于勇， 陳永順*， 菅漢超， 唐有彩,2， 寧杰遠

1 北京大學地球與空間科學學院地球物理研究所， 北京　100871 2中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京　102249

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華北克拉通中部過渡帶SKS波分裂研究:鄂爾多斯東南角的局部軟流圈繞流

于勇1， 陳永順1*， 菅漢超1， 唐有彩1,2， 寧杰遠1

1 北京大學地球與空間科學學院地球物理研究所， 北京100871 2中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京102249

摘要本文對布設在華北克拉通東西兩塊體交界區(qū)域的寬頻帶流動地震觀測臺陣和部分固定臺站的遠震波形記錄開展了SKS波分裂研究.結果顯示，鄂爾多斯塊體內(nèi)部的各向異性比較弱，剪切波分裂導致的時間延遲一般小于0.7 s.鄂爾多斯塊體東緣的山西斷陷帶和太行山以及華北平原西部均表現(xiàn)出了比較強的各向異性，時間延遲大于1.0 s.特別是在太行山地區(qū)觀測到的ENE趨向的快波偏振方向明顯不同于鄂爾多斯塊體和華北平原地區(qū)的近E-W和ESE方向的快波偏振方向.在華北克拉通東西兩塊體交界過渡帶的太行山地區(qū)觀測到的顯著上地幔各向異性及變化可能對應于圍繞鄂爾多斯塊體東南角的局部軟流圈繞流，而后者可能起因于鄂爾多斯塊體的逆時針旋轉以及青藏高原軟流圈沿秦嶺大別造山帶向東的流動.

關鍵詞華北克拉通； SKS波分裂； 上地幔各向異性； 軟流圈

1引言

華北克拉通由其東部塊體和其西部塊體在1.8 Ga前碰撞拼合而成(Zhao et al., 1999).自形成以來，華北克拉通經(jīng)歷了晚石碳世古亞洲洋向南的俯沖、晚三疊紀華南克拉通的碰撞、中生代-新生代太平洋板塊的俯沖以及新生代印度板塊與歐亞大陸的碰撞等構造事件，這些事件對華北克拉通的構造和演化產(chǎn)生了重要的影響.位于華北克拉通西部的鄂爾多斯塊體下方的巖石圈相對穩(wěn)定，古老的巖石圈根沒有遭到破壞; 然而，華北克拉通東部塊體下方的巖石圈由于拆沉和熱侵蝕的作用遭到破壞(或活化)，巖石圈厚度出現(xiàn)了明顯的減薄(Menzies et al., 1993;An and Shi, 2006; 朱日祥和鄭天愉，2009; 朱日祥等, 2011, 2012).作為華北克拉通東西兩個塊體之間過渡帶的太行山是中國大陸地貌、重力、巖石圈等結構和地球物理場的分界線.該區(qū)域巖石圈厚度從西部～200 km迅速減薄至東部～80 km，并呈現(xiàn)出一定的起伏(Chen, 2009,2010; Chen et al., 2009).因此，該區(qū)域的研究對于華北克拉通東西塊體的差異以及華北克拉通破壞成因的探索具有重要的意義.

SKS波分裂是研究上地幔各向異性的重要方法之一，近垂直入射的SKS波在水平方向有較高的分辨率.SKS波分裂主要由上地幔各向異性礦物晶體的優(yōu)勢排列引起，一定程度上反映了上地幔物質的活動和變形.SKS波分裂被廣泛地應用于中國大陸上地幔各向異性的研究(羅艷等, 2004; 常利軍等, 2009; Fu et al., 2010; Huang et al., 2011).王椿鏞等(2014)收集了中國及鄰區(qū)共1020個臺站的剪切波分裂參數(shù)的數(shù)據(jù)集，在此基礎上對中國大陸上地幔各向異性及其可能的動力學機制做了綜合的表述：東部各向異性主要來自于軟流圈的流動；西部各向異性主要由于巖石圈的形變；中部鄂爾多斯到四川盆地區(qū)域的各向異性比較復雜，局部表現(xiàn)出了兩層各向異性層和巖石圈內(nèi)遺留的“化石”各向異性的特點.

