馮力理 陳運(yùn)泰 雷 軍

1）中國(guó)北京100871北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

2）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

引言

非洲中東部地區(qū)是一個(gè)構(gòu)造結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域（圖1），其主體為東非高原，面積約為180萬(wàn)km2，其地形及地質(zhì)構(gòu)造比較清楚.東非高原的平均海拔大致為1 100m，其中心為太古代形成的坦桑尼亞克拉通，圍繞以元古代時(shí)期的造山帶.坦桑尼亞克拉通在4.5°S處被分為北邊的尼桑尼亞（Nyzanian）山帶和南邊的多多曼（Dodoman）山帶.多多曼主要由片巖、石英巖、閃巖和片麻巖組成，而較為年輕的尼桑尼亞則由花崗巖和綠巖組成.克拉通最為年輕的部分為其東部邊緣的花崗巖（Cahen et al，1984）.本汀山帶包圍了坦桑尼亞克拉通的南部以及西南部，東南走向，主要由麻粒巖和閃巖組成，形成于本汀造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期（2 100—2 025Ma前）（Lenoir et al，1994）.本汀山帶以北，是東北走向的中元古代時(shí)期形成的基巴拉山帶，位于坦桑尼亞克拉通西邊.克拉通的北面，是古元古代時(shí)期形成的魯文佐里山帶，而克拉通東部被莫桑比克山帶環(huán)繞，由多組N-NE走向的結(jié)構(gòu)組成，形成于450—1 200Ma前的多次碰撞事件（Cahen et al，1984）.該地區(qū)的巖漿活動(dòng)也很普遍，并且被認(rèn)為可能存在著一個(gè)地幔熱柱（Nyblade，Robinson，1994）.

迄今為止，東非地區(qū)大部分區(qū)域的構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚未研究透徹，對(duì)于此處的地震各向異性的成因也有一系列假設(shè).Gao等（1997）分析了肯尼亞附近KRISP臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，認(rèn)為巖石圈內(nèi)部的巖漿透鏡體（magma-filled lense）是各向異性的主要成因；Barruol和Ismail（2001）利用非洲地區(qū)的全球地震臺(tái)網(wǎng)（Global Seismic Network，簡(jiǎn)稱為GSN），認(rèn)為巖漿透鏡體以及軟流圈內(nèi)部位錯(cuò)蠕變導(dǎo)致的橄欖石晶格定向排布（lattice-preferred orientation，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)PO）是主導(dǎo)，輔以三維不均勻；Walker等（2004）曾專(zhuān)門(mén)討論過(guò)東非高原的各向異性，認(rèn)為地幔流動(dòng)是其成因；Obrebski等（2010）分析了SKS分裂和P波接收函數(shù)，強(qiáng)調(diào)了多層各向異性介質(zhì)的存在；Lynner和Long（2012）認(rèn)為非洲板塊東南部區(qū)域可能存在D″各向異性.

地球介質(zhì)各向異性的成因很多，例如地殼內(nèi)部的裂隙（Crampin，1991）或巖石圈的巖漿透鏡體（Kendall，1994）隨應(yīng)力場(chǎng)變化定向排布，宏觀上體現(xiàn)出各向異性的特征.而對(duì)于地幔而言，除了巖石圈內(nèi)部的巖漿透鏡體，其各向異性另一大成因是由于橄欖石晶格的定向排布，從宏觀上顯示出各向異性（Karato，2008）.地幔LPO各向異性根據(jù)其形成條件的不同，又可以進(jìn)一步劃分為由巖石圈內(nèi)部的拉伸引起的LPO（Nicolas，Poirier，1976；McKenzie，1979；Christensen，1984；Nicolas，Christensen，1987；Ribe，Yu，1991；Wenk et al，1991；Ribe，1992；Mainprice，Silver，1993）、化石各向異性（fossil anisotropy）（Vauchez et al，1999）以及由現(xiàn)今地幔流變引起的位錯(cuò)蠕變（dislocation creep）導(dǎo)致的LPO（Forte et al，2010）.

