顧勤平， 丁志峰， 康清清， 趙啟光

1 中國地震局地球物理研究所， 北京　100081 2 江蘇省地震局， 南京　210014

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郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與各向異性

顧勤平1,2， 丁志峰1*， 康清清2， 趙啟光2

1 中國地震局地球物理研究所， 北京100081 2 江蘇省地震局， 南京210014

摘要郯廬斷裂帶是一條縱貫我國大陸東部NNE走向的巨型深斷裂，其中南段及鄰區(qū)(115°E—122°E，29°N—38°N)跨越了華北斷塊區(qū)、揚(yáng)子斷塊區(qū)和華南褶皺系三大一級(jí)構(gòu)造單元，由于其重要性和復(fù)雜性，長期以來一直是地學(xué)家們研究的熱點(diǎn).本文從國際地震中心(ISC)、中國地震臺(tái)網(wǎng)及區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的地震觀測報(bào)告中精心挑選出6381個(gè)Pn震相數(shù)據(jù)，用Pn波時(shí)間項(xiàng)層析成像法反演得到了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)和各向異性.結(jié)果顯示，研究區(qū)上地幔頂部具有顯著的橫向非均勻性，相對(duì)于7.95 km·s-1的平均速度而言，Pn波速度值在7.68～8.24 km·s-1范圍內(nèi)變化.Pn波速度分布在郯廬斷裂帶中段和南段具有分段性：沿中段及周邊存在一NE向低速異常帶，低速可能是由于巖石圈的減薄和軟流圈的高溫物質(zhì)沿郯廬帶上涌導(dǎo)致；沿南段表現(xiàn)為一NNE向弱高波速異常帶，作為高低速的邊界帶清晰地勾勒出了華北與揚(yáng)子這兩個(gè)不同塊體，該邊界在江蘇域向華北地塊NW方向凹進(jìn).Pn波速度各向異性的強(qiáng)弱與速度分布存在一定的相關(guān)性.總體上，如魯西隆起及以南等低速區(qū)、茅山斷裂附近的高低速過渡帶，其速度各向異性較為強(qiáng)烈；而在具有高速異常的蘇北盆地、合肥盆地等穩(wěn)定區(qū)域下方其各向異性較弱.本文通過Pn波震相基本未能探測到郯廬斷裂帶中段的方位各向異性，推測是上地幔頂部被“凍結(jié)”下來的各向異性痕跡被軟流圈熱物質(zhì)上涌這一強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)削弱所導(dǎo)致.南段具有與斷裂伸展方向近乎平行的快波速方向.Pn波速度橫向變化和強(qiáng)震活動(dòng)存在一定關(guān)聯(lián).強(qiáng)震主要發(fā)生在Pn波低速異常區(qū)或高低速過渡帶上.郯城8.5級(jí)地震震中位于中段和南段高低速過渡帶，該區(qū)域也是速度橫向變化最大的地方，最容易集中應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)力差.

關(guān)鍵詞郯廬斷裂帶； 中南段； Pn波速度； 各向異性； 郯城地震

1引言

郯廬斷裂是一條縱貫我國大陸東部、NNE走向的巨型深斷裂帶，對(duì)東部現(xiàn)代地震活動(dòng)、區(qū)域構(gòu)造和礦產(chǎn)資源的形成和分布都起著非常重要的控制作用.根據(jù)地震活動(dòng)性、構(gòu)造特點(diǎn)及演化歷史等特征可將其劃分為北、中及南三段，分段的結(jié)點(diǎn)為渤海灣和江蘇新沂(王小鳳等，2000).郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)(115°E—122°E，29°N—38°N)按照前人有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造單元的劃分(鄭劍東等，1989)，自南往北跨越了華南褶皺系、揚(yáng)子斷塊區(qū)及華北斷塊區(qū)這3個(gè)一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造單元.此外，該區(qū)域還包含了被地學(xué)家公認(rèn)為全世界規(guī)模最大的蘇魯大別超高壓變質(zhì)帶(Xu et al.,1998)，整個(gè)研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件和演化非常復(fù)雜.由于該地區(qū)的復(fù)雜性和重要性，長期以來吸引了許多地球物理學(xué)家圍繞郯廬斷裂帶的形成、演化和活動(dòng)機(jī)制等問題展開研究，且獲得了卓有成效的研究成果.

人工地震測深結(jié)果顯示(馬杏垣等，1991；陳滬生等，1993；趙志新和徐紀(jì)人，2009；劉保金等，2015)，郯廬斷裂帶為一個(gè)切割莫霍面、深達(dá)巖石圈并控制地幔高溫?zé)嵛镔|(zhì)上涌及巖漿侵入的深大斷裂帶.大地電磁測深結(jié)果表明(肖騎彬等，2008；張繼紅等，2010)，郯廬斷裂帶深部為穿透Moho面，向下延伸至上地幔的走滑構(gòu)造.以上研究表明郯廬斷裂帶中南段是切割整個(gè)地殼并深入上地幔的斷裂破碎帶和構(gòu)造薄弱帶，是上地幔高溫高壓熱物質(zhì)上涌的通道.天然地震的區(qū)域三維速度反演結(jié)果表明(徐佩芬等，2000；Chen et al.，2006；黃忠賢等，2009；黃耘等，2011；范小平等，2015)，郯廬斷裂帶中南段速度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)分段性，地殼內(nèi)地震波速度跨郯廬兩側(cè)出現(xiàn)明顯的變化，南段兩側(cè)Moho面分界線清晰.重力研究表明(唐新功等，2006)，郯廬斷裂帶中南段東側(cè)處于布格重力高值異常區(qū)，西側(cè)處于低值異常區(qū)；磁法結(jié)果揭示(李春峰等，2009)，郯廬帶構(gòu)成東側(cè)負(fù)磁異常區(qū)和西側(cè)正磁異常區(qū)的邊界.由此可見，郯廬帶作為高低值過渡帶清晰地勾勒出了不同塊體的邊界，該邊界已切穿地殼直抵上地幔.這些研究成果雖然使用了不同的資料和方法，但從各個(gè)角度揭示了郯廬斷裂帶及周邊地區(qū)不同埋藏深度的特征，為研究郯廬斷裂帶及鄰區(qū)的演化、深部結(jié)構(gòu)特征提供了豐富的地震學(xué)依據(jù)，但是沒有專門針對(duì)郯廬斷裂帶上地幔頂部速度結(jié)構(gòu)或者各向異性進(jìn)行研究.

