青藏高原及其周缘地区各向异性研究进展

黄 星 高 原

（中国北京100036中国地震局地震预测研究所）

引言

青藏高原被称为世界屋脊，是正在进行中的年轻陆－陆碰撞造山带，印度板块与欧亚板块在此汇聚碰撞.揭示青藏高原各块体之间的深部变形特征以及研究大陆内部变形和大陆内部强震机制具有重要的现实意义.目前，国际上对青藏高原地震各向异性的研究尚处在探索阶段，地球科学界对其隆升和地壳缩短的机制及动力学过程仍未达成共识.印度板块相对青藏高原的俯冲形态，青藏高原地壳缩短的方式是简单的地壳俯冲叠加、陆内均匀变形、还是陆内岩片侧向挤出，以及青藏高原快速隆升的机制等这些核心问题尚待探明，至今仍存在争论（Tapponnier et al，1982；England，Houseman，1986；England，Molnar，1997）.

20世纪20—30年代，各向异性的概念被引入地震学领域，当时在进行横波（即剪切波）勘探中已经发现利用现有地震波理论不能解释的剪切波分裂等现象.横向偏振的剪切波在通过各向异性固体时，分裂成两个近似垂直的震相，这种现象被称作剪切波分裂.这两个震相的传播速度和振动方向均不同，这意味着它们在粒子运动偏振图上会有特征性的差别，由此揭示出地下介质存在各向异性.

到20世纪60年代，Hess（1964）发现了海底扩张学说的有力证据，即垂直太平洋中脊的P波传播速度比平行太平洋中脊的速度快.这一发现促使地球物理和地质学界的目光转向对地球不同构造环境中各向异性现象的观测研究.各向异性现象广泛存在于地壳、地幔和地核等各圈层，表现为不同的尺度，大到上地幔、软流圈，小至单矿物、岩石和包体，都可能存在不同程度的各向异性 （Vinnik et al，1992；Rabbel，Money，1996；Poirier，Price，1999；滕吉文等，2000）.而一些证据更表明上地幔过渡带（400—520km和660km）以及D″层也存在明显的各向异性（Smith et al，2001；Yang et al，2002；苏伟等，2008）.随着实验设备及方法的改进，通过地震各向异性观测，可以获取地球内部动力学过程、构造变形及地幔对流等信息，对青藏高原深部过程具有重要的科学研究价值.本文概述了青藏高原的动力学模型，并总结了青藏高原及其周缘地区各向异性的研究进展，以展望未来的研究趋势.

1 青藏高原动力学模型

从20世纪起，研究人员就不断提出各种动力学模型，试图解释青藏高原隆升和地壳缩短的机制及动力学过程.Argand（1924）提出印度地盾向北长距离俯冲楔入青藏高原地壳之下，以此来解释青藏高原厚度双倍于正常地壳厚度，而这一说法成了最早解释青藏高原成因的动力学模型，对青藏高原的构造研究产生了深远的影响.Dewey和Burke（1973）则提出均匀形变模型，认为刚性的印度板块将青藏高原向北推挤，从而导致了青藏高原的岩石圈加厚.Tapponnier和 Molnar（1976）分析了包括青藏高原在内的整个东亚的构造，并结合构造模拟实验，提出滑线场理论，认为刚性的印度板块向北推挤，楔入了欧亚板块内部，引起青藏高原和东亚向东产生大规模的构造逃逸.这一模型打破了传统概念，板块不再被认为是统一的刚体，为从大陆动力学机制出发研究青藏高原的形成开辟了新的思路.

20世纪80年代之后，地表GPS测量技术的提高，使得更加详细地揭示青藏高原的现代地壳运动状态成为可能，再加上地壳应力和各向异性等方法的利用为青藏高原的研究积累了大量的地表和深部资料，由此产生了多种关于青藏高原形成和演化的动力学模型.