總的來(lái)說(shuō)，雖然各向異性形成的機(jī)制有所差別，但普遍認(rèn)為地幔各向異性主要還是由橄欖石晶體的位錯(cuò)蠕變形成的LPO所導(dǎo)致（Karato，2008）.橄欖石晶格為正交各向異性，其有3個(gè)不同的對(duì)稱軸，能夠產(chǎn)生高達(dá)25%的P波各向異性和12%的S波各向異性（Kumazawa，Anderson，1969）.在簡(jiǎn)單剪切的條件下，其波速最快的a軸會(huì)與剪切方向一致；而單軸壓縮時(shí)，a軸會(huì)從材料縮短的方向轉(zhuǎn)至材料延伸的方向.正因?yàn)檫@個(gè)特性，地幔各向異性的快軸被用以判斷地幔流動(dòng)的方向（Karato，2008）.

分析各向異性最為常見(jiàn)的手段即為剪切波分裂，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但深度的分辨率很差，而且我們經(jīng)常過(guò)分簡(jiǎn)單地假設(shè)介質(zhì)是擁有水平快軸的單層均勻各向異性介質(zhì)，這顯然在幾乎所有的地區(qū)都是不成立的（Long，Silver，2009）.因此，對(duì)于剪切波分裂分析而言，最大的挑戰(zhàn)在于對(duì)測(cè)量結(jié)果的合理解釋.本文使用剪切波分裂的分析方法，研究非洲中東部地區(qū)部分臺(tái)站的最新SKS震相記錄，希望由此分析非洲板塊下方地球介質(zhì)各向異性的成因，進(jìn)而推測(cè)其相應(yīng)的地球動(dòng)力學(xué)以及板塊構(gòu)造的過(guò)程 .

1 數(shù)據(jù)與分析方法

圖1 非洲中東部地區(qū)地形圖以及本文使用的非洲臺(tái)陣部分臺(tái)站（三角形）分布Fig.1 Topographic map of mid-eastern Africa and distribution of Africa Array stations（triangles）

本文數(shù)據(jù)引自IRIS DMC MetaData Aggregator的非洲臺(tái)陣（Africa Array），其臺(tái)站地理分布如圖1所示.非洲臺(tái)陣是流動(dòng)臺(tái)站，不同臺(tái)站記錄時(shí)間段均不相同，本文所選取的記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間段大致為2010-01-01—2011-12-31.非洲臺(tái)陣所使用的記錄器為Reftek 72A－08記錄器，拾震器型號(hào)為寬頻帶的Streckeisen STS-2G1，帶寬范圍大致為0.02—10Hz，其頻響曲線可以在IRIS（2004）查閱到.本研究所使用的程序是基于Matlab編寫(xiě)的Splitlab（Wüstefeld et al，2007），該程序?qū)ｉT(mén)用于SKS震相的剪切波分裂分析.

我們參考了前人處理SKS震相的方法以及判定規(guī)則，本文中用于剪切波分裂分析的SKS震相均取自震中距為85°—130°范圍內(nèi)的地震（M＞5.5），這是由于在此范圍之外的地震記錄中，SKS震相很容易與其它遠(yuǎn)震震相混疊在一起難以區(qū)分.因?yàn)镾KS震相的特征周期大致為8s，故對(duì)于數(shù)據(jù)采用Butterworth帶通濾波，濾波角頻率為0.02Hz和0.125Hz.為了得到更加穩(wěn)定可靠的結(jié)果，角頻率的上下限對(duì)于不同事件的記錄在分析過(guò)程會(huì)有所調(diào)整（Long，van der Hilst，2005）.對(duì)于時(shí)間窗的選取，我們首先依據(jù)IASP91模型（Kennett，Engdahl，1991），計(jì)算理論SKS震相到時(shí)，然后在其附近選取SKS震相.Vecsey等（2008）曾指出，對(duì)于SKS分裂分析而言，時(shí)間窗長(zhǎng)度的選取以等于或略大于一個(gè)周期為宜.如果走時(shí)差是小于周期的，那么可以證明，SKS震相的T分量與R分量的一階微分近似成正比（Chevrot，2000），本研究中利用該性質(zhì)輔助判定SKS震相.