Moho面下方暨上地幔頂部是地殼和巖石圈地幔物質(zhì)交換和能量傳遞的關(guān)鍵區(qū)域.Pn震相是地震波沿著莫霍界面滑行產(chǎn)生的迴折波，在上地幔頂部比其他震相(李大虎等，2015)能夠得到更加密集的射線覆蓋，從而分辨率和精度優(yōu)于其他震相.因此，它成為研究上地幔頂部P波速度結(jié)構(gòu)和波速方位各向異性的首選震相.近年來，一些學(xué)者使用Pn波震相研究了我國上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)(丁志峰等，1992；汪素云等，2001，2003；李娟，2003；裴順平等，2004；Liang et al.，2004；Pei et al.，2007；胥頤等，2008；李志偉等，2011；李飛等，2011)，結(jié)果表明波速存在明顯的橫向變化，并存在隨空間變化的波速各向異性.但是，這些成果或者因?yàn)檠芯砍叨容^大導(dǎo)致分辨尺度不夠；或者因?yàn)閿?shù)據(jù)分布范圍局限，不足以對(duì)郯廬斷裂帶中南段及郯城地震的深部構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行研究.王良書等(1990)利用的Pn震相對(duì)本文研究區(qū)有所涉及，但其采用的參考臺(tái)法應(yīng)用范圍比較小，且不能提供二維平面結(jié)果圖，結(jié)果局限于參與計(jì)算的臺(tái)站下方.截至目前，有關(guān)郯廬斷裂帶中、南段的分段結(jié)點(diǎn)仍存在爭議，仍然未能見到專門針對(duì)郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部體波速度結(jié)構(gòu)和波速方位各向異性的結(jié)果，本文采用Pn波時(shí)間項(xiàng)層析成像法試獲得上述問題的一些地震學(xué)依據(jù).

基于上述原因，本文利用國際地震中心(ISC)、中國地震臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)觀測積累的Pn波資料，尤其注重補(bǔ)充2008年以來記錄的高質(zhì)量的Pn資料，采用Hearn和Ni(1994)提出的Pn波各向異性的時(shí)間項(xiàng)層析成像方法，重建了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部1°×1°分辨尺度的體波速度結(jié)構(gòu)和2°×2°分辨尺度的方位各向異性.研究結(jié)果為郯廬斷裂帶中南段的分段特征、作為不同塊體的分界及郯城8.5級(jí)地震的深部動(dòng)力成因提供了地震學(xué)依據(jù)；郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部結(jié)構(gòu)的研究對(duì)于研究揚(yáng)子地塊與華北地塊的陸陸碰撞過程及其兩者的邊界、超高壓變質(zhì)作用及大陸動(dòng)力學(xué)等方面具有重要意義.

2資料和方法

為使得本文研究的目標(biāo)區(qū)能被更多的地震射線有效覆蓋，本文擴(kuò)大資料搜集范圍為114°E—124°E、28°N—39°N，該區(qū)自北向南跨越了華北斷塊、膠遼斷塊、蘇魯斷塊、下?lián)P子斷塊、大別褶皺帶及華南褶皺系.研究區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造和斷裂見圖1，圖件采用GMT軟件完成(Wessel and Smith, 1998)，底圖為研究區(qū)的地形地貌圖.

本文搜集了ISC(1964—2014年)的地震觀測報(bào)告、中國地震臺(tái)網(wǎng)(1986—2014年)及江蘇(1984—2014年)、山東(2008—2014年)、安徽(1976—2014年)、浙江(1988—2014年)、江西(1984—2014年)、湖北(1980—2014年)、河南(1981—2014年)、河北(2008—2014年)、上海(1983—2014年)九個(gè)省級(jí)地震臺(tái)網(wǎng)的地震觀測報(bào)告，從中嚴(yán)格挑選出符合條件的Pn波震相記錄，為獲得高質(zhì)量的成像結(jié)果奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).挑選Pn波震相的原則是： (1) 震中距大于1.2°，以保證最先到達(dá)的是Pn波； (2) 震源深度小于33 km； (3) 每個(gè)地震能被3個(gè)以上臺(tái)站同時(shí)觀測獲得Pn震相； (4) 每個(gè)臺(tái)站能記錄到3個(gè)以上的Pn波震相； (5) 刪掉叢集地震(Liang et al., 2004)，分組距離定為4 km； (6) 相對(duì)于7.95 km·s-1的Pn波平均速度，折合走時(shí)殘差在3～9 s之間(圖2a).為了檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，做出Pn震相的震中距-走時(shí)時(shí)距關(guān)系圖2b.為了減少將Pg震相錯(cuò)判為Pn震相的概率，將走時(shí)殘差控制在±2.5 s以內(nèi)(圖2c).該走時(shí)殘差通過以下模型獲得：地殼厚度33 km，地殼平均速度為6.2 km·s-1，用迭代最小二乘法對(duì)Pn震相走時(shí)隨震中距的變化進(jìn)行線性擬合，擬合直線斜率的倒數(shù)為初始速度模型，最終得到本文目標(biāo)區(qū)上地幔頂部的平均速度為7.95 km·s-1，該值略低于全國水平，與前人獲得該區(qū)域的結(jié)果一致(汪素云等，2003；胥頤等，2008).

