鄂尔多斯块体及周缘上地幔各项异性结果探讨分析

周　琳，王庆良，季灵运，宋尚武

(1.中国地震局第二监测中心，陕西　西安　710054；2.防灾科技学院，北京　燕郊　101601)



鄂尔多斯块体及周缘上地幔各项异性结果探讨分析

周琳1，王庆良1，季灵运1，宋尚武2

(1.中国地震局第二监测中心，陕西西安710054；2.防灾科技学院，北京燕郊101601)

摘要：搜集整理鄂尔多斯地块及周缘地区已有上地幔各向异性研究结果，进一步探讨地震计方位对SKS各项异性研究的影响。结果表明，区域各项异性反演结果整体上较为可靠。地震计方位偏差对SKS各向异性反演结果的影响，表现为(φ，δt)两参数的综合变化，而非单一参量变化。因此，在研究SKS等现代地震学时，应进行地震计方位角的校正。

关键词：鄂尔多斯地块及周缘；各项异性；地震计方位角

0引言

通过地震波横波分裂观测上地幔各项异性，尽可能分辨区域构造演化的动力学成因及其作用的空间分布特征。随着“十五”数字地震网络工程项目的建成，鄂尔多斯地块周缘地区数字化测震能力有了很大提升，除鄂尔多斯地块西北角附近测震监测能力较弱外，其它区域已基本实现2.0级以上地震的监测。近年来，鄂尔多斯地块及周缘的各项异性研究取得了实质性进展，获得了大规模密集研究结果[1-5]。本文在搜集整理前人已有的鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性研究结果基础上，综合分析研究区域各项异性特征，进一步探讨地震计方位对SKS分裂研究的影响。

1区域地质构造、地震活动性背景

鄂尔多斯地块位于华北克拉通西部，东起吕梁山，西抵银川—吉兰泰断陷带，南起渭河断陷带，北至河套断陷带，是华北克拉通最稳定完整的次级构造单元。鄂尔多斯块体内部稳定，具有很好的整体性，但它的周缘在不同期次的构造应力环境中形成了显著差异的周缘构造特征。如第6页图1所示，西南边界弧形断陷带呈NW-NNW向展布，西北段显示左旋走滑，东南端表现为左旋走滑—逆冲断裂带；渭河断陷带和河套断陷带呈EW向展布，是左旋剪切拉张带；银川-吉兰泰和山西断陷带呈NNE向展布，为右旋剪切拉张带。分析其地幔各项异性变化特征，对中国大陆构造和动力学演化研究具有重要意义[6]。

地块周缘由活动断陷带和弧形断裂带包围，这些边界带上构造活动强烈，地震频发。据史料记载仅8级以上地震就发生过5次, 是中国大陆内部一个著名的强震活动带。如第7页图2所示(图中，黑色实心圆为1970年以来的3级以上地震，白色实心圆为有1970年以前历史记载的5级以上地震)，鄂尔多斯地块内部是一个相对稳定的地块，鲜有地震发生，地震带的展布方向与断裂带的延伸方向基本一致。东侧的山西断陷带、西侧的银川—吉兰泰断陷带和鄂尔多斯西缘弧形断裂带(三关口—牛首山断裂、香山—天景山断裂、海原—六盘山—宝鸡断裂)地震展布密集。

2各项异性研究结果

地震波各向异性，是指沿不同传播方向地震波速度不同。横波分裂是指地震波在各向异性介质中传播时，分解为偏振方向相互正交的快慢两个分量的一种特殊现象。上地幔橄榄岩晶格优势方向记录了以往或现今的动力学信息(岩石圈层各向异性对应于以往变形；软流圈层各向异性对应现今变形)。不同的构造事件对上地幔施加的应力分布不同，必然会产生不同的上地幔变形模式，从而在上地幔晶体中保留相应的晶格变形记录。如果后续事件能改写之前发生事件所产生的晶格变形，则上地幔各项异性特征将指示最后一次重大事件所产生的变形。目前，常规方法是选择SKS震相系列研究上地幔的各向异性。SKS波从震源出发时为S波，经过液态的外核时转换为P波，当再次通过核幔边界时，若从核幔边界到接收台站的介质为各向同性，则P波再次转换为只有径向偏振的S波，然后传播到接收台站；若介质为各向异性，它将分解成两个偏振方向互相垂直的子波并以不同的速度传播，即快慢波。当震中距在85°～140°时，SKS波近似垂直入射到地表，能量强，与S波震相分离，容易识别，其分裂参数(φ，δt)仅反映核幔界面到台站这一路径的各向异性，即主要代表台站正下方的各向异性特征。这里φ为快波偏振方位，δt为快慢波分裂延时。目前，通过SKS横波分裂研究获取上地幔各向异性特征是认识区域或全球动力学过程不可替代的手段[7]。

