黑龙江地区上地幔各向异性研究

刘长生　苗庆杰　赵　谊　李万金　李永生　郝永梅

1　黑龙江省地震局，哈尔滨市鸿翔路24号，150090 2　山东省地震局，济南市文化东路20号，250014 3　云南省地震局个旧地震台，个旧市宝华路21号，661000

黑龙江地区上地幔各向异性研究

刘长生1苗庆杰2赵谊1李万金3李永生1郝永梅1

1黑龙江省地震局，哈尔滨市鸿翔路24号，150090 2山东省地震局，济南市文化东路20号，250014 3云南省地震局个旧地震台，个旧市宝华路21号，661000

摘要：采用黑龙江数字地震台网2012-01～2014-07间23个宽频带地震台站记录的远震SKS波形资料，利用Splitlab 软件对黑龙江地区进行剪切波分裂的分析研究，使用最小能量法、旋转相关法和最小特征值法计算所有观测台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的延迟时间，最终得到黑龙江省上地幔各向异性图像。结果显示，黑龙江地区上地幔地震各向异性比较明显，快波偏振方向与主张应力方向基本一致，与GPS得出的速度场方向相符，说明该地区的壳幔耦合可能存在垂直连贯性。

关键词：各向异性；SKS波分裂；上地幔；快波方向；时间延迟

黑龙江地区位于欧亚板块的东北亚地区，属于天山-兴蒙构造单元[1]，区域内分布着复杂交错的断裂系统，地震活动频繁，且大多数地震都沿着区域性断裂带、大型凹陷盆地边缘以及新生代火山岩出露地带、断裂与速度变化带发生。因此，系统地利用剪切波研究该区域各向异性，对于了解区域构造动力学及板块内地震机制等具有重要意义。SKS剪切波可以用于地球各层介质的各向异性研究[2-3]。中国“十五”数字地震台网项目实施期间，黑龙江地震局建设了37个涵盖50 Hz～360 s的宽频带和高精度观测台站，从其记录图中可以获得易于读取SKS波分裂的地震波形，为研究黑龙江地区上地幔各向异性和地球动力学特征提供了珍贵资料。

1构造背景和研究资料

1.1构造背景

黑龙江地区构造运动较为活跃，地震构造背景复杂，曾经多次发生M5.0～6.0的中强地震。其东部毗邻西太平洋板块，M≥6.5的深源地震时有发生，是西太平洋板块高速度、小倾角向欧亚大陆下俯冲的结果[4]。研究区自第四纪以来仍存在继续活动的断裂带，地震的空间分布特征与其断裂长度、断陷盆地规模、性质和幅度等有密切关系。黑龙江地区分布有北东东向的嫩江、依兰-伊通、敦化-密山等3条大型断裂带，还有北西向的滨州断裂和近北南向的肇东-扶余断裂带等次一级断裂，它们组成了黑龙江地区活动断裂构造的基本框架。图1为黑龙江地区地震与断裂分布图，地震目录选取时间为1980～2015年。

F1嫩江断裂；F2依兰-伊通断裂；F3敦化-密山断裂;F4讷莫尔河断裂；F5第二松花江断裂；F6勃利-北安断裂图1　黑龙江地区地震与断裂分布图Fig.1　Distribution of earthquakes and faults in the Heilongjiang region

1.2研究资料

通过对黑龙江地区37个地震台站进行筛选，最终确定23个数字化地震台站的宽频带记录波形用于分析计算。选取震中在85°～110°之间、震级M>5.5的地震事件(图2)共2 000余个作为基础数据，采用0.02～0.2 Hz的高斯滤波器对数据进行带通滤波处理，计算各向异性参数，从而提高远震记录中SKS震相的信噪比。

选取嘉荫台(JIY)2012-01-24记录的地震事件，通过对其进行径切向旋转和0.02～0.2 Hz巴特沃斯带通滤波，获得如图3所示的波形记录结果。从图中看到，切向和径向分量的SKS波记录得比较明显，而垂向则较为模糊，所以判定台站下方介质层可能具有各向异性。

图2　震源分布图Fig.2　The distribution of hypocenters in this study

图3　选取的地震事件波形记录Fig.3　Sample of the event records

2处理方法

采用Splitlab软件对波形数据进行处理，同时计算各向异性参数。该软件使用最小能量法、旋转相关法和最小特征值法等3种方法进行计算，对单个远震记录SKS震相开展偏振分析，求取震中在85°～110°的SKS波的各向异性参数对(φ,δt)。此时地震波几乎是垂直入射至台站正下方，该范围地震波入射能量最强，在观测记录图中与S波震相有明显分离，很容易进行震相识别。SKS波到达地震台时，若地幔中存在各向异性介质，必然存在各向异性参数对(φ,δt)，此参数反映了地核与地幔的边界至地震台站之间介质的各向异性特征。

