強正陽， 吳慶舉*， 李永華， 何靜， 高孟潭，

M.Ulziibat2， S.Demberel2

1 中國地震局地球物理研究所， 北京　100081 2 蒙古科學院天文與地球物理研究中心， 烏蘭巴托　210351

蒙古中南部地區(qū)地殼各向異性及其動力學意義

強正陽1， 吳慶舉1*， 李永華1， 何靜1， 高孟潭1，

M.Ulziibat2， S.Demberel2

1 中國地震局地球物理研究所， 北京100081 2 蒙古科學院天文與地球物理研究中心， 烏蘭巴托210351

摘要利用蒙古中南部地區(qū)布設的69套寬頻帶數(shù)字地震儀2011年8月—2013年7月記錄的遠震事件，使用時間域反褶積方法提取接收函數(shù)，并挑選高質(zhì)量Pms震相，通過改進的剪切波分裂方法對研究區(qū)地殼各向異性參數(shù)進行了研究，最終獲取了1473對各向異性參數(shù).經(jīng)過統(tǒng)計分析，有48個臺站可以歸納出兩個方向的各向異性，11臺站得到單個方向的各向異性，而剩余10個臺站各向異性方向比較發(fā)散.結果顯示，各向異性在蒙古中南部地殼中呈不均勻分布，有54個臺站得到了NE-SW向各向異性，快波偏振方向平均值為N58°E±16°，與最大水平主應力σHmax方向和區(qū)域內(nèi)主要斷層走向一致，說明這部分地殼各向異性的主要成因存在于上地殼，可能與流體填充的微裂隙有關.而NW-SE向各向異性在53個臺站被觀測到，各向異性方向變化范圍平均N132°E±16°，與研究區(qū)大部分SKS分裂快波方向具有較好的一致性，說明下地殼成巖礦物晶體定向排列是各向異性的主要成因.研究區(qū)地殼各向異性的分層特征總體上支持巖石圈受到NE-SW向擠壓的動力學模型.

關鍵詞Pms轉換波; 剪切波分裂; 地殼各向異性; 蒙古中南部地區(qū)

1引言

蒙古高原北鄰西伯利亞克拉通，南接華北克拉通和塔里木克拉通，位于中亞造山帶(Central Asian Orogenic Belt, CAOB)的核心區(qū)域(Badarch et al., 2002).作為世界上最大的古生代造山帶之一，CAOB的構造演化十分復雜，并伴隨發(fā)育變質(zhì)作用和巖漿活動，是地球科學研究的熱點.普遍認為由于所處應力條件的差異，導致了蒙古高原具有不同的形變特點：其中蒙古西部由于印度—歐亞板塊碰撞的遠場效應，發(fā)育NW-SE向的走滑斷層和阿爾泰山脈(Molnar and Deng, 1984)；而蒙古東部是應力環(huán)境較為開放的太平洋俯沖帶，受到歐亞板塊向東的運動，整體處于E-W向拉張環(huán)境(Calais et al., 2003).蒙古中南部地區(qū)正處于這種西部擠壓東部拉張的過渡區(qū)域，對其殼幔結構的研究是了解整個蒙古地區(qū)巖石圈變形機制以及深部動力學特征的一把鑰匙.

地震各向異性是研究巖石圈變形和殼幔結構最直接有效的方法之一(Silver, 1996; Savage, 1999; Wang et al., 2008).通常使用快波極化方向(φ)和快慢波延遲時間(δt)兩個各向異性參數(shù)，分別描述各向異性的方向和強度.研究表明，地殼各向異性主要來自以下兩個方面：對于上地殼而言，其廣泛存在的含流體的微裂隙或是孔隙，在應力作用下會呈優(yōu)勢方位排列，各向異性快波偏振方向與裂隙走向及最大主壓應力方向平行(Crampin and Peacock, 2008)；而中下地殼由于圍壓的增加，裂隙基本閉合，地殼各向異性成因主要為下地殼造巖礦物晶格的定向排列所致(Barruol and Mainprice, 1993).

