常利軍，丁志峰，王椿鏞

中國地震局地球物理研究所，北京 100081

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南北構(gòu)造帶北段上地幔各向異性特征

常利軍，丁志峰，王椿鏞

中國地震局地球物理研究所，北京 100081

對布設在南北構(gòu)造帶北段的中國地震科學探測臺陣項目二期674個寬頻帶流動臺站和鄂爾多斯臺陣21個寬頻帶流動臺站記錄的遠震XKS(SKS、SKKS和PKS)波形資料作偏振分析，采用最小切向能量的網(wǎng)格搜索法和“疊加”分析方法求得每一個臺站的XKS波的快波偏振方向和快、慢波的時間延遲，并結(jié)合該區(qū)域出版的122個固定臺站的分裂結(jié)果，獲得了南北構(gòu)造帶北段上地幔各向異性圖像.快波方向分布顯示青藏高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體西緣的快波方向主要表現(xiàn)為NW—SE方向，秦嶺造山帶的快波方向為近E—W方向，鄂爾多斯塊體內(nèi)部的快波方向在北部為近N—S方向，南部表現(xiàn)為近E—W方向.時間延遲分布來看，鄂爾多斯塊體的時間延遲不僅明顯小于其周緣地區(qū)，而且小于其他構(gòu)造單元，特別是在高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的交匯地區(qū)的時間延遲很大，反映了構(gòu)造穩(wěn)定單元的時間延遲小于構(gòu)造活躍單元.通過比較快波方向的橫波分裂測量值與地表變形場模擬的預測值，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和巖石圈結(jié)構(gòu)特征分析表明，在青藏高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體西緣各向異性主要由巖石圈變形引起，地表變形與地幔變形一致，地殼耦合于地幔，是一種垂直連貫變形模式；秦嶺造山帶的各向異性不僅來自于巖石圈，而且其巖石圈板塊驅(qū)動的軟流圈地幔流作用不可忽視；鄂爾多斯塊體內(nèi)部深淺變形不一致，具有弱的各向異性、厚的巖石圈和構(gòu)造穩(wěn)定的特征，我們認為其各向異性可能保留了古老克拉通的“化石”各向異性.

南北構(gòu)造帶；地震臺陣；橫波分裂；巖石圈變形；軟流圈地幔流

1 引言

南北構(gòu)造帶，也被稱為南北地震帶，它地處中國大陸中部，是一條重要的近N—S經(jīng)向地質(zhì)、地貌分界線和大地構(gòu)造過渡帶，其為跨越和聯(lián)合了多個性質(zhì)不同的構(gòu)造單元復合構(gòu)造帶，帶內(nèi)構(gòu)造復雜，強震活動頻繁(李善邦,1957;李四光,1959;馬杏垣,1989;葛肖虹等,2009).南北構(gòu)造帶北段位于青藏高原東北緣，這里為華北克拉通西部的鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體與青藏高原東北緣相互作用的地區(qū).地球上，陸-陸碰撞的造山過程最壯觀的表現(xiàn)是由大約50 Ma開始的印度-歐亞板塊碰撞所形成的青藏高原.碰撞導致了青藏高原的不斷隆升、地殼增厚及其側(cè)向逃逸(Molnar and Tapponnier,1975;Royden et al.,1997;Dewey and Burke,1973).青藏高原東北緣是高原物質(zhì)擠出的一個重要通道，這里強烈的造山運動和大型走滑斷裂活動使得青藏高原東北緣、鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體交界帶強震頻發(fā).據(jù)我國歷史地震記載，該區(qū)域發(fā)生了我國1/3的8級以上大地震，如1654年天水8級地震，1739年平羅8級地震，1879年武都8級地震，1920年海原8.5級地震，1927年古浪8級地震(圖1).通過分析南北構(gòu)造帶北段地殼和上地幔變形特征對理解這一由多個構(gòu)造單元組成的復合構(gòu)造帶形成的動力學過程和強震孕育的動力環(huán)境具有重要意義.

