黃翔， 丁志峰 ， 寧杰遠， 常利軍

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京 100871

0 引言

華北克拉通是世界上最古老的太古代克拉通之一，與其他穩(wěn)定且擁有巨厚巖石圈的典型克拉通不同，其東部的華北盆地，在顯生宙經(jīng)歷了顯著的熱構(gòu)造活化和巖石圈破壞，其巖石圈地幔以及地殼都受到了不同程度的改造和減薄(Menzies et al., 1993; Griffin et al., 1998; Zheng et al., 2006)，其演化過程和破壞機制一直是地球科學(xué)界關(guān)注的熱點問題.前人研究認為在1.8 Ga前華北克拉通由其東部塊體和西部塊體碰撞合并而成，在其中部形成了華北中部造山帶(Trans-North China Orogen)(Zhao et al., 2005)，主要由太行造山帶、呂梁造山帶以及山西地塹等構(gòu)造單元組成.一般認為華北克拉通西部的鄂爾多斯塊體仍然保留了其克拉通特性，內(nèi)部比較穩(wěn)定，而位于鄂爾多斯塊體與華北盆地中間的中部造山帶則表現(xiàn)出更為復(fù)雜的構(gòu)造特征(Ai et al., 2019).前人在該區(qū)域進行的層析成像和各向異性研究大都基于固定臺站(Li et al., 2011; Bao et al., 2013; Li S L et al., 2018; Lü, 2019; Ai et al., 2020; 顧勤平等, 2020a)或只能覆蓋研究區(qū)域局部范圍的臺陣(Chen et al., 2015; Zheng et al., 2019)，受限于臺站覆蓋范圍及密度不足等原因，目前對于整個華北克拉通中部造山帶高分辨率的三維速度結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的構(gòu)造活動和變形特征的認識還比較有限.

山西地塹位于太行造山帶與呂梁造山帶之間，北起燕山造山帶，南連渭河地塹，是華北克拉通中部最重要的組成單元之一，其速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造運動歷史都非常復(fù)雜，歷來都是地球物理學(xué)以及地質(zhì)學(xué)等地球科學(xué)領(lǐng)域的重點研究區(qū).前人基于地質(zhì)調(diào)查研究認為渭河—山西裂谷系統(tǒng)是在漸新世至上新世期間，從渭河裂谷開始逐步發(fā)展到山西裂谷中部至北部，即裂谷作用是由南向北進行的(Zhang et al., 1998).然而，該系統(tǒng)的演化發(fā)展機制還存有爭議，如對于造成華北克拉通的伸展變形的原因，有的學(xué)者認為主要與亞洲大陸東緣下方太平洋板塊的西向俯沖有關(guān)(Northrup et al., 1995)，另一部分學(xué)者則認為印度—亞洲板塊碰撞的遠場效應(yīng)是引起華北克拉通的大陸內(nèi)部裂谷作用的主要原因(Molnar and Tapponnier, 1977； Liu et al., 2004)，也有學(xué)者將兩種原因結(jié)合討論其對華北克拉通伸展作用的影響(Zhang et al., 1998； Xu et al., 2004; Xu, 2007).Ai等(2019)基于背景噪聲和地震面波反演得到的S波速度模型認為渭河—山西裂谷系統(tǒng)南北段的驅(qū)動機制不同，其中北段目前主要是由地幔物質(zhì)上涌驅(qū)動的，而南段則主要受青藏高原持續(xù)隆升的影響.

大同火山群位于山西地塹的最北端，是華北克拉通最大的第四紀板內(nèi)火山區(qū)之一(陳文寄等, 1992)，在早更新世(0.74 Ma)首次噴發(fā)，巖漿活動持續(xù)到晚更新世(陳文寄等, 1992; Xu et al., 2005).雖然巖漿規(guī)模相對較小(Xu and Ma, 1992)，但作為板內(nèi)火山，大同火山活動與山西地塹的演化發(fā)展密切相關(guān)，是華北克拉通內(nèi)備受關(guān)注的構(gòu)造單元之一.前人對大同火山的研究大都針對其巖漿的深部來源.如Lei (2012)基于遠震P波到時層析成像結(jié)果認為大同火山的巖漿可能來源于下地幔深部上涌的地幔柱；Li S L等(2018)基于背景噪聲和遠震面波層析成像結(jié)果認為大同火山的巖漿可能來源于青藏高原東北緣下的軟流圈.然而大同火山巖漿在地殼內(nèi)的上涌通道以及巖漿分布范圍目前還不清楚.因此，開展該區(qū)域高分辨率的背景噪聲成像研究對于揭示大同火山群下方巖漿活動機制具有重要意義.