按照上述挑選Pn震相的原則，共精心挑選出符合條件的443個(gè)地震事件和208個(gè)臺(tái)站，合計(jì)6381條地震射線滿足本文研究的條件.圖3給出了符合條件的地震震中、臺(tái)站以及射線分布圖，由圖可見，總體上本文目標(biāo)區(qū)即郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)(115°E—122°E，29°N—38°N)有較好的交叉覆蓋，而在研究區(qū)邊緣和海域，受地震或臺(tái)站的分布影響，射線覆蓋則不太理想.

將研究目標(biāo)區(qū)上地幔頂部沿經(jīng)緯度水平方向劃分成n個(gè)15′×15′同等大小的網(wǎng)格，采用Hearn反演Pn波速度和各向異性的方法，反演計(jì)算Pn速度結(jié)構(gòu)的同時(shí)將波速方位各向異性考慮在內(nèi)，即考慮不同地震射線通過某個(gè)網(wǎng)格時(shí)，射線穿過的方位角不同速度不同，將Pn走時(shí)殘差表示如下：

震相數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差和地震射線的不均勻分布導(dǎo)致了所求方程具有病態(tài)特征和奇異值產(chǎn)生跳躍，為使得反演結(jié)果穩(wěn)定我們加入了平滑約束，采用帶阻尼的LSQR法求解以上方程中的Ak、Bk、ai、bj和sk這五個(gè)未知參數(shù).我們對(duì)迭代次數(shù)、速度擾動(dòng)及各向異性系數(shù)的阻尼系數(shù)做了多次對(duì)比試算，最終確定迭代次數(shù)為120次，速度擾動(dòng)及各向異性系數(shù)的阻尼都取為300.

3反演結(jié)果

利用Hearn和Ni(1994)提出的Pn波各向異性的時(shí)間項(xiàng)層析成像方法，反演得到了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部相對(duì)于平均速度7.95 km·s-1的Pn波速度橫向變化及波速方位各向異性分布圖像.圖2c和2d分別為反演前、后走時(shí)殘差分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖，走時(shí)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差由反演前的1.21 s降低為0.75 s，經(jīng)過反演走時(shí)殘差得到了一定程度的收斂.3.1分辨率

為驗(yàn)證反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文采用檢測板(checkboard)方法對(duì)數(shù)據(jù)體的分辨能力進(jìn)行了測驗(yàn).檢測板測試就是給定初始速度模型，加上一定的速度擾動(dòng)作為觀測走時(shí)，再采用同樣的控制參數(shù)和反演方法進(jìn)行反演計(jì)算，看反演的結(jié)果能否恢復(fù)事先給定的初始速度模型(裴順平，2002).限于篇幅，這里僅給出網(wǎng)格大小為1.5°×1.5°、1.0°×1.0°的速度異?；謴?fù)圖像(圖4)和2°×2°的各向異性恢復(fù)圖像(圖5).反演結(jié)果的分辨率和可靠性依賴于數(shù)據(jù)的數(shù)量及質(zhì)量，本文特別注重補(bǔ)充研究范圍內(nèi)2008年以來記錄的大量高質(zhì)量的Pn波震相資料，由于數(shù)據(jù)的充實(shí)，本次獲得的速度結(jié)構(gòu)所達(dá)到的1°×1°分辨率比前人(汪素云等，2003；Pei et al.，2007；胥頤等，2008)在該地區(qū)采用Pn波速度反演所獲得的分辨率有所提高.各向異性分辨尺度相對(duì)速度結(jié)構(gòu)的分辨尺度而言，由于反演計(jì)算時(shí)增加了2個(gè)各向異性未知量即Ak、Bk的求解，在同等射線數(shù)的條件下分辨尺度不如速度結(jié)構(gòu)，但由圖5可見，總體上2°×2°分辨較好.

圖2　資料走時(shí)曲線及殘差分布情況(a) 相對(duì)7.95 km·s-1的平均速度得到的初始走時(shí)殘差分布； (b) 經(jīng)挑選后的數(shù)據(jù)體繪制的走時(shí)曲線；(c) 反演前基于初始模型的走時(shí)殘差分布； (d) 反演后走時(shí)殘差分布.Fig.2　Distribution of travel time curves and residuals (a) Initial travel time residuals relative to average velocity of 7.95 km·s-1； (b) Travel time curves of chosen data；(c) Travel time residuals distribution based on the initial velocity model before inversion； (d) Time residuals after inversion.

圖3　Pn波射線路徑及臺(tái)站(白色三角)、地震(白色小圓圈)分布Fig.3　Pn wave raypaths and distribution of stations (white triangles) and earthquakes (white circles)

由圖4、5可以看出，研究范圍內(nèi)大部分地區(qū)的速度和波速各向異性能夠較好恢復(fù)，南黃海由于臺(tái)站布設(shè)限制、射線角度單一，導(dǎo)致分辨率有所下降.這也說明了可靠、穩(wěn)定的反演結(jié)果須有較密集的射線覆蓋和合理的射線分布.整體上，本文獲得的反演結(jié)果在主要地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及各向異性分布形態(tài)與已有的Pn波層析成像結(jié)果或者其他層析方法獲得的結(jié)果總體一致(Wang et al., 2003；胥頤等，2008；趙志新和徐紀(jì)人，2009)，但本文給出了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部體波速度結(jié)構(gòu)和波速各向異性的更多細(xì)節(jié)，可以為分析研究目標(biāo)區(qū)的深部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提供更多新的信息.