图1　鄂尔多斯地块及周缘地区构造背景图Fig.1　Tectonic setting of Erdos block and periphery

鄂尔多斯地块及周缘地区已有SKS各向异性结果图如第8页图3所示，前人所用资料、研究方法及研究结果的主要异同点如表1所示。

鄂尔多斯地块周边地区SKS分裂参数(φ，δt)具有比较复杂的空间分区差异特征，快波方向与地质构造走向基本一致。鄂尔多斯地块西缘SKS快波方向以NWW向为主，南缘以近EW向为主。各向异性快波方向平行于两个刚性块体碰撞边界和秦岭造山带的走向，东部区域从北到南快轴方向一致为NW-SE方向，在东南部山西断陷带太原盆地、临汾—运城盆地一带附近快波方向表现出较大的NE向偏转，地块南缘和东缘形成了明显的绕流运动形态。鄂尔多斯地块内部各向异性分裂延迟时间δt较小。青藏高原东北缘向NE-NNE向推挤过程中，受到稳定的鄂尔多斯地块阻挡，在块体西南缘的海原—六盘山断裂带附近发生明显的分叉扰流运动。其中，一股沿鄂尔多斯地块西缘向北流动，形成银川、吉兰泰盆地现今右旋拉张剪切运动，另一股沿渭河盆地、秦岭造山带流动然后转向山西断陷带。SKS各向异性结果表明，印度—欧亚板块碰撞远程效应已经延伸至鄂尔多斯地块东部地区。鄂尔多斯地块的上地幔已卷入了青藏高原上地幔的北东向动力变形扩展体系。

表1　鄂尔多斯地块SKS各向异性的代表性研究对比表

图2　鄂尔多斯地块及周缘地区地震活动分布图Fig.2　Seismicity distribution in Erdos block and periphery

3地震计方位偏差对SKS各向异性结果影响分析

全球和区域三分向宽频带数字地震台网的规模化建立和运行，极大促进了现代地震学的研究发展。现代地震学研究的许多方面，如SKS剪切波分裂研究、接收函数研究和面波研究等，都需要通过坐标旋转将BHN、BHE和BHU三分量质点运动分解为径向(水平入射方向)、横向(水平面内与入射方向垂直)和垂向三个正交分量。但实际中，很多因素造成的不确定性导致地震计三分向精确地安装在正北、正东和垂直方向并不容易。例如，利用罗盘仪进行寻北定向时，由于山洞岩石磁性、仪器本身磁性、以及磁偏角误差等因素的影响，所定出的BHN方向(相应BHE方向)可能会出现较大偏差。仪器安装过程或安装后的多种人为干扰、环境变化等因素，也会使地震计BHN、BHE方位出现偏差。现有研究证明，中国数字地震台网1 000多个台站中有近三分之一的台站存在地震计水平方位偏差大、地震计极性接反或分量互混等方面的问题[8]。北京大学等数据用户在此之前也发现类似的问题，中国地震局监测预报司利用高精度寻北仪(陀螺仪)对一些地震计方位偏差突出的台站重新进行了地震计的安装和方位校正。如果台站地震计的BHN方向与真北方向存在较大的系统偏差(相应BHE分量与真东方向也存在较大偏差)，则依据台站后方位角理论值旋转得到的径向、横向分量也将存在较大的系统偏差，从而可能影响SKS剪切波分裂、接收函数等现代地震学研究结果的真实性和可靠性。

图3　SKS各向异性结果图Fig.3　Results of SKS anisotropy

从表1可以看出，其不同点主要是Li Juan等研究时对地震计方位偏差较大的台站(>10°)进行了方位校正，而其他学者的研究结果则没有进行过该方面校正。本文通过常利军等[1]研究结果与Li Juan等[3]同台站结果对比，定性或定量分析地震计方位偏差对SKS各向异性反演结果的可能影响。

由第9页表2两者地震计方位偏差大于10°台站和极性颠倒台站的各向异性参数对比结果可以看出，是否进行地震计方位偏差校正对两者之间的SKS各向异性(φ，δt)反演结果确实存在一定差异性，但(φ，δt)单个各向异性参数的差异变化与地震计方位偏差大小之间并没有明显的相关关系(见第9页图4)，即地震计方位偏差大的台站其快波方位φ之差或分裂延时δt之差不一定大，地震计方位偏差小的台站其快波方位φ之差或分裂延时δt之差也不一定小。造成上述现象的原因可能包括：

