周　琳，王慶良，季靈運(yùn)，宋尚武

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西　西安　710054；2.防災(zāi)科技學(xué)院，北京　燕郊　101601)

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鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各項(xiàng)異性結(jié)果探討分析

周琳1，王慶良1，季靈運(yùn)1，宋尚武2

(1.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西西安710054；2.防災(zāi)科技學(xué)院，北京燕郊101601)

摘要：搜集整理鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有上地幔各向異性研究結(jié)果，進(jìn)一步探討地震計(jì)方位對(duì)SKS各項(xiàng)異性研究的影響。結(jié)果表明，區(qū)域各項(xiàng)異性反演結(jié)果整體上較為可靠。地震計(jì)方位偏差對(duì)SKS各向異性反演結(jié)果的影響，表現(xiàn)為(φ，δt)兩參數(shù)的綜合變化，而非單一參量變化。因此，在研究SKS等現(xiàn)代地震學(xué)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地震計(jì)方位角的校正。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯地塊及周緣；各項(xiàng)異性；地震計(jì)方位角

0引言

通過地震波橫波分裂觀測上地幔各項(xiàng)異性，盡可能分辨區(qū)域構(gòu)造演化的動(dòng)力學(xué)成因及其作用的空間分布特征。隨著“十五”數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的建成，鄂爾多斯地塊周緣地區(qū)數(shù)字化測震能力有了很大提升，除鄂爾多斯地塊西北角附近測震監(jiān)測能力較弱外，其它區(qū)域已基本實(shí)現(xiàn)2.0級(jí)以上地震的監(jiān)測。近年來，鄂爾多斯地塊及周緣的各項(xiàng)異性研究取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，獲得了大規(guī)模密集研究結(jié)果[1-5]。本文在搜集整理前人已有的鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各向異性研究結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合分析研究區(qū)域各項(xiàng)異性特征，進(jìn)一步探討地震計(jì)方位對(duì)SKS分裂研究的影響。

1區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)性背景

鄂爾多斯地塊位于華北克拉通西部，東起呂梁山，西抵銀川—吉蘭泰斷陷帶，南起渭河斷陷帶，北至河套斷陷帶，是華北克拉通最穩(wěn)定完整的次級(jí)構(gòu)造單元。鄂爾多斯塊體內(nèi)部穩(wěn)定，具有很好的整體性，但它的周緣在不同期次的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中形成了顯著差異的周緣構(gòu)造特征。如第6頁圖1所示，西南邊界弧形斷陷帶呈NW-NNW向展布，西北段顯示左旋走滑，東南端表現(xiàn)為左旋走滑—逆沖斷裂帶；渭河斷陷帶和河套斷陷帶呈EW向展布，是左旋剪切拉張帶；銀川-吉蘭泰和山西斷陷帶呈NNE向展布，為右旋剪切拉張帶。分析其地幔各項(xiàng)異性變化特征，對(duì)中國大陸構(gòu)造和動(dòng)力學(xué)演化研究具有重要意義[6]。

地塊周緣由活動(dòng)斷陷帶和弧形斷裂帶包圍，這些邊界帶上構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻發(fā)。據(jù)史料記載僅8級(jí)以上地震就發(fā)生過5次, 是中國大陸內(nèi)部一個(gè)著名的強(qiáng)震活動(dòng)帶。如第7頁圖2所示(圖中，黑色實(shí)心圓為1970年以來的3級(jí)以上地震，白色實(shí)心圓為有1970年以前歷史記載的5級(jí)以上地震)，鄂爾多斯地塊內(nèi)部是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的地塊，鮮有地震發(fā)生，地震帶的展布方向與斷裂帶的延伸方向基本一致。東側(cè)的山西斷陷帶、西側(cè)的銀川—吉蘭泰斷陷帶和鄂爾多斯西緣弧形斷裂帶(三關(guān)口—牛首山斷裂、香山—天景山斷裂、海原—六盤山—寶雞斷裂)地震展布密集。