華北克拉通東西部上地幔結構存在明顯的區(qū)別，利用SKS波分裂可以得到上地幔各向異性的分布，再結合地震波速度結構層析成像等結果可以對華北克拉通上地幔構造及華北克拉通破壞的機制有更加全面的理解.之前對于鄂爾多斯塊體及其周邊的SKS波分裂研究主要利用固定臺站記錄的數(shù)據(jù)(常利軍等, 2011; Li et al., 2011; 胡亞軒等, 2011).數(shù)據(jù)連續(xù)，記錄時間長，但是臺站間距比較大，水平的分辨率比較小.利用密集的流動地震觀測臺陣對華北克拉通中部過渡帶進行SKS波分裂的研究主要位于過渡帶的北部和南部(Zhao et al., 2008; Zhao and Xue, 2010)，中部仍然存在空缺.本文利用SKS波分裂對布設在該區(qū)域的寬頻帶流動地震觀測臺陣及固定臺站進行了分析，得到了華北克拉通中部(包括鄂爾多斯塊體東緣、太行山以及華北克拉通東部塊體西緣)上地幔各向異性分布，進而對該區(qū)域上地幔巖石圈和軟流圈的構造和活動進行詳細分析.

2數(shù)據(jù)資料及方法

2.1資料

北京大學分別于2006年8月至2008年3月、2007年1月至2008年3月以及2008年4月至2009年7月在華北克拉通中部布設了三條寬頻帶流動地震觀測臺陣，共63個臺站(圖1，表1).本研究還對臺陣附近北京大學近期(2012—2014)布設的13個寬頻帶流動地震觀測臺站和2009年4月至2010年1月期間6個國家數(shù)字測震臺網(wǎng)固定臺站(鄭秀芬等, 2009)(圖1，表2)記錄的SKS波進行了分析.本研究利用上述地震觀測臺站所記錄的地震資料，選取震中距在85°～120°范圍內(nèi)、震級大于5.5級的地震事件(圖1)，并根據(jù)SKS波主要能量所處的頻帶范圍，分別在0.05～0.4 Hz和0.1～0.5 Hz頻帶范圍內(nèi)對SKS波分裂進行了分析.

2.2方法

剪切波在穿過各向異性介質時會產(chǎn)生偏振方向垂直、速度不同的兩個剪切波，即剪切波分裂現(xiàn)象.通常用快波偏振方向和時間延遲來描述剪切波分裂現(xiàn)象.SKS波在穿出核幔邊界時由P波轉換為SV波，因此初始的偏振方向已知，并且消除了震源部分各向異性介質的干擾，SKS波分裂完全由臺站下方的地幔和地殼物質的各向異性產(chǎn)生.一般認為地殼各向異性對SKS波分裂的貢獻比較小，SKS波分裂主要來自于地幔各向異性.

本研究計算SKS波分裂參數(shù)所利用程序是在SplitLab程序(Wüstefeld et al., 2008)基礎上編寫，實現(xiàn)了SKS波分裂參數(shù)的半自動計算.首先，利用STA/LTA方法(Earle and Shearer, 1994)判斷是否記錄到清晰的SKS波震相.SKS波分裂時間窗長度和位置的選取對于計算結果有一定的影響，對于信噪比比較低的事件影響更加明顯.在自動計算SKS波分裂參數(shù)時，如果選取了錯誤的時間窗，可能會丟失掉一部分可信的結果或引入錯誤的結論.簡單地利用計算誤差作為時間窗的選取標準并不穩(wěn)定.Teanby等(2004)提出利用聚類分析法，根據(jù)計算結果的誤差值和方差選取最優(yōu)時間窗，但是該方法計算量相對較大.本研究利用改變時間窗的長度和位置，選取SKS波分裂參數(shù)變化最小的位置作為最優(yōu)時間窗.該方法計算結果穩(wěn)定，計算過程簡單.在所選取的時間窗內(nèi)，利用最小特征值法計算SKS波分裂參數(shù)和誤差(Silver and Chan, 1991).程序只保留校正后快慢波波形互相關系數(shù)大于0.8、偏振方向與事件后方位角方向夾角小于45°的結果.由于震相波形的復雜性和噪音干擾，上述自動計算程序所得到的結果并不完全可信.因此，之后還需要根據(jù)波形好壞以及質點運動軌跡圖對自動計算得到的結果進行人工篩選.各個臺站的SKS波分裂參數(shù)由該臺站記錄的SKS波分裂結果根據(jù)分裂參數(shù)的誤差平方的倒數(shù)作為權重加權平均得出.圖2和圖3展示了單個SKS波分裂參數(shù)的計算結果和HD07臺站的匯總結果.

