通过横波分裂测量来分析华北克拉通上地幔各向异性

常利军 王椿镛 丁志峰

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

古老克拉通是地球上相对稳定的构造单元，通常具有密度和热流值低、刚性的特点，多具有>200 km的巨厚岩石圈根。然而，华北克拉通是个例外。相对于世界上其他克拉通，华北克拉通具有独特的壳幔结构。基于岩石组成、构造样式、地球化学特征、同位素年龄及变质作用P-T演化方面的差异，华北克拉通分为西部陆块、东部陆块和中部带。西部陆块也叫鄂尔多斯块体，具有厚的稳定的克拉通型的岩石圈根；相对于长期构造稳定的西部陆块，东部陆块自中生代以来遭受了强烈的改造，发生了大规模的构造变形、岩浆活动和盆地形成，致使其原有的克拉通结构和性质遭到明显的破坏，岩石圈厚度从太古代或原生代的>200 km减小到目前的-80 km；中部带是西部陆块和东部陆块的碰撞造山带，其东边界接近南北重力梯度带。一些研究通过对比南北重力梯度带两侧的地壳厚度、地形高度、重力异常、岩石组成认为南北重力梯度带是中生代-新生代华北克拉通减薄的最西界线。然而，中生代-新生代火山活动研究表明中部带也遭受了破坏。有关华北克拉通破坏的时间演化和空间分布一直受到广泛的关注。诸如克拉通下的上地幔变形和与板块运动有关的软流圈地漫流等基本特征对理解华北克拉通的演化具有重要的意义。

地震各向异性是一种测量地壳和上地幔变形的有效方法。上地幔各向异性一般被认为是由于形变导致地幔橄榄岩中的晶格优势排列引起的，反映了过去和现在的构造运动产生的大陆下岩石层中的内部变形，因此通过各向异性的研究可以推测地球内部物质运动模式。横波分裂现象是各向异性在地震波形记录中最明显的表现形式。快波偏振方向和快、慢波的时间延迟这两个分裂参数分别反映了地幔变形的方向和强度。因此，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。华北地震科学台阵项目的实施，使得华北地区形成了稠密和分布均匀的地震观测网络，并获得大量高质量的宽频带数字地震记录，使我们能够深入分析华北上地幔各向异性特征和进行动力学研究。

本文对华北地震科学台阵和研究区内区域地震台网的宽频带台站记录作远震SKS（SKKS）波形资料偏振分析，采用最小切向能量的网格搜索和叠加分析求得每一个台站的快波偏振方向和快、慢波的延迟时间，获得华北克拉通上地幔各向异性图像。“叠加”分析是提高台站SKS波分裂测量质量的有效方法，对于干扰背景较大的台站，效果尤为明显。从得到结果整体看，根据快波方向趋势的分布，研究区基本可划分为两个部分，即华北东部和华北西部。按照快波方向趋势分布划分的华北西部主要位于研究区华北克拉通西部陆块的南部，而华北东部包括研究区华北克拉通的东部陆块、中部陆块和西部陆块的北部。华北东部的快波方向趋势为NWW-SEE，而在华北西部快波方向转为NW-SE方向和NNW-SSE方向。快、慢波时间延迟范围是0.50～1.47 s。华北西部的各向异性参数平均值为（153°±12°，0.75±0.17 s），华北东部的各向异性参数平均值为（107°±9°，0.98±0.19 s）。整体上，华北西部的快、慢波时间延迟小于华北东部。在华北东部，快波方向与APM方向基本一致，预示了NWW向的软流圈地幔流是引起该区域上地幔各向异性的主要原因，它使得上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿地幔物质流动方向，从而导致了NWW趋向的快波方向。华北东部的中部带与东部陆块的各向异性特征相同，支持了中部带在中生代和新生带也经历了岩石圈的活化过程，岩石圈遭到了破坏。然而，在稳定的西部，快波方向既不与绝对板块运动方向一致，也不与构造走向一致，这种弱各向异性很可能是遗留在古老克拉通的厚的岩石圈内的“化石”各向异性。