地震各向異性是研究巖石圈變形和構(gòu)造單元演化過程的重要工具.前人利用遠震SKS分裂、接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波、Pn波走時成像等方法對該區(qū)域地殼及上地幔各向異性進行了大量的研究(常利軍等, 2011; Li et al., 2011; Lü, 2019； Zheng et al., 2019).常利軍等(2011)基于SKS分裂結(jié)果與GPS觀測的運動場認為鄂爾多斯塊體周緣殼幔形變符合垂直連貫變形模式；Zheng等(2019)基于Ps接收函數(shù)各向異性結(jié)果與GPS觀測速度場結(jié)果和SKS分裂結(jié)果對比，認為華北克拉通中部造山帶的西北部表現(xiàn)為殼幔耦合變形模式，而東部則表現(xiàn)為殼幔解耦的變形模式；高原等(2010)基于近震剪切波分裂結(jié)果與遠震SKS分裂結(jié)果對比，提出華北地區(qū)地殼與上地幔不是簡單的殼幔解耦型，也不是強耦合型.因此，對于華北克拉通區(qū)域殼幔變形的耦合情況目前仍然存在爭議.此外，由于SKS分裂得到的各向異性主要來自于上地幔，接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波的結(jié)果是整個地殼的平均結(jié)果，Pn波成像只反映上地幔頂部的各向異性，很難得到地殼尺度內(nèi)隨深度的變化的各向異性特征.而不同周期面波的方位各向異性可以反映不同深度的速度結(jié)構(gòu)方位各向異性(顧勤平等, 2020b)，有著更好的垂向分辨率，因此利用面波層析成像獲得華北克拉通區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)及其方位各向異性對于解釋該區(qū)域的構(gòu)造變形和殼幔耦合特征及其地球動力學(xué)機制具有重要意義.Chen等(2015)利用Rayleigh波層析成像得到了華北克拉通東北部的各向異性結(jié)果，然而由于臺站覆蓋范圍有限，對整個華北克拉通中部造山帶的研究不足.本文基于華北克拉通中部306個寬頻帶流動地震臺站的波形記錄，利用背景噪聲互相關(guān)技術(shù)獲得了研究區(qū)8～35 s的Rayleigh波相速度及其方位各向異性，得到了具有高分辨率的成像結(jié)果，進而對山西地塹南北段不同的速度結(jié)構(gòu)及變形特征、大同火山群下地幔熱物質(zhì)上涌通道、區(qū)域內(nèi)的地殼與地幔耦合關(guān)系等問題進行了探討.

1 數(shù)據(jù)和方法

本文使用了中國地震科學(xué)臺陣探測項目三期一階段布設(shè)于華北克拉通中部的306個臺站從2017年1月1日至2017年7月28日觀測的垂向連續(xù)波形數(shù)據(jù)，臺站統(tǒng)一應(yīng)用了型號為REFTEK數(shù)據(jù)采集器和CMG-3T地震計(頻帶范圍為50 Hz～120 s)，臺間距～30 km，位置如圖1所示.臺站的分布主要覆蓋了華北克拉通中部造山帶及其鄰近區(qū)域，包括鄂爾多斯塊體的東半部分和華北盆地的西部局部地區(qū).

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造背景圖(a)和研究所用臺站分布圖(b)(a) 圖中黑實線表示華北克拉通構(gòu)造線(Zhao et al., 2005)，紅色實線代表斷層分布，紅色三角形代表大同火山群； (b) 圖中藍色三角形代表本研究使用的臺站.Fig.1 Tectonic settings of the study area (a) and the location of seismic stations for this study (b)(a) The black solid lines in the figure represent the tectonic lines of North China Craton (Zhao et al., 2005), the red solid lines represent the locations of faults, and the red triangle represents the Datong Volcanos; (b) The blue triangles represent the stations used in this study.

單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理過程主要參照Bensen等(2007)提出的處理方法.首先將原始數(shù)據(jù)重采樣至1 Hz，然后進行去儀器響應(yīng)、帶通濾波(5～50 s)、去線性趨勢和去均值處理，圖2展示了部分臺站一天的連續(xù)記錄經(jīng)過上述處理過后的波形，除了少數(shù)波形存在局部間斷外，絕大部分觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量都比較好.接著采用滑動絕對平均法對波形進行時域歸一化，并進行了頻域譜白化.

完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，對所有的臺站對每天的記錄進行了波形互相關(guān)運算，為了提高波形的信噪比，我們采用兩步法對每天的互相關(guān)波形進行疊加.首先，把每天的互相關(guān)結(jié)果按時間排序并對每5天的記錄進行線性疊加，然后利用Li G L等(2018)提出的時頻相位加權(quán)疊加法(tf-PWS)對5天疊加結(jié)果進行進一步疊加得到最終的臺站對間的互相關(guān)波形.相對于傳統(tǒng)的線性疊加，該方法被證明能夠有效地提升波形信噪比同時保持波形的頻散特性.其中，波形的信噪比是參照Bensen等(2007)進行定義的，即信號窗內(nèi)的最大振幅與信號窗之后500 s的噪聲窗內(nèi)振幅的均方根之比.為了進一步提高信噪比，我們將互相關(guān)波形的因果信號與果因信號進行疊加得到最后的對稱分量進行頻散曲線的提取，以臺站13801為例，圖3展示了最后的互相關(guān)對稱分量波形.