表1　北京大學流動觀測臺陣SKS波分裂結果列表*

注：*其中快波偏振方向為與北夾角，順時針為正值；“-”表示該臺站由于受正常工作時間短或環(huán)境噪音強等原因影響，得到的SKS分裂結果數(shù)量小于2個，結果可信度不高，因此沒有在表格中列出.

3結果

根據(jù)上述方法計算得到所有地震觀測臺站的SKS波分裂參數(shù)，并選取SKS波分裂結果數(shù)量大于2的臺站(表1，表2，圖4).從結果(圖5)可以看出：在山西斷陷帶以西的鄂爾多斯塊體內(nèi)部，快波偏振方向主要為ESE方向，局部少數(shù)臺站表現(xiàn)為ENE方向，時間延遲比較小，一般小于0.7 s.山西斷陷帶部分，南段快波偏振方向仍然為ESE方向，中段快波偏振方向為近E-W方向，時間延遲較鄂爾多斯塊體內(nèi)部的增大到～1.0 s.太行山的時間延遲與山西斷陷帶的結果相當，但其快波偏振方向主要為ENE方向.在華北平原區(qū)域，快波偏振方向主要為近E-W方向或ESE向，時間延遲大于1.2 s.研究區(qū)內(nèi)快波偏振方向大體上都是ESE向，與該區(qū)域板塊絕對速度(APM)方向(Gripp and Gordon, 2002)基本一致，而太行山則主要呈現(xiàn)ENE方向，與APM方向具有一定的角度差.在鄂爾多斯塊體、山西斷陷帶、太行山，南段的時間延遲明顯大于中段的.該結果與Zhao和Xue(2010)對于華北克拉通南部以及常利軍等(2009)對于華北克拉通東部SKS波分裂的部分結果相一致.

圖2　HD07所記錄2008年9月1日4時00分發(fā)生的地震事件的SKS波分裂結果(a) 藍色虛線和紅色實線分別為矯正前和矯正后的質點運動軌跡，橫縱坐標分別表示徑向和切向； (b) 最小特征值等值線圖，橫縱坐標分別表示時間延遲和快波偏振方向，兩條藍線的交點為最優(yōu)解，灰色區(qū)域為誤差； (c) 藍色虛線和紅色實線分別為矯正后的徑向和切向SKS波波形； (d) 藍色虛線和紅色實線分別為矯正后并做振幅歸一化的快波和慢波波形.

圖3　(a) HD07臺站SKS波分裂時間延遲以及測量誤差隨后方位角方向的分布； (b) HD07臺站SKS波分裂快波偏振方向以及測量誤差隨后方位角方向的分布

圖4　各臺站SKS波分裂結果每條線段表示該臺站記錄的SKS波分裂結果的快波分裂方向和分裂延遲，內(nèi)外圈的時間延遲分別為1 s和2 s.

圖5　研究區(qū)內(nèi)SKS波分裂結果線段的長度表示時間延遲的大小，其方向表示快波偏振方向.紅色為三條寬頻帶流動地震觀測臺陣的SKS波分裂結果；藍色直線和綠色直線分別代表補充流動觀測臺站和固定臺站的SKS波分裂結果.棕色直線AA′為圖6中展示的S波速度結構剖面位置；黃色箭頭表示GPS觀測到的地殼運動速度矢量(牛之俊等, 2005)；大黑色空心剪頭表示歐亞板塊絕對運動方向(Gripp and Gordon, 2002).

