东南亚下方核幔边界D″层地震各向异性

罗玉来 ， 何玉梅， 赵亮

1 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院地球和行星物理重点实验室， 北京　100029 2 中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈演化国家重点实验室， 北京　100029



东南亚下方核幔边界D″层地震各向异性

罗玉来1， 何玉梅1， 赵亮2

1 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院地球和行星物理重点实验室， 北京100029 2 中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈演化国家重点实验室， 北京100029

本文利用中国国家数字地震台网(CDSN)和国际数字地震台网(FDSN)的宽频带远震资料，采用S和ScS震相剪切波差异分裂方法对东南亚下方核幔边界D″层地震各向异性进行研究.共获得了来自7个深震(>400 km)的24对高质量的S和ScS剪切波分裂参数，其中S震相的分裂参数与前人上地幔各向异性研究结果十分吻合，表明S震相观测结果反映了观测台站下方的上地幔各向异性.通过对上地幔各向异性校正后的波形数据进行进一步的分裂参数分析，最后得到了24个可靠的ScS剩余各向异性分裂参数.结果显示，在经度107°～112°范围内分裂参数均为空值(Null)；而在该经度范围东西两侧区域，主要表现为明显分裂特征.这种分裂参数的分布指示了核幔边界D″层的各向异性特征的区域变化，我们推测这种变化可能与停滞在核幔边界的古特提斯和/或古太平洋俯冲板块相关.

核幔边界； D″层； 地震各向异性； 剪切波分裂； S和ScS

1　引言

核幔边界D″层是指从核幔边界(Core-Mantle Boundary, CMB)到其上方250 km左右范围内的下地幔底部区域(Bullen, 1949)，是一个强烈的热-化学边界层.在全地幔对流模型中这一区域可能是地幔柱起源以及板块俯冲终结的位置，其热结构对地幔以及外核对流都有十分重要的影响(Lay and Garnero, 2004)；同时下地幔底部一些区域可能堆积了与上部地幔化学组分存在显著差异的物质，反映了地幔物质和地球内部热状态的演化过程(Labrosse et al., 2007; Nomura et al., 2011).

地震学方法是研究地球内部结构的强有力手段，已经开展的地震学研究揭示了核幔边界D″层的多尺度复杂结构.全球层析成像结果显示位于非洲和太平洋下方的核幔边界区域分别存在大尺度的剪切波低速异常区，而在环太平洋区域则存在高速异常区(Grand, 2002; Panning and Romanowicz, 2006).波形拟合研究进一步显示非洲地区下地幔底部的剪切波低速异常扰动约为-2%～-12%(Wang and Wen, 2007a)；太平洋地区下地幔底部的剪切波低速异常扰动约为-3%～-5%，并且在低速区局部边缘存在小尺度的超低速区(Ultra Low Velocity Zone, ULVZ)，剪切波速度扰动可达-10%(He and Wen, 2009).对于环太平洋剪切波高速异常区，波形拟合研究显示局部区域D″层上部存在速度间断面，其剪切波速度扰动约为+2%～+3%(Lay and Helmberger, 1983).

除了剪切波速度的不均匀分布，矿物物理实验和地震学研究揭示D″层还具有地震各向异性特征，显著区别于下地幔的各向同性性质(Meade et al., 1995)，表明D″层具有产生地震各向异性的独特物质结构/化学成分以及地球动力学条件.早期地震学研究中发现核幔边界反射震相ScS的径向分量和切向分量存在明显的走时差.Cormier(1986)提出D″层的具有垂直对称轴的横向各向同性模型(Vertical Transversely Isotropy, VTI)来解释这一现象，这成为后来学者利用走时分析方法研究D″层地震各向异性的基本假设.对核幔边界衍射震相Sdiff的波形拟合研究表明太平洋东部局部区域D″层可能存在方位各向异性(Maupin, 1994)，Garnero等(2004)则进一步用D″层的具有倾斜对称轴的横向各向同性模型(Tilted Transverse Isotropy, TTI)来解释穿过加勒比海地区下方核幔边界区域的Sdiff波形异常.非洲下方下地幔底部低速异常区边界存在复杂的方位各向异性，可能与地幔流动状态和强烈的剪切变形作用有关(Wang and Wen, 2007b; Lynner and Long, 2014; Ford et al., 2015).剪切波分裂研究显示，太平洋北部和东部以及西伯利亚地区的D″层剪切波高速异常区域均存在TTI结构的各向异性，可能与俯冲板片物质及地幔流动状态有关(Wookey et al., 2005; Wookey and Kendall, 2008; Long, 2009).对更多的D″层剪切波高速异常区域的地震各向异性进行研究，将会有助于我们进一步理解各向异性的来源，认清各向异性的形成机制.全球三维径向各向异性模型显示东南亚下方核幔边界D″层是剪切波高速异常区，并且横向偏振的SH波速要大于垂直偏振的SV波速(Panning and Romanowicz, 2006).前人的研究结果进一步表明这个区域的剪切波高速异常区被一个非异常区分为东西两部分，推测和不同的古俯冲板块相关(He and Wen, 2011).对这个区域核幔边界D″层的地震各向异性分布特征的研究有助于进一步理解这一区域的地球动力学演化过程，具有重要的科学意义.