前人在該區(qū)域開展了一些剪切波分裂的研究(Gao et al., 1994; Barruol et al., 2008; 張建利等, 2012)，試圖通過研究殼幔各向異性特征，進而了解蒙古中南部地區(qū)的殼幔變形機制.上述研究通過對比GPS觀測結果和SKS分裂結果，討論了研究區(qū)地殼和地幔的耦合關系.這種方法雖然可以直觀反映殼幔的變形特點，但由于缺乏對整個地殼特別是中下地殼各向異性的約束，并不能完全反映地殼的變形機理.同時，由于SKS分裂結果是整個傳播路徑上各向異性的累加，垂直分辨率差，因而在判別各向異性究竟源自地殼還是地幔還存在一定困難.

本次研究中，我們使用了比前人更加密集的流動地震臺陣資料，通過計算接收函數(shù)得到莫霍面的Ps轉換波，并對其進行剪切波分裂，最終得到地殼各向異性參數(shù).由于莫霍面Ps轉換波(Pms)是近垂直入射的P波在莫霍面轉換成剪切波，因此其各向異性完全被限定在地殼中.通過與SKS和GPS的對比分析，我們便可以很好地區(qū)分地殼和地幔的各向異性，進而對研究區(qū)整個地殼和地幔變形機制以及深部動力學特征產(chǎn)生更為清楚的認識.

2數(shù)據(jù)與方法

受到科技部國際合作專項的資助，2011年夏天，中國地震局地球物理研究所與蒙古科學院天文與地球物理研究中心合作，使用60套寬頻帶地震儀在蒙古中南部地區(qū)開展了為期2年的寬頻帶地震觀測.在完成第一年的觀測之后，于第二年調(diào)整了其中9個臺站的位置，合計69個臺站(圖1).所有臺站都統(tǒng)一配備CMG-3ESPC地震計(0.02～60 s)和REFTEK-130B數(shù)據(jù)采集器，并由GPS授時和定位.

為了得到高信噪比的Pms震相，我們參照美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的地震目錄，挑選2011年8月至2013年7月期間，震中距位于30°～90°之間、震級5.5級以上、震相清晰、三分量齊全的地震事件.在對數(shù)據(jù)經(jīng)過去傾斜、去均值、重采樣和濾波處理(0.05～2 Hz)后，使用時間域反褶積方法(Ligorría and Ammon, 1999)，選取高斯系數(shù)2.5，計算了遠震P波接收函數(shù)的徑向分量和切向分量.根據(jù)接收函數(shù)質(zhì)量，最終選取了275個地震事件用于Pms波形分裂的測量(圖2).

圖1　蒙古及周邊國家地形及臺站分布圖流動臺站的位置用黑色和紫色的點表示，分別代表2年和1年的觀測時間.黑色和紅色的實線代表研究區(qū)主要的斷裂和縫合線(修改自Badarch et al., 2002; Webb et al., 2010).左下角的插圖為研究區(qū)在大比例尺地圖中的位置.Fig.1　Map showing topography of the study area and surrounding regions and seismic stations distributionThe locations of stations are showed by the black and purple dots which represent two-year and one-year observation, respectively. Black and red lines represent the major faults and suture zones (from Badarch et al., 2002; Webb et al., 2010). The figure at bottom left indicates the study area on a large scale.

圖2　事件震中分布圖Fig.2　The distribution map of the epicenters

Pms震相是P波在莫霍面附近產(chǎn)生的轉換波，其在接收函數(shù)徑向分量和切向分量上的傳播速度依賴于他們的偏振極性和傳播方向，根據(jù)Pms震相在兩個分量上的不同行為，可以計算出整個地殼的各

向異性.值得注意的是各向同性的傾斜介質(zhì)和水平各向異性介質(zhì)都可以導致接收函數(shù)相位、振幅隨著方位角變化，但是二者變化規(guī)律存在差異(徐震等, 2006).在進行各向異性的求取時，應該首先對臺站接收函數(shù)的相位、振幅隨方位角變化規(guī)律進行分析，以判斷是否存在地殼各向異性.我們挑選事件后方位角覆蓋較好的CM84臺站為例，來展示其接收函數(shù)Pms變化規(guī)律(圖3).從圖3中可以觀察到切向分量Pms震相在后方位角區(qū)間30°～60°，110°～170°，170°～210°和260°～300°之間的相位呈90°反對稱變化；而徑向分量Pms震相在后方位角35°，125°和300°附近的到時也有明顯提前，說明接收函數(shù)符合水平各向異性介質(zhì)的特征.另一方面，由P波接收函數(shù)計算出的整個研究區(qū)地殼厚度最大差別只有8 km(何靜等，2014), 也暗示莫霍面較為平坦.