圖2 經(jīng)過去儀器響應(yīng)、帶通濾波(5～50 s)、去線性趨勢和去均值處理的連續(xù)波形Fig.2 Continuous waveforms after removing instrument response, bandpass filtering (5～50 s), de-linear trend and de-mean

圖3 以臺站13801為中心的互相關(guān)對稱分量波形Fig.3 Symmetric component of the cross-correlations between station 13801 and other stations

圖4 華北克拉通中部Rayleigh波層析成像分辨率測試結(jié)果Fig.4 Resolution test results of Rayleigh wave tomography in the central North China Craton

圖5 不同周期Rayleigh波相速度和方位各向異性分布圖(a) YM：陰山山脈；LM：呂梁山脈；TM：太行山脈；HG：河套地塹；OB：鄂爾多斯盆地；DB：大同盆地；TB：太原盆地；YB：運城盆地；SR：山西地塹；WR：渭河地塹；NCB：華北盆地. (g)紅色五角星標(biāo)注了約35 km的深震位置.Fig.5 Maps for phase velocity and azimuthal anisotropy of Rayleigh waves at different periods(a) YM: Yinshan Mountains; LM: Luliang Mountains; TM: Taihang Mountains; HG: Hetao Graben; OB: Ordos Basin; DB: Datong Basin; TB: Taiyuan Basin; YB: Yuncheng Basin; SR: Shanxi Rift; WR: Weihe Rift; NCB: North China Basin. (g)The red star marks the location of the deep earthquake at ～35 km depth.

圖6 (a) 研究區(qū)域的平均S波速度模型(紅色)，藍色線條是AK135速度模型(Kennett et al., 1995)； (b) 不同周期Rayleigh波相速度對S波速度的敏感核Fig.6 (a) The average S-wave velocity model (red line) of the study area. The blue line is the AK135 earth model (Kennett et al., 1995); (b) Sensitivity kernels to S-wave velocity for Rayleigh wave phase velocities at different periods

本文采用Levshin和Ritzwoller(2001)發(fā)展的自動頻時分析方法(FTAN)來獲取每個臺站對之間8～35 s的Rayleigh波相速度頻散曲線.為滿足遠場近似條件，我們要求臺站對之間的距離大于三倍波長，同時為了進一步提高Rayleigh波相速度的可靠性，只采用信噪比大于20的互相關(guān)結(jié)果.

經(jīng)過對臺站對間的頻散曲線進行初步篩選后，我們采用了Barmin等(2001)發(fā)展的一種基于線性射線理論的阻尼最小二乘法反演方法來反演二維Rayleigh波相速度及其方位各向異性.對于弱各向異性介質(zhì)，面波相速度(或群速度)可以表示為(Smith and Dahlen， 1973)

c(T)=c0(T)+c1(T)cos(2θ)+c2(T)sin(2θ)

+c3(T)cos(4θ)+c4(T)sin(4θ),

(1)

其中T為面波周期，θ為方位角，c0為各向同性分量，c1,c2為2θ項各向異性分量，c3,c4為4θ項各向異性分量.考慮到4θ項通常可以被忽略(Montagner and Nataf, 1986; Debayle and Sambridge, 2004)，本文只反演2θ項，各向異性強度和快波方位角分別可由(2)、(3)式得到

(2)

(3)

為了進一步剔除頻散曲線測量中可能的異常值，我們采用了兩步反演法來獲取最終的二維Rayleigh波相速度模型.首先利用初步篩選的頻散結(jié)果進行第一次反演，接著參考Guo等(2016)的標(biāo)準(zhǔn)對反演的走時殘差進行評估，剔除了走時殘差大于6 s的測量值，然后將篩選過后的測量值再次進行反演，最終得到了二維Rayleigh波相速度模型.在反演過程中，發(fā)現(xiàn)各向異性的絕對強度受到選擇的平滑參數(shù)的影響，而相對各向異性強度和快波方向基本不受影響，因此本文只對各向異性強度的相對變化和快波方向進行討論.

反演采用0.25°×0.25°的網(wǎng)格進行插值，為檢測結(jié)果的可靠性，同時進行了分辨率測試.圖4 展示了不同周期的分辨率測試結(jié)果，測試顯示研究區(qū)域內(nèi)的大部分地區(qū)都能得到小于25 km的分辨率.隨著周期增加，研究區(qū)域的邊緣部分分辨率有所下降，而研究區(qū)域中心的大部分都保持了高分辨率，保證了反演結(jié)果的可靠性.