地震各向異性是地球內(nèi)部物質(zhì)的一個基本屬性.上地幔各向異性一般被認為是由于應變作用下地幔物質(zhì)變形導致橄欖巖中晶格的優(yōu)勢取向(LPO)所引起的.由于各向異性和應變密切相關，各向異性反映了深部構(gòu)造的變形和動力過程.橫波分裂現(xiàn)象作為各向異性在地震波記錄中最明顯的表現(xiàn)形式，兩個分裂參數(shù)：快波偏振方向和快、慢波的時間延遲分別反映了地幔變形的方向和強度(Silver and Chan,1991).因此，遠震橫波分裂測量獲得的地幔各向異性參數(shù)是揭示地幔變形最直接有效的手段之一，可以用來探討高原隆升機制和各個構(gòu)造單元相互作用的動力學特征(丁志峰和曾融生,1996;高原和滕吉文,2005).有關南北構(gòu)造帶北段的各向異性研究一直受到地學工作者的關注，一些學者在青藏高原東北緣和鄂爾多斯塊體利用橫波分裂分析該區(qū)域的上地幔各向異性特征(常利軍等,2008,2011;Wang et al.,2008;馬禾青等,2010;李永華等,2010;Li et al.,2011;張洪雙等,2013;王瓊等,2013;Wu et al.,2015).然而，由于以前該區(qū)域的寬頻帶固定地震臺站數(shù)量較少，而且分布不均，特別是阿拉善塊體、鄂爾多斯塊體內(nèi)部.因此，對該區(qū)域的各向異性特征很難從整體上來詳細分析.近期，中國地震科學探測臺陣(ChinArray)項目順利實施，2013年至2015年，由中國地震局地球物理研究所牽頭的中國地震科學探測臺陣——南北地震帶北段項目在研究區(qū)布設了674個寬頻帶流動地震臺站，再加上我們在2010年至2011年期間開展的鄂爾多斯地震臺陣(Ordos Array)的21個寬頻帶流動地震臺站(Wang et al.,2014)，在研究區(qū)形成了密集且分布均勻的大型地震科學探測臺陣(圖1)，使得我們能夠?qū)υ搮^(qū)域的上地幔各向異性特征進行進一步全面和詳細的分析，并討論其動力學含義.

地球科學家對高原隆升提出了多種解釋模型.例如，Tapponnier等(1982)提出了“擠出說”或“逃逸說”的運動學模式，England和Houseman(1986)提出了“連續(xù)變形”的動力學模式，還有一些學者提出了下地殼塑性流動說(Royden et al.,1997)，即通道流(channel flow)模型.每個模型都試圖解釋高原變形隆升的性質(zhì).然而，如何理解巖石圈地幔在造山過程中的作用卻仍然是個問題.如果我們能夠直接測量實際的地幔變形并表征它與地殼變形的關系，這將構(gòu)成理解地幔變形作用在造山增長原因的基本手段.當前，這樣的求值方法可以通過聯(lián)合分析地表變形數(shù)據(jù)和地幔各向異性來獲得(Silver and Holt,2002;Flesch et al.,2005;Wang et al.,2008;Chang et al.,2015).本文聯(lián)合南北構(gòu)造帶北段GPS觀測的地表變形數(shù)據(jù)和由密集的寬頻帶地震臺陣得到的橫波分裂測量反映的地幔變形數(shù)據(jù)分析了高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的巖石圈變形耦合程度和動力學含義.

2 橫波分裂測量

地震資料來自于中國地震科學探測臺陣——南北地震帶北段項目(“喜馬拉雅”項目二期)布設的674個寬頻帶流動地震臺站(觀測時間為2013年到2015年，地震計為CMG-3ESP，頻帶范圍為50 Hz～60 s)，21個來自國家自然科學基金重點項目資助布設在鄂爾多斯地震臺陣的寬頻帶流動地震臺站(觀測時間為2010年到2011年，地震計為CMG-3ESP，頻帶范圍為50 Hz～60 s)，總計695個臺站記錄的遠震波形資料(圖1).在遠震橫波分裂測量中，基于中國地震臺網(wǎng)(CSN)地震目錄，選取震中距范圍85°～135°，震級MS>5.8，震相清晰的XKS(SKS、SKKS和PKS)波形資料.

