东亚地区上地幔顶部Pn速度结构的构造动力学意义

张国民 汪素云 王 辉

1)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2)中国地震局地震预测重点实验室，北京 100036

3)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

上地幔顶部Pn速度结构即是上地幔顶部的P波速度结构。Pn波是壳内地震震源发出的P波在莫霍(Moho)界面以90°角折射进地幔并沿其顶部的壳幔界面(莫霍面)滑行的波。因此，利用Pn波的走时记录可以反演岩石圈内壳幔界面上地幔一侧的Pn速度分布及其横向变化，此即被称之上地幔顶部的Pn速度结构。

上地幔顶部Pn波速度横向变化的研究，对于了解壳幔速度结构，尤其是上地幔顶部的物性结构、温度结构以及动力学环境都有十分重要的意义。Sonder(1989)给出，岩石圈强度受其莫霍面温度所控制，而温度又反比于岩石中地震波的传播速度，因此上地幔顶部Pn波速度变化有可能反映岩石圈强度的变化，且与岩石圈的动力学背景和构造活动性相关。挤压型动力学背景和构造上稳定的地区有较高的Pn波速度值，而拉张型动力学背景和构造上活动的地区往往呈Pn速度偏低的特征。20世纪90年代以来P波速度分布及其横向变化的研究受到国内外学者的广泛关注(Hearn et al.，1994，1996，2004;汪素云等，2001;裴顺平等，2001;许忠淮等，2003)。本文在汪素云等对东亚地区Pn波速度反演研究(将另文发表)的基础上，探讨东亚地区上地幔顶部Pn速度横向变化特征及其动力学意义。

1 东亚地区Pn波速度变化的基本特点

1.1 Pn速度分布的获取

本文的研究区为15°～60°N，60°～145°E，是欧亚板块、印度洋板块与太平洋板块(含菲律宾海板块，下同)的会聚部位。研究区覆盖中国及周边地区，包括印度洋板块与欧亚板块、太平洋板块与欧亚板块的动力边界带，文中统称其为东亚地区。

汪素云等对该地区Pn速度做了系统的反演研究，其所应用的Pn波震相走时资料包括引自中国地震年报(1986—2011)、ISC报告(1964—2011)以及ISC用Engdahl等(1996)算法重新定位所用的地震报告EHB(1960—2008)等。从这些报告中选取震中距≤9°的Pn震相和部分震中距为9°～15°的Pn震相，共收集到约48.5万条震相到时数据。以这些资料为基础，经反复试验，从这些数据中进一步筛选出符合震中距在1.8°～12°之间，走时残差≤4.0s，每次地震的Pn射线数≥5条，每个地震台的Pn射线数≥5条等条件的资料做反演研究。按照这些条件，共筛选出27 777次地震在1 354个台站上记录到的P波射线共296 334条，运用这近30万条射线的走时数据，用迭代最小二乘法对Pn走时随震中距变化进行线性拟合，得到东亚地区Pn平均速度为8.03km/s。图1是Pn射线路径图。

图1 Pn射线路径图Fig.1 Pnray paths.

根据Hearn(1991，1996)的方法，将Pn射线的走时残差(实际观测走时与理论走时之差)用于反演上地幔顶部速度的横向变化。由于Pn震相的射线路径是从地壳内的震源向下到达莫霍面，并沿上地幔顶部传播，然后折回地壳到达接收台站，所以可将射线路径分为3段，即震源路径、地幔路径和台站路径。其中震源路径是震源至莫霍面的路径，台站路径是莫霍面至台站的路径，这2段路径都是在地壳内传播的，故其走时与地壳厚度、速度及震源深度有关。而地幔路径则是在上地幔顶部传播的，其走时与上地幔顶部速度有关。由于地壳厚度仅几十km，且地壳平均P波速度6.3km/s相对稳定，而地幔路径则长达数百至上千km以上，所以Pn波走时残差的主体部分是由地幔路径所产生的。将上地幔顶部划分成n个速度网格，Pn射线的走时残差方程可写成