2 反演結(jié)果

基于上述反演過程，我們得到了8～35 s的Rayleigh波各向同性相速度及其方位各向異性結(jié)果.圖5展示了不同周期的Rayleigh波相速度及其方位各向異性反演結(jié)果，黑色短棒代表方位各向異性強度和快波方向.

為評估不同周期相速度對不同深度范圍速度結(jié)構(gòu)的反映，我們利用研究區(qū)域內(nèi)的平均S波速度模型計算了不同周期Rayleigh波相速度對S波速度的深度敏感核函數(shù)(Sensitivity Kernel)，如圖6所示.本文將利用不同周期Rayleigh波相速度及其方位各向異性來討論對應(yīng)的研究區(qū)域上、中、下地殼及上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)和方位各向異性.8～12 s的相速度主要對上地殼的剪切波速度敏感，隨著周期增大，相速度的敏感深度范圍也逐漸增加，因此短周期相速度對剪切波速度結(jié)構(gòu)分辨率較高，而長周期相速度的分辨率有所降低.16～20 s 的相速度主要反映中地殼的速度結(jié)構(gòu)，而24～30 s 的相速度主要反映的是下地殼速度結(jié)構(gòu)，35 s則主要反映上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu).

8～12 s的相速度異常主要與地表的結(jié)晶基底和沉積層的分布有關(guān).在華北盆地、鄂爾多斯盆地以及河套地塹、渭河地塹、山西地塹中的斷陷盆地等區(qū)域表現(xiàn)出明顯的低速異常，其中沿著渭河、山西地塹的斷陷盆地主要有運城盆地、太原盆地以及大同盆地，區(qū)域內(nèi)低速異常反映了這些區(qū)域擁有較厚的沉積層.陰山山脈、呂梁山脈以及太行山脈等造山帶地區(qū)則表現(xiàn)出顯著的高速異常，這與地表的地質(zhì)構(gòu)造背景也基本吻合.該周期段的面波方位各向異性也主要與地表的地質(zhì)構(gòu)造背景有關(guān)，在盆地和地塹與造山帶的交匯處，各向異性強度相對較大且快波方向主要沿著交匯邊界的走向分布，如華北盆地與太行造山帶的分界線附近，以及河套地塹與陰山造山帶的分界線附近，都表現(xiàn)出該特性，這與高原和吳晶(2008)基于直達剪切波分裂的結(jié)果在太行造山帶東緣表現(xiàn)出與邊界大致平行的快波方向相符合.而在構(gòu)造單元內(nèi)部，各向異性強度則相對較小且快波方向主要沿著構(gòu)造單元的走向分布，如在陰山造山帶內(nèi)部，快波方向以E-W向為主，而在呂梁、太行造山帶內(nèi)部，快波方向則以NNE-SSW方向為主，這與前人的面波各向異性研究的結(jié)果(Shen et al., 2016；胥鴻睿，2018)大致符合.值得注意的是鄂爾多斯塊體內(nèi)部大部分區(qū)域都表現(xiàn)出較弱的低速異常和較弱的方位各向異性，而其東北角鄰近大同火山群的部分地區(qū)則表現(xiàn)為極大的高速異常以及較強的NNE-SSW向各向異性.

16～20 s 的相速度異常主要反映了研究區(qū)域中部地殼的速度結(jié)構(gòu)，隨著周期增大，相速度異常表現(xiàn)出與較短周期不同的特性.如華北盆地、河套地塹、渭河地塹區(qū)域的低速異常逐漸減弱，陰山、呂梁、太行造山帶地區(qū)的高速異常也同樣減弱.而大同火山群附近的低速異常區(qū)域逐漸增大，其范圍擴展至太行造山帶北段、陰山造山帶東部，向西與河套地塹低速異常相連接，向南延伸至山西地塹北段，且低速異常逐漸增強，可能與大同火山群的巖漿活動有關(guān).隨著周期增加，山西地塹南段的低速異常逐漸減小，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚佼惓?，即沿著山西地塹，其南段與北段表現(xiàn)出完全不同的速度異常，可能代表著沿著山西地塹在中地殼存在明顯的南北差異.還有一個值得注意的變化是華北盆地的低速異常隨著周期增大開始向高速異常轉(zhuǎn)變，可能代表在該區(qū)域已經(jīng)逐漸接近下地殼.該周期段的方位各向異性強度相對短周期有所減小，但總體的快波方向基本保持不變，即沿山西地塹整體表現(xiàn)為NNE-SSW方向為主，而在陰山造山帶表現(xiàn)為E-W向為主，與前人基于直達剪切波分裂的結(jié)果(高原和吳晶，2008; 趙博等，2011)大致吻合.與Ps波接收函數(shù)的結(jié)果相比，陰山造山帶近E-W向的快波方向與楊妍等(2018)的結(jié)果一致，而大同盆地附近區(qū)域NNE-SSW向的快波方向與Zheng等(2019)的結(jié)果相符合.其中，楊妍等(2018)和Zheng等(2019)的結(jié)果在大同盆地區(qū)域存在差異，我們的結(jié)果與Zheng等(2019)的結(jié)果更為接近.在鄂爾多斯塊體內(nèi)部以及華北盆地方位各向異性強度趨近于0，在大同火山群附近表現(xiàn)出較弱的NNE-SSW向快波方向.值得注意的是在20 s 周期，山西地塹南段的快波方向逐漸開始向NEE-SWW向轉(zhuǎn)變.