3.2上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的組成成分、含水量以及壓強(qiáng)等的變化都能夠引起Pn波速度的變化，但溫度對(duì)其影響較大(Hearn, 1984；Beghoul and Barazangi，1995；Hearn et al., 2004).圖6給出了利用Pn波時(shí)間項(xiàng)層析成像法反演得到的郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)分布圖像，相對(duì)于平均速度7.95 km·s-1而言，其值在7.68～8.24 km·s-1范圍內(nèi)變化.圖中紅色區(qū)域表示體波速度小于平均速度，藍(lán)色區(qū)域表示大于平均速度.由圖可以看出，研究范圍內(nèi)速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的橫向非均勻性.總體而言，波速分布形態(tài)不僅與前人采用相同方法(汪素云等，2003；Pei et al.,2007；胥頤等，2008)所得結(jié)果一致性較好，而且得到了由廣角反射法探測獲得的中國東部地殼三維P波在同等深度上結(jié)果的支持(趙志新和徐紀(jì)人，2009).廣角反射分辨率和精度都優(yōu)于天然地震，其所獲得的結(jié)果具有較高的可信度，兩者較好的契合關(guān)系表明了筆者所用的資料及方法反演獲得的結(jié)果具有穩(wěn)定性和可靠性.

圖5　Pn波各向異性2°×2°的檢測板測試結(jié)果Fig.5　Checkboard tests for Pn anisotropy with resolutions of 2°×2°

圖6　Pn波速度橫向變化黑色圓圈標(biāo)識(shí)的是1900年以來大于6級(jí)的地震事件，黑色圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)地名,紅色五角星代表1668年郯城8.5級(jí)地震.Fig.6　Pn velocity lateral variationsThe black circles denote large earthquake with magnitudes equal to or greater than M6.0 that occurred since 1900，black circles and dots denote homonym, red stars denote the 1668 Tancheng (8.5) earthquake.

郯廬斷裂帶兩側(cè)的速度異常和分布形態(tài)明顯不同，斷裂西側(cè)的華北地塊總體速度偏低，速度異常為北西方向展布，而斷裂東側(cè)的揚(yáng)子地塊速度較高，異常為北東或近東西向.Pn波速度沿郯廬斷裂帶表現(xiàn)出分段特征.沿中段及周邊存在一平行于郯廬斷裂帶的明顯NE向低速異常帶，其值約為7.7～7.9 km·s-1，極低速異常位于119.0°E，35.5°N.跨郯廬帶中段布設(shè)的響水—滿都拉地震剖面揭示郯廬帶是曾伴隨有深部物質(zhì)上侵的巨大構(gòu)造邊界，中段切割Moho面、Moho面明顯上隆但斷裂兩側(cè)莫霍面起伏卻不大(馬杏垣等，1991).接收函數(shù)和面波結(jié)果顯示(Chen et al.，2006；黃忠賢等，2009)，中段軟流圈頂面及上地幔頂部均顯著隆起，而斷裂兩側(cè)莫霍面基本處于同一水平面.本文沿中段較低的Pn波速度進(jìn)一步證實(shí)，該段剪切作用已深達(dá)上地幔頂部.郯廬斷裂帶中段Moho面附近電性結(jié)構(gòu)也明顯，存在高溫、高導(dǎo)體(肖騎彬等，2008；張繼紅等，2010)，成為高溫高壓熱物質(zhì)上涌通道.郯廬斷裂帶熱流值在53.9～81.6 mW·m-2之間變動(dòng)(馬杏垣等，1991；胡圣標(biāo)等，2001)，表現(xiàn)為高熱流特征，與其長期活動(dòng)性有關(guān).郯廬斷裂帶在磁異常圖上(李春峰等，2009)顯示的線性串珠狀暗示著地幔上穹與巖漿灌入.牛漫蘭等(2005)通過對(duì)郯廬帶中南段新生代的幔源玄武巖噴發(fā)的研究，認(rèn)為這些時(shí)期斷裂帶的活動(dòng)影響到了巖石圈地幔.綜上所述，導(dǎo)致中段具有低速分布特征最有可能是巖石圈減薄和軟流圈高溫物質(zhì)沿郯廬帶中段上涌至地殼，而斷裂兩側(cè)莫霍面基本連續(xù)、橫向差異不明顯是造成斷裂兩側(cè)Pn波速?zèng)]有明顯變化的原因.