對選取的遠震XKS波形記錄，我們采用最小切向能量的網(wǎng)格搜索方法(Silver and Chan,1991)和“疊加”處理(Wolfe and Silver,1998)來測量每一個臺站的橫波分裂參數(shù)，解的誤差估計用95%的置信度.數(shù)據(jù)預處理采用帶通濾波(0.03～0.5 Hz)，為了確保測量結(jié)果的正確，每次橫波分裂測量過程嚴格按照下面標準去檢驗：(1)選取的XKS波在旋轉(zhuǎn)到徑向和切向坐標軸上，切向分量要明顯，且質(zhì)點運動圖為橢圓，以表明橫波具有明顯的分裂特征；(2)通過橫波分裂分析測量得到橫波分裂參數(shù)，在進行各向異性校正后，橫波旋轉(zhuǎn)到徑向和切向坐標軸上，切向分量變得很小，且質(zhì)點運動圖為近似直線；(3)各向異性校正前的快、慢波之間有明顯的到時差，且質(zhì)點運動圖為橢圓；(4)校正后的快、慢波之間的到時差變得很小，且質(zhì)點運動圖近似為直線.圖2顯示了對2015年6月12日11時07分湯加群島MW6.0地震在53004臺的記錄所作的SKS波分裂分析.圖3顯示了64008臺從3個遠震事件(2014年12月30日21時17分MW6.0；2015年5月30日17時18分MW5.9；2015年6月25日18時45分MW6.0)獲得的SKS波分裂分析結(jié)果(圖3a、圖3b和圖3c)與使用“疊加”處理后結(jié)果(圖3d)的比較，這3個分裂參數(shù)誤差較大的事件，經(jīng)過疊加之后最終分裂參數(shù)的誤差明顯減小.

圖1 南北構(gòu)造帶及鄰區(qū)構(gòu)造簡圖(據(jù)任紀舜等，1980)和臺站分布圖圖中紅色方框為研究區(qū)，紅色三角形為中國地震科學探測臺陣(ChinArray)的臺站，黑色正方形為鄂爾多斯地震臺陣(Ordos Array)的臺站，研究區(qū)主要斷裂為:F1青銅峽—固原斷裂；F2海源斷裂；F3東昆侖斷裂；F4龍門山斷裂.虛線為塊體邊界.綠色圓圈為1970年以來5級以上地震，黑色實心圓為8級以上歷史地震.藍色箭頭代表GPS測量的地表運動速度場(Gan et al.,2007).插圖a為本文選取的遠震事件分布圖，黑色圓圈是為中國地震科學探測臺陣(ChinArray)選取的72個遠震事件，紅色圓圈是為鄂爾多斯地震臺陣(Ordos Array)選取的61個遠震事件.Fig.1 Map showing major tectonic features of the north-south tectonic belt and surrounding regions (from Ren et al.,1980),and regional geologic setting of the study area and location of stations The study area is shown by the red square.Red triangles and black squares represent seismic stations of the ChinArray and Ordos Array,respectively.Black lines are major faults.F1:Qingtongxia-Guyuan Fault;F2:Haiyuan Fault;F3:East Kunlun Fault;F4:Longmenshan Fault.Dashed lines represent boundaries between blocks.Green circles show earthquakes with M>5 since 1970s.Black solid circles mark historical earthquakes with M≥8.Blue arrows display GPS velocity vectors calculated in the stable Eurasian reference frame (Gan et al.,2007).Inset (a) shows epicenters of events used in the study.Black and red dots represent 72 events and 61 events recorded by the ChinArray and Ordos Array,respectively.