Nelson等（1996）将下地壳流动机制引入到青藏高原新生代构造过程的解释之中.青藏高原地区具有异常高的热流值及地壳双倍加厚，下地壳处于较高温度状态.在该状态下，青藏高原内广泛发育壳内低速层和部分熔融体，而部分熔融体的存在势必导致中下地壳进一步弱化.弱化的中下地壳在重力作用下平衡产生高而平坦的高原面.他们认为，青藏高原存在着足够软、弱的中下地壳，其在一定的剪应力梯度或侧向压力梯度下产生侧向流动从而构成了高原物质逃逸的通道.

Royden等（1997）首次用“管道流”（channel flow）模型来解释青藏高原东缘的地貌变化.“管道流”模型基于下地壳流动，即高原下地壳向东流动推挤青藏高原东部升高，进而向东侧扩张.若相邻的东部地壳相对较弱，则向东流动会相对容易，会出现诸如青藏高原东南缘的较低梯度变化的地形；若相邻地壳较强，影响了东向的地壳流动，则会形成诸如龙门山与四川盆地交汇地区的梯度变化较大的高原边缘 （Clark，Royden，2000）.

Tapponnier等（2001）则认为青藏高原的隆升呈现出阶段式的发展，其源自不同的岩石圈块体之间的局部剪切作用.他们提出解释这种扩展过程的阶梯式增长（stepwise growth）模型，并指出青藏高原的形成是斜向向北次第变新的3个阶段渐进过程.

拆沉（delamination）作用也被认为对青藏高原的形成有贡献.拆沉理论是近些年来提出的用于解释造山带后期青藏高原的隆起和变形.其理论依据是：岩石圈地幔双倍增厚，根部变冷导致重力不稳定从而下沉剥离进入软流圈，相对较热较轻的软流圈地幔物质上升取代较重的岩石圈根部.上升的软流圈起到了热垫的作用，岩石圈由于平均密度变小而在浮力作用下快速抬升.这种观点得到不少研究人员的支持（钟大赉，丁林，1996）.

姜枚等（2001）和许志琴等（2004，2006）总结了青藏高原内部及周边的各向异性资料，并结合其构造结构，提出青藏高原隆升的动力学模型：南部印度岩石圈向陆内俯冲，北部克拉通向陆内浅俯冲，中部深地幔热结构的右旋隆升及物质向东挤出.

Sun等（2012）提出三维地壳模型，展示了下地壳流在青藏高原东南缘的地壳结构和构造方式（图1），并对下地壳流动模型对地壳结构和形变的影响进行了推测.

综上，青藏高原动力学模型大致可分为4类：① 俯冲模型，平面上表现为从单向俯冲向双向俯冲或三向俯冲及多次俯冲发展，剖面上表现为从浅俯冲到深俯冲以及超深俯冲的发展趋势；② 碰撞模型，从板块碰撞、地壳和岩石圈挤压缩短均匀变形加厚发展到上、下地壳分层加厚和多阶段隆升模式；③ 挤出模型，印度板块向北推挤造成青藏高原中部及东南块体东向的构造逃逸，并形成青藏高原系列大型走滑断裂系统；④ 拆沉－板片断离模型，岩石圈地幔根部剥离下沉到软流圈中，被轻而热的软流圈地幔物质上升所取代，在浮力作用下，岩石圈由于平均密度变小而快速抬升.

图1 青藏高原东南缘的深部模型（引自Sun et al，2012）地形剖面为黑色线条，黄色箭头表示地壳流的流动方向Fig.1 Deep model in the southeastern margin of the Tibetan Plateau（after Sun et al，2012）Topographic profiles along the west and south sides of the studied area are shown as black lines.Yellow arrows on the topographic surface illustrate the direction of the lower crust flow

不同动力学模型侧重面不同，均有一些证据，然而均存在尚待解释的一面.从现有研究来看，印度板块与欧亚板块经历了复杂的地质过程完成拼接，其形成应是多种因素综合作用的结果，单一模型势必不能圆满地解释观测现象.为了建立一个青藏高原形成机制的综合模型，需要从地表GPS观测结果、断层构造、壳内低速层和部分熔融体发育状况及深部结构等方面进行综合讨论.通过分析块体各向异性特征获得常规手段难以得到的深部信息，将有助于动力学分析和构造过程的推演.