南段表現(xiàn)為NNE向弱高波速異常帶，清晰地勾勒出了華北地塊與揚(yáng)子地塊兩個(gè)不同塊體的邊界，該邊界在重磁異常分布圖上(張鵬等，2007)及面波層析反演獲得的Moho面埋深分布圖上(黃忠賢等，2009)十分明顯.邊界以西的華北地塊Pn波速度明顯偏低，而邊界以東的下?lián)P子地區(qū)Pn波速度相對(duì)偏高，它們之間的分界大體上對(duì)應(yīng)于郯廬斷裂帶南段，分界線被上地幔頂部的Pn震相探測獲得，表明華北塊體和揚(yáng)子塊體之間的邊界帶已深切至上地幔頂部.郯廬斷裂帶南段高、低速分界線在江蘇域向華北地塊NW方向凹近，這一特征在Wang等(2003)、趙志新和徐紀(jì)人(2009)采用廣角反射法所獲得的結(jié)果中也曾有所體現(xiàn).這一凹進(jìn)高速區(qū)(江蘇新沂至泗洪段)也正是郯廬帶中南段地震活動(dòng)水平最低的區(qū)域.凹進(jìn)現(xiàn)象從一定程度上揭示出了揚(yáng)子塊體向北西俯沖于華北地塊之下.凹進(jìn)彎曲的高速異常區(qū)與中段的低速區(qū)邊界成為郯廬帶Pn波速度橫向變化最大的區(qū)域，在此容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)力差，1668年郯城8.5級(jí)大地震就發(fā)生于該處.迄今為止，以上2個(gè)不同塊體的分界特征也已由精度較高的深地震反射得以驗(yàn)證：中國東部靈璧—奉賢HQ-13地學(xué)斷面(陳滬生等，1993)揭示，郯廬斷裂帶南段兩側(cè)莫霍面起伏明顯，自東往西有下傾加深的趨勢，斷面近于直立.劉保金等(2015)采用深地震反射探測方法跨南段布設(shè)了一條長為100 km的地震剖面，結(jié)果表明Moho面和巖石圈底界面在郯廬帶南段兩側(cè)分別表現(xiàn)出存在約0.5 s和1.7 s的整體雙程走時(shí)差，斷裂兩側(cè)垂直落差明顯.精度較高的地震深反射剖面證實(shí)了斷裂兩側(cè)Moho面性質(zhì)不連續(xù)、橫向差異明顯，加之?dāng)嗔褍蓚?cè)塊體的不同歷史演化及性質(zhì)，我們認(rèn)為是導(dǎo)致Pn波速度沿郯廬帶南段表現(xiàn)出明顯的高低速分界帶的原因.李飛等(2011)曾經(jīng)得出這樣的結(jié)論：在以走滑性質(zhì)為主的鮮水河斷裂兩側(cè)Pn波速度沒有顯著變化；而在具有傾滑性質(zhì)的龍門山逆沖斷層兩側(cè)Pn波速度表現(xiàn)出強(qiáng)烈差異.綜上所述，我們推測郯廬帶南段新生代以來具有傾滑性質(zhì)的逆沖特征，這一特征與郯廬帶晚第三紀(jì)以來遭受強(qiáng)烈擠壓的過程相符(王小鳳等，2000；劉保金等，2015)；而中段兩側(cè)莫霍面起伏不明顯，表現(xiàn)出了顯著的走滑構(gòu)造特征.

Pn波速度分布形態(tài)與地殼淺表地質(zhì)構(gòu)造單元具有一定的相關(guān)性.整個(gè)研究范圍內(nèi)最為明顯的高速異常為蘇北盆地、南黃海一帶，達(dá)到8.1 km·s-1以上.蘇北盆地未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模熱流活動(dòng)的跡象和地幔擾動(dòng)(胡圣標(biāo)，2001；Wang et al.，2003)，結(jié)構(gòu)基本完整且具有較強(qiáng)的剛性特征.位于其周邊的合肥盆地、固鎮(zhèn)盆地等也為明顯的弱高波速特征，這說明盆地地區(qū)上地幔頂部溫度低于周邊造山帶區(qū)域，內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)較弱，表現(xiàn)出較大的應(yīng)變強(qiáng)度.魯西隆起及以南地區(qū)、大別—皖南地區(qū)及蘇南隆起表現(xiàn)出明顯的低速異常，在7.75～7.9 km·s-1左右，表明隆起造山帶巖石層地幔強(qiáng)度較弱、具有韌性，易于發(fā)生形變和流動(dòng).

前人研究結(jié)果顯示(汪素云等，2003；Pei et al.，2007)，郯廬帶中段以西的魯西地體上地幔頂部表現(xiàn)為低速異常，本研究在補(bǔ)充最新的高質(zhì)量數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)中段以西的魯西地體并不表現(xiàn)為一個(gè)整體低速異常區(qū)，實(shí)際情況是一近南北向的弱高波速異常帶夾雜在郯廬帶中段及魯西地體中間；前人結(jié)果顯示郯廬帶中段東側(cè)高速，而本文顯示為低速異常區(qū)，該低速異常在廣角反射法(趙志新和徐紀(jì)人，2009)獲得的同等深度上的結(jié)果中也較為清楚.華北地塊總體上表現(xiàn)為低速異常，低速可能與太平洋板塊俯沖導(dǎo)致我國東部地殼的拉伸減薄和伴生的巖漿活動(dòng)有關(guān).華北NW向的低速異常區(qū)與弱高波速異常區(qū)相間排列，這一現(xiàn)象與北西或北北西向隆起、盆地相間排列的地形地貌基本一致.南黃海北部與膠東半島都具有低Pn波速度異常且相連，兩者巖石層地幔性質(zhì)可能一致.南黃海其余地方Pn波速度較高，大于8.0 km·s-1，不存在明顯的低速異常分布，推測上地幔頂部不存在明顯的熱異常和大規(guī)模的地幔擾動(dòng).沿蘇魯造山帶存在一個(gè)狹長的NE向低速帶區(qū)域，該低速特征在廣角反射下地殼30 km深度處也存在(趙志新和徐紀(jì)人，2009)，下地殼有可能存在著地殼山根.

3.3Pn波速度各向異性

圖7為研究區(qū)Pn波速各向異性方向分布圖，將各向異性結(jié)果投影在速度結(jié)果圖像上以便作對(duì)比討論.由圖可見，研究范圍內(nèi)Pn波速各向異性具有隨空間變化的差異性，表明巖石圈地幔的構(gòu)造形變較為復(fù)雜.Pn波各向異性通常被認(rèn)為是由于上地幔頂部橄欖石晶格因變形導(dǎo)致其優(yōu)勢定向排列(LPO)造成的(Nicolas and Christensen,1987).Pn波速方位各向異性探測得到的是上地幔頂部最近一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)被“凍結(jié)”的形變痕跡.獲取上地幔各向異性的方法較多，如SKS波分裂方法(吳萍萍等，2012)、面波的方位各向異性和偏振各向異性(顧勤平等，2010；彭艷菊等，2007)、Pn波層析技術(shù)(Pei et al.,2007)等，本文使用Pn波層析技術(shù)獲得了研究區(qū)上地幔頂部P波波速方位各向異性結(jié)果.

