的研究,此次研究所使用的台站更密集、数据更充足、SKS横波分裂测量结果更多。研究发现川滇地区快轴变化的分界线更清晰,北纬27°近似呈一条“线”,直接把南北部的快轴方向划分开来,就像在北纬27°上地幔内部形成一个EW走向的“墙面”,使得南部的上地幔物质被“墙面”阻挡只能沿墙面走向运动,造成了川滇地区SKS横波分裂测量的快轴自北向南发生由S—N转为E—W向的急速变化现象。
致谢
感谢国家测震台网数据备份中心为本文提供数据。
参考文献
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对布设在南北构造带北段的中国地震科学探测台阵项目二期674个宽频带流动台站和鄂尔多斯台阵21个宽频带流动台站记录的远震XKS（SKS、SKKS和PKS）波形资料作偏振分析，采用最小切向能量的网格搜索法和“叠加”分析方法求得每一个台站的XKS波的快波偏振方向和快、慢波的时间延迟，并结合该区域出版的122个固定台站的分裂结果，获得了南北构造带北段上地幔各向异性图像.快波方向分布显示青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘的快波方向主要表现为NW-SE方向，秦岭造山带的快波方向为近E-W方向，鄂尔多斯块体内部的快波方向在北部为近N-S方向，南部表现为近E-W方向.时间延迟分布来看，鄂尔多斯块体的时间延迟不仅明显小于其周缘地区，而且小于其他构造单元，特别是在高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体的交汇地区的时间延迟很大，反映了构造稳定单元的时间延迟小于构造活跃单元.通过比较快波方向的横波分裂测量值与地表变形场模拟的预测值，并结合研究区地质构造和岩石圈结构特征分析表明，在青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘各向异性主要由岩石圈变形引起，地表变形与地幔变形一致，地壳耦合于地幔，是一种垂直连贯变形模式；秦岭造山带的各向异性不仅来自于岩石圈，而且其岩石圈板块驱动的软流圈地幔流作用不可忽视；鄂尔多斯块体内部深浅变形不一致，具有弱的各向异性、厚的岩石圈和构造稳定的特征，我们认为其各向异性可能保留了古老克拉通的“化石”各向异性.
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青藏东南缘是青藏高原物质东流的通道，为了更全面了解复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征，本文介绍了青藏东南缘岩石圈各向异性的形态，综合其他研究者得到的该区域壳幔各向异性结果，增加了部分新的资料，更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像，探讨了区域深部构造意义.基于近场小震、远震和背景噪声资料计算结果，青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态，展现了3个主要特征.（1）青藏东南缘上地壳各向异性与地表变形测量结果相符，快剪切波偏振方向（即快波方向）呈现与地表运动特征一致的发散性，与主压应力方向一致，但受到地质构造的影响.（2）青藏东南缘下地壳方位各向异性展现了更好的方向一致性，但方位各向异性程度相对较弱，在红河断裂带西北端部和小江断裂带下方有两个下地壳低速区，其方位各向异性程度与上地壳相当.（3）青藏东南缘岩石圈方位各向异性，呈现南、北分区特征，南北分界线大致在26°20'N，快波方向在北部近似为NS方向，在南部近似为EW方向.本文推测：（1）在26°20'N北侧的上地幔有较厚的高速体，高速体南侧边缘呈现出近EW走向的直立墙形构造，其南侧软弱的上地幔物质在EW方向上流动，导致了岩石圈方位各向异性特征在空间发生突然的变化，快波方向由北部的NS变为南部的EW方向；（2）小江断裂带是现今的华南地块的地壳西边界，但岩石圈尺度的方位各向异性展现出的趋势性表明，华南地块的上地幔物质越过了小江断裂带到达其西侧，揭示了华南地块与青藏地块接触碰撞造成的岩石圈物质变形和上地幔软流圈物质运移的深部图像.地震各向异性能揭示区域深部构造与介质变形的信息，不同观测资料的综合分析有助于获得更清晰的各向异性三维图像.
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