圖2 SONG臺(tái)站得到的“好”（good）的剪切波分裂分析結(jié)果（a）灰色區(qū)域?yàn)樗x取的用于SKS分析的時(shí)間窗；（b）事件的反方位角分布；（c）利用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法得到的歸一化快慢波波形對(duì)比；（d）利用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法得到的徑向分量（R）與切向分量（T）的波形對(duì)比；（e）利用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法分析前后的水平質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖對(duì)比；（f）互相關(guān)系數(shù)關(guān)于快軸方向與走時(shí)差的分布；（g）利用最小能量法得到的歸一化快慢波波形對(duì)比；（h）利用最小能量法得到的徑向分量（R）與切向分量（T）的波形對(duì)比；（i）利用最小能量法分析前后的水平質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖對(duì)比；（j）切向分量能量關(guān)于快軸方向與走時(shí)差的分布Fig.2 An example illustrating“good”measurement of SKS waveform recorded by the station SONG（a）Shaded area illustrates selected time window for SKS splitting analysis；（b）Back-azimuthal distribution of the event；（c）Comparison of normalized fast and slow waveforms with rotation correlation（RC）method；（d）Comparison of Rand Tcomponents with RC method；（e）Horizontal particle motion before and after utilizing RC method；（f）Distribution of correlation coefficients with respect to delay time and fast axis；（g）Comparison of normalized fast and slow waveforms with minimum energy（SC）method；（h）Comparison of Rand Tcomponent with SC method；（i）Horizontal particle motion before and after utilizing SC method；（j）Distribution of transverse energy with respect to delay time and fast axis

在剪切波分裂分析過(guò)程中，我們使用了旋轉(zhuǎn)相關(guān)法（rotation-correlation method，簡(jiǎn)稱為RC）（Vinnik et al，1984）和最小能量法（minimum energy method，亦稱SC法）（Silver，Chan，1991）.Wüstefeld和Bokelmann（2007）曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的數(shù)值分析，認(rèn)為當(dāng)RC方法與SC方法得出結(jié)果一致時(shí)，其測(cè)量值是最可靠的.

參考Long和van der Hilst（2005）以及 Wirth和Long（2010）的研究結(jié)果，我們將剪切波分裂測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分類(lèi).一個(gè)“好”（good）的測(cè)量結(jié)果判據(jù)包括：① 具有較高的信噪比以及清晰的波形；② 在剪切波分裂分析之前其水平分量的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖為明顯的橢圓，而進(jìn)行分裂分析修正之后的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖為線偏振；③ 經(jīng)過(guò)修正之后，得到的快慢波波形相似；④ 修正后的波形，T分量幾乎為0；⑤ 能量圖分布的95%置信區(qū)域較小；⑥ 定義Δφ＝｜φRC－φSC｜，Δt＝｜δtRC－δtSC｜，其中φRC和δtRC分別為RC方法測(cè)量到的快波偏振方向和走時(shí)差，φSC和δtSC為對(duì)應(yīng)SC方法測(cè)量得到的分裂參數(shù).當(dāng)Δφ≤10°且Δt≤0.5s時(shí)，認(rèn)為兩種方法的結(jié)果較為一致.滿足上述所有判據(jù)的結(jié)果歸類(lèi)為“好”（good），如圖2所示；而對(duì)于各個(gè)判據(jù)的滿足都不是很好，且當(dāng)Δφ≤20°、Δt≤0.8s時(shí)判定為“一般”（fair）；相比之下更差的結(jié)果則判定為“差”（poor）.本研究中只使用了“好”的和“一般”的結(jié)果.另外，當(dāng)介質(zhì)為各向同性或各向異性程度很弱時(shí)，或者當(dāng)SKS震相初始偏振方向與快軸或者慢軸很接近時(shí)，則幾乎不會(huì)分裂，此時(shí)會(huì)得到“無(wú)效”（null）的結(jié)果.

