苗春蘭

中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

0 引言

殼幔運動的耦合關(guān)系對板塊的活動性和強震的孕育發(fā)生等起至關(guān)重要的作用，也對地球動力學(xué)模式的建立有關(guān)鍵性的影響。用地震波各向異性特性研究殼幔耦合關(guān)系是一種有效的方法(Wang et al，2008;王椿鏞等，2007)，通過對地震剪切波分裂特征的研究，可以獲得地殼和地幔介質(zhì)各向異性的分布。通常認(rèn)為，地幔各向異性的主要成因是由地幔物質(zhì)形變導(dǎo)致橄欖石晶軸的定向排列所引起的(Hess，1964;Nicolas et al，1987)，地殼介質(zhì)的地震各向異性雖然是與地殼中定向排列的裂隙直接有關(guān)，但其實質(zhì)上是與地殼的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)(Crampin，1978;Crampin et al，2004; 高原等，1995、2008a)。研究發(fā)現(xiàn)，剪切波分裂的快波方向與礦物長軸定向排列的優(yōu)勢取向一致，但對于形成橄欖石晶軸的定向排列的原因目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。一種觀點認(rèn)為，這是由于板塊運動所產(chǎn)生的水平剪切作用(Vinnik et al，1995)的結(jié)果，另一種觀點認(rèn)為，它與巖石圈下部乃至地幔中的構(gòu)造形變有關(guān)(Silver et al，1991;Mainprice et al，1993;Silver，1996;Plomerova et al，1996;Vauchez et al，1996)，二者代表了在巖石圈-地幔變形和構(gòu)造演化研究方面兩種截然不同的觀點(任金衛(wèi)，2004)。通過地震學(xué)方法研究地幔各向異性的分布，就能以一定的精度確定地幔塑性流動的空間分布圖像，通過對地幔塑性流動和地表的GPS應(yīng)變測量對比分析，可以建立其空間聯(lián)系，這是用來研究殼幔耦合關(guān)系的主要方法之一，若能再慮及地殼內(nèi)較高頻率的近場地震資料各向異性結(jié)果，顯然有益于更深入的討論。加入地殼各向異性分析，結(jié)合殼、幔各向異性和地表GPS觀測，是對殼幔耦合關(guān)系研究的重要推進(jìn)(高原等，2010)。

地震活動是地殼內(nèi)部應(yīng)變能釋放的一種形式，并且與深部發(fā)震斷層的活動密切相關(guān)，這種能量釋放的過程與破裂機(jī)制是與地殼和上地幔的物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)的，而殼幔運動的耦合作用對強震的孕育發(fā)生等具有至關(guān)重要的作用。山東地區(qū)分布有3條大型斷裂構(gòu)造帶:NNE向的沂沭斷裂帶、NE向的聊考斷裂帶和NW向的渤海-威海斷裂帶，地震構(gòu)造環(huán)境較為復(fù)雜，地震活動具有強度大、破壞重的特點。對山東地區(qū)殼幔運動的耦合關(guān)系開展研究，不僅在巖石圈動力學(xué)研究、地震活動趨勢預(yù)測和強震深部力源研究方面有重要的理論意義，也對探究該地區(qū)的地殼穩(wěn)定性、完善其工程地震安全性評價以及防震減災(zāi)工作的諸多環(huán)節(jié)具有重要的應(yīng)用價值。

1 資料和方法

對山東地區(qū)36個寬頻帶地震臺站記錄的2000～2010年的數(shù)字記錄進(jìn)行了篩選，從中選取震中距在85～110°且震級MW＞5.5的地震事件。為提高遠(yuǎn)震記錄中SKS震相的信噪比，在計算各向異性參數(shù)前對數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波處理。

使用最小能量法(Silver et al，1991)和旋轉(zhuǎn)相關(guān)法(Bowman et al，1987)對單個記錄的遠(yuǎn)震SKS震相進(jìn)行偏振分析，求取其地震各向異性參數(shù) (φ，δt)，其中φ表示快波的偏振方向，δt表示快、慢波的到時差。震中距為85～110°的SKS波幾乎是垂直入射到地面臺站下方，如果存在各向異性介質(zhì)，則SKS波在到達(dá)地震臺站時，其快波存在偏振φ，快、慢波之間存在到時差δt。這組參數(shù)(φ，δt)用來描述上地幔地震各向異性。圖1是對WUL(五蓮)臺進(jìn)行SKS震相偏振分析的例子(苗慶杰，2011)。由圖1可看到，同時使用多種方法展開SKS波分裂求取的地震各向異性參數(shù)，較任何一種單一方法得到的結(jié)果更為可靠。

根據(jù)Barruol等(1997)、Wüstefeldt等(2007)關(guān)于剪切波分裂的判別方法，在進(jìn)行 SKS波分裂參數(shù)均值計算時僅使用質(zhì)量一般及以上的有效分裂結(jié)果(表1)。通常認(rèn)為，在SKS波分裂測量方法中，利用最小能量法測得的結(jié)果相對更為可靠、穩(wěn)定(Vecsey et al，2008;Gao et al，2009)，故本文采用最小能量法測得的結(jié)果。