式中tij是第i个台站与第j个地震之间的走时残差，ai是第i个台站的静延迟项，bj是第j个地震静延迟项;dijk是第j个地震至第i个台站的射线经过第k个速度网格的长度，Sk是第k个速度网格的慢度(即速度的倒数)变化。用Hearn(1996)的反演程序，反演各网格点上Pn速度相对于平均速度8.03km/s的横向变化。经过多次试验，采用网格大小为30′×30′，待求解的慢度阻尼常数取为900。图2为反演结果所给出的Pn速度横向变化图，图中红色为速度偏低异常区，蓝色为速度偏高异常区，相对于平均速度8.03km/s，速度变化从-0.42km/s至+0.41km/s。为分析图2结果的可靠性，图3给出了用经60次bootstrap反演得到的速度横向变化误差，图中显示，98%的地区误差不超过0.05km/s，其中射线覆盖密集的地区(占全区70%)误差不超过0.03km/s，最典型的地区如台站密集、射线密度高的中国南北带地区、华北地区和天山地区等。由于速度横向变化的误差基本不超过0.05km/s，所以图2中变化绝对值超过0.1km/s的速度异常区应该是可信的。

1.2 东亚地区Pn速度分布特征

1.2.1 研究区东部和西部Pn速度存在区域性的显著差别

从总体上看，图2给出的Pn速度分布显示出东西部之间明显的区域性差异，大致以东经108°为界，Pn速度呈西高东低的变化，即西部以速度高异常为主，东部以速度低异常为主。由图2可以看到，这一东西部差异带有整体性差异的特点。东部的低值异常自太平洋板块边界带起往西向中国陆区延伸，一直延续到东经110°～108°之间，在太平洋板块边界区Pn速度最低，低速异常最为突出，异常量高达 -0.4km/s左右，在低异常区向西延伸的过程中异常量逐渐减小，异常区延伸到大约110°E附近。从太平洋板块边界到中国陆区东部，低值异常区向西延伸距离达2 000km以上。西部地区为Pn速度的高值区，从总体上看，高值异常区的分布从印度洋板块边界带向北延伸，直到蒙古和俄罗斯西伯利亚地区，最大高值异常达+0.4km/s左右。

1.2.2 Pn速度分布的非均匀性特点

东亚地区的Pn速度横向变化，除了总体性地呈现为东、西部两大分区的区域性差异之外，还需特别注意的是，无论是东部的低值区还是西部的高值区，Pn速度的横向变化在各自区内部呈现为复杂的非均匀性特点。在东部地区，低速异常区除了太平洋板块边界带及其边缘地区外，在中国东部Pn低速异常区主要分布在华北平原及渤海湾，山西地堑及其北部的大同盆地等地。更值得指出的是在总体上呈现为低速异常的中国东部地区，也存在一些高值异常区，如鄂尔多斯地区，华南(扬子)地台的主体部分等地区。

图2 Pn速度横向变化图像Fig.2 Tomographic image of lateral velocity variations.

图3 Pn速度横向变化误差图Fig.3 Standard errors for the Pnvelocity estimates.

西部地区的Pn高速异常区主要分布在一些构造稳定的地块区，如塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地及四川盆地，以及研究区北部的西伯利亚地区，研究区西部与中亚接壤的地区等。在动力学背景上呈强烈碰撞挤压的印度洋板块边界带以高速异常为主，但在Pn速度总体偏高的背景中，西部地区也分布一系列低速异常区，如青藏高原的中部和东部地区、祁连构造带和天山构造带、帕米尔地区以及帕米尔至贝加尔的大型变形带地区，在喜马拉雅构造带上，也有一些低速异常穿插在高速异常之中。其中，青藏高原是一个值得关注的地区，在西部Pn速度总体呈高值的背景下，青藏高原是高中之低的区域，尤其是其中部和东部，低速异常更为显著，与西部的平均水平相比，Pn速度偏低0.2～0.3km/s。青藏高原的这一低值异常特征与其地壳构造变形和地震活动强烈的特性相吻合。