剪切波分裂参数分析方法是获取各向异性信息的有效手段.国内外学者通过分析多种震相资料的分裂参数可以约束地球内部地壳和上地幔各向异性，深刻反映了过去或者现今大规模的构造运动和上地幔变形特征(Chen et al., 2005; Li and Chen, 2006; Levin et al., 2008; 江丽君等, 2010; Li et al., 2010, 2011; Huang et al., 2011; Nagaya et al., 2011; Zhao et al., 2011; 冯强强等，2012; Chen et al., 2015; 于勇等，2016).由于地震各向异性广泛分布于地壳和上地幔区域，因此穿过D″层震相的剪切波分裂参数通常无法直接反映D″层的地震各向异性.但通过选择特定震相对进行剪切波分裂参数分析，消除地壳和上地幔各向异性对单个震相的影响，也能够有效地获得D″层的各向异性信息(Wookey et al., 2005; Wookey and Kendall, 2008; Long, 2009).例如直达S和ScS这对震相(图1)的剪切波分裂参数，可以对核幔边界D″各向异性进行很好的约束.直达S波携带的是震源一侧上地幔以及接收台站下方地壳和上地幔的各向异性信息；而ScS波是核幔边界的反射波，在一定震中距范围内与直达S波在地壳和上地幔区域的射线路径非常相近，不同之处在于其经过核幔边界D″层，从而携带有D″层的各向异性信息.因此直达S和ScS的剪切波分裂参数若存在差异，则可能反映的是D″层地震各向异性.

在本研究中，我们使用来自深震的S和ScS震相对，通过把S震相的分裂参数作为上地幔各向异性校正量，对相应的ScS波形数据进行上地幔各向异性校正，获得了东南亚下方下地幔底部的各向异性的异常分布.结合前人速度结构的研究结果，我们推测这里的地震各向异性变化可能与古俯冲板块相关.

2　数据资料与处理结果

本研究收集了中国国家数字地震台网宽频带台站记录的2001年至2015年，震中距55°～85°，震级大于5.8的地震资料(郑秀芬等，2009)，同时利用国际数字地震台网FDSN的台站来增加研究区域的数据覆盖(图2).这些台站主要记录了西太平洋以及东南亚地区的地震事件，ScS在CMB的反射点对于中国大陆和东南亚下方的核幔边界D″层有较好的覆盖.

图1　震中距50°至80°的直达S (红色线)、ScS(绿色线)射线路径黑色五角星表示震源位置.这些路径是基于地球基本参考模型PREM (Dziewonski and Anderson, 1981)和300 km的震源深度计算得出的.Fig.1　Raypaths of direct S (red lines) and ScS (green lines) waves at epicentral distances from 50° to 80°These raypaths are calculated using PREM (Dziewonski and Anderson, 1981) and a source depth of 300 km.

图2　(a)本研究使用的所有台站(绿色三角形)、地震事件(蓝色五角星)、射线路径(灰色曲线)以及ScS核幔边界反射点(红色十字)的位置分布图. (b)和(a)类似，表示最终挑选的24对S和ScS震相相应的台站、地震事件、射线路径以及ScS在核幔边界反射点的位置分布图.背景是从全球层析成像模型GyPSuM (Simmons et al., 2010)中获得的核幔边界剪切波速度扰动图Fig.2　(a) Seismic stations (green triangles), earthquakes (blue stars) and great circle paths (gray lines), along with the CMB reflection points of ScS (red crosses) used in this study. (b) Same as (a) but for the selected 24 pairs ScS-S data. The background is shear-velocity perturbations from a global shear-velocity tomographic model GyPSuM (Simmons et al., 2010)