在確定存在地殼各向異性之后，我們采用Teanby等(2004)提出的方法測量Pms震相的分裂參數(shù).這種方法在繼承切向能量最小方法(Silver and Chan, 1991)的基礎上，實現(xiàn)了網(wǎng)格自動搜索代替人工手動選擇分析窗口，定量給出最優(yōu)分裂結果，消除了人為選取窗口的主觀誤差，同時節(jié)省了人力和時間.對于每一個Pms震相，我們首先選定一個分裂窗口，然后該方法會按照預設步長和窗口數(shù)量自動變換窗口的大小和位置進行窗口劃分，并進行各向異性參數(shù)校正，計算每一個窗口所對應的φ和δt，通過對質(zhì)點運動的矩陣特征值的判斷，求取最優(yōu)分裂參數(shù).最后，我們按照以下幾個方面的因素對所得結果逐個進行了人工篩選： (1) 快波和慢波波形相似程度； (2) 校正前后的質(zhì)點運動軌跡； (3) 誤差等值線極值的收斂程度； (4) 每個分裂窗口所得分裂參數(shù)的穩(wěn)定性.圖4中所展示的是我們使用上述方法所得到的一個事件的處理結果，可以看出最終分裂結果符合所有判別標準，表明該結果十分可靠.

圖3　CM84臺站下方P波接收函數(shù)Fig.3　P-wave receiver functions under station CM84

圖4　利用接收函數(shù)Pms震相求取地殼各向異性參數(shù)示例(a) 接收函數(shù)校正前后的徑向分量和切向分量，陰影部分為所選分裂窗口； (b) 校正前后的快波和慢波及質(zhì)點運動軌跡； (c) 網(wǎng)格搜索收斂于95%置信區(qū)間，使得校正后的質(zhì)點運動軌跡為線性的φ和δt； (d) 150個分裂窗口的分裂結果及其誤差棒，并且窗口大小隨著窗口編號的增加而增大； (e) 每一個分裂窗口所對應的各向異性參數(shù).(c)、(d)、(e)圖中的最優(yōu)解都用十字符號進行標記.Fig.4　An example of the Pms phase splitting analysis for a teleseismic event(a) The radial component and tangential component of receiver function before (upper) and after (lower) correction. The shaded zone indicates the time window of the Pms phases we selected for the analysis; (b) Fast and slow shear waveforms (top) and particle motion (bottom) before (left) and after (right) the shear wave splitting correction; (c) A grid search over φ and δt is performed to find the parameters that best linearize the particle motion. The thick contour is the 95% confidence interval; (d) Measurements of φ and δt obtained from 150 different analysis windows plotted against window number, window length tends to increase with window number; (e) The clusters and solutions from each window. The best solution is represented by a cross in (c), (d) and (e).

3剪切波分裂結果

本次研究在程序自動網(wǎng)格搜索的基礎上進行人工篩選，最終在69個臺站得到了共計1473對各向異性參數(shù)(表1).各個臺站的事件分布個數(shù)差別較大，最少只有1個事件(CM29)，最多可達51個(CM86)事件.為了得到各向異性方向的統(tǒng)計分析結果，我們使用Von Mises方法計算平均各向異性方向與合向量長度R值(Davis, 1986; Mardia and Jupp, 2009;Cochran et al., 2003).其中R值定量表示了各向異性方向的發(fā)散程度，其值在0到1之間變化，值越大說明各向異性的方向越為集中.由于絕大部分臺站的各向異性表現(xiàn)出2個主要優(yōu)勢方向，所以我們分別統(tǒng)計其各向異性參數(shù)，并保證每組各向異性方向的R值大于0.9.每個臺站的各向異性參數(shù)使用玫瑰圖表示，并且標注了平均偏振方向和快慢波延遲(圖5).最終有48個臺站得到兩個方向的各向異性，11臺站得到單個方向的各向異性，同時有10個臺站各向異性方向比較發(fā)散，沒能進行有效分組.