圖2 SKS波分裂分析示例(a) 原始的徑向和切向上的波形和質(zhì)點運動圖；(b) 經(jīng)過各向異性校正后的徑向和切向上的波形和質(zhì)點運動圖；(c) 原始SKS震相轉(zhuǎn)到快波和慢波軸方向的波形和質(zhì)點運動圖；(d) 經(jīng)過各向異性校正后SKS震相在快波和慢波軸方向的波形和質(zhì)點運動圖；(e) 切向能量等值線圖，星號處對應了最佳的分裂參數(shù).Fig.2 Shear wave splitting analysis for an SKS event recorded at station 53004(a) Radial and tangential components;(b) Radial and tangential components after the energy in the tangential component is removed;(c) Components from Fig.2a rotated to the fast and slow directions;(d) Fast and shifted slow components.Particle motion is shown on the right of each seismogram;(e) Contours of the energy on the corrected tangential component.Black asterisk is the best estimate.

圖3 64008臺單個遠震事件SKS波分裂分析的切向能量等值線圖(a)、(b)和(c)以及由這三個事件疊加得到的切向能量等值線圖(d)圖中星號表示最佳分裂參數(shù)的位置.Fig.3 Tangential energy contour of SKS splitting analysis from three teleseismic events (a),(b),and (c),and the stacked tangential energy contour (d) at station 64008The asterisk denotes the position of optimal parameter pair.

圖4 南北構(gòu)造帶北段各臺站XKS波分裂測量結(jié)果紅色直線段為流動臺陣的結(jié)果，藍色直線段為以前固定臺站的結(jié)果(常利軍等,2008,2011;Wang et al.,2008).線段的方向表示快波方向，線段的長度表示時間延遲的大小.黑色粗箭頭為絕對板塊運動(APM)方向.Fig.4 Measurements of XKS splitting in the northern segment of the north-south tectonic beltRed bars and blue bars represent splitting measurements at temporary stations and previous permanent stations (Chang et al.,2008,2011;Wang et al.,2008),respectively.The orientations and length of bars indicate the fast polarization direction and the delay time,respectively.Black thick arrowhead represents the direction of absolute plate motion (APM).

圖5 南北構(gòu)造帶北段快、慢波時間延遲和8級以上地震分布圖Fig.5 Distribution of delay times and megaquakes in the northern segment of the north-south tectonic belt

3 橫波分裂測量結(jié)果和分析

根據(jù)上述方法，我們測量了南北構(gòu)造帶北段695個寬頻帶流動地震臺記錄的遠震XKS波形，得到了每個臺站的橫波分裂參數(shù).由于地震臺陣位于中國西部，整體背景噪聲較低，數(shù)據(jù)記錄的整體質(zhì)量較好，2年多的觀測時間，獲得的可用于分裂分析的遠震事件較多，并且單個事件分析的基礎上進行了“疊加”分析處理，因而絕大多數(shù)的流動臺站的分裂測量質(zhì)量比較好.總體上，絕大多數(shù)的臺站經(jīng)過“疊加”分析處理后，其快波方向的誤差小于10°，快、慢波的時間延遲小于0.2 s.根據(jù)每個臺站得到的各向異性參數(shù)離散性分析，沒有大的離散，沒有表現(xiàn)出隨事件反方位角規(guī)律性的變化，體現(xiàn)了單層各向異性特征.

基于南北構(gòu)造帶北段695個流動臺站測量的橫波分裂參數(shù)結(jié)果，并結(jié)合我們以前在該區(qū)域獲得的122個固定臺站分裂結(jié)果(常利軍等,2008,2011;Wang et al.,2008)，我們用這817個臺站的分裂數(shù)據(jù)繪制了南北構(gòu)造帶北段目前最全面的上地幔各向異性圖像(圖4和圖5).從圖1中看，流動臺站的結(jié)果與其鄰近的固定臺站結(jié)果一致，密集和均勻的臺站分布展現(xiàn)了其面狀分布的特征.從快波方向分布來看(圖4)，青藏高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體西緣的快波方向主要表現(xiàn)為NW—SE方向，位于鄂爾多斯塊體南緣的秦嶺造山帶的快波方向為近E—W方向，鄂爾多斯塊體內(nèi)部的快波方向在北部為近N—S方向，南部表現(xiàn)為近E—W方向.從快、慢波的時間延遲分布來看(圖5)，鄂爾多斯塊體的時間延遲不僅明顯小于其周緣地區(qū)，而且小于其他構(gòu)造單元.特別是在高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的交匯地區(qū)的時間延遲很大，其平均時間延遲達1.3 s，而鄂爾多斯塊體內(nèi)部時間延遲平均值僅為0.6 s.與鄂爾多斯塊體同屬華北克拉通西部塊體的阿拉善塊體其平均時間延遲約1 s，也明顯大于鄂爾多斯塊體.整體來看，構(gòu)造活躍地區(qū)的時間延遲明顯大于構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)，特別是圖5中時間延遲分布最大的區(qū)域?qū)搜芯繀^(qū)內(nèi)8級以上強震的分布.