臺站緯度(°)經(jīng)度(°)?(°)σ?(°)δt(s)σδt(s)事件數(shù)QS104112.5536.4179250.500.3310SD09112.6936.0489161.010.225SD202112.7835.20-8341.370.107QS105112.8235.577590.900.0818QS111112.8434.42-8541.410.099QS102112.9137.10-8980.500.0920SD201112.9935.917581.190.157QS101113.1137.46-80100.410.1311SD31B113.2534.15-80121.290.193QS103113.6436.54-8771.340.154QS108113.6935.17-74131.420.183QS107113.9135.67-7661.420.1414QS109114.3834.60-7951.570.1013XIX111.036.750180.690.2213LIF111.436.1-----HMA111.435.676280.470.269HZH111.936.667150.690.227ANZ112.336.26890.990.194YAC112.435.48661.300.1215

注：*數(shù)字編號臺站為北京大學寬頻帶流動地震觀測臺站，字母編號臺站為國家數(shù)字測震臺網(wǎng)固定臺站.

4討論

SKS波分裂研究獲得的各向異性主要來自于上地幔橄欖石礦物晶體的優(yōu)勢排列.地殼對SKS波分裂的時間延遲的貢獻一般小于0.2 s，當時間延遲大于1.0 s時，可以認為主要反映了上地幔的各向異性(Savage, 1999).上地幔各向異性的產(chǎn)生主要有現(xiàn)今上地幔軟流圈物質流動和巖石圈物質形變兩種解釋(Silver, 1996)，區(qū)別在于前者是反映了目前軟流圈物質流動產(chǎn)生的各向異性；而后者是地質時期巖石圈構造活動形變的記錄，與現(xiàn)代構造活動無關.

4.1板塊運動控制的軟流圈物質流動導致SKS波分裂

華北克拉通西部的鄂爾多斯塊體的巖石圈厚度最深可以達到200 km以下(An and Shi, 2006; Chen, 2009, 2010; Chen et al., 2009)，在該區(qū)域測量得到的時間延遲比較小，快波偏振方向在局部范圍內(nèi)不完全一致.鄂爾多斯塊體小于0.7 s的時間延遲對應了各向異性層厚度小于80 km，而且鄂爾多斯塊體是構造穩(wěn)定的克拉通，其表現(xiàn)出來的各向異性也可能是古老克拉通遺留的“化石”各向異性.

4.2軟流圈局部物質流動

鄂爾多斯塊體和華北克拉通東部塊體在大約1.8 Ga前發(fā)生碰撞，形成了華北克拉通中部造山帶(Zhao et al., 2001).從本文的結果(圖5)可以看出，由華北平原進入太行山區(qū)域內(nèi)的SKS波快波偏振方向發(fā)生明顯的轉動，由ESE方向變?yōu)镋NE方向.Zhao等(2008)和Zhao和Xue (2010)在太行山北部和南部觀測到了相同的SKS波快波偏振方向變化.Zhao等(2011)的解釋是，該快波偏振方向的變化主要由于該區(qū)域下方存在上涌的地幔物質，并與巖石圈下邊界相互作用，進而產(chǎn)生了軟流圈流動方向的偏轉.我們這里提出另外一種模型，這種SKS波分裂參數(shù)的變化與新生代以來青藏高原上地幔物質向東逃逸和鄂爾多斯塊體的逆時針旋轉有關.

顯然簡單的受板塊運動控制的軟流圈流動不能解釋在華北克拉通東、西部塊體之間的過渡帶——太行山區(qū)域內(nèi)快波偏振方向的變化.因此，我們提出軟流圈局部流動來解釋這種變化，即在太行山下面存在局部的ENE方向的軟流圈流動，且太行山南段強于中段，體現(xiàn)在南段的時間延遲較中段大.自新生代早期印度板塊和歐亞板塊碰撞以來，歐亞板塊始終受到印度板塊的推擠，近2000 km南北向的地殼縮短造就了青藏高原和北部邊緣的造山帶，并導致了青藏高原地殼和上地幔物質向東逃逸(Herquel et al., 1995; Yin and Harrison, 2000).由于秦嶺大別造山帶位于鄂爾多斯地塊和四川盆地之間，巖石圈相對較薄(An and Shi, 2006)，可以為青藏高原東北部軟流圈向中國大陸東部流動提供通道(Huang et al., 2008; 常利軍等, 2011; Li et al., 2011).