2 东亚地区Pn速度结构特征的动力学意义

2.1 Pn速度分布区域性差异特征与岩石圈动力学背景

Sonder(1989)认为，上地幔顶部Pn速度变化有可能反映岩石圈的动力学环境和构造变形的性质及构造活动性。具有强烈挤压环境的构造区域往往是Pn高值区，而拉张型环境的构造区Pn速度呈低值特性。东亚地区处于欧亚、印度洋和太平洋3大板块的会聚部位，研究区处于太平洋和印度洋2大板块构造边界的动力作用区。研究区东部为近EW向作用的太平洋板块俯冲带动力背景区，而西部则为近SN向作用的印度洋板块动力背景区。前者在研究区东部，包括中国陆区东部的华北等地区形成拉张型动力环境，而后者在研究区西部形成了以强烈挤压为主的动力学环境。因此是否可以认为，东部以Pn速度低值异常为主要特征的区域是太平洋板块俯冲边界动力作用影响区，而西部以Pn速度高值异常为主体的区域可能是印度洋板块强烈碰撞挤压动力作用的影响区。

2.2 Pn速度东西两分区的应力场特征

为讨论Pn速度分布的动力学含义，本文应用震源机制资料来进一步分析Pn速度结构与应力场特性的关系。在研究区内共收集了反映应力场水平主压应力轴方位的剪切型地震和逆冲型地震的震源机制解共2 899条。其中剪切型震源机制约1 000条，逆冲型震源机制解约1，900条。震源机制类型、空间分布及其水平主压应力(P轴)方位示于图4。

对图4所示的主应力方向的空间分布进行统计，以研究区内经度10°为空间间隔单位为统计子区，统计各子区内P轴的方位分布。P轴的方位角以45°为划分单位(表1)。由于P轴方位在360°全空间角域内具有对称性，如N30°E方位等于S30°W，即30°方位角等于210°，因此在统计方位时应用半圆空间，即在0°～180°方位内统计。研究区内水平主压应力(P轴)方向的统计结果见表1。在表1中，我们将方位分布大体归并为SN方向和EW方向2个方向域，0°～45°和135°～180°为 SN 方向，46°～90°和 91°～135°为 EW 向(即以 SN 向为轴线，正负 45°为SN向域;以EW向为轴线，正负45°为EW向域)。由表1可给出在东经110°以西的西部地区，应力场的主压应力方向以SN向为优势，SN向域(0°～45°与136°～180°方位角)占区内全部震源机制的74%。而东经110°以东的东部地区EW向主应力占81%，显示其应力场特性以EW向主压应力为优势方向。研究区内应力场特性的东西分区的差异性特征正好与Pn速度结构的区域性差异特征一致，显示了Pn速度结构与地壳(岩石圈)动力学背景之间的相关性。

图5是表1中震源机制P轴方位空间分布的方位角统计图，由图5可更直观地看到研究区东西部地区应力场的整体性差异特征。

图4 震源机制解P轴方位分布Fig.4 Azimuths of P-axis from earthquake focal mechanisms.

表1 研究区震源机制P轴方位的空间分布统计Table 1 Spatial distribution of P-axis azimuths

2.3 Pn速度结构变化与强震活动

图5 P轴方位角随经度分布统计Fig.5 Variations of P-axis azimuth with longitude.

如上所述，研究区位于印度洋、太平洋、欧亚板块的会聚部位，这几大板块的相互作用和欧亚板块内部地球动力作用造就了该区不同类型的活动构造，控制着区域内强震活动的空间分布。以中国陆区及邻近地区为例，各种类型的大型构造将其分割成一系列多级别构造块体(张培震等，2003;张国民等，2004)。图6展示了Pn速度横向变化与Ⅰ级地块区构造及6级以上强震分布，从总体上看，强震发生在Pn速度偏低的地区，即地震活动与Pn速度分布成反向变化。但这2者间的关系又是受Pn速度横向变化的区域背景制约的，亦即受不同的区域动力学背景所控制。

图6 Pn速度横向变化与Ⅰ级地块区及M≥6强震分布Fig.6 Pattern of active tectonic blocks and distribution of strong earthquakes in East Asia.