2 結(jié)果

非洲臺(tái)陣各臺(tái)站的SKS震相剪切波分裂分析測(cè)量的快波偏振方向如圖3中的玫瑰圖所示.可以看到，大部分臺(tái)站的快軸都是簡(jiǎn)單的單一方向，但WINO臺(tái)站例外.對(duì)于該地區(qū)各向異性的成因，下面將詳細(xì)地進(jìn)行分析.

2.1 地殼各向異性

當(dāng)裂隙定向排布或者斷層和斷裂定向分布，且地震波波長(zhǎng)大于這些結(jié)構(gòu)的尺度時(shí)，會(huì)在宏觀上表現(xiàn)為各向異性（Backus，1962）.本研究中無(wú)法排除地殼各向異性對(duì)于結(jié)果可能的影響，但認(rèn)為其對(duì)結(jié)果的影響很小，原因有二：首先，脆性裂隙等結(jié)構(gòu)分布在上地殼，而SKS震相的特征周期為8s，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)大于上地殼厚度，其不會(huì)明顯受上地殼結(jié)構(gòu)的影響；其次，地殼各向異性引起的走時(shí)差約為0.1—0.3s（Kaneshima et al，1988；Booth et al，1990；Kaneshima，1990；Shih，Meyer，1990；Crampin，1994；McNamara et al，1994；雷軍等，1997），而本研究中所有臺(tái)站的走時(shí)差均約為1—2.5s（表1），顯然比地殼各向異性引起的走時(shí)差大得多.所以，地殼各向異性無(wú)法充分解釋本研究的結(jié)果.

2.2 含水或含巖漿透鏡體

含水或含巖漿透鏡體（Kendall，1994）在應(yīng)力場(chǎng)的作用下形成的形態(tài)定向排布（shapepreferred orientation，簡(jiǎn)稱為SPO）會(huì)使剪切波分裂的快剪切波偏振方向與透鏡體平行.其走時(shí)差在數(shù)秒左右，從數(shù)量級(jí)上來(lái)說(shuō)可以用于解釋本研究的結(jié)果（Kendall，1994）.該機(jī)制會(huì)導(dǎo)致快軸方向平行于最大水平主壓應(yīng)力方向.將圖3中本文的結(jié)果與GFZ-Potsdam的世界應(yīng)力場(chǎng)分布圖（圖4）比較，發(fā)現(xiàn)沿著西部斷裂，本汀山帶的臺(tái)站，例如KGMA、NAMA、SUMB及TUND臺(tái)站均可以用該機(jī)制來(lái)解釋?zhuān)鳮TWE和MAFI臺(tái)站卻恰好與最大水平主壓應(yīng)力方向正交.另外一些臺(tái)站由于數(shù)據(jù)的缺失而無(wú)法直接比較.

圖3 非洲臺(tái)陣各臺(tái)站剪切波分裂分析結(jié)果Fig.3 Rose diagrams at stations of Africa Array illustrating the fast directions measured in this study

表1 SKS分裂測(cè)量結(jié)果Table 1 The results of SKS splitting measurements

圖4 世界應(yīng)力場(chǎng)分布圖（引自Heidbach et al，2009）不同符號(hào)表示利用不同的方法得到的水平主壓應(yīng)力方向.詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考www.world-stress-map.orgFig.4 2008world stress map（after Heidbach et al，2009）Downloaded from GFZ-Potsdam.Different symbols illustrate results from different methods.For more details，please see www.world-stress-map.org