從所有各向異性方向的疊加結果中我們可以看出，整個研究區(qū)各向異性的方向主要集中在NW-SE和NE-SW兩個方向(圖5).其中有53個臺站得到了NW-SE向的各向異性，快波偏振方向集中在N97°E—N165°E，平均值為N132°E±16°；而NE-SW向各向異性在54個臺站被觀測到，各向異性方向變化范圍為N8°E—N88°E，平均N58°E±16°.另一方面，整個研究區(qū)快慢波延遲時間的在空間上的分布并沒有明顯特征.最小值為0.13 s(CM52)，最大值為0.34 s(CM83)，平均值為0.24±0.04 s.其中延遲時間大于0.20s的各向異性比重占到86%以上，如果假設4%的各向異性程度，那么則對應著23～43 km各向異性層厚度(Silver, 1996)，略小于何靜等(2014)利用P波接收函數(shù)所計算的38～46 km地殼厚度，說明研究區(qū)地殼各向異性的分布并不均勻.

4討論

由于地殼結構的復雜性以及其可能的多種各向異性成因，加之剪切波分裂方法在縱向上較弱的分辨率，因而確定地殼各向異性的來源變得尤為困難.普遍認為，脆性的上地殼中的各向異性受到水平主壓應力控制(Crampin，1994)，而韌性的中下地殼的各向異性主要來自下地殼造巖礦物晶格的定向排列(Barruol and Mainprice, 1993).在下面的討論中，我們試圖通過對比地殼各向異性和地應力、地表斷裂走向、GPS數(shù)據(jù)以及SKS分裂之間的關系，討論地殼各向異性的可能來源及其動力學含義.

4.1地殼各向異性與應力方向

Calais等(2003) 通過測量GPS發(fā)現(xiàn)，在歐亞參考系下，研究區(qū)西部GPS運動方向為ENE向，速率變化為2～6 mm·a-1；而在研究區(qū)中東部，GPS向NE方向發(fā)生偏轉，速率變化也減小至1～4 mm·a-1，暗示研究區(qū)整體受到了NE向擠壓，與Heidbach等(2008)反演震源機制解所得到的研究區(qū)應力分布情況一致(圖6).研究區(qū)最大水平壓應力整體上呈現(xiàn)NE-SW向，并且在研究區(qū)的西北角(呼斯坦瑙魯)和東南角(戈壁灘)逐漸過渡為W-E向.

通過對比我們發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)NE-SW向地殼各向異性平均偏振方向與最大水平壓應力平行或近乎平行，差值最小為0.5°(CM33),最大為42.2°(CM09)，平均18.3±10.9°(圖7).同時，注意到NE-SW向的快波偏振方向與研究區(qū)絕大部分地表斷裂，特別是在蒙古—鄂霍茨克縫合線和蒙古主縫合線，走向具有很好的一致性.在蒙古—鄂霍茨克縫合線附近，有9臺站(CM12、CM15、CM16、CM23、CM24、CM25、CM42、CM43、CM46和CM60)所得部分各向異性與縫合線走向平行或近乎平行；而在蒙古主縫合線附近所有5個臺站(CM31、CM32、CM33、CM37和CM53)的地殼各向異性都不同程度地表現(xiàn)出與縫合線走向一致性.

在圖6右上角的附圖中我們可以看出，研究區(qū)整體的地應力優(yōu)勢方向與我們所測量到的NE-SW向的地殼各向異性近乎平行，也與研究區(qū)大部分斷層走向一致，所以我們認為NE-SW向的地殼各向異性可能與該區(qū)域壓應力產(chǎn)生的微裂隙有關.但是，NW-SE向的地殼各向異性與地應力方向或者斷裂似乎并沒有直接聯(lián)系，因此還存在其他地殼各向異性的可能成因.