4 聯(lián)合分析地表變形場和橫波分裂數(shù)據(jù)

XKS波分裂測量的各向異性快波偏振方向代表了地幔橄欖巖有限應變引起的晶格優(yōu)勢取向(LPO)(Silver and Chan,1991).因此，快波方向φ平行于構(gòu)造應力作用下橄欖巖的a軸.實驗室研究顯示，在缺少部分熔融或富含水的情況下，對于A-型的LPO，在簡單剪切變形中，橄欖巖的a軸平行于有限應變的最大剪切方向(Zhang and Karato,1995)；在純剪切變形中，A-型橄欖巖的a軸平行于有限應變的拉張方向(Nicolas et al.,1973).

由于簡單剪切下，地表瞬時最大剪切方向與有限應變最大剪切方向平行；純剪切下，地表瞬時最大剪切方向與有限應變最大伸展方向平行.與有限應變對應的快波方向?qū)⑵叫杏诘乇響兯矔r最大剪切(伸展)方向.因此，在簡單剪切和純剪切假設下，有限應變引起的快波方向φ分別平行于簡單剪切下的地表瞬時最大剪切方向和純剪切下的地表瞬時最大伸展方向.所以，我們可以由GPS和斷裂第四紀滑動速率測量數(shù)據(jù)確定的地表運動學模型來計算最大剪切和伸展方向，并和地幔各向異性的快波方向的對比分析來評估南北構(gòu)造帶北段的垂直連貫變形程度.

圖6 橫波分裂測量的1°×1°網(wǎng)格平均快波方向φ與地表變形場預測的快波方向φc比較基于運動學渦度確定了每個測點的預測的快波方向φc，即φc=φlss(最大左旋簡單剪切方向，紅色線段)，φc=φrss(最大右旋簡單剪切方向，黃色線段)，φc=φps(純剪切的最大拉伸方向，綠色線段).對于=±0.5的測點，圖中還同時顯示了純剪切和簡單剪切下的預測的快波方向.Fig.6 Comparison between 1°×1° grid average fast-wave direction from splitting observations and predicted fast axis orientation φc calculated from the surface deformation field The kinematic vorticity estimate, (see above) at each anisotropy measurement is used to predict φc=φlss (left-lateral simple shear,red),φc=φrss (right-lateral simple shear,yellow),or φc=φps (maximum extension pure shear,green).For =±0.5,both pure shear and simple shear predicted fast axis are displayed.