2 青藏高原及其周缘地区各向异性研究

自20世纪90年代以来，对于青藏高原地震方位各向异性的研究，最常用的方法是剪切波分裂法.一般认为远震剪切波分裂（SKS，PKS，SKKS）所反映的各向异性主要是由上地幔引起的（郑斯华，高原，1994），而利用接收函数方法来研究各向异性也是一种常用方法.接收函数的莫霍面转换震相Ps在地壳的各向异性介质中会发生分裂，用波形互相关法和切向能量最小法计算接收函数Ps波的分裂参数，此法传承于SKS分裂方法（高原，滕吉文，2005）.

Hirn等（1995）和Lav等（1996）对青藏高原印度－雅鲁藏布缝合带进行各向异性研究，发现该缝合带以北的地震各向异性相对较强，特别在藏北的Sn波缺失地区观察到了较强的快慢波到时差（2.4—2.52s）.他们认为，印度－亚洲岩石圈的碰撞促使软流圈产生流动，因而在喜马拉雅和青藏高原下方产生各向异性.

McNamara等（1994）也利用波形互相关法和切向能量最小法研究了青藏高原地区下方的地壳各向异性，得到了11个台站的快波偏振方向和慢波到时，但他们将青藏高原的各向异性归结为岩石圈中的有限应变.

Chen和Özalaybey（1998）及Chen等（2010）则更进一步推测青藏高原中部显著的地震各向异性揭示了北部变形的亚洲岩石圈与南部刚性的印度岩石圈的边界.Chen等（2010）对西藏中西部的研究表明，S波双折射向西藏腹地有两次显著的幅度增加；第一次双折射增加（区分时间Δt＝（0.1±0.1）s）持续至印度－雅鲁藏布江缝合带以北约75km，位于印度地盾与西藏南部的拉萨地块之间；第二次，在班公湖－怒江缝合线以北约100km处，即在西藏中部拉萨地块与羌塘地块之间双折射出现快速增长.他们据此推测，印度－雅鲁藏布缝合带偏北处可能是欧亚岩石圈地幔的末端，班公湖－怒江缝合线以北则是印度地盾嵌入欧亚岩石圈的末端.

Ozacar和Zandt（2004）用邻域算法（neighborhood algorithm）反演了青藏高原中部附近地壳结构，得到一含有倾斜界面且各向异性与各向同性介质互层的地壳模型.

近年来很多研究人员在青藏高原东北缘地区开展剪切波各向异性研究，基于远震剪切波分裂的研究表明该地区上地幔各向异性存在明显的横向不均匀性.在其北部和东南部地区，快波偏振方向在北部呈北东向，在东部边缘呈北西向，东南部地区则表现为近南北向，总体上各向异性强度比较大且与构造走向近似平行，由此可推测各向异性主要起源于岩石圈地幔.Holt（2000）和Huang等（2000）通过对比GPS的观测结果与上地幔各向异性分布结果认为，上地幔变形与上覆地壳变形可能具有垂直连贯变形特征.但这一观点与Clark等（2005）和Copley（2008）通过地震层析成像和数值力学模拟所获取的中下地壳存在管道流且上地壳与上地幔变形解耦的结论相矛盾.而在南部和喜马拉雅地区，各向异性很弱，几乎观测不到各向异性（Hirn et al，1995；Sandvol et al，1997）.对于此现象的解释尚无定论，目前主要存在以下两种看法：①该地区存在双层各向异性介质，对称轴相互垂直的双层各向异性共同作用，导致观察到的各向异性大为减弱；②Sandvol等（1997）提出的俯冲的印度板块各向同性模型.