2.3 巖石圈內(nèi)部LPO各向異性

巖石圈內(nèi)部LPO各向異性大致分為兩種：一種是由于巖石圈大尺度被拉伸，引起橄欖石晶格的LPO導(dǎo)致的各向異性（Nicolas，Poirier，1976；McKenzie，1979；Christensen，1984；Nicolas，Christensen，1987；Ribe，Yu，1991；Wenk et al，1991；Ribe，1992；Mainprice，Silver，1993；鄭斯華，高原，1994）.該機(jī)制會(huì)使快軸方向正交于最大水平主壓應(yīng)力方向.比較圖3結(jié)果與圖4的應(yīng)力分布圖可知，KTWE和MAFI臺(tái)站顯然滿足此機(jī)制.另一種是巖石圈內(nèi)部的物質(zhì)在幾百萬(wàn)年前較熱，在位錯(cuò)蠕變的作用下產(chǎn)生了LPO，隨著時(shí)間的推移逐漸冷凝后固化在巖石圈內(nèi)部，反映了幾百萬(wàn)年前的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（呂慶田等，1996；Vauchez et al，1999），這樣形成的各向異性稱為化石各向異性.如果我們簡(jiǎn)單地假設(shè)，這樣的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向在整個(gè)巖石圈上部是近似不隨深度變化的，那么化石各向異性導(dǎo)致的快軸方向應(yīng)當(dāng)與地表斷層出露一致.通過(guò)與Lenoir等（1994）的結(jié)果（圖5）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，非洲中東部地區(qū)有少數(shù)臺(tái)站如KTWE和LAEL臺(tái)站與該機(jī)制吻合.

圖5 非洲中東部地區(qū)的地表斷層出露（引自Lenoir et al，1994）TC：坦桑尼亞克拉通；Ub：本汀山帶；Us：烏薩加拉山帶；Bb：班韋烏盧塊體；Kb：基巴拉山帶；Ir：艾露麥得山帶；Mb：莫桑比克造山帶；La：魯非尼安??；LT：坦噶尼喀湖；LV：維多利亞湖；LR：魯夸湖；LM：馬拉維湖；L：其它湖.更為詳細(xì)的說(shuō)明請(qǐng)參考原文Fig.5 Geological outline of mid-eastern Africa showing the surface outcrops（after Lenoir et al，1994）TC：Archaean Tanzanian craton；Ub：Ubendian belt；Us：Usagaran belt；Bb：Bangweulu block；Kb：Kibaran belt；Ir：Irumide belt；Mb：Mozambique belt；La：Lufilian arc；LT：Lake Tanganyika；LV：Lake Victoria；LR：Lake Rukwa；LM：Lake Malawi；L：other lakes.For more details，please see the original paper

2.4 現(xiàn)今地幔流變的各向異性

現(xiàn)今軟流圈地幔流動(dòng)會(huì)使橄欖石晶體產(chǎn)生位錯(cuò)蠕變，進(jìn)而形成LPO為主導(dǎo)的各向異性（常利軍等，2008；王瓊等，2013）.通過(guò)與Forte等（2010）基于地震層析成像的地幔流模型對(duì)比（圖6）發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)大部分臺(tái)站得到的快軸方向與其地幔流動(dòng)方向相近.也就是說(shuō)，該地區(qū)的各向異性最有可能是現(xiàn)今上地幔軟流圈流動(dòng)所導(dǎo)致的LPO.地幔流從西南向東北方向流動(dòng)，其間遇到了坦桑尼亞克拉通，其根部較深，阻礙了地幔流動(dòng)，使得地幔流在碰到克拉通后分叉，如圖6中黑色箭頭所示.剪切波分裂分析的玫瑰圖，在大部分臺(tái)站都與這樣的一種上地幔流模型一致，但也有例外，諸如KTWE、WINO和MAFI等異常臺(tái)站，以下分析著重考慮這3個(gè)臺(tái)站.

2.5 D″各向異性

圖6 本文剪切波分裂分析結(jié)果與Forte等（2010）250km深度處地幔流動(dòng)模型的對(duì)比Fig.6 Comparison of the results presented in this study with the mantle flow （blue arrows）model at the depth of 250km from Forte et al（2010）

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為下地幔是不存在各向異性的，因?yàn)榈V物物理研究表明下地幔處于擴(kuò)散蠕變（diffusion creep）區(qū)域，而擴(kuò)散蠕變不會(huì)像位錯(cuò)蠕變那樣引起LPO進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為各向異性（Karato，1995）.但是，Lynner和Long（2012）卻在科特迪瓦地區(qū)觀測(cè)到了SKS與SKKS震相的分裂參數(shù)的區(qū)別.因?yàn)镾KS與SKKS震相在上地幔的第一菲涅耳（Fresnel）帶幾乎重合，但是其射線路徑在下地幔卻相差很遠(yuǎn).對(duì)于這兩個(gè)震相，剪切波分裂測(cè)量到的分裂參數(shù)，反映的是從核幔邊界至臺(tái)站整個(gè)路徑的積分效應(yīng).如果對(duì)于同一事件，SKS與SKKS震相的分裂參數(shù)一致，說(shuō)明下地幔不存在明顯的各向異性，反之，則可能存在各向異性.