5 討論與結(jié)論

5.1 各向異性層的分布

XKS波分裂反映了橫波從核幔邊界到接收臺站整個傳播路徑上的綜合效應，其橫向分辨率很高，但垂直分辨較差，各向異性層可能存在于地殼、上地幔巖石圈、巖石圈下的軟流圈，以及下地幔的任何地方，但實際上更接近于上部.同一事件在相近臺站觀測到差異較大的XKS 波分裂結(jié)果，例如鄂爾多斯塊體內(nèi)部和西緣相鄰的一些臺站間的距離只有幾十公里，這些臺站下同一事件XKS波射線在深部幾乎沿同一路徑傳播，只是到接近接收臺站才分開，如果各向異性層來自深部，那么結(jié)果應該相同，但事實上它們的分裂參數(shù)相差很大，說明各向異性層不可能來自深的下地幔.另外，同一臺站從不同方位入射的XKS 波的路徑在淺部基本相同，在地幔深部不同，如果各向異性介質(zhì)存在于下地幔，則同一臺站下不同方位到的XKS 波應是不同地區(qū)深部各向異性介質(zhì)的影響，結(jié)果應有很大的差異，顯然與我們的觀測結(jié)果不符，從這一方面也說明各向異性層主要分布在上地幔及其以上范圍.關于地殼各向異性的約束，全球平均尺度的地殼各向異性約0.2 s(Silver,1996).盡管研究區(qū)的地殼厚度相對較厚(從鄂爾多斯塊體和阿拉善塊體約為40 km逐步過渡到青藏高原約為60 km)(Tian and Zhang,2013;Li et al.,2014)，在青藏高原東北緣，Herquel等(1995) 通過Moho界面的Ps轉(zhuǎn)換波得到的地殼各向異性研究結(jié)果為0.2～0.3 s.常利軍等(2010)、馬禾青等(2011)和郭桂紅等(2015)通過近垂直入射的直達S波在青藏高原東北緣和鄂爾多斯塊體西緣估算的地殼各向異性延遲時間為0.1～0.3 s.Wang等(2016)利用接收函數(shù)波形提取了青藏高原東北緣少量臺站的地殼各向異性，得到局部地區(qū)地殼可以產(chǎn)生0.36～1.06 s的時間延遲，與該區(qū)其他結(jié)果相差較大，可能這種影響是局部的.綜合考慮研究區(qū)的地殼各向異性產(chǎn)生的分裂延遲平均值約為0.2 s，因此，南北構(gòu)造帶北段各向異性層主要來自于上地幔，地殼各向異性對XKS波分裂影響較小.

南北構(gòu)造帶北段的各向異性可能來自巖石圈，也可能來自軟流圈，下面的論述將提供一些約束.在研究區(qū)，秦嶺造山帶的巖石圈厚度約為110 km，鄂爾多斯塊體約為150 km，青藏高原東北緣和阿拉善塊體約為170 km(An and Shi,2006).假設大陸巖石圈地幔的各向異性度為4%(Mainprice and Silver,1993)，1 s的分裂時間延遲估算的各向異性層厚度約為110 km.秦嶺造山帶的平均時間延遲為1.2 s，去除地殼各向異性影響造成的0.2 s時間延遲后，需要110 km的地幔巖石圈對應1.0 s的時間延遲，而減去50 km厚的地殼后，秦嶺地幔巖石圈厚度只有60 km，說明秦嶺造山帶下的各向異性來自于巖石圈和軟流圈的綜合效應.青藏高原東北緣，其平均時間延遲從西北部約1 s增加到東南部約1.3 s，需要從西北部的90 km到東南部120 km厚度的地幔巖石圈產(chǎn)生0.8 s到1.1 s的分裂時間延遲，高原東北緣的地幔巖石圈厚度約為110 km，因此，高原東北緣的各向異性主要來自巖石圈.阿拉善塊體的平均時間延遲為1 s，其120 km厚的地幔巖石圈足以產(chǎn)生地幔內(nèi)0.8 s的分裂時間延遲.鄂爾多斯塊體的平均時間延遲為0.6 s，其110 km厚的地幔巖石圈也足以產(chǎn)生地幔內(nèi)0.4 s的分裂時間延遲.通過一階Fresnel帶(Alsina and Snieder,1995)的推斷，研究區(qū)各向異性層主要分布在50～170 km之間.綜上所述，南北構(gòu)造帶北段除秦嶺造山帶的各向異性層主要來自于上地幔巖石圈和軟流圈外，其他構(gòu)造單元的各向異性主要位于上地幔巖石圈.