圖7　Pn波速度各向異性圖中黑色短線長度表示各向異性大小，短線方向表示各向異性快波方向.Fig.7　Tomographic image of Pn velocity anisotropyBlack line segments are drawn parallel to the direction of fast Pn velocity，with their length proportional to the magnitude of anisotropy.

在Pn波方位各向異性較為明顯的區(qū)域，快波方向與地殼淺表運(yùn)動(dòng)方向(楊國華等，2002)、最大主壓應(yīng)力方向一致性較好(許忠淮，2001；徐紀(jì)人和趙志新，2006)，表明物質(zhì)運(yùn)移在地殼和上地幔頂部之間存在一定的繼承性.Pn波速方位各向異性的強(qiáng)弱分布與速度結(jié)構(gòu)分布相關(guān)聯(lián).總體上，Pn波低速異常區(qū)或者高低速異常過渡帶，其方位各向異性較為強(qiáng)烈，如具有Pn波低速分布的魯西地體、大別—皖南及蘇南隆起一帶，這些造山帶地區(qū)韌性大，容易發(fā)生變形；在魯西塊體北側(cè)、茅山斷裂西側(cè)等高低速過渡帶地區(qū)Pn波速各向異性較強(qiáng)，這些地方容易應(yīng)力集中和產(chǎn)生應(yīng)力差.而在穩(wěn)定地塊和盆地下方各向異性較弱，如研究區(qū)內(nèi)具有最為明顯的高波速異常的蘇北盆地，其各向異性強(qiáng)度為整個(gè)研究區(qū)最弱，幾乎不能被Pn波探測獲得，表明蘇北盆地巖石層地幔的構(gòu)造變形較弱，具有構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)的特點(diǎn)，與該地區(qū)長期以來較低的地震活動(dòng)水平相吻合.

Hearn(1996)指出，在簡單剪切變形情況下，如板塊邊界和穿透地殼的剪切帶以及巖石圈地幔的剪切拖曳帶，各向異性的快波方向平行于剪切帶；在純剪切變形情況下，如巖石圈中沒有斷裂活動(dòng)的地區(qū)，快波方向與最大拉伸方向一致.郯廬斷裂帶南段作為揚(yáng)子斷塊與華北地塊的邊界帶，在該處具有與斷裂伸展方向近平行的NE向Pn波快波速方向，表明南段以剪切變形為主，該地區(qū)的各向異性主要受南段對(duì)Moho面切割變形的影響.已有研究表明(姜?jiǎng)側(cè)实龋?989)，茅山斷裂帶的埋深也已深達(dá)巖石圈地幔，該處也存在著平行于斷裂的Pn波快波方向.上地幔頂部快波方向與斷裂伸展方向的一致說明這些地方地殼和上地幔存在一定的耦合關(guān)系.SKS波分裂是上地幔各向異性的綜合效應(yīng)，以上兩處Pn波快波方向也與SKS波各向異性結(jié)果吻合(吳萍萍等，2012)，表明這些地方地幔上涌引起的物質(zhì)流動(dòng)已運(yùn)移至上地幔頂部.沿郯廬斷裂帶方位各向異性總體較弱，尤其是中段，基本無法被Pn震相探測得到，這可能是上地幔頂部被“凍結(jié)”下來的各向異性痕跡被軟流圈熱物質(zhì)沿郯廬帶上涌這一強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)給削弱了.

揚(yáng)子塊體受郯廬帶的剪切平移作用向北下插中朝塊體，在南黃海海域形成多個(gè)NE—NNE向伸展的凹陷、隆起及斷裂分布，在該地區(qū)Pn波快波方向以NE向?yàn)橹?、?guī)律性較強(qiáng)，兩者的契合表明南黃海揚(yáng)子塊體向北側(cè)中朝塊體的下插作用已深達(dá)上地幔頂部.華北地塊Pn波快波方向主要是NW—SE和N—S向，該結(jié)果除與Pn波層析法獲得的快波方向一致外(Wang et al.,2003)，也得到地幔SKS波分裂結(jié)果的支持(吳萍萍等，2012).鑒于各向異性及研究區(qū)構(gòu)造演化的復(fù)雜性，加之本次數(shù)據(jù)體和方法的片面性，在此不再對(duì)各向異性做進(jìn)一步的討論.

3.4Pn波速度結(jié)構(gòu)與強(qiáng)震之間的關(guān)系

圖6中黑色空心圓表示1900年以來儀器測定的6級(jí)以上的強(qiáng)震震中分布，郯城8.5級(jí)地震因其震級(jí)大、影響范圍廣，在討論有儀器記錄以來的強(qiáng)震與Pn波速度結(jié)構(gòu)的關(guān)系時(shí)也將其考慮在內(nèi).由圖可見，Pn波速度的分布與強(qiáng)震的發(fā)生具有一定的相關(guān)性.強(qiáng)震大部分發(fā)生在上地幔頂部Pn波高、低速的過渡地帶或者低速區(qū)域內(nèi)，高低速的邊界附近應(yīng)力容易集中和產(chǎn)生應(yīng)力差，低速區(qū)可以認(rèn)為容易發(fā)生韌性形變而誘發(fā)地震，這些區(qū)域可能更利于地下能量和物質(zhì)的傳遞.上述結(jié)果表明，強(qiáng)震的孕育及發(fā)生與上地幔頂部介質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫向非均勻性及介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān).