表1　蒙古中南部地區(qū)臺站下方Pms轉換波分裂測量結果

續(xù)表1

續(xù)表1

圖5　臺站地殼各向異性參數(shù)的玫瑰圖和地震事件的后方位角分布.玫瑰圖以9°分隔，而根據(jù)本文所提方法計算的平均各向異性方向用黑線表示.臺站的名稱、各向異性方向的平均值(單位°)、 延遲時間平均值(單位s)和所用事件數(shù)目列在玫瑰圖的右側.R值小于0.9的各向異性結果在臺站名稱后標注了星號，所有各向異性的玫瑰圖統(tǒng)計在右下角給出Fig.5　Normalized rose diagrams and back azimuth distributions of events measured at the stations plotted as solid circles in the Fig.1. Bin size is 9°, and the black lines in each diagram are the average fast directions calculated as described in the text. The station name, the mean direction, the mean delay time, and the number of measurements are given to the right of each rose diagram. Stations labeled with an asterisk have preferred directions under the 90% confidence level considered dispersed. The figure at bottom right shows the rose diagrams of all results

圖6　臺站各向異性參數(shù)玫瑰圖分布臺站的位置用白色圓點表示，臺站下方得到的各向異性參數(shù)用藍色的玫瑰圖表示，而紫色的短棒代表震源機制解反演的研究區(qū)最大水平壓應力的方向(Heidbach et al., 2008)， 綠色的箭頭為歐亞參考系下的GPS速度(Calais et al., 2003). 右上角的插圖中顯示了所有最大水平壓應力的玫瑰圖(紫色)和所有各向異性參數(shù)的玫瑰圖(藍色).黑色的實線代表斷層和縫合線.Fig.6　Rose diagrams of the fast directions for each stationClosed circles are the positions of each station, and purple bars represent orientations of the axis of maximum horizontal compression determined from earthquake focal mechanism inversions (Heidbach et al., 2008). The green arrows are GPS vectors and black circles are their ellipsoid of uncertainty from Calais et al. (2003). The inset rose diagram summarizes the orientation of σHmax (gray) in the study region and the orientation of averaged fast directions (blue). The black solid lines indicate faults and the suture zones.

圖7　研究區(qū)臺站下方各向異性參數(shù)綜合分析圖地殼平均各向異性參數(shù)用藍色的短棒表示，而各向異性發(fā)散的結果仍用藍色玫瑰圖表示.上地幔SKS震相平均各向異性分裂參數(shù)使用紅色的短棒表示(Gao et al., 1994), 區(qū)域最大主應力方向用紫色的短棒表示.圖中右上角的玫瑰圖從2個方面表明了研究區(qū)的地殼各向異性的分布：地殼各向異性不僅和最大水平主應力方向一致(紫色)，而且與NW-SE向的SKS剪切波分裂結果相符(紅色).橙色的箭頭代表基于HS3-Nuvel1A模型下的歐亞板塊絕對板塊運動速度(APM) (Gripp and Gordon, 2002).黑色的實線代表斷層和縫合線，白色圓點表示臺站的位置.Fig.7　Comprehensive analysis diagram of the measured fast directions and splitting times under stationsThe average fast directions of crustal anisotropy are blue bars, and the diverging results are represented by the blue rose diagrams. SKS shear wave splitting anisotropy are red bars (Gao et al., 1994), and stress vectors are purple bars. The inset rose diagram in the top right corner summarizes the trends of anisotropies from two different aspects in the study area: the crustal anisotropy (blue) are not only consistent with the direction of current maximum horizontal compression (purple), but also parallel to the SKS shear wave splitting showed a preferred fast direction orienting NW-SE (red). The orange arrow indicates the absolute plate motion (APM) of the Eurasia plate calculated from HS3-Nuvel1A (Gripp and Gordon, 2002). The black solid linesare faults and the suture zones, and locations of stations are represented by white circles.