对嘉荫台(JIY)记录的远震事件进行SKS震相偏振分析，结果见图4。图4(a)左边是地震波形(图中虚线表示径向分量，实线表示切向分量，阴影部分是SKS波分裂的时间窗)；中间部分为3种方法的计算结果；右边是SKS波分裂结果的立体投影。图4(b)、4(c)分别表示利用旋转相关法、最小切向能量法进行SKS波分裂。分图①是经过时移校正后的快波(虚线)、慢波(实线)分量；分图②是各向异性校正后的径向(虚线)、切向(实线)分量；分图③是各向异性校正前(虚线)、后(实线)的质点运动轨迹；分图④是快慢波波形相关系数分布和不同分裂参数的切向能量分布。

图4　采用Splitlab软件得到的可信分裂结果Fig.4　Credible results got by SplitLab

根据Bowman等[5]的研究，计算每一个地震事件的分裂参数时，多数台站的剪切波分裂结果是无效的，只有少数分裂结果有效。通过以下几个方面判别测量结果的有效性：1)SKS震相的信噪比；2)快慢波校正前后的波形形态；3)质点运动轨迹特征；4)利用旋转相关法、最小能量法和最小特征值法等。计算出的SKS波分裂参数共5个类别，从有效到无效分别为：良好的有效分裂结果(good)，一般的分裂结果(fair)，不可靠的分裂结果(poor)，高质量的无效分裂结果(goodNULL)，质量一般的无效分裂结果(fairNULL)。使用前两种结果作为最终的分裂参数结果，选用最小能量法作为有效计算方法。

3结果选取

利用以上方法对所选的23个台站进行分析，结果见表1。

表1　黑龙江地区SKS波分裂参数

注：φ和Eφ代表快波偏振方向及相应误差， δt和Eδt代表快、慢波的时间延迟及相应误差。

由图5(图中同心圆直径代表延迟时间为1 s,线段方向代表快波偏振方向，线段长度代表快、慢波延迟时间)、图6和表1可见，本研究区快波偏振的优势方向是NNW-SSE, 个别地区呈现EW和NW-SE向；快、慢波时间延迟为0.6～2.3 s，平均时间延迟为1.45 s。Li等[6]给出的嘉荫台快波偏振方向为164°，与本文结果较为一致。

图5　黑龙江地区23个宽频带地震台SKS波分裂结果Fig.5　Results of SKS splitting of 23 broadband stations in Heilongjiang region

4讨论与结论

4.1各向异性层厚度与延迟时间的关系

Crampin等[7]认为，地壳各向异性主要由上地幔上部10～15 km的裂纹和微裂纹的定向排列引起，而黑龙江地区的地壳厚度在30～40 km。吴晶等[8]认为，首都圈东南部上地壳各向异性生成的平均时间延迟为3．53 ms/km，若本研究区结果与首都圈相同，则本区地壳延迟时间为0.11～0.14 s。本文利用SKS分裂计算得到的上地幔延迟时间为0.6～2.3 s，所以本地区SKS波各向异性性质可能来自上地幔。McNamara等[9]根据上地幔橄榄岩含量及测量结果得出，快、慢波相差1 s相当于各向异性层的厚度为115 km。黑龙江地区各向异性层的厚度范围为69～264 km，平均为167 km，表明上地幔变形是横向不均匀的。彭艳菊等[10]认为，中国大陆的面波各向异性层在70～150 km范围内各向异性较强，本文计算得到的各向异性层厚度为167 km，而中国东部的岩石圈厚度约100 km[11]。

4.2研究区不同地区各向异性对比分析

研究区东部下方的快波偏振方向由南向北具有NW向NNW的顺时针旋转过程，同时分裂时间较其他区域更长(见图6)。Miller等[12]认为，中世纪以来，马里亚纳-日本-库页岛海沟已经逐步由西向东迁移，导致俯冲板块向东回转。研究区的各向异性快波分裂主要受平行海沟的快速分裂方向所控制。如果在太平洋板块的弯曲处存在板舌撕裂现象，太平洋板舌东向回转时可能会诱发北西向流。因此推测，正是这种流导致东部山脉地区内独特的各项异性。西部松辽盆地内部的各向异性程度与东部地区相比较弱。孙莲[13]利用Pn波速度研究上地幔顶部的结构后认为，松辽盆地表现为大尺度低速异常区，而盆地周边表现为高速异常区。这些低速异常区暗示其地壳较薄，该地区具有热的和薄的地幔盖层。因Pn波能够反映上地幔顶部的物质流动变形特征，而剪切波分裂结果是整个上地幔变形特征的综合反映，不同的方法得到了一致的各向异性快波方向，可能暗示整个地幔具有一致的变形特征，即该区具有软流圈的作用。