24～30 s 的相速度異常主要代表了下地殼的速度結(jié)構(gòu)特性，在該周期段內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)最顯著的低速異常主要集中在大同火山群及其鄰近的鄂爾多斯東北角并向西延伸至河套地塹.隨著周期增大，低速異常的范圍以及強度也逐漸變大，該低速異常的中心表現(xiàn)出向西遷移的特性，可能反映了巖漿上升的通道.在鄂爾多斯內(nèi)部整體依然表現(xiàn)為高速異常，代表其仍然保留著克拉通的特性.而山西地塹中南段則完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚佼惓?，與西邊的鄂爾多斯東南部和東邊的太行造山帶的高速異常連為一體，表現(xiàn)出與山西地塹北段完全不同的速度結(jié)構(gòu)特征.華北盆地則完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚佼惓?，代表該區(qū)域可能已經(jīng)到達了上地幔頂部.該周期段方位各向異性的分布與較短周期也有所不同，在陰山造山帶和山西地塹最北端靠近大同火山群低速異常體的區(qū)域出現(xiàn)了圍繞該低速異常體的環(huán)狀快波方向分布，即在該低速異常體的西北邊緣表現(xiàn)為近NE-SW或NEE-SWW向，而東北邊緣表現(xiàn)為較弱的NWW-SEE向.另一個值得注意的變化是在山西地塹中段，即太原盆地附近，快波方向由NE-SW向轉(zhuǎn)變?yōu)镹EE-SWW向，逐漸與山西地塹南段表現(xiàn)一致.

35 s的相速度異常主要反映了上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu).在該周期段內(nèi)，研究區(qū)域內(nèi)的低速異常分布與下地殼較為一致，大同火山群區(qū)域的低速異常體中心逐漸遷移至其西邊150 km處，低速異常的范圍基本保持不變.值得注意的變化是在該低速異常的南端出現(xiàn)了向東南方向擴展的趨勢，即太原盆地東邊的太行造山帶中部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈退佼惓?鄂爾多斯塊體、山西地塹中南段依舊表現(xiàn)為高速異常，而華北盆地的高速異常有所減弱.整體的方位各向異性強度相對于下地殼有所增強，圍繞大同火山群附近的低速異常中心環(huán)狀的各向異性更為明顯，可能代表了上地幔頂部軟流圈物質(zhì)的上涌位置.另一個較為顯著的現(xiàn)象是在山西地塹中南段附近各向異性強度較大，且快波方向表現(xiàn)為近E-W向，這與山西地塹北段NNE-SSW向的快波方向有顯著差異.

3 討論

本研究得到的Rayleigh波相速度各向同性分量和方位各向異性分量反映了研究區(qū)域地殼至上地幔頂部50 km深度左右顯著的水平不均勻性和復(fù)雜的構(gòu)造變形特征.其中相速度主要對介質(zhì)的剪切波速度敏感，同時也與介質(zhì)的溫度、組成成分和介質(zhì)內(nèi)的流體性質(zhì)有關(guān)，而造成相速度方位各向異性的因素卻非常復(fù)雜.地殼中的各向異性通常被歸因于裂隙的走向或礦物的定向排列(Rabbel and Mooney, 1996).其中在上地殼淺部，一般認為地震波的方位各向異性可能是由區(qū)域地殼應(yīng)力場導(dǎo)致的地層裂隙和構(gòu)造單元的走向引起的(Crampin, 1994)，因此上地殼的方位各向異性主要與地表的構(gòu)造特征有關(guān)，一般表現(xiàn)為與斷層走向一致.而在更深處的下地殼和上地幔中的各向異性則一般認為是形變導(dǎo)致的各向異性礦物定向排列造成的，其中下地殼和上地幔方位各向異性分別主要與角閃石和橄欖巖的定向排列有關(guān)(Liu et al., 2016).巖石圈地幔主要由橄欖石組成，其各向異性可以在構(gòu)造期內(nèi)長期保存，因此可以用來研究構(gòu)造變形歷史以及與相鄰構(gòu)造塊體的相互作用過程，而軟流圈地幔的各向異性可能與地幔流的流動方向有關(guān)(Long and Becker, 2010).考慮到本研究獲得的相速度最大周期可能無法有效反映軟流圈地幔的各向異性信息，我們將主要討論華北克拉通中部地殼及上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造變形特征.