张辉等（2012）和王琼（2012）基于位于青藏高原东北缘的甘肃区域台网41个宽频带地震台站的远震波形资料，通过对XKS（即SKS，PKS和SKKS）震相的剪切波分裂分析，获取了台站下方介质的各向异性分裂参数，得到该地区上地幔的各向异性分布图像（图2，3）.他们联合地壳剪切波各向异性与GPS速度场，分析了青藏高原东北缘的壳幔各向异性特征与形成机制.结果表明，各向异性快波偏振方向在阿尔金断裂带西侧与断裂带走向存在一定的角度偏差，呈WNW-ESE方向.其方向与塔里木盆地俯冲入柴达木盆地的方向大体相同，表明该区古构造运动影响了其上地幔变形.各向异性快波偏振方向在祁连山—河西走廊构造区与区域断层走向方向相同，呈NW-SE方向；由区域小震的地壳剪切波分裂分析得到的地壳剪切波快波偏振在该区域与相对于稳定的欧亚大陆的GPS运动速率一致，呈NE-SW方向.壳幔快波偏振方向的差异表明了壳幔变形可能起因于不同的机制（王琼等，2013）.

石玉涛等（2013）给出了松潘—甘孜地块东部、川滇地块北部与四川盆地西部的地壳剪切波分裂结果.高原等（2013）通过分析地壳剪切波分裂，揭示了龙门山断裂带区域的地壳主压应力方向及其与断裂之间的关联（图4）.结合芦山地震余震的定位结果，高原等（2013）认为芦山地震的破裂区与汶川地震的破裂区并未贯通，二者之间形成了一个“破裂空段”.

图2 青藏高原东北缘地震各向异性快波偏振分布图（引自王琼等，2013）Fig.2 Distribution of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Tibetan Plateau（after Wang et al，2013）

图3 青藏高原东北缘剪切波偏振等面积投影玫瑰图（引自王琼等，2013）（a）、（b）为快剪切波偏振方向在西部的等面积投影玫瑰图；（c）、（d）为快剪切波偏振方向在东部的等面积投影玫瑰图.其中（a）和（c）显示XKS震相的结果，（b）和（d）显示直达S波的结果Fig.3 Equal-area projection rose diagrams of fast shear-wave polarizations in the northeastern margin of Tibetan Plateau（after Wang et al，2013）（a）and（b）are the fast polarization in the west of northeastern margin of Tibetan Plateau，（c）and（d）are that in the east of northeastern margin of Tibetan plateau；（a）and（c）are for XKS；（b）and（d）are for the direct S-wave

上述诸多剪切波各向异性研究成果为青藏高原的演化提供了新的深部构造约束.根据剪切波分裂资料产生了多种青藏高原的构造演化模式.例如，吕庆田等（1996）认为岩石圈内部北东向流动变形与沿大型走滑断裂带方向的旋转是青藏高原地壳缩短的主要原因；Huang等（2000）则推测藏北上地幔受到南部印度岩石圈北向挤压向东流动而造成地幔加厚，之后由于重力的不稳定性导致了拆离.

图4 地壳剪切波分裂快剪切波偏振方向在研究区的等面积投影玫瑰图（引自高原等，2013）图中龙门山断裂带被蓝色虚线圈分为A，B，C等3段Fig.4 Equal-area projection rose diagrams of fast shear-wave polarizations in the southeastern margin of Tibetan Plateau（after Gao et al，2013）The Longmenshan fault zone is divided into A，B，Cthree sections.Black line represents the fault zone.One pair of white arrows indicate the direction of principal compressional stress.Blue triangles represent seismic stations，white triangles represent the mobile seismic stations，yellow asterisks represent the 2008Wenchuan MS8.0 earthquake and the 2013Lushan MS7.0earthquake

目前青藏高原的构造模型大多建立在地球物理资料与地质考察相结合的基础上，而高温高压岩石物理及流变学等学科的约束则相对欠缺，因此大多数是定性结果，难以得出定量结论，这在很大程度上限制了青藏高原隆升机制的研究.