为分析Pn速度分布与地震活动之间的关系，本文以张培震等(2003)划分的中国陆区6个Ⅰ级地块区为对象，统计各地块区内Pn波速度和地震活动水平。其中Pn波速度(VPn)是以地块区内各格点上的VPn求其平均值¯VPn来表征，地震活动水平以各地块区单位时间、单位面积所释放的地震应变能e为特征量，即e=。表2给出中国陆区6个Ⅰ级活动地块区(东、西部各3个)Pn平均速度值和地震活动水平e的统计结果。

图7为表2中给出的东部3个Ⅰ级地块区和西部3个Ⅰ级地块区的与地震活动水平(e)的关系图，并分别给出了拟合的关系式。由图7可见，尽管中国陆区的东、西部由于其构造动力学背景的差异，地震活动的总体水平有很大差别，但在东、西2个不同的动力学分区内各自都显示了强震活动水平与上地幔顶部Pn速度呈反向变化的共性特征，即强震活动与Pn速度的负异常相关。这与前人工作所给出的强震区往往与其下地壳、上地幔低速异常相关(张先康等，2003)。

表2 活动地块区强震活动与Pn波速度的关系Table 2 Relationship between strong earthquake activity in the active block regions and Pnvelocity

图7 中国陆区Ⅰ级活动地块区强震活动水平与Pn波速度关系Fig.7 Relationship between strong earthquake activity level in the first class active block regions and Pnvelocity in the Chinese continent.

3 结论与讨论

本文研究了东亚地区(15°～60°N，60°～145°E)上地幔顶部Pn速度结构的基本特征，并尝试性探讨了其动力学意义，得到了一些初步结果。

(1)应用从多种资料渠道收集的研究区内27 777次地震在1 354个台站记录到的296 334条Pn射线，反演给出东亚Pn平均速度为8.03km/s，速度横向变化从-0.42km/s至+0.41km/s。速度横向变化显示为东、西2大分区。从太平洋板块边界到中国东部(大约以108°E为界)为Pn速度偏低地区，东经108°以西为Pn速度偏高地区。但不管是东区还是西区，均显示为活动构造区为Pn速度呈低值异常，构造稳定区为Pn速度高值异常。

(2)研究区位于印度洋、太平洋、欧亚3大板块会聚部位，研究区西南部的印度洋板块边界带、研究区东部的太平洋板块边界带分别构成西部地区和东部地区2大动力作用区，从而使研究区呈现为西部以强烈挤压为主的动力学背景区和东部拉张型动力学背景区，前者呈现Pn速度高值区而后者呈现为Pn速度低值区。

(3)从所收集到的研究区内2 899个震源机制解资料所得到的水平主压应力方向的空间分布给出，研究区西部应力场主压应力以SN向为主，而东部地区应力场主压应力方向显示为东西为主，这与西部地区印度洋板块向北强烈碰撞挤压和东部地区太平洋板块向西俯冲的动力作用背景相一致。

(4)尽管东、西两大分区的动力学背景和Pn速度结构有显著差异，但在两个分区内，均显示强震活动与Pn速度的低值异常相关，其强震活动水平与Pn速度成反向变化关系。

(5)本文在研究Pn数据结构及其横向非均匀性变化的基础上，还给出了震源机制获取的应力场、地震活动性和活动地块构造与Pn速度分布的关系，且显示了较好的相关性。由于地震活动性、震源机制和构造活动主要是反映上部地壳的动力背景和构造活动，而Pn速度分布则反映上地幔顶部的动力学背景，因此其两者之间的相关性显示了地壳和上地幔(至少是其顶部)构造活动的关联性。尽管二者在不同的深度层位上，但由于岩石圈的厚度相对于横向地球尺度是一个小量，因此可近似为一个统一的岩石圈层，许多大型的活动构造是贯穿莫霍面的，这似乎可以从中国南北地震构造带等大型块体边界延伸到上地幔，而一些稳定地块(如鄂尔多斯块体)的内部地壳和上地幔是耦合在一起的等壳幔结构特性中得到一些引证。

(6)2011年3月11日在日本宫城东部海域(38.32°N，142.37°E)发生9级特大地震(此次地震被称之为东日本地震)。从GPS观测所得此次地震的远场效应看，东日本大地震对中国东北、华北地区产生了指向震源的同震水平位移，最大位移可达27～33mm，华东部分地区也观测到mm量级的位移。同震位移向西衰减，至东经110°以西地区基本不受影响。东日本地震所造成的中国东部地区加速东移与其震源动力学过程相一致，而且中国东部此地震前后的位移量与之前的背景性位移量相比，有数倍的显著性增大(王敏等，2011)。这一结果进一步引证了中国东部伸展引张性变形可能受控于太平洋板块俯冲作用的动力学背景。

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