2各項(xiàng)異性研究結(jié)果

地震波各向異性，是指沿不同傳播方向地震波速度不同。橫波分裂是指地震波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，分解為偏振方向相互正交的快慢兩個(gè)分量的一種特殊現(xiàn)象。上地幔橄欖巖晶格優(yōu)勢方向記錄了以往或現(xiàn)今的動(dòng)力學(xué)信息(巖石圈層各向異性對(duì)應(yīng)于以往變形；軟流圈層各向異性對(duì)應(yīng)現(xiàn)今變形)。不同的構(gòu)造事件對(duì)上地幔施加的應(yīng)力分布不同，必然會(huì)產(chǎn)生不同的上地幔變形模式，從而在上地幔晶體中保留相應(yīng)的晶格變形記錄。如果后續(xù)事件能改寫之前發(fā)生事件所產(chǎn)生的晶格變形，則上地幔各項(xiàng)異性特征將指示最后一次重大事件所產(chǎn)生的變形。目前，常規(guī)方法是選擇SKS震相系列研究上地幔的各向異性。SKS波從震源出發(fā)時(shí)為S波，經(jīng)過液態(tài)的外核時(shí)轉(zhuǎn)換為P波，當(dāng)再次通過核幔邊界時(shí)，若從核幔邊界到接收臺(tái)站的介質(zhì)為各向同性，則P波再次轉(zhuǎn)換為只有徑向偏振的S波，然后傳播到接收臺(tái)站；若介質(zhì)為各向異性，它將分解成兩個(gè)偏振方向互相垂直的子波并以不同的速度傳播，即快慢波。當(dāng)震中距在85°～140°時(shí)，SKS波近似垂直入射到地表，能量強(qiáng)，與S波震相分離，容易識(shí)別，其分裂參數(shù)(φ，δt)僅反映核幔界面到臺(tái)站這一路徑的各向異性，即主要代表臺(tái)站正下方的各向異性特征。這里φ為快波偏振方位，δt為快慢波分裂延時(shí)。目前，通過SKS橫波分裂研究獲取上地幔各向異性特征是認(rèn)識(shí)區(qū)域或全球動(dòng)力學(xué)過程不可替代的手段[7]。

圖1　鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)構(gòu)造背景圖Fig.1　Tectonic setting of Erdos block and periphery

鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有SKS各向異性結(jié)果圖如第8頁圖3所示，前人所用資料、研究方法及研究結(jié)果的主要異同點(diǎn)如表1所示。

鄂爾多斯地塊周邊地區(qū)SKS分裂參數(shù)(φ，δt)具有比較復(fù)雜的空間分區(qū)差異特征，快波方向與地質(zhì)構(gòu)造走向基本一致。鄂爾多斯地塊西緣SKS快波方向以NWW向?yàn)橹?，南緣以近EW向?yàn)橹?。各向異性快波方向平行于兩個(gè)剛性塊體碰撞邊界和秦嶺造山帶的走向，東部區(qū)域從北到南快軸方向一致為NW-SE方向，在東南部山西斷陷帶太原盆地、臨汾—運(yùn)城盆地一帶附近快波方向表現(xiàn)出較大的NE向偏轉(zhuǎn)，地塊南緣和東緣形成了明顯的繞流運(yùn)動(dòng)形態(tài)。鄂爾多斯地塊內(nèi)部各向異性分裂延遲時(shí)間δt較小。青藏高原東北緣向NE-NNE向推擠過程中，受到穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊阻擋，在塊體西南緣的海原—六盤山斷裂帶附近發(fā)生明顯的分叉擾流運(yùn)動(dòng)。其中，一股沿鄂爾多斯地塊西緣向北流動(dòng)，形成銀川、吉蘭泰盆地現(xiàn)今右旋拉張剪切運(yùn)動(dòng)，另一股沿渭河盆地、秦嶺造山帶流動(dòng)然后轉(zhuǎn)向山西斷陷帶。SKS各向異性結(jié)果表明，印度—?dú)W亞板塊碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)已經(jīng)延伸至鄂爾多斯地塊東部地區(qū)。鄂爾多斯地塊的上地幔已卷入了青藏高原上地幔的北東向動(dòng)力變形擴(kuò)展體系。