4.2地殼各向異性與SKS快波方向

研究區(qū)SKS分裂研究結果表明，除去分布在戈壁北部附近少量NE-SW朝向的各向異性，蒙古中南部地區(qū)剪切波偏振方向大部分為NW-SE向，與區(qū)域水平主壓應力垂直，而與歐亞板塊絕對運動速度近乎平行(Gao et al., 1994)(圖7).由于SKS分裂快慢波延遲時間(1.4±0.4 s)相較地殼各向異性較大，所以其各向異性主要來自地幔物質(zhì).如圖7所示，地殼各向異性快波偏振方向與SKS分裂方向在整個研究區(qū)表現(xiàn)出較好的一致性，它們的差值最小為0.2°(CM22)，最大31.3°(CM01)，平均11.7±8.9°.如果我們統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)所有SKS分裂結果，可以看出SKS所測量的各向異性方向正好填補了4.1節(jié)中所討論的地殼各向異性NW-SE向的優(yōu)勢方向.這說明部分地殼各向異性主要來源是下地殼造巖礦物晶格的定向排列.

4.3動力學意義

何靜等(2014)采用P波接收函數(shù)的共轉換點疊加方法計算了研究區(qū)地殼厚度，結果表明蒙古中南部地區(qū)Moho面近乎水平.同時，地殼各向異性方向與地表應力場、斷裂走向和上地幔各向異性方向的一致性使得我們認為，研究區(qū)地殼各向異性在不同深度上的成因存在差異，并且整體符合研究區(qū)巖石圈受到NE向擠壓的動力學模型：在NE向壓應力作用下，脆性的上地殼沿著應力方向產(chǎn)生微裂隙，后經(jīng)流體中填充，形成平行于主壓應力的各向異性；而韌性的中下地殼與地幔在受到NE向擠壓之后，礦物晶體發(fā)生定向排列，形成垂直于主壓應力方向的各向異性.這種觀點與前人在云南和青藏高原東北緣所得到結果相似(孫長青等, 2013；Wang et al., 2008)，認為這種上下地殼各向異性方向的不同可能暗示上地殼和中下地殼存在解耦現(xiàn)象，而中下地殼和巖石圈地幔可能存在一定程度的耦合.

5結論

我們測量了位于蒙古中南部地區(qū)共計69個地震臺站的Pms地幔轉換波分裂數(shù)據(jù)，從中獲取的大量各向異性參數(shù)為我們了解該區(qū)域地殼結構提供了很好的約束.結果表明，研究區(qū)地殼各向異性可能同時存在于上地殼和中下地殼，并具有不同成因.整個研究區(qū)內(nèi)，NE-SW朝向的地殼各向異性與壓應力方向和研究區(qū)大多數(shù)地表斷裂走向平行或近似平行，我們認為這部分各向異性存在于上地殼，可能與流體填充的微裂隙有關.另一方面，研究區(qū)普遍存在的NW-SE向的各向異性與SKS分裂快波方向具有比較好的一致性，暗示中下地殼與上地幔存在垂直連貫變形，下地殼造巖礦物晶格定向排列是各向異性的主要成因.上地殼和中下地殼各向異性的差異支持研究區(qū)巖石圈受到NE-SW向擠壓的動力學模型.

致謝感謝所有參與到中蒙國際科技合作項目工作中的同志.兩位匿名審稿人提出的修改意見極大地提高了本文的質(zhì)量.文章大部分圖件使用GMT軟件繪制(Wessel and Smith, 1998).

References

Badarch G, Cunningham W D, Windley B F. 2002. A new terrane subdivision for Mongolia: implications for the Phanerozoic crustal growth of Central Asia.JournalofAsianEarthSciences, 21(1): 87-110.Barruol G, Mainprice D. 1993. A quantitative evaluation of the contribution of crustal rocks to the shear-wave splitting of teleseismic SKS waves.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 78(3-4): 281-300.

Barruol G, Deschamps A, Déverchère J, et al. 2008. Upper mantle flow beneath and around the Hangay dome, Central Mongolia.EarthandPlanetaryScienceLetters, 274(1-2): 221-233.

Calais E, Vergnolle M, San′Kov V, et al. 2003. GPS measurements of crustal deformation in the Baikal-Mongolia area (1994—2002): Implications for current kinematics of Asia.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012), 108(B10).

Cochran E S, Vidale J E Li, Y G. 2003. Near-fault anisotropy following the Hector Mine earthquake.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth(1978—2012),108(B9).Crampin, S. 1994. The fracture criticality of crustal rocks.GeophysicalJournalInternational, 118(2): 428-438.Crampin S, Peacock S. 2008. A review of the current understanding of seismic shear-wave splitting in the Earth′s crust and common fallacies in interpretation.WaveMotion, 45(6): 675-722.