图6　黑龙江地区上地幔各向异性结果分布Fig.6　The anisotropy results distribution of up mantle in Heilongjiang region

4.3与其他研究结果的比较

罗艳[14]等使用CB台网和美国IRIS数据中心提供的三分量宽频带数字化地震资料，得到中国大陆及邻区的SKS波分裂结果，显示牡丹江地震台下方的快波偏振方向为近EW向，与本研究类似。这可能是西太平洋板块与欧亚板块相互作用引起局部对流而使水平方向平行的缘故。Liu等[15]利用架设在中国东北部和蒙古国的区域地震台网推导亚洲东北地区下方上地幔构造特征，结果同样显示牡丹江地区下方的快波偏振方向为近EW向。Li等[6]利用东北地区108个台站的SKS波形记录分析该区域的偏振，结果显示，中国东北地区剪切波快波偏振方向由松辽盆地南部至嫩江断裂北端按顺时针方向旋转，方向由近EW向转为NW-SE向，其快慢波延时为0.2～2.2 s。本文得到的黑龙江地区各部分的快波方向及快慢波延迟时间见图5。西部地区快波方向为NW-SE向；佳木斯地块地区方向为NNW-SSE向，与太平洋板块俯冲方向一致；松辽盆地内部的台站结果为SWW-NEE向。延迟时间为0.83～1.73 s，与Li等[6]的研究结果总体上较为接近。

4.4成因及动力学意义

一般认为，板块运动是导致地幔物质形变的最直接原因。地幔锲中物质流动[10，16-17]使橄榄岩等晶体的晶格获得优势取向，从而形成当前地幔各向异性结果[4,16-17]。

东部牡丹江(MDJ)等台站的快波偏振方向为近EW向，向北即佳木斯地块台站的快波偏振方向为NNW-SSE，该地区消减带似乎存在一个突然的90°旋转，可能与太平洋俯冲引起局部对流的水平流方向平行有关。西部的碾子山地震台地下的快波偏振方向转成了NW-SE向。根据各向异性不同深度的约束及快、慢波延迟等方面的研究可以判定，该地区各向异性主要来自地幔。

综上所述，黑龙江地区各向异性快波方向基本为NNW-SEE向；快、慢波的延迟时间范围为0.6～2.3 s；各向异性层厚度在69～264 km，平均为167 km。黑龙江地区上地幔存在明显的各向异性，各向异性快波方向与主张应力方向一致，地幔流动的方向与由GPS(ITRF2008参考框架下)得出的板块运动方向基本一致[18]，说明黑龙江下方的壳幔变形可能存在垂直连续变形特征。

致谢：感谢赵谊研究员、苗庆杰工程师和李万金高级工程师的热情帮助。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No.41302268; Projects of Earthquake Administration of Heilingjiang Province, No.201402.

About the first author:LIU Changsheng,engineer,majors in earthquake analysis and prediction, E-mail:lcs971215@163.com.

Study on Seismic Anisotropy of Upper Mantle Beneath Heilongjiang Region

LIUChangsheng1MIAOQingjie2ZHAOYi1LIWanjin3LIYongsheng1HAOYongmei1

1Earthquake Administration of Heilongjiang Province,24 Hongxiang Road,Herbin 150090，China 2Earthquake Administration of Shandong Province,20 East-Wenhua Road,Jinan 250014,China 3Gejiu Earthquake Station of Yunnan Earthquake Administration, 21 Baohua Road,Gejiu 661000,China

Abstract:Based on teleseismic SKS waveform data recorded from January 2012 to July 2014 at 23 broad-band seismic network stations of Heilongjiang province, we use Splitlab software to study the shear wave splitting in the region. The delay times between fast and slow wave arrival at each station are determined using both the minimum energy and waveform rotation-correlation method and the minimum feature value method. We calculate the SKS fast wave polarization direction and the fast and slow wave delay time for all observation stations, and acquire the image of upper mantle anisotropy in Heilongjiang region. The results show that the Heilongjiang regional upper mantle seismic anisotropy is more obvious and the fast wave polarization direction and principal tensile stress direction are basically consistent. Furthermore, as obtained by the GPS velocity field in the same direction, the coupling of the crust and upper mantle in the region present vertical coherence.

Key words:anisotropy；SKS wave splitting; upper mantle；fast-wave polarization direction；time delay

收稿日期：2015-07-31

第一作者简介：刘长生，工程师，主要从事地震分析预报研究, E-mail:lcs971215@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.014

文章编号：1671-5942(2016)07-0620-05

中图分类号：P315

文献标识码：A

项目来源：国家自然科学基金(41302268)；黑龙江省地震局局内科研项目(201402)。