Lynner和Long（2012）利用上述原理，分析了科特迪瓦DBIC臺(tái)站，認(rèn)為該臺(tái)站下方的上地幔是各向同性的，而各向異性來(lái)自于下地幔，大致為圖7中紅色區(qū)域所示.觀察圖7中KTWE、WINO及MAFI等3個(gè)異常臺(tái)站的反方位角分布，發(fā)現(xiàn)它們均有大量的觀測(cè)值可能受到D″各向異性的影響.非常有趣的是，KTWE臺(tái)站的快軸方向與MAFI臺(tái)站非常一致，不過(guò)這到底是巧合還是確實(shí)是由于它們的結(jié)果均受到D″各向異性的影響，在本研究中難以進(jìn)一步證實(shí).

3 復(fù)雜各向異性

我們認(rèn)為非洲中東部地區(qū)各向異性的主要成因是軟流圈地幔流動(dòng)所導(dǎo)致的橄欖石發(fā)生位錯(cuò)蠕變，使橄欖石晶格產(chǎn)生LPO而形成的.為了解釋該機(jī)制下KTWE、WINO和MAFI 3個(gè)異常臺(tái)站結(jié)果，我們?cè)诖丝紤]復(fù)雜各向異性.復(fù)雜各向異性通常包括3種，即傾斜的快軸、多層介質(zhì)及橫向不均勻性.為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文嘗試用雙層各向異性介質(zhì)來(lái)解釋上述異常臺(tái)站結(jié)果.

圖7 D″各向異性示意圖圖中紅色區(qū)域?yàn)镈″各向異性可能存在的區(qū)域（Lynner，Long，2012）；玫瑰圖表示KTWE、WINO和MAFI等3個(gè)臺(tái)站所記錄到事件的反方位角分布；紅色短棒表示W(wǎng)INO臺(tái)站下層快軸方向，黃色短棒表示上層快軸，黑色短棒表示MAFI和KTWE臺(tái)站快軸方向Fig.7 Illustration of D″anisotropyThe red-shaded region denotes the location of possible D″anisotropy（Lynner，Long，2012）.Rose diagrams illustrate back-azimuth coverage of the stations KTWE，WINO and MAFI.Red bars at WINO indicate lower layer fast direction，while yellow bars correspond with upper layer.Black bars at MAFI and KTWE measure fast directions

現(xiàn)考慮雙層各向異性介質(zhì).當(dāng)一束剪切波入射到第一層介質(zhì)時(shí)，會(huì)分裂成一列波速較快的快剪切波和另一列波速較慢的慢剪切波，其偏振方向近似正交.而這兩列波再次入射到另一層各向異性介質(zhì)時(shí)，會(huì)再次分裂，總共就得到4列波.對(duì)于這種情況，若還是利用通常的剪切波分裂分析方法來(lái)測(cè)量時(shí)，得到的分裂參數(shù)稱為“視分裂參數(shù)”，其滿足（Silver，Savage，1994）

式中：θ1＝ωδt1，θ2＝ωδt2，θa＝ωδta；α1，δt1和δ2，δt2分別為第一層和第二層介質(zhì)的快軸方向及走時(shí)差；αa為視快軸方向，δta為視走時(shí)差；ω為角頻率.因此，我們將會(huì)得到視分裂參數(shù)隨反方位角變化的結(jié)果（對(duì)于SKS震相，其由液態(tài)外核的P波在核幔邊界轉(zhuǎn)換為SV波，初始偏振方向與事件相對(duì)于臺(tái)站的反方位角一致）.顯然，對(duì)于雙層各向異性介質(zhì)而言，給定一個(gè)臺(tái)站，如果其記錄的地震事件均來(lái)自一個(gè)方向，那么其視快波偏振方向會(huì)很單一；但如果有來(lái)自多個(gè)方位角的事件記錄，其最后結(jié)果會(huì)很復(fù)雜，如圖3中WINO臺(tái)站的玫瑰圖所示.