3.1 山西地塹

本研究得到的Rayleigh波相速度以及方位各向異性結(jié)果都顯示出山西地塹南北段在中地殼至上地幔頂部存在顯著差異.在上地殼對應(yīng)周期段(8～12 s)，相速度的結(jié)果顯示山西地塹南北段包括大同盆地、太原盆地、運城盆地等區(qū)域都存在低速異常，推測可能與這些區(qū)域內(nèi)的新生代沉積層有關(guān)(Zhang et al., 1998).南北段的方位各向異性表現(xiàn)出相似特性，即主要沿NNE-SSW方向，與該區(qū)域斷層以及構(gòu)造單元的走向大致吻合，推測山西地塹上地殼的相速度方位各向異性主要來自于斷層裂隙和地表構(gòu)造單元走向.在中下地殼以及上地幔對應(yīng)周期段(16 s以上)，山西地塹北段的低速異常逐漸增強且范圍逐漸增大，主要與該區(qū)域第四紀大同火山群的巖漿活動有關(guān)(唐有彩等, 2011; Li S L et al., 2018).而在山西地塹的南段，隨著周期增加，低速異常逐漸消失，取而代之的是與西側(cè)鄂爾多斯塊體和東側(cè)太行造山帶一致的高速異常，表明山西地塹的巖漿活動目前只在北段較為活躍(Bao et al., 2013).在該周期段內(nèi)，相速度方位各向異性也表現(xiàn)出不同特征，北段的各向異性強度較弱，且主要沿NNE-SSW或NE-SW向，而中南段的各向異性強度較大且快波方向逐漸由NNE-SSW向順時針旋轉(zhuǎn)至E-W向.南北段的各向異性強度差異可能主要受到巖漿活動的影響，即北段由于地幔熱物質(zhì)上涌使得下地殼以及上地幔頂部的礦物排列方向受到影響導(dǎo)致方位各向異性強度相對較弱.Li等(2015)利用山西地塹的震源機制解得到了該區(qū)域的應(yīng)力場分布，結(jié)果顯示山西地塹的最大壓應(yīng)力方向在北段主要呈NE-SW向，而在南段則主要呈NEE-SWW向，這與我們得到的地殼對應(yīng)周期的Rayleigh波快波方向大致吻合，同時也與Qu等(2014)基于GPS觀測結(jié)果得到的區(qū)域應(yīng)變場的方向比較對應(yīng).Ai等(2020)結(jié)合臨汾盆地附近區(qū)域的震源深度達到35 km以及表現(xiàn)出較高的速度異常，認為在該區(qū)域中下地殼表現(xiàn)出較強的脆性變形，這與本文結(jié)果顯示該區(qū)域地殼內(nèi)快波方向與最大壓應(yīng)力方向大致平行比較符合.因此我們認為華北克拉通中部地殼內(nèi)的面波方位各向異性主要受應(yīng)力場的影響，但北段還受到巖漿活動影響.結(jié)合Li等(2015)應(yīng)力場的研究結(jié)果，山西地塹北段主要表現(xiàn)為NW-SE向的拉張，南段則表現(xiàn)為NNW-SSE向的拉張，可能與GPS觀測到的鄂爾多斯塊體逆時針旋轉(zhuǎn)有關(guān)(李延興等, 2005)，即青藏高原隆升對鄂爾多斯西南角的持續(xù)東北向擠壓導(dǎo)致了其逆時針旋轉(zhuǎn)，進而造成山西地塹南段形成了NNW-SSE方向的簡單剪切，而在北段則形成NW-SE方向的純剪切.在上地幔頂部對應(yīng)的周期(35 s)，山西地塹中南段的快波方向呈E-W向，這與常利軍等(2021)得到的SKS分裂快波方向比較吻合，可能與地幔物質(zhì)流動有關(guān).綜合以上討論，我們的結(jié)果傾向于支持山西地塹的演化發(fā)展主要受印度—亞洲板塊碰撞的遠場效應(yīng)影響.