表1　鄂爾多斯地塊SKS各向異性的代表性研究對(duì)比表

圖2　鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)地震活動(dòng)分布圖Fig.2　Seismicity distribution in Erdos block and periphery

3地震計(jì)方位偏差對(duì)SKS各向異性結(jié)果影響分析

全球和區(qū)域三分向?qū)掝l帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的規(guī)?；⒑瓦\(yùn)行，極大促進(jìn)了現(xiàn)代地震學(xué)的研究發(fā)展?，F(xiàn)代地震學(xué)研究的許多方面，如SKS剪切波分裂研究、接收函數(shù)研究和面波研究等，都需要通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)將BHN、BHE和BHU三分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分解為徑向(水平入射方向)、橫向(水平面內(nèi)與入射方向垂直)和垂向三個(gè)正交分量。但實(shí)際中，很多因素造成的不確定性導(dǎo)致地震計(jì)三分向精確地安裝在正北、正東和垂直方向并不容易。例如，利用羅盤儀進(jìn)行尋北定向時(shí)，由于山洞巖石磁性、儀器本身磁性、以及磁偏角誤差等因素的影響，所定出的BHN方向(相應(yīng)BHE方向)可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差。儀器安裝過程或安裝后的多種人為干擾、環(huán)境變化等因素，也會(huì)使地震計(jì)BHN、BHE方位出現(xiàn)偏差?，F(xiàn)有研究證明，中國數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)1 000多個(gè)臺(tái)站中有近三分之一的臺(tái)站存在地震計(jì)水平方位偏差大、地震計(jì)極性接反或分量互混等方面的問題[8]。北京大學(xué)等數(shù)據(jù)用戶在此之前也發(fā)現(xiàn)類似的問題，中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司利用高精度尋北儀(陀螺儀)對(duì)一些地震計(jì)方位偏差突出的臺(tái)站重新進(jìn)行了地震計(jì)的安裝和方位校正。如果臺(tái)站地震計(jì)的BHN方向與真北方向存在較大的系統(tǒng)偏差(相應(yīng)BHE分量與真東方向也存在較大偏差)，則依據(jù)臺(tái)站后方位角理論值旋轉(zhuǎn)得到的徑向、橫向分量也將存在較大的系統(tǒng)偏差，從而可能影響SKS剪切波分裂、接收函數(shù)等現(xiàn)代地震學(xué)研究結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。

圖3　SKS各向異性結(jié)果圖Fig.3　Results of SKS anisotropy

從表1可以看出，其不同點(diǎn)主要是Li Juan等研究時(shí)對(duì)地震計(jì)方位偏差較大的臺(tái)站(>10°)進(jìn)行了方位校正，而其他學(xué)者的研究結(jié)果則沒有進(jìn)行過該方面校正。本文通過常利軍等[1]研究結(jié)果與Li Juan等[3]同臺(tái)站結(jié)果對(duì)比，定性或定量分析地震計(jì)方位偏差對(duì)SKS各向異性反演結(jié)果的可能影響。

由第9頁表2兩者地震計(jì)方位偏差大于10°臺(tái)站和極性顛倒臺(tái)站的各向異性參數(shù)對(duì)比結(jié)果可以看出，是否進(jìn)行地震計(jì)方位偏差校正對(duì)兩者之間的SKS各向異性(φ，δt)反演結(jié)果確實(shí)存在一定差異性，但(φ，δt)單個(gè)各向異性參數(shù)的差異變化與地震計(jì)方位偏差大小之間并沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(見第9頁圖4)，即地震計(jì)方位偏差大的臺(tái)站其快波方位φ之差或分裂延時(shí)δt之差不一定大，地震計(jì)方位偏差小的臺(tái)站其快波方位φ之差或分裂延時(shí)δt之差也不一定小。造成上述現(xiàn)象的原因可能包括：