如果該假說成立的話，從青藏高原東北部向東逃逸的軟流圈物質經(jīng)過秦嶺大別造山帶后，南北兩側較深的巖石圈根逐漸變淺，軟流圈物質在太行山下向有可能沿ENE方向擴散，即可能存在一個圍繞鄂爾多斯塊體東南角的繞流.另外，由于受到印度板塊和歐亞板塊近南北向碰撞造成的青藏高原向東北方向的推擠，可能導致了鄂爾多斯塊體在新生代以來存在逆時針旋轉(李延興等, 2005; Li et al., 2011).鄂爾多斯塊體逆時針旋轉也促進了其東南角軟流圈的繞流.本文得出的SKS波快波偏振方向和時間延遲從太行山南部到中部逐漸減小的觀測結果與軟流圈物質圍繞鄂爾多斯塊體東南角的繞流有較好的對應.該模型也可以得到面波成像結果(Tang et al., 2013)的支持.沿近東西向貫穿研究區(qū)的地殼和上地幔S-波速度剖面(圖6)顯示鄂爾多斯塊體巨厚(>200 km)的巖石圈根(藍色的高速體)在山西斷陷帶以東迅速減薄至太行山下面的100～120 km，最后減低為華北平原的60～80 km厚.顯然，太行山已經(jīng)不再具備鄂爾多斯塊體的克拉通性質了，其100 km以下對應的低速可能對應本文提出的圍繞鄂爾多斯塊體東南角的軟流圈繞流.

圖6　沿近東西向貫穿研究區(qū)的地殼和上地幔S-波速度剖面，引自Tang等(2013).剖面位置見圖5.

值得注意的是，在太行山中部東西向較窄的范圍內(nèi)有4個臺站的快波偏振方向為近E-W向，并且時間延遲較小，與該區(qū)域周圍臺站的結果存在明顯差異，其產(chǎn)生的原因有待進一步研究.

4.3華北克拉通中部塊體邊界的深部結構

根據(jù)本文的SKS波分裂研究結果(圖5)，結合面波速度結構圖象(圖6)，可以得出如下推斷.仍然保持華北克拉通性質的鄂爾多斯塊體的東邊界應位于山西斷陷帶.從西向東通過該斷陷盆地，SKS波快波偏振方向和時間延遲都有顯著的變化.快波偏振方向從鄂爾多斯塊體的近E-W向或ESE方向沿逆時針方向旋轉到在太行山的ENE方向，時間延遲從小于0.5 s增加到太行山的～1.0 s.同時，鄂爾多斯塊體的巖石圈根在山西斷陷帶以東迅速減薄至太行山下面的100～120 km.

太行山與華北平原交界處存在明顯的地形高度差.有趣的是，隨著地形高度的迅速減低，SKS波分裂參數(shù)也呈現(xiàn)了明顯變化.快波偏振方向從太行山的ENE方向旋轉到在華北平原的ESE方向，時間延遲也從1.0 s左后增加到～1.5 s.巖石圈厚度也從太行山地區(qū)的100 km減薄為華北平原的60～80 km厚.SKS波分裂參數(shù)和巖石圈厚度在穿過太行山區(qū)東西兩個邊界時都有顯著的變化，Yu等(2012)利用虛擬地震反射法和接收函數(shù)方法給出的結果似乎表明Moho面深度也有顯著變化，盡管許多其他研究論文認為Moho面在這些邊界的變化并不明顯(嘉世旭和張先康, 2005; Li et al., 2006; Pan and Niu, 2011).

因此可以認為相對于華北平原，太行山造山帶是還沒有完全被破壞的華北克拉通的殘余塊體，是完全被破壞的華北克拉通東部塊體和保留完整的華北克拉通西部塊體(鄂爾多斯塊體)之間的過渡帶，也是目前正在經(jīng)歷克拉通破壞的地區(qū)(假如造成華北克拉通破壞的過程還在進行).因此，太行山地區(qū)應該是研究華北克拉通破壞機制的重要地區(qū)，有待今后詳細的多學科綜合研究.