对采集的地震数据去中值和趋势，同时考虑到S和ScS震相的主频范围约为0.05～0.1 Hz，对所有数据进行0.01～0.3 Hz的双通道双极点Butterworth带通滤波以压制噪声，提高信噪比，然后挑选S和ScS波形清晰的高信噪比地震记录进行后续数据处理.为了减少震源一侧上地幔区域各向异性的影响，选择震源深度大于400 km的事件，同时深震的数据具有较高的信噪比，保证随后剪切波分裂参数测量结果的可靠性.实际本研究开始时，并未对研究所使用事件的震源深度做出限制，因为S和ScS差异分裂研究方法同样可以应用于浅震，结合SK(K)S分裂结果估计震源一侧的各向异性，用于校正ScS震相波形.但随着研究展开，高质量的S和ScS震相对分裂参数测量结果均来自深震数据，因此这些测量结果不包含震源一侧地震各向异性信息.

在进行剪切波分裂参数分析之前要保证台站仪器三分量极性的可靠性，因此我们采用Niu和Li (2011)的研究结果对定向存在偏差的部分CDSN台站进行极性校正，然后利用SplitLab (Wüstefeld et al., 2008)程序，同时采用旋转互相关法(Fukao, 1984)和特征值法(Silver and Chan, 1991)对S和ScS震相进行分裂参数分析(图 3).为了确保测量结果的可靠性，我们只保留旋转互相关法和特征值法测量结果一致的分裂参数，并进一步根据各向异性校正后的质点运动轨迹筛选线性偏振程度高的结果，最终获得了24对高质量的S和ScS分裂参数，24对数据的地理分布如图2b所示.表1给出了24对S和ScS震相的事件列表， 图3给出了分裂参数测量的一个实例.所有结果及相关信息将汇总在表2中.

表1　24对分裂参数使用的地震事件Table 1　Events used for 24 pairs of parameters in this study

表2　S和ScS分裂研究结果Table 2　S and ScS splitting results

注：1—冯强强等，2012；2—Chen et al., 2005；3—Huang et al., 2011.ΓS和ΓScS分别表示观测的S和ScS剪切波分裂参数最优值；ΓUM表示前人上地幔各向异性研究结果(分别来自1, 2, 3)，并且ΓUM列中的“-”表示该地震台目前没有已发表的上地幔各向异性研究结果；ΓScS-S表示以观测的S分裂参数作为上地幔各向异性校正量对ScS进行校正后测量的ScS剩余分裂参数；φ*表示射线坐标系中ScS剩余分裂参数的快波偏振方向.事件序号来自表1.

至此本研究获得了24对S和ScS的各向异性分裂参数，同一对S和ScS分裂参数并不完全一致，有些存在明显差异(特别是分裂时间).这种差异可能包含了来自核幔边界D″层的地震各向异性信息，需要做进一步分析从数据中提取出来.对核幔边界D″层地震各向异性研究需要对上地幔各向异性有较好的认识，因为所有能够反映D″层地震各向异性的震相都不可避免的受到上地幔各向异性的影响，包括此处的ScS震相.因此需要对ScS进行上地幔各向异性校正，得到ScS剩余分裂参数做进一步分析.

2.1上地幔各向异性

前人在台站所在区域利用SKS、SKKS和深震S等多种震相资料进行剪切波分裂参数观测研究，取得了上地幔地震各向异性的可靠结果(Chen et al., 2005; Huang et al, 2011; 冯强强等, 2012).将本研究的深震S震相分裂参数ΓS与前人上地幔各向异性研究结果ΓUM进行对比，发现两者具有高度的一致性(表 2)，表明本研究中深震S波的分裂参数主要反映了台站下方的上地幔各向异性.

以深震S震相的分裂参数作为本研究的上地幔各向异性校正量，对波形数据进行上地幔各向异性校正，结果显示校正后深震S震相的分裂参数测量结果均为空值(Null)，即无分裂状态，并且质点运动轨迹呈现很好的线性特征；同时我们采用Harvard Global CMT的震源机制解(www.globalcmt.org)(表3)，利用位错点源模型计算远场S波的理论偏振方向，并与校正后的深震S波质点运动进行对比，发现质点运动与理论偏振方向两者吻合得很好(图4).以上结果表明了上地幔各向异性校正的可靠性，同时避免在校正过程中人为引入新的各向异性.