近年来，利用面波研究地震方位各向异性在较大程度上加强了当前急需对各向异性深度的约束.根据频散瑞雷波的传播特性，不同频率的瑞雷波反映了不同深度层内介质的速度结构和方位各向异性.据此，采用相应周期段的方位各向异性可以用来研究地壳、岩石圈地幔和软流圈等不同深度的地层的形变特征.相比剪切波分裂方法，面波方位各向异性能够为地震各向异性研究提供深度约束.但由于当背景噪声源分布不均时，其源的方位角分布会与介质的方位各向异性耦合在一起（Stehly et al，2007），并且在反演过程中面波方位各向异性也会与相速度相互耦合，因而结果具有多解性.因此利用面波方位各向异性研究青藏高原东部地区地震各向异性的成果比较少.目前对于面波反演，已经有了一种新方法，被称为程函成像（Eikonal tomography）（Lin et al，2009），该方法不用进行传统意义的“反演”就可以得到稳定的结果.如果考虑有限频，则可以用亥姆霍兹成像（Helmholtz tomography）（Lin，Ritzwoller，2011）.苏伟等（2008）利用瑞雷波群速度获得的方位各向异性结果表明：青藏高原东北缘中部岩石圈和软流圈均显示近东西向的快波方向，强度由3%随深度逐渐减小至软流圈的1.2%；在其偏东部，地壳与上地幔的快波方向一致，为北西—南东向，但强度由地壳的4%减少至上地幔的2%.易桂喜等（2010）利用瑞雷波相速度获取的各向异性快波方向分布与苏伟等（2008）结果近乎一致，但各向异性强度存在较大差异.虽然面波各向异性分析方法具有较好的垂向分辨率，但其横向分辨率比较低，并且长周期面波对上地幔深部缺乏约束，因而也难以得到精确的分析解释.近两年，背景噪声面波的各向异性也开始应用于青藏高原及其周缘地区的深部物质运动研究之中（王琼，2012）.由于背景噪声从数据源来说，不依赖于地震的发生，因而具有更广泛的应用前景.

3 讨论与结论

目前青藏高原各向异性研究主要侧重于探索深部各向异性结构，现阶段已经取得了令人瞩目的理论和实际应用成果，在解释大陆岩石圈的缩短机制、高原深部构造及隆升机制、碰撞岩浆活动、地幔剥离作用等大陆动力学的一系列基本问题上起到了重要作用.但也应看到，青藏高原各向异性研究还需要在以下方面继续推进：

1）为了定量解释各向异性，需要了解深部结构与各向异性之间的关系.大部分研究人员认为青藏高原各向异性主要是由地幔流动使橄榄石的晶格定向排布而产生的，其深度集中于上地幔和软流圈（嵇少丞等，1989；金振民等，1994）.而一些证据表明，青藏高原北部莫霍面下的岩石圈地幔，由于较高的温度导致了部分熔融作用.熔体在青藏高原北部岩石圈近东西向挤压作用下进行定向分布，形成熔体优选方位（melt preferred orientation，简称为MPO），从而强化了岩石圈各向异性.针对较长的青藏高原北部SKS震相分裂延时，杨晓松等（2002）认为熔体组构的定向分布强化了岩石圈的各向异性.而Smith等（2001）也表明水引起的橄榄石组构转变可能会导致一些难以解释的各向异性观测结果.此外，裂隙定向排列、不同成分的层理等各种因素均会影响到对地幔各向异性的解释，因此亟需对深部结构与各向异性之间的关联进一步深入研究.

2）寻找更加精细的研究手段.目前地震各向异性作为推断大陆深部结构变形的重要手段，主要基于地震波观测资料反演各向异性参数.岩石圈或上地幔各向异性研究中，应用最为广泛的地震波震相为SKS波（包括PKS和SKKS）.SKS波拥有良好的横向分辨率，可达50km（王永锋，金振民，2005）.但由于远震横波分裂反映的各向异性是核幔边界到台站的整个路径的整体各向异性，对各向异性层的深度分辨率还较低.因此不能提供深度的准确参数，对地区各向异性究竟起源于地壳、岩石圈地幔、还是软流圈仍然无法得出一个确切的结论，从而导致对其分裂结果的解释存在很大困难.面波各向异性则可以指示各向异性区深度，但其横向分辨率很差.由于依靠目前较为粗糙的各向异性分布特征定性获取地下介质的结构及变形，且研究分析方法单一和反演具有多解性，致使一些研究结果相互冲突.就目前来看，将面波与体波进行联合反演可以更好地约束各向异性的分辨率，而将地球动力学模拟等正演手段与地震波各向异性等反演手段相结合也可能是未来的趋势之一.

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