5.2 各向異性成因

在鄂爾多斯塊體內(nèi)部，絕大部分測點的φ不能被φc成功地預測(圖6)，巖石圈變形模式表現(xiàn)復雜，并且其時間延遲相對于其他構(gòu)造單元很小，平均值只有0.6 s，表現(xiàn)出弱的各向異性特征，反映了鄂爾多斯塊體內(nèi)部的剛性特性.鄂爾多斯塊體位于華北克拉通西部，相對于華北克拉通中東部(中部的燕山—太行造山帶和東部的華北裂谷盆地)遭受了強烈的改造，發(fā)生了巨厚巖石圈減薄(>100 km)，西部的鄂爾多斯塊體仍然保留了古老克拉通的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(Wu et al.,2005;Chen et al.,2006).鄂爾多斯塊體內(nèi)部沒有發(fā)生過6級以上地震，但它的周緣則地震活動強烈，歷史上發(fā)生過數(shù)次8級以上地震，是中國大陸的一個強震活動帶(圖1).由GPS數(shù)據(jù)模擬得到的應變率場顯示鄂爾多斯塊體相對于其周緣要低1個數(shù)量級(Zhang et al.,2004).這些特征都表明鄂爾多斯塊體是一個構(gòu)造穩(wěn)定，具有很好的整體性，內(nèi)部變形很弱的剛性塊體.鄂爾多斯塊體弱的各向異性可能保留了古老克拉通的“化石”各向異性.鄂爾多斯塊體巖石圈變形模式復雜，主要是由于預測地幔各向異性快波方向的地表變形場是基于現(xiàn)今GPS和斷裂第四紀滑動速率數(shù)據(jù)得到的，主要反映了現(xiàn)今的構(gòu)造變形，而鄂爾多斯塊體是一個古老穩(wěn)定的克拉通，保留了古老的構(gòu)造變形，用現(xiàn)今的變形去模擬古老的變形不再適合垂直連貫變形模型.

5.3 結(jié)論

利用南北構(gòu)造帶北段密集分布的817個寬頻帶地震臺站的分裂參數(shù)，獲得了目前該區(qū)域最全面的上地幔各向異性圖像.青藏高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體西緣的快波方向主要表現(xiàn)為NW—SE方向，秦嶺造山帶的快波方向為近E—W方向，鄂爾多斯塊體內(nèi)部的快波方向在北部為近N—S方向，南部表現(xiàn)為近E—W方向.從時間延遲分布來看，鄂爾多斯塊體的時間延遲不僅明顯小于其周緣地區(qū)，而且小于其他構(gòu)造單元，特別是在高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的交匯地區(qū)的時間延遲很大，反映了構(gòu)造穩(wěn)定單元的時間延遲小于構(gòu)造活躍單元.比較快波方向的橫波分裂測量值與地表變形場模擬的預測值，二者在青藏高原東北緣、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體西緣相一致，反映了該區(qū)域深淺變形一致，地殼強烈地耦合于地幔，符合巖石圈垂直連貫變形.在青藏高原東北緣的東南部巖石圈變形主要表現(xiàn)為左旋簡單剪切變形模式，在高原東北緣的西北部、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的西緣巖石圈變形主要表現(xiàn)為純剪切變形模式.秦嶺造山帶的各向異性來自于上地幔巖石圈和軟流圈的共同作用，其巖石圈近E—W方向的快波方向的測量值和預測值也是一致的，體現(xiàn)了巖石圈垂直連貫變形；其軟流圈近E—W方向的快波方向與絕對板塊的運動方向相一致，反映了軟流圈被上覆巖石圈板塊直接驅(qū)動產(chǎn)生了近E—W方向的地幔流，進而形成了觀測的各向異性.鄂爾多斯塊體內(nèi)部快波方向的測量值和預測值相差較大，不符合垂直連貫變形，考慮其弱的各向異性、厚的巖石圈和構(gòu)造穩(wěn)定的特征，我們認為其各向異性可能保留了古老克拉通的“化石”各向異性.

致謝 感謝所有參與中國地震科學探測臺陣(ChinArray)項目的規(guī)劃者和實施者為確保獲取高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)付出的努力.感謝中國地震局地球物理研究所地震科學探測臺陣數(shù)據(jù)中心為本研究提供地震波形數(shù)據(jù).