郯廬斷裂帶地震活動(dòng)水平具有分段特征，地震活動(dòng)總體呈現(xiàn)出中段強(qiáng)、南段弱的特征(張鵬等，2007；劉保金等，2015)，本文獲得的Pn波速度在中段及南段具有截然不同的分布特征為這一認(rèn)識(shí)提供了有利的地震學(xué)依據(jù).沿郯廬斷裂帶中段表現(xiàn)出的低速異常帶推測是由巖石圈地幔的高溫物質(zhì)沿構(gòu)造薄弱帶郯廬斷裂上涌所形成，熱物質(zhì)的上涌導(dǎo)致地殼中應(yīng)力的不均勻分布、降低了速度和剛度，它是該區(qū)域強(qiáng)震發(fā)生的深部動(dòng)力來源，與該段地震活動(dòng)水平高、強(qiáng)度大及歷史強(qiáng)震主要發(fā)生在該段有著較好的契合關(guān)系.郯廬帶南段成為高、低Pn波速度的分界，應(yīng)力容易在此集中并產(chǎn)生應(yīng)力差，我們認(rèn)為自有儀器記錄以來該段仍然處于應(yīng)力集中階段、未達(dá)到地震破裂程度，因此未曾記錄到強(qiáng)震.郯廬斷裂帶江蘇新沂至泗洪段現(xiàn)今地震活動(dòng)微弱，儀器記錄的小震也很少，李家靈等(1994)認(rèn)為斷層深部處于閉鎖狀態(tài).本文獲得的該段上地幔頂部Pn波高速特征為這一現(xiàn)象提供了地震學(xué)證據(jù).郯城8.5級(jí)地震的震中(圖6中紅色五角星)位于中段和南段之間速度結(jié)構(gòu)橫向差異最大的區(qū)域，該區(qū)域的強(qiáng)橫向非均勻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致構(gòu)造應(yīng)力最易于集中和最易于產(chǎn)生應(yīng)力差，震中深部具有強(qiáng)烈的非均勻性和十分明顯的深部構(gòu)造特征.此外，2012年江蘇高郵市、寶應(yīng)縣交界(119.6°E，33.0°N)發(fā)生的MS4.9破壞性地震，其震中位置位于兩個(gè)高速區(qū)之間的相對(duì)低速部分，兩個(gè)高速區(qū)之間相對(duì)低速部分同樣也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，本文結(jié)果說明此次破壞性地震同樣存在著明顯的深部結(jié)構(gòu)特征.

4結(jié)論與討論

本文搜集了國際地震中心(ISC)、中國地震臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的Pn波到時(shí)資料，采用Hearn和Ni(1994)提出的Pn波時(shí)間項(xiàng)層析成像法，反演獲得了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部Pn波速度和各向異性.反演結(jié)果揭示了研究區(qū)上地幔頂部速度結(jié)構(gòu)、方位各向異性的橫向變化及速度分布特征與強(qiáng)震活動(dòng)之間的關(guān)系.

(1)利用6381條Pn射線的走時(shí)資料，反演獲得了郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)及方位各向異性，結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)Pn波平均速度為7.95 km·s-1，橫向變化量從-0.27～+0.29 km·s-1，具有明顯的空間差異性.Pn波速度分布形態(tài)沿郯廬斷裂帶具有分段性，中段及周邊存在一明顯的NE向低速異常帶，推測構(gòu)造薄弱帶郯廬斷裂帶中段成為深部地幔高溫物質(zhì)上涌的通道，上涌形成的巖漿底侵或熱侵蝕作用造成了巖石圈的減薄、降低了上地幔頂部的速度和剛度.郯廬斷裂帶南段表現(xiàn)為一NNE向Pn波弱高波速異常帶，清晰地勾勒出了華北地塊與揚(yáng)子地塊2個(gè)不同塊體之間的分界，表明南段已切割至莫霍面、斷裂兩側(cè)橫向差異明顯，具有明顯的構(gòu)造塊體邊界特征.南段作為華北與揚(yáng)子2個(gè)不同塊體的分界向NW方向凹進(jìn)，這一凹進(jìn)高速區(qū)(江蘇新沂至泗洪段)也正是郯廬帶中南段地震活動(dòng)水平最低的區(qū)域.

(2)速度結(jié)構(gòu)分布形態(tài)與地殼淺表地質(zhì)構(gòu)造的地形面貌有著較好的契合關(guān)系.在地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定的盆地和地塊，如蘇北盆地、合肥盆地及固鎮(zhèn)盆地等，盆地內(nèi)部構(gòu)造變形及巖漿活動(dòng)較弱，Pn波速度偏高表明盆地上地幔頂部溫度較低，是構(gòu)造上穩(wěn)定的地區(qū)；在盆地周邊構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的造山帶則速度偏低，如魯西隆起及以南、大別—皖南及蘇南隆起一帶.這說明了穩(wěn)定塊體與活動(dòng)造山帶的巖石層地幔特性不同.

(3)在Pn波速方位各向異性明顯的地方，Pn波快波方向與地殼淺表運(yùn)動(dòng)方向、最大主壓應(yīng)力方向在宏觀上的基本一致，表明物質(zhì)運(yùn)移在地殼和上地幔之間是耦合的.Pn波速度各向異性強(qiáng)弱分布與速度異常分布相關(guān)聯(lián).整體上，如魯西隆起及以南、大別—皖南等低速區(qū)或者茅山斷裂帶附近、魯北等高低速過渡帶，其速度各向異性較為強(qiáng)烈；而在具有高速或弱高波速的蘇北盆地、合肥盆地等穩(wěn)定地塊和盆地下方各向異性相對(duì)弱些.郯廬斷裂帶附近方位各向異性較弱，尤其是中段，基本無法被Pn波探測獲得，推測是上地幔頂部“凍結(jié)”下來的各向異性痕跡被軟流圈熱物質(zhì)的上涌這一強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)削弱所致.南段具有與斷裂伸展方向一致的NE向快波速方向，表明南段以剪切變形為主且已切割至莫霍面.