我們只分析玫瑰圖樣復(fù)雜的WINO臺(tái)站.在此簡(jiǎn)單假設(shè)其下面為雙層各向異性介質(zhì)，定義我們觀測(cè)到的視分裂參數(shù)與各層參數(shù)關(guān)系為

式中：α1，δt1和δ2，δt2分別為第一層和第二層介質(zhì)的快軸方向及走時(shí)差；αa為視快軸方向，δta為視走時(shí)差，它們均是θ（反方位角）的函數(shù).將一系列不同的反方位角用向量表示，視快軸方向和視走時(shí)差也用向量表示.我們的目標(biāo)是找到一個(gè)模型向量，使得

成立.其中，為了放大快軸在參數(shù)估計(jì)過(guò)程中的權(quán)重，分別取μ1＝1，μ2＝0.05，這樣選取的依據(jù)有兩點(diǎn)：①在剪切波分裂分析過(guò)程中，濾波的角頻率會(huì)有所調(diào)整，頻率成分的不同對(duì)于快軸方向的影響不大（Saltzer et al，2000），但對(duì)走時(shí)差卻會(huì)有較大影響（Marson-Pidgeon，Savage，1997；?zalabey，Chen，1999；Wirth，Long，2010），本研究并不深究頻率對(duì)走時(shí)差測(cè)量的影響，但走時(shí)差離散確實(shí)有可能是頻率不同導(dǎo)致的；② 從橄欖石的極坐標(biāo)圖（Karato，2008；Katayama et al，2009）可以看到，對(duì)于不同入射角的波，其快軸方向仍然較為穩(wěn)定，但是快慢波的波速差卻有較大變化，即走時(shí)差也會(huì)較明顯地隨著入射角的不同而變化.綜上所述，為了簡(jiǎn)化模型，我們不考慮頻率及入射角的影響，相應(yīng)地，著重考慮快軸方向測(cè)量結(jié)果的擬合.

我們最終得到的WINO臺(tái)站的視分裂參數(shù)擬合結(jié)果如圖8所示.顯然，無(wú)論是對(duì)于快軸方向還是對(duì)于走時(shí)差而言，其擬合結(jié)果都不是很好.我們與耶魯大學(xué)地質(zhì)與地球物理系的Maureen Devaney Long教授曾討論過(guò)該結(jié)果，一致認(rèn)為雙層各向異性介質(zhì)可能還是過(guò)于簡(jiǎn)單，WINO臺(tái)站下方可能存在更為復(fù)雜的三維各向異性結(jié)構(gòu).但是，由于本研究的臺(tái)站分布較為稀疏，目前的數(shù)據(jù)不允許我們進(jìn)行復(fù)雜的三維各向異性介質(zhì)成像.

圖8 WINO臺(tái)站的視分裂參數(shù)擬合結(jié)果Fig.8 Fitness of apparent splitting parameters of the station WINO Blue crosses represent observed data with error bars，while black lines illustrate predicted data

基于簡(jiǎn)單的雙層各向異性模型，我們得到WINO臺(tái)站下層介質(zhì)的快軸方向?yàn)?5°，上層介質(zhì)的快軸方向?yàn)?2°.將此結(jié)果與Forte等（2010）的地幔流動(dòng)模型相比較（圖9），發(fā)現(xiàn)該地區(qū)下層介質(zhì)快軸方向與他們的地幔流模型一致，而上層介質(zhì)快軸方向則與地表斷層出露一致（Lenoir et al，1994）.不僅如此，KTWE臺(tái)站的快軸方向也與地表斷層出露一致.因此，我們認(rèn)為該區(qū)域各向異性的主因是軟流圈地幔流動(dòng)，輔以巖石圈內(nèi)部的化石各向異性.不滿足此模型的只有MAFI臺(tái)站，其成因或許是由于巖石圈大尺度拉伸后引起的橄欖石LPO所導(dǎo)致的各向異性.