地殼各向異性計算采用的是地殼剪切波分裂的綜合分析方法，稱之為SAM計算分析技術(shù)(高原等，2008b)。SAM主要是基于偏振分析，并加入了相關(guān)分析和時間延遲的扣除技術(shù)，大量的研究表明(高原等，2008b;太齡雪等，2009;石玉濤等，2009)，使用SAM計算技術(shù)得到的結(jié)果是可靠的。

地殼地震各向異性計算使用的是近場記錄的直達(dá)剪切波，地震波形需要符合剪切波窗口的約束條件，即剪切波射線入射角要小于全反射臨界角。本研究中用于地殼剪切波分裂計算的近場記錄資料使用的是山東地區(qū)2005～2007年的數(shù)字化地震波形資料，大部分地震震源深度在6～20km，且多數(shù)集中分布在8～16km的區(qū)間內(nèi)，波形記錄經(jīng)嚴(yán)格挑選后，進(jìn)行了剪切波分裂計算①鄭建常等，2009，山東地區(qū)地殼介質(zhì)各向異性與剪切波分裂研究(見:山東省2009年度地震趨勢研究報告)。

圖1 對WUL(五蓮)臺SKS震相展開偏振分析的實例

2 山東地區(qū)殼幔地震各向異性特征

把山東地區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)36個寬頻帶地震臺站的遠(yuǎn)震SKS波形進(jìn)行SKS分裂計算，通過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)選擇，最后得到159個高質(zhì)量波形記錄的SKS分裂計算結(jié)果(表1)。圖2展示出這36個臺站的SKS分裂平均快剪切波偏振。

常利軍等(2009)給出了泰安臺、蒼山臺、萊陽臺的SKS波分裂參數(shù)，其快波偏振方向分別為 117.2°、95.5°和 106.7°，與本文采用的結(jié)果相似。

對于地殼剪切波分裂結(jié)果，通過數(shù)據(jù)篩選計算獲得14個臺站的結(jié)果。由于快剪切波偏振會受到臺站下方或臺站附近斷裂的明顯影響，因此本研究中把明顯受到地表構(gòu)造影響的臺站的結(jié)果剔除。為了保證討論的可靠性，將有效數(shù)據(jù)≤5條的臺站數(shù)據(jù)也舍棄，最后將7個臺站的結(jié)果用于本研究的討論中(圖2)，把每個臺站的快剪切波偏振結(jié)果按臺站計算得到快剪切波偏振平均值(表2)①。

表1 山東地區(qū)各臺站SKS波分裂參數(shù)

表2 山東地區(qū)SKS快剪切波偏振與近場地殼快剪切波偏振統(tǒng)計結(jié)果

通過表2可以看到，穿透殼幔的SKS分裂的快剪切波偏振平均值為94.7°，而地殼直達(dá)剪切波的快剪切波偏振平均值為117.1°，與SKS快剪切波偏振平均值相差22.4°。這表明地殼主壓應(yīng)力方向與巖石圈內(nèi)的平均主壓應(yīng)力方向有22°的差別。

3 山東地區(qū)地震各向異性及殼幔耦合作用的討論

地殼中近場記錄的剪切波分裂主要使用地殼內(nèi)地震的直達(dá)剪切波，其剪切波分裂反映的各向異性是地殼內(nèi)的特性。根據(jù)現(xiàn)代中小地震震源機(jī)制解得知(周翠英等，2005)，山東地區(qū)目前處于NEE向(80°左右)主壓應(yīng)力作用中，山東地殼運動GPS觀測資料計算的位移場分析結(jié)果顯示(殷海濤等，2008)，山東地區(qū)的主應(yīng)變場呈 NEE-SWW向擠壓，NWW-SEE向拉張，與地震資料得到的最大主壓應(yīng)力有較好的相關(guān)性。為了減少斷裂的影響，并去掉可靠性較差的較少數(shù)據(jù)樣本的臺站，本研究選取了7個臺站，地殼直達(dá)剪切波的快剪切波偏振方向為117.1°±l4.1°，穿透地殼和上地幔的 SKS分裂的快剪切波偏振平均值為 94.7°± 15.3°。

圖2 快剪切波偏振方向

表3 穿過地幔的SKS的快剪切波偏振與近場地殼的快剪切波偏振的對比

為了更準(zhǔn)確地對比分析地殼中近場快剪切波偏振與殼幔SKS分裂的快剪切波偏振的異同，把同時獲得的SKS分裂和近場剪切波分裂結(jié)果的臺站進(jìn)行直接比較(表3)。通過表3可以看到，在5個臺站上獲得的二個結(jié)果都明顯不同，2種快剪切波偏振方向都相差在13.5°以上。這種差異可能說明，山東地區(qū)殼幔之間構(gòu)造活動可能有一定程度的解耦，表明山東地區(qū)的殼幔運動耦合作用可能既不屬于殼幔強耦合型，也不屬于簡單的殼幔解耦型，該地區(qū)的殼幔運動耦合作用可能是2種模式共存的不均勻分布或者是物理性質(zhì)介于二者之間的漸變模式，這與高原等(2010)對華北地區(qū)的相似研究獲得的結(jié)論一致。

致謝:對匿名審稿專家在本文修改過程中提出的中肯意見及耐心指教，深表感謝!