(4)強(qiáng)震的空間分布與Pn波速度分布存在一定相關(guān)性，強(qiáng)震主要發(fā)生在上地幔頂部Pn波速度的低速異常區(qū)或高低波速異常過渡帶，表明強(qiáng)震的孕育及發(fā)生可能與上地幔頂部介質(zhì)的橫向不均勻性及地幔物質(zhì)的運(yùn)移密切相關(guān).南段高低速邊界在江蘇域向華北地塊NW一側(cè)凹進(jìn)彎曲，郯城8.5級(jí)地震的震中位于郯廬帶中段和南段這一速度橫向變化最大的區(qū)域，也是構(gòu)造應(yīng)力最易于集中和應(yīng)力差最易于產(chǎn)生的地區(qū)，表明郯城地震具有十分明顯的深部結(jié)構(gòu)特點(diǎn).郯廬帶在緯度33°—34.5°范圍儀器記錄地震少、現(xiàn)今地震活動(dòng)微弱，本文獲得的該區(qū)間上地幔頂部P波高波速異常特征為這一現(xiàn)象提供了地震學(xué)依據(jù).

致謝本文圖件采用GMT繪制，地震數(shù)據(jù)來源于國際地震中心(ISC)、中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)，特此致謝！感謝汪素云老師在研究過程中的幫助，感謝梁春濤博士、李大虎博士、范小平博士、張鵬博士對(duì)本文有益的討論.

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(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目江蘇省地震局青年科學(xué)基金項(xiàng)目“江蘇及鄰區(qū)上地幔頂部Pn波速度及各向異性研究”(14404)和中國地震局震害防御司“栟茶河斷裂活動(dòng)性鑒定”項(xiàng)目(1530601)聯(lián)合資助.

作者簡介顧勤平，男，中國地震局地球物理研究所在讀博士研究生，主要從事天然地震層析成像、淺層人工地震勘探及地震安全性評(píng)價(jià)研究工作.E-mail:gqp1221@163.com *通訊作者丁志峰，男，研究員，主要從事地震學(xué)方面的研究.E-mail:dingzf@cea-igp.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160210 中圖分類號(hào)P315

收稿日期2015-08-01，2015-12-14收修定稿

Pn wave velocity and anisotropy in the middle-southern segment of the Tan-Lu fault zone and adjacent region

GU Qin-Ping1，2， DING Zhi-Feng1*， KANG Qing-Qing2， ZHAO Qi-Guang2

1InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince,Nanjing210014,China

AbstractThe Tancheng-Lujiang fault zone is the largest deep NNE-trending fault zone in the Eastern China, which has always been focused by many geoscientists because of its importance and complexity. The middle-southern segment of the Tan-Lu fault and surrounding areas (115°E—122°E，29°N—38°N) is located in the crossing part of three Chinese geological blocks (North China block, Yangtze Craton, South China Folds).

We carefully selected 6381 Pn travel time picks from the earthquake bulletins of the International Seismological Center(ISC), China national seismic network and regional seismic network to invert for Pn velocity variation and anisotropy of the uppermost mantle beneath the middle-southern segment of the Tan-Lu fault and its adjacent areas by Pn wave time-term tomography method.

The result indicates that obvious lateral heterogeneities exist in the uppermost mantle beneath the study area and the Pn velocity varies from 7.68～8.24 km·s-1compared to the average velocity of 7.95 km·s-1. The Pn velocity structure along Tan-Lu fault has segmentation. The middle-segment of the Tan-Lu fault zone shows obvious NE-trending low velocity zone. Low velocity may result from the strongly thinning of the lithosphere and the upwelling of the asthenosphere hot material. The southern part of the Tan-Lu fault zone has NNE-trending weak high-velocity anomaly zone, which is considered as a high low-velocity boundary of two different tectonic blocks, North China and Yangtze. We hold that Tan-Lu has the characteristics of tectonic block boundary. The boundary curve to the North China from SE to NW in Jiangsu domain. The intensity distribution of Pn velocity anisotropy is correlated with the distribution of velocity anomaly. On the whole, velocity anisotropy is strong in low-velocity anomalies like Luxi uplift and southern region or the transition zone from high to low velocities near the Maoshan fault zone. Anisotropy is relatively weak under stable block and basin like Subei basin and Hefei basin, which has high velocity anomalies. Pn velocity anisotropy is weak along Tan-Lu fault zone and cannot be detected mainly by Pn wave especially in the middle segment. Strong tectonic movement resulted from the upwelling of asthenosphere hot material along the weak tectonic belt (Tan-Lu) fault weakened the anisotropy trace, which left from early tectonic movement in the lower part of the lithosphere. The fast wave direction near southern segment of Tan-lu is consistent with the fracture extension direction. The Pn velocity lateral variation has a certain correlation with strong earthquake activity. Most of major earthquakes occured on the edges of low-velocity anomalies or the transition zone from high to low velocities. The epicenter of the Tancheng 8.5 earthquake locate on the transition zone from high to low velocities of the middle-segment and southern segment, where the lateral variation of velocity is biggest and stress most concentrate easily and produce stress difference.

KeywordsTan-Lu fault； Middle-southern segment； Pn wave velocity； Anisotropy； Tancheng earthquake

顧勤平， 丁志峰， 康清清等. 2016. 郯廬斷裂帶中南段及鄰區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與各向異性.地球物理學(xué)報(bào)，59(2):504-515,doi:10.6038/cjg20160210.

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