(1) 不同學(xué)者之間所用地震事件數(shù)量和方法細(xì)節(jié)仍有一些差別，造成結(jié)果之間存在一定差異；(2) 基于Silver等[7]原理的SKS反演算法主要為網(wǎng)格搜索方法，其結(jié)果本身具有一定誤差。因此，地震計(jì)方位偏差對(duì)SKS各向異性參數(shù)的影響，可能在其誤差范圍之內(nèi)。其中寧夏靈武臺(tái)(LWU)、山西偏關(guān)臺(tái)(PIG)結(jié)果偏差較大，可能是由SKS信號(hào)較弱等因素引起；(3) 地震計(jì)方位偏差造成的切向能量變化可由φ變量和δt變量的均衡變化進(jìn)行消化，并不一定表現(xiàn)為顯著的各向異性(φ，δt)單變量變化。但本文在地震計(jì)方位偏差與各向異性偏振方向的研究方面還存在很多不足，需進(jìn)一步研究，以獲得更全面的研究結(jié)果。

表2　代表性臺(tái)站SKS各向異性參數(shù)反演結(jié)果對(duì)比表

圖4　SKS各向異性反演結(jié)果差值對(duì)比圖Fig.4　Difference contrast of inversion results of SKS anisotropy

4結(jié)論

通過整理分析鄂爾多斯地塊及周緣地區(qū)已有各項(xiàng)異性研究結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1) 快波方向與地質(zhì)構(gòu)造走向基本一致，鄂爾多斯地塊的上地幔已卷入青藏高原上地幔的北東向動(dòng)力變形擴(kuò)展體系。

(2) 鄂爾多斯地塊西緣SKS快波方向以NWW向?yàn)橹?，南緣以近EW向?yàn)橹鳌８飨虍愋钥觳ǚ较蚱叫杏趦蓚€(gè)剛性塊體碰撞邊界和秦嶺造山帶的走向，東部區(qū)域從北到南快軸方向一致為NW-SE方向，在東南部山西斷陷帶太原盆地、臨汾—運(yùn)城盆地一帶附近快波方向表現(xiàn)出較大的NE向偏轉(zhuǎn)，地塊內(nèi)部各向異性分裂延遲時(shí)間δt較小。

(3) 區(qū)域各項(xiàng)異性反演結(jié)果整體上比較可靠，揭示了地震計(jì)方位偏差對(duì)SKS各向異性(φ，δt)反演結(jié)果的影響表現(xiàn)為(φ，δt)兩參數(shù)的綜合變化，而非由單一參量變化獨(dú)立承擔(dān)。因此，在研究SKS等現(xiàn)代地震學(xué)時(shí)，應(yīng)對(duì)地震計(jì)方位角進(jìn)行校正。

參考文獻(xiàn)：

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文章編號(hào)：1000-6265(2016)02-0005-06

收稿日期：2015-12-01

基金項(xiàng)目：地震行業(yè)科研重點(diǎn)專項(xiàng)(201508009)。

第一作者簡介：周琳(1987—)，女，黑龍江省哈爾濱人。2013年畢業(yè)于中國地震局蘭州地震研究所，碩士研究生，助理工程師。

中圖分類號(hào)：P315.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Results of Upper Mantle Anisotropy in Erdos Block and Periphery

ZHOU Lin1, WANG Qing-liang1, JI Ling-yun1, SONG Shang-wu2

(1.The Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an, Shanxi 710054, China; 2.Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China)

Abstract:By collecting existing research results of upper mantle anisotropy in Erdos block and periphery, influence of seismograph azimuth on SKS anisotropy studies is discussed. The results show that the region anisotropy inversion results are more reliable. The effect of seismograph azimuth deviation on SKS anisotropy inversion results is shown as an integrated change of two parameters(φ,δt), but not the change of a single parameter. Therefore, seismometer azimuth should be corrected in SKS and other modern seismological research.

Key words:Erdos block and periphery; Anisotropy; Seismograph azimuth