3.2 大同火山群

大同火山群區(qū)域的低速異常是本研究中非常突出的一個相速度異常特征，該低速異常體在前人的研究觀測中也可以被觀察到(Tang et al., 2013; Chen et al., 2015; Li S L et al., 2018).由于本研究使用的臺站覆蓋更為密集，因此結(jié)果分辨率更高，可以得到地殼及上地幔頂部更精細的結(jié)果.本文結(jié)果顯示該低速異常體沿深度方向可以被連續(xù)觀測到且其特性表現(xiàn)出很強的垂向變化，包括低速異常強度、范圍、位置等.在上地殼對應(yīng)周期(8～12 s)，該區(qū)域低速異常較弱，且范圍較小，中心位于大同盆地，推測應(yīng)該是由盆地淺部的低速沉積層造成.其方位各向異性較強且主要沿NEE-SWW和NE-SW向，與該區(qū)域斷層走向一致，推測是由地表斷層構(gòu)造產(chǎn)生的.在中下地殼以及上地幔頂部對應(yīng)周期段(16 s以上)，其低速異常強度隨深度(周期)有所增加，且范圍逐漸增大，低速體的中心逐漸向西偏移至150 km處.中下地殼以及上地幔頂部的低速異常主要與大同火山群的巖漿活動有關(guān)，該結(jié)果也和前人觀測到的新生代地幔源巖漿巖出露相一致(Xu et al., 2005)，Zhang等(2016)利用大地電磁觀測到大同火山群下存在的低阻體同樣反映了地殼中的巖漿活動.該低速異常隨深度表現(xiàn)出強度增加以及范圍擴大可能代表了自下而上的熱物質(zhì)上涌對地殼的加熱甚至可能導(dǎo)致了部分熔融.而其中心向西偏移可能代表了地幔熱物質(zhì)上涌的通道，即地幔熱物質(zhì)從鄂爾多斯東北角之下的軟流圈經(jīng)鄂爾多斯東北角與中部造山帶之間向西傾斜的剪切帶上涌，形成了第四紀大同火山群的玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)，如圖7所示.

圖7 大同火山群下方巖漿上涌示意圖Fig.7 Schematic diagram of magma upwelling under DatongVolcanos

下地殼至上地幔頂部對應(yīng)周期(24 s以上)的相速度方位各向異性圍繞該低速異常體的環(huán)狀快波方向大致勾勒出地幔熱物質(zhì)在不同深度的侵入位置和范圍，與相速度低速異常相吻合.這種環(huán)狀快波方向分布在常利軍等(2021)在該區(qū)域利用SKS分裂得到的結(jié)果中也被觀測到，證實該環(huán)狀分布的快波方向延伸到了上地幔.低速異常體中心的各向異性較弱，而邊緣的各向異性較強，類似的特性也被前人在該區(qū)域的面波各向異性研究觀察到(Chen et al., 2015)，推測可能是地幔熱物質(zhì)上涌導(dǎo)致了礦物排列方向的垂向排列，形成了徑向各向異性，而方位各向異性被減弱(Iyer and Hirahara, 1993; Chen et al., 2015).其邊緣較強的環(huán)狀快波方向則可能是由熱物質(zhì)上涌對地殼的加熱甚至部分熔融導(dǎo)致該低速體邊緣較高的速度梯度所造成.因此，本研究結(jié)合面波速度異常及其方位各向異性對大同火山群下地幔熱物質(zhì)在地殼中上涌的通道有了很好的限制，而熱物質(zhì)更深處的來源還有待進一步的研究.