表3　各事件CMT震源机制解Table 3　CMT focal mechanisms of events

2.2核幔边界各向异性

对地震数据进行上地幔各向异性校正后，S震相各向异性效应已被消除，质点振动呈线性(图4中II列)；对ScS震相质点振动分析结果显示，19个波形数据的ScS震相质点呈现出显著的椭圆运动轨迹(如图4中的ZSU和HYS)，表明这些数据中仍然存在显著的ScS剩余各向异性，进一步对ScS剩余各向异性进行测量，分裂参数ΓScS-S见表2；其余5个ScS震相质点呈现较为明显的线性运动轨迹(如图4中的HEF和JHE)，表明上地幔各向异性校正后的ScS剩余各向异性为Null.

由于下地幔区域除了核幔边界D″层有显著的地震各向异性，其余部分主要表现为各向同性(Meade et al.,1995)；同一对ScS与S的差异分裂结果，即ScS剩余各向异性分裂参数，反映的是ScS在核幔边界区域路径上的D″层各向异性信息.为了便于分析分裂参数与核幔边界反射点以及射线路径的几何关系，我们将ScS剩余各向异性分裂参数从地理坐标系变换到射线坐标系中：(φ,δt)→(φ*,δt),φ*=Baz-φ，φ*表示在ScS核幔边界反射点位置沿着近水平传播的射线方向，观察到的快轴方向与垂直方向的夹角(Wookey and Kendall, 2008).图5展示了本研究最终获得的射线坐标系下ScS剩余分裂参数的分布情况.

3　结果分析

另外5个ScS剩余分裂参数结果为Null，其中4个分布于在经度107°～112°范围内，表明该核幔边界区域为各向同性，或者ScS入射波偏振方向与各向异性对称轴垂直或平行.但以表2中事件3分裂结果为例，可以看到SCH，WSU和JHE三个台站的剩余分裂为Null， FUY和HYS台站的剩余分裂观测值分别为(28°,0.9 s)和(41°,1.1 s)，而这5个台站的入射波偏振方向几乎是一致的，表明该经度范围内的核幔边界各向异性显著区别于两侧区域.同时该区域的另一个Null分裂来自事件5的HEF台站，其入射波偏振方向又与事件3中各台站不同.因此我们推断经度107°～112°范围内的Null分裂应该不是由于特定的入射波偏振方向引起的，其结果最可能代表的是局部区域的各向同性.

图4　ZSU，HEF，JHE，HYS台站的上地幔各向异性校正后S偏振分析和ScS剩余各向异性分析图中第II列蓝色虚线部分是去除各向异性之后的远震S波质点运动轨迹，红色线段表示根据CMT震源机制解计算的远场S波偏振. 图中IV列蓝色虚线部分表示上地幔各向异性校正后ScS的质点振动图，红色曲线表示ScS剩余各向异性校正后的质点振动图.Fig.4　S polarization analysis and ScS residual anisotropy analysis for stations ZSU, HEF, JHE, and HYS after correction for the upper mantle anisotropyII column blue dashed line represents S wave particle motion after anisotropy correction. Red solid line represents calculated remote S wave polarization based on CMT focal mechanism. IV column blue dashed line represents ScS particle motion after correction for upper mantle anisotropy. Red solid line represents particle motion after correction for residual ScS anisotropy.

图5　画在核幔边界反射点上的ScS剩余各向异性分裂参数红色线段表示射线参考系中的ScS分裂参数(φ*,δt)，黄色圆点表示ScS剩余各向异性为空值(Null)，黑色线段表示ScS射线路径穿过核幔边界区域的部分(CMB之上220 km范围内). 绿色方框表示Thomas等各向异性研究中的ScS反射点分布范围，黄色线段是叠加后的分裂结果(Thomas et al., 2007). 背景是核幔边界剪切波速度扰动图(He and Wen, 2011).Fig.5　ScS residual splitting parameters at reflection points of the CMBRed lines represent ScS residual splitting parameters in ray-based reference frame, yellow points represent ScS residual splitting with Null, and black lines represent seismic ray paths in the lowermost 220 km of the mantle. Green rectangle denotes the study area of Thomas, and the yellow line represents the stacking result (Thomas et al., 2007). The background is the shear velocity perturbations (He and Wen, 2011).