5結論

本文利用SKS波分裂方法對北京大學布設在華北克拉通中部的寬頻帶流動地震臺陣(76個臺站)及6個國家數(shù)字測震臺網(wǎng)固定臺站的遠震記錄進行了分析.結果顯示鄂爾多斯塊體內(nèi)部的各向異性比較弱，剪切波分裂導致的時間延遲一般小于0.7 s；位于鄂爾多斯塊體東部邊緣的山西斷陷帶和太行山以及華北平原西部均表現(xiàn)出了比較強的各向異性，時間延遲大于1.0 s，并且南段的各向異性強于中段的.推斷華北克拉通東部塊體下各向異性主要來自于上地幔軟流圈的流動；尤其是太行山觀測到的顯著的上地幔各向異性及變化可能對應圍繞鄂爾多斯塊體東南角的局部軟流圈繞流，而后者起因于鄂爾多斯塊體的逆時針旋轉以及青藏高原軟流圈沿秦嶺大別造山帶向東逃逸造成的在太行山下沿ENE方向流動.作為華北克拉通東西塊體之間的過渡帶，太行山造山帶可能是目前正在經(jīng)歷克拉通破壞的地區(qū)，將是今后多學科重點研究的區(qū)域.

致謝感謝參加北京大學流動臺陣野外工作的全體師生所付出的辛勤勞動.感謝中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供地震波形數(shù)據(jù).

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(本文編輯胡素芳)

基金項目中國地震科學臺陣探測-南北地震帶北段(201308011)，國家高技術研究發(fā)展計劃(863)(2009AA093401-05)和國家自然科學基金委(91128210；90814002)聯(lián)合資助.

作者簡介于勇，男，1987年生，博士研究生，主要從事體波層析成像和地震各向異性研究. E-mail: yuyong@pku.edu.cn *通訊作者陳永順，男，教授，主要從事地震大地構造學和海洋地球物理學研究. E-mail: johnyc@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160111 中圖分類號P315

收稿日期2015-03-19，2015-07-23收修定稿

SKS wave splitting study of the transition zone at the central portion of the North China Craton

YU Yong1, CHEN Yong-Shun1*, JIAN Han-Chao1, TANG You-Cai1,2, NING Jie-Yuan1

1InstituteofTheoreticalandAppliedGeophysics(ITAG),SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,andUnconventionalNaturalGasInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China

AbstractSKS wave splitting analysis is performed to image the upper mantle anisotropy on the teleseismic data recorded by Peking University temporary seismic arrays and several permanent seismic stations in the transition zone at the central portion of the North China Craton (NCC). Weak seismic anisotropy is observed inside the Ordos block with delay times less than 0.7 s. The delay times in the eastern margin of the Ordos block, including the Shanxi Basin, Taihang mountain and the North China plain are larger than 1.0 s, showing strong anisotropy in the upper mantle. The ENE fast polarization directions in the Taihang mountain are significantly different from the E-W to ESE fast polarization directions in the Ordos block and the North China plain to the west and east. As the transition zone of the eastern and western NCC, the variation of the upper mantle anisotropy in the Taihang mountain may reveal a local asthenospheric flow around the southeastern corner of the Ordos block, induced by the anticlockwise rotation of the Ordos block and the eastward asthenospheric flow along the Qinling-Dabie orogen from the northeastern Tibetan Plateau.

KeywordsNorth China Craton； SKS wave splitting； Upper mantle anisotropy； Asthenosphere

于勇，陳永順，菅漢超等. 2016. 華北克拉通中部過渡帶SKS波分裂研究:鄂爾多斯東南角的局部軟流圈繞流.地球物理學報，59(1):141-151,doi:10.6038/cjg20160111.

Yu Y, Chen Y S, Jian H C, et al. 2016. SKS wave splitting study of the transition zone at the central portion of the North China Craton.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):141-151,doi:10.6038/cjg20160111.