Davis J C. 1986.Statistics and data analysis in geology. 2nd ed.Hoboken, N. J.: John Wiley, 646 pp.

Gao S, Davis P M, Liu H, et al. 1994. Seismic anisotropy and mantle flow beneath the Baikal rift zone.Nature, 371(6493): 149-151.

Gripp A E, Gordon R G. 2002. Young tracks of hotspots and current plate velocities.GeophysicalJournalInternational, 150(2): 321-361.

He J, Wu Q J, Gao M T, et al. 2014. Crustal structure and Poisson ratio beneath the central and southern Mongolia derived from receiver functions.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 57(7):2386-2394, doi: 10.6038/cjg20140732.Heidbach O, Tingay M, Barth A, et al. 2008. The World Stress Map database release 2008. http:∥dx.doi.org/10.1594/GFZ.WSM.Rel2008.

Ligorría J P, Ammon C J. 1999. Iterative deconvolution and receiver-function estimation.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 89(5): 1395-1400.Mardia K V， Jupp P E. 2009. Directional Statistics(Vol. 494). New York: John Wiley & Sons.Molnar P, Qidong D. 1984.Faulting associated with large earthquakes and the average rate of deformation in central and eastern Asia.JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth, 89(B7): 6203-6227.Savage M K. 1999.Seismic anisotropy and mantle deformation: what have we learned from shear wave splitting.ReviewsofGeophysics, 37(1): 65-106.Silver P G, Chan W W. 1991. Shear wave splitting and subcontinental mantle deformation.J.Geophys.Res., 96(B10): 16429-16454.Silver P G. 1996. Seismic anisotropy beneath the continents: Probing the Depths of Geology.Annu.Rev.EarthPlanet.Sci., 24(1):385-432.Sun C Q, Lei J S, Li C, et al. 2013. Crustal anisotropy beneath the Yunnan region and dynamic implications.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 56(12):4095-4105, doi: 10.6038/cjg20131214.

Teanby N A, Kendall J M, Van der Baan M. 2004. Automation of shear-wave splitting measurements using cluster analysis.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 94(2): 453-463.

Wang C Y, Flesch L M, Silver P G, et al. 2008. Evidence for mechanically coupled lithosphere in central Asia and resulting implications.Geology, 36(5): 363-366.

Webb L E, Johnson C L, Minjin C.2010. Late Triassic sinistral shear in the East Gobi Fault Zone, Mongolia.Tectonophysics, 495(3-4):246-255.

Wessel P, Smith W H F. 1998. New, improved version of Generic Mapping Tools released.Eos,TransactionsAmericanGeophysicalUnion, 79(47): 579-579.Xu Z, Xu M J, Wang L S, et al. 2006.A study on crustal anisotropy using P to S converted phase of the receiver function:Application to Ailaoshan-Red River fault zone.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese),49(2):438-448.

Zhang J L, Tian X B, Zhang H S, et al.2012.The crust and upper mantle anisotropy in Baikal Rift Zone and its dynamic significance.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese),55(8): 2523-2538,doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.005.

附中文參考文獻

何靜, 吳慶舉, 高孟潭等. 2014. 利用接收函數(shù)方法研究蒙古中南部地區(qū)地殼結構. 地球物理學報, 57(7):2386-2394, doi:10.6038/cjg20140732.

孫長青, 雷建設, 李聰?shù)? 2013. 云南地區(qū)地殼各向異性及其動力學意義. 地球物理學報, 56(12):4095-4105, doi:10.6038/cjg20131214.

徐震, 徐鳴潔, 王良書等. 2006.用接收函數(shù)Ps轉換波研究地殼各向異性——以哀牢山—紅河斷裂帶為例. 地球物理學報, 49(2):438-448.

張建利, 田小波, 張洪雙等. 2012. 貝加爾裂谷區(qū)地殼上地幔復雜的各向異性及其動力學意義. 地球物理學報, 55(8): 2523-2538, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.08.005.