4 討論與結(jié)論

本文通過(guò)SKS分裂，分析了非洲中東部地區(qū)的各向異性的快軸方向，認(rèn)為各向異性成因主要是上地幔流導(dǎo)致橄欖石的LPO所引起的.但是對(duì)于局部一些臺(tái)站，其各向異性可能是由于巖石圈內(nèi)部化石各向異性所導(dǎo)致的.

為了解釋以坦桑尼亞克拉通為中心的整個(gè)東非高原的上升原因，Weeraratne等（2003）根據(jù)其瑞雷波層析成像結(jié)果，認(rèn)為坦桑尼亞克拉通下方存在著一個(gè)地幔熱柱，該地慢熱柱導(dǎo)致了以坦桑尼亞克拉通為中心的輻射狀地幔流動(dòng)方式（詳見(jiàn)原文圖7）.他們認(rèn)為該地幔熱柱是東非高原的上升動(dòng)力源.Sleep等（2004）預(yù)測(cè)SKS分裂的結(jié)果應(yīng)當(dāng)以該熱柱為中心呈輻射狀分布，但本文的SKS分裂結(jié)果并不是以該克拉通某一點(diǎn)為中心呈輻射狀.前面論述已經(jīng)證明，該地區(qū)各向異性主要的成因應(yīng)當(dāng)是軟流圈地幔流動(dòng)導(dǎo)致的LPO，并且本文結(jié)果與Forte等（2010）預(yù)測(cè)的地幔流動(dòng)方向一致.因此認(rèn)為本文結(jié)果是可靠的.坦桑尼亞克拉通下方并不一定存在Weeraratne等（2003）預(yù)測(cè)的地幔熱柱，即使存在，其對(duì)應(yīng)的主要地幔流動(dòng)模式可能也不是他們所預(yù)測(cè)的那樣.

圖9 非洲中東部地區(qū)各向異性的主導(dǎo)因素示意圖玫瑰圖表示各臺(tái)站的快軸方向.藍(lán)色箭頭表示地幔流動(dòng)模型（Forte et al，2010），黑色細(xì)線表示地表斷層出露（Lenoir et al，1994）Fig.9 The dominant origins of seismic anisotropy in middle-eastern African region Rose diagrams illustrate the fast directions measured in this study.Light blue arrows indicate mantle flow model（Forte et al，2010）and thin black lines are surface outcrops（Lenoir et al，1994）

非洲中東部地區(qū)構(gòu)造非常復(fù)雜，橫向不均勻性也很強(qiáng)（Lenoir et al，1994），真實(shí)的模型可能遠(yuǎn)不像雙層各向異性那么簡(jiǎn)單（曾與Maureen Devaney Long教授當(dāng)面討論）.而剪切波分裂分析的最大缺點(diǎn)就是深度向的分辨率差，能夠提供的信息很有限.如果未來(lái)有更加密集的臺(tái)網(wǎng)，則可以使用最新的剪切波分裂層析成像方法（Chevrot，2006；Abt，F(xiàn)ischer，2008；Long et al，2008；Chevrot，Monteiller，2009）.對(duì)于下地幔各向異性而言，其機(jī)制目前仍不清楚（Long，Becker，2010）.由部分熔融引起的SPO（shape preferred orientation）和LPO都可以解釋其主要特征（Kendall，Silver，1998；Karato，1998；Long，Becker，2010），所以對(duì)于下地幔各向異性的研究仍然處于初期.D″各向異性對(duì)于地球動(dòng)力學(xué)有重大的意義，如果其機(jī)制是SPO，則可能證實(shí)核幔邊界熱柱的存在；如果其成因是LPO，則可能意味著俯沖板片存在于核幔邊界處，這相當(dāng)于反駁了一大傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即在660km處負(fù)的克拉珀龍（Clapeyron）斜率導(dǎo)致的相浮力阻礙了較冷的板片繼續(xù)俯沖，以致于其俯沖停留在660km處.

綜上所述，對(duì)于東非地區(qū)各向異性成因的研究，以及與之相緊密聯(lián)系的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程，仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)地震學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)及礦物物理學(xué)等多學(xué)科的研究與交叉融合.

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