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(本文編輯 何燕)

Upper mantle anisotropy beneath the northern segment of the north-south tectonic belt in China

CHANG Li-Jun,DING Zhi-Feng,WANG Chun-Yong

Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China

The north-south tectonic belt (NSTB) is a north-south meridional tectonic boundary between the eastern and western Chinese mainland with a very complex structure,showing significant changes in geology,geomorphology,and geophysical field characteristics on both sides.Meanwhile,the NSTB is seismically active zone,so also named the well-known north-south seismic belt (NSSB).Thus,the NSTB is regarded as a unique natural laboratory for understanding continental interiors and lithospheric deformation.The study region of this paper is located in the northern NSTB,including the Songpan-Garzê and Kunlun-Qilian fold belts,which are terranes of the northeastern margin of the Tibetan Plateau,and the Alxa and Ordos blocks which are west portions of the North China craton (NCC).This work uses knowledge of seismic anisotropy to provide important constraints on deformation patterns of the crust and lithosphere mantle during an orgency process.It is based on 695 new shear-wave splitting observations from a dense temporary seismic array and 122 published results from permanent seismic stations to map variations in the deformation of the northern segment of the NSTB.The new XKS (SKS,SKKS,and PKS) shear wave splitting observations include 674 measurements from portable deployments in the NSTB (2013—2015,the ChinArray Phase Ⅱ) and 21 measurements from temporary stations deployed in the Ordos block (2010—2011,the Ordos Array).We determine the XKS fast wave polarization directions and delay times between fast and slow shear waves for 695 new seismic stations in the northern segment of the NSTB using both the grid searching method of minimum transverse energy and stacking analysis method.To obtain a reliable estimate of splitting parameters,the following criteria are taken as diagnostics for successful splitting parameter estimations:(1) Clear XKS arrivals and distinct tangential component.(2) The horizontal particle motion is elliptical when anisotropy is present.(3) The two horizontal fast- and slow-component waveforms are coherent.(4) The particle motion becomes linear following correction for anisotropy.And (5) successful removal of tangential energy in the case of core phases.The results at most stations are good,the error of azimuth is less than 10°,and the error of delay time is less than 0.2 s.The fast polarization directions and delay times do not depend on back azimuths,thus a single layer of anisotropic fabric is able to sufficiently explain the data without the need for additional layer.Based on 817 observations,we develop an anisotropic image of upper mantle in the northern segment of the NSTB.In the study region,the fast-waves trend in NW—SE in the northeastern margin of the Tibetan Plateau,Alxa block,and western and northern margins of the Ordos block.The fast-wave directions are in nearly E—W in the Qinling orogen.Within the Ordos block,the fast-wave directions trend in nearly N—S in the north,but switch to nearly E—W in the south.The value of delay time in the Ordos block is not only less than that in its margins,but also less than that in other tectonic units.Especially,the value of delay time in the conjunction of the northeastern margin of the Tibetan Plateau,Alxa block and Ordos block is the largest and considerably larger than other areas.This implies the value of delay time in the stable units is less than that of the active units.Analysis of the fit between the fast-wave direction of shear-wave splitting and predicted fast axis orientation calculated from the surface deformation field indicates the coherence between surface deformation and mantle deformation in the northeastern margin of the Tibetan Plateau,Alxa block,western and northern margins of the Ordos block,and the crust is coupled with the mantle.These results suggest the vertical coherent deformation of the lithosphere plays a major role in the observed seismic anisotropy.In the Qinling orogen,both the lithosphere mantle and eastward asthenospheric mantle flow contribute to the observed anisotropy.Within the Ordos block,there exist weak anisotropy and thick lithosphere,and the shallow deformation is inconsistent with the deep deformation,suggesting the anisotropy of the stable Ordos block is possibly caused by “fossil” anisotropy frozen in the ancient NCC.

North-south tectonic belt;Seismic array;Shear wave splitting;Lithospheric deformation;Asthenospheric mantle flow

常利軍，丁志峰，王椿鏞.2016.南北構(gòu)造帶北段上地幔各向異性特征.地球物理學報，59(11):4035-4047,

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國家自然科學基金(41474088)，地震行業(yè)科研專項(201308011)和國家自然科學基金(41174070,41274063)資助.

常利軍，男，1978年生，研究員，主要從事地球深部構(gòu)造、地震各向異性和地球動力學方面的研究工作.E-mail:ljchang@cea-igp.ac.cn

10.6038/cjg20161109

P315

2016-03-31，2016-05-26收修定稿