(本文編輯胡素芳)

Crustal anisotropy beneath central-south Mongolia and its dynamic implications

QIANG Zheng-Yang1, WU Qing-Ju1*, LI Yong-Hua1, HE Jing1,GAO Meng-Tan1, M.Ulziibat2， S.Demberel2

1InstituteofGeophysics,ChineseEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2ResearchCenterofAstronomy&GeophysicsofMongolianAcademyofScience,Ulaanbaatar210351,Mongolia

AbstractMongolia is located in the core part of the Central Asian Orogenic Belt, one of the largest Paleozoic orogens which has suffered strongest tectonic movement and crust-mantle interaction and always been regarded as the hot issues of Earth science. Being a transition zone with NE-SW shortening from the west and E-W extension in the east, central-south Mongolia is a key area to understand the deformation of crust and the whole lithosphere beneath the Mongolia. Seismic anisotropy determined by the splitting of Pms shear waves is one of the most direct and effective ways to image the structure and deformation of crust. Whenever the shear wave travel through an anisotropic layer, it will split into two orthogonal waves propagating at different speeds. Then the anisotropy is described by the fast polarization direction (φ) and the splitting time between the fast and slow waves (δt), respectively.

Two years′ high-quality broadband seismic data from 69 temporary stations deployed in central-south Mongolia provide a good opportunity to study the crustal anisotropy-forming mechanism of this area. In this study we calculate P-wave receiver functions by time-domain iterative deconvolution method, from which the Moho P-to-S phases are isolated and calculated by the improved shear-wave splitting method after we discern the anisotropy of horizontal layered medium from the receiver functions. Pms phase is converted from a near-vertically incident P wave at the crust-mantle boundary, and the propagation velocity of its radial and tangential components depends on their anisotropic polarity and propagation direction. According to the different behaviors of the radial and tangential components, the whole crustal anisotropy could be measured by Pms splitting analysis. Finally, 1473 pairs of anisotropy parameters are acquired and described by the fast polarization direction and the time delay.

Eighty six percent of the delay times are between 0.20～0.34 s and correspond to a 23～43 km thick layer if 4% anisotropy is assumed, which suggests that the distribution of the crustal anisotropy in central-south Mongolia is uneven, compared to the thickness of the crust (38～46 km). NE-SW trending anisotropy is measured beneath 54 stations, ranging from N8°E to N88°E with an average value close to N58°E±16°, which is subparallel to the stress direction. We suppose that the anisotropy is located in the upper crust and may be associated with fluid-filled microcracks. At the same time, the NE-SW trending anisotropic directions are parallel to the most of strikes of surface fractures which may possibly cause the anisotropy. On the other hand, NW-SE trending polarization directions are measured at 53 stations, varying between N97°E—N165°E, with an average value of N132°E±16°. These fast directions are well consistent with most SKS splitting fast wave directions, indicating a vertically coherent deformation between the lower crust and upper mantle, and the deformation-induced lattice preferred orientations of the crystallographic axis of mineral in lower crust is probably the main cause of the anisotropy. Most of the crust anisotropy in the study area support a dynamic model that the lithosphere is subject to a strike-slip extrusion trending NE-SW.

KeywordsPms converted phases; Shear wave splitting; Seismic anisotropy; Central-south Mongolia

基金項目科技部國際科技合作專項《遠東地區(qū)地磁場、重力場及深部構造與模型研究》(2011DFB20210)資助.

作者簡介強正陽，男，1988年生，在讀博士生，主要從事地震各向異性及動力學方面的研究. E-mail：qmail@aliyun.com *通訊作者吳慶舉，男，1966年生，研究員，從事地震學、地球內(nèi)部結構以及動力學方面的研究. E-mail：wuqj@cea-igp.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160507 中圖分類號P315

收稿日期2015-09-11，2016-01-23收修定稿

強正陽， 吳慶舉， 李永華等. 2016. 蒙古中南部地區(qū)地殼各向異性及其動力學意義. 地球物理學報，59(5):1616-1628,doi:10.6038/cjg20160507.

Qiang Z Y, Wu Q J, Li Y H, et al. 2016. Crustal anisotropy beneath central-south Mongolia and its dynamic implications.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(5):1616-1628,doi:10.6038/cjg20160507.