4　结论与讨论

综合上述分析结果，24个ScS剩余分裂参数的分布具有区域特征：在经度107°～112°范围内，剩余各向异性分裂参数均为Null(图5黄色圆点所示)；而在该经度范围东西两侧区域，各向异性分裂结果基本均为非Null(西侧一个Null结果除外).剩余分裂参数区域分布特征表明研究区域核幔边界D″层各向异性存在区域变化.He和Wen(2011)对欧亚大陆东部下方核幔边界区域开展的S-ScS走时残差分析和波形拟合研究揭示，在我们研究区域附近的核幔边界D″层存在具有不同速度结构和不同间断面性质的东西两块高速区域，可能与古特提斯和古太平洋俯冲板块相关(van der Meer et al., 2010; He and Wen, 2011).McNamara等(2002)的地球动力学模拟结果显示，核幔边界区域俯冲板块存在强烈的剪切应变.矿物物理实验已经发现在D″层温压条件下可能存在钙钛矿(pv)到过钙钛矿(ppv)的相变，导致速度结构的异常.在强烈的剪切应变条件下，过钙钛矿的晶格优势排列(LPO，Lattice Preferred Orientation)则可能是造成剪切波高速区D″层存在显著各向异性的微观机制(Murakami et al., 2004; Nowacki et al., 2013).结合前人研究结果，我们推测本研究中各向异性的区域变化可能同样与古特提斯和/或古太平洋俯冲板块相关(图 6).

图6　各向异性区域变化的可能解释Fig.6　Schematic representation of potential scenarios that could explain the observed ScS residual splitting parameters

前人研究结果表明约束TTI对称轴的几何参数需要采用多路径多方位角分布的各向异性分裂参数(Wookey et al., 2008;Nowacki et al., 2010).受地震事件和台站分布限制，我们获取的高质量分裂参数均来自同一后方位角分布(125°～144°)的地震数据，因此无法利用获得的剩余分裂参数对该区域核幔边界D″层TTI对称结构做出进一步的约束.另外本研究中高质量的各向异性参数数量仍然有限，目前还无法约束不同各向异性区域的分布范围.进一步的研究需要结合其他震相对的研究结果，如SKS和SKKS差异分裂(Niu and Perez, 2004; Long,2009; He and Long, 2011； Ford et al., 2015)等，来共同约束可能的各向异性对称结构，提高对各向异性精细结构的分辨能力，从而进一步探讨核幔边界D″层各向异性产生的机制及相应的地球动力学过程.

致谢感谢中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心为本研究提供CDSN台网地震波形数据，感谢IRIS为本研究提供FDSN台网的地震波形数据.研究中使用Wüstefeld的SplitLab软件对S和ScS进行剪切波分裂参数的分析.

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附中文参考文献

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(本文编辑何燕)

Seismic anisotropy in the D″ layer near the core-mantle boundary beneath Southeast Asia

LUO Yu-Lai1, HE Yu-Mei1, ZHAO Liang2

1KeyLaboratoryofEarthandPlanetaryPhysics,ChineseAcademyofSciences,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2StateKeyLaboratoryofLithosphericEvolution,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

We probe lowermost mantle seismic anisotropy beneath Southeast Asia based on S and ScS differential splitting measurements of the broadband teleseismic data recorded by the Chinese Digital Seismic Network (CDSN) and the International Federation of Digital Seismograph Networks (FDSN). Twenty-four pairs of high-quality S and ScS shear wave splitting parameters from 7 deep events (>400 km) are obtained. Splitting parameters of S phases agree well with previous work, indicating upper mantle anisotropy beneath seismic stations. After correction for the upper mantle anisotropy and further analysis of the splitting parameters, we obtain 24 reliable ScS residual splitting parameters. Our results show Null splitting in the area between 107°～112° while non-Null splitting dominating to the east and west. Our results suggest that the distributions of splitting parameters indicate regional variation of the lowermost mantle anisotropy, which may be related with stagnant ancient Tethys and/or Pacific plates.

Core-mantle boundary； D″ layer； Seismic anisotropy； Shear wave splitting； S and ScS

10.6038/cjg20161014.

国家自然科学基金(41474042)资助.

罗玉来，男，1987年生，博士研究生，主要从事核幔边界各向异性研究.E-mail：luoyulai10@mails.gucas.ac.cn

10.6038/cjg20161014

P315

2016-02-24，2016-07-15收修定稿

罗玉来， 何玉梅， 赵亮. 2016. 东南亚下方核幔边界D″层地震各向异性. 地球物理学报，59(10):3674-3683,

Luo Y L, He Y M, Zhao L. 2016. Seismic anisotropy in the D″ layer near the core-mantle boundary beneath Southeast Asia.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3674-3683,doi:10.6038/cjg20161014.