3.3 殼幔耦合分析

殼幔之間的耦合關(guān)系與巖石圈的歷史動力學(xué)過程密切相關(guān)，同時也受到現(xiàn)今板塊運動的巨大影響.華北克拉通的殼幔耦合關(guān)系對于研究華北地區(qū)深部動力學(xué)機制和運動模型具有非常重要的意義.本研究使用背景噪聲互相關(guān)得到的相速度及方位各向異性的周期范圍反映的速度結(jié)構(gòu)及變形特征限于地殼以及上地幔頂部，而一般認為SKS分裂得到的各向異性主要來自上地幔(常利軍等, 2008, 2011)，因此結(jié)合本研究得到的方位各向異性以及前人的SKS分裂結(jié)果，可以對研究區(qū)域的地殼與地幔運動變形的耦合問題進行探討.圖8顯示了本研究得到的下地殼對應(yīng)周期的Rayleigh波相速度快波方向與常利軍等(2011, 2012, 2021)得到的SKS分裂結(jié)果的對比.可以觀察到相速度快波方向與SKS分裂快波方向在局部區(qū)域存在著顯著的差異.如在山西地塹北段大同火山群鄰近區(qū)域，下地殼的面波快波方向主要表現(xiàn)為NE-SW和NNE-SSW方向，該結(jié)果與Zheng等(2019)利用Ps波接收函數(shù)和張暉等(2020)利用直達剪切波分裂在該區(qū)域得到的地殼快波方向比較吻合，而SKS分裂的快波方向則表現(xiàn)出與相速度快波方向近乎垂直的NW-SE和NWW-SEE方向，這與Chen等(2015)利用面波各向異性得到的該區(qū)域在30 km和80 km快波方向不同比較對應(yīng).殼幔不一致的快波方向似乎表現(xiàn)出殼幔解耦的變形特征，然而考慮到該區(qū)域受巖漿活動影響劇烈，面波的各向異性來源非常復(fù)雜，可能無法準(zhǔn)確反映地殼變形特性(Yao et al., 2010).常利軍等(2011)基于GPS觀測的地表運動速度場與SKS分裂快波方向推測鄂爾多斯周緣的殼幔變形符合垂直連貫變形模式，而高原等(2010)根據(jù)華北克拉通東北部近場資料得到的剪切波分裂快波方向與遠震SKS分裂快波方向存在差異，提出華北地區(qū)地殼與上地幔不是簡單的殼幔解耦型，也不是強耦合型.考慮到GPS一般被認為可以代表上地殼的形變特征(魯來玉等, 2014)，而中下地殼變形模式可能非常復(fù)雜，同時該區(qū)域還受到巖漿活動的影響，因此該區(qū)域的殼幔耦合情況還有待進一步的研究.而在山西地塹中南段及其鄰近區(qū)域，下地殼以及上地幔頂部的相速度表現(xiàn)為高速異常，其快波方向主要表現(xiàn)為NEE-SWW和E-W向，這與常利軍等(2011)SKS分裂在該區(qū)域表現(xiàn)出沿E-W、NEE-SWW和NWW-SEE的快波方向大致吻合，因此推測在山西地塹中南段地殼與地幔的運動變形更符合耦合特性，即該區(qū)域表現(xiàn)出殼幔的垂直連貫變形特征.考慮到地殼和地幔中的方位各向異性的來源非常復(fù)雜，可能受到多種因素的影響，因此該區(qū)域準(zhǔn)確的殼幔變形模式還需要利用不同資料和方法進一步進行探測.

圖8 Rayleigh波30 s和35 s的方位各向異性快波方向(黑色短棒)與SKS分裂(常利軍等, 2021)快波方向(紅色短棒)對比圖Fig.8 Comparison of azimuthal anisotropic fast wave directions from Rayleigh wave at 30 s and 35 s (black bars) and SKS splitting (red bars) (Chang et al., 2021)

4 結(jié)論

本文利用背景噪聲層析成像獲得了華北克拉通中部區(qū)域8～35 s的Rayleigh波相速度及其方位各向異性分布.結(jié)果顯示，短周期面波在山西地塹南北段都表現(xiàn)出低速異常，可能與山西地塹內(nèi)斷陷盆地中的新生代沉積層有關(guān)，其方位各向異性的快波方向主要與區(qū)域內(nèi)斷層走向以及構(gòu)造單元走向一致.中長周期面波代表的山西地塹南北段的速度結(jié)構(gòu)以及方位各向異性都存在較大的差異.隨著周期增大，北段的大同火山群低速異常逐漸增強且范圍逐漸變大，其中心逐漸向西遷移至大同火山群西部150 km處，可能代表了地幔熱物質(zhì)在地殼內(nèi)沿鄂爾多斯東北角與中部造山帶之間向西傾斜的剪切帶上涌的通道，而中南段的低速異常逐漸消失，取而代之的是垂向上連續(xù)而穩(wěn)定的高速異常，一直延伸到上地幔頂部，可能代表著目前山西地塹的巖漿活動只在北段比較活躍.南北段方位各向異性強度的差異可能主要與北段大同火山群第四紀巖漿活動有關(guān)，北段受地幔熱物質(zhì)上涌影響導(dǎo)致方位各向異性減小，快波方向圍繞上涌的熱物質(zhì)呈環(huán)狀分布，與低速異常表現(xiàn)的地幔熱物質(zhì)上涌通道吻合.地殼對應(yīng)周期的面波快波方向與區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向大致符合，推測地殼內(nèi)的方位各向異性主要受地殼應(yīng)力場的影響，但北段還受到巖漿活動影響.中南段的下地殼至上地幔頂部表現(xiàn)為高速異常，其快波方向逐漸與前人SKS分裂結(jié)果一致，可能代表了該區(qū)域的殼幔耦合變形模式.而北段的下地殼和上地幔頂部的快波方向與SKS分裂結(jié)果不一致，似乎表現(xiàn)出殼幔解耦特征，但考慮到北段受到巖漿活動影響，其殼幔變形模型有待進一步研究.

致謝感謝中國地震局地球物理研究所“中國地震科學(xué)探測臺陣數(shù)據(jù)中心”為本研究提供地震波形數(shù)據(jù).感謝Rice University的Li G L博士為我們提供了數(shù)據(jù)處理程序.