(1) 不同学者之间所用地震事件数量和方法细节仍有一些差别，造成结果之间存在一定差异；(2) 基于Silver等[7]原理的SKS反演算法主要为网格搜索方法，其结果本身具有一定误差。因此，地震计方位偏差对SKS各向异性参数的影响，可能在其误差范围之内。其中宁夏灵武台(LWU)、山西偏关台(PIG)结果偏差较大，可能是由SKS信号较弱等因素引起；(3) 地震计方位偏差造成的切向能量变化可由φ变量和δt变量的均衡变化进行消化，并不一定表现为显著的各向异性(φ，δt)单变量变化。但本文在地震计方位偏差与各向异性偏振方向的研究方面还存在很多不足，需进一步研究，以获得更全面的研究结果。

表2　代表性台站SKS各向异性参数反演结果对比表

图4　SKS各向异性反演结果差值对比图Fig.4　Difference contrast of inversion results of SKS anisotropy

4结论

通过整理分析鄂尔多斯地块及周缘地区已有各项异性研究结果，得到如下结论：

(1) 快波方向与地质构造走向基本一致，鄂尔多斯地块的上地幔已卷入青藏高原上地幔的北东向动力变形扩展体系。

(2) 鄂尔多斯地块西缘SKS快波方向以NWW向为主，南缘以近EW向为主。各向异性快波方向平行于两个刚性块体碰撞边界和秦岭造山带的走向，东部区域从北到南快轴方向一致为NW-SE方向，在东南部山西断陷带太原盆地、临汾—运城盆地一带附近快波方向表现出较大的NE向偏转，地块内部各向异性分裂延迟时间δt较小。

(3) 区域各项异性反演结果整体上比较可靠，揭示了地震计方位偏差对SKS各向异性(φ，δt)反演结果的影响表现为(φ，δt)两参数的综合变化，而非由单一参量变化独立承担。因此，在研究SKS等现代地震学时，应对地震计方位角进行校正。

参考文献：

[1]常利军，王椿镛，丁志峰.鄂尔多斯块体及周缘上地幔各向异性研究[J].中国科学:地球科学,2011,41(5):686-699.

[2]胡亚轩，崔笃信，季灵运，等.鄂尔多斯块体及其周缘上地幔各项异性分析研究[J].地球物理学报，2011,54(6):1549-1558.

[3]Li Juan,Wang Xiujiao,Niu Fenglin.Seismic anisotropy and implications for mantle deformation beneath the NE margin of the Tibet plateau and Ordos plateau[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors,2011(189):157-170.

[4]Zhao L,Xue M.Mantle flow pattern and geodynamic cause of the North China Craton reactivation:Evidence from seismic anisotropy,Geochem.Geophys.Geosyst.,11,Q07010,doi:10.1029/2010GC003068,2010.

[5]Zhao L,Zheng T Y,Lu G,et al.No direct correlation of mantle flow beneath the North China Craton to the India-Eurasia collision:constraints from new SKS wave splitting measurements,Geophys[J].J Int,2011(187):1027-1037.

[6]邓起东，程绍平，闵伟，等.鄂尔多斯块体新生代构造活动和动力学的讨论[J].地质力学学报,1999(3):13-21.

[7]Silver P G,Chan W W.Share-wave splitting and subcontinental mantle deformation[J].J Geophys Res,1991(96):16429-16454.

[8]Niu Fenglin,Juan Li.Component azimuths of the CEArray station estimated from P-wave particle motion[J].Earthq Sci,2011(24):3-13.

文章编号：1000-6265(2016)02-0005-06

收稿日期：2015-12-01

基金项目：地震行业科研重点专项(201508009)。

第一作者简介：周琳(1987—)，女，黑龙江省哈尔滨人。2013年毕业于中国地震局兰州地震研究所，硕士研究生，助理工程师。

中图分类号：P315.73

文献标志码：A

Results of Upper Mantle Anisotropy in Erdos Block and Periphery

ZHOU Lin1, WANG Qing-liang1, JI Ling-yun1, SONG Shang-wu2

(1.The Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an, Shanxi 710054, China; 2.Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China)

Abstract:By collecting existing research results of upper mantle anisotropy in Erdos block and periphery, influence of seismograph azimuth on SKS anisotropy studies is discussed. The results show that the region anisotropy inversion results are more reliable. The effect of seismograph azimuth deviation on SKS anisotropy inversion results is shown as an integrated change of two parameters(φ,δt), but not the change of a single parameter. Therefore, seismometer azimuth should be corrected in SKS and other modern seismological research.

Key words:Erdos block and periphery; Anisotropy; Seismograph azimuth