沈勝意， 高原， 劉同振

中國地震局地震預測研究所(地震預測重點實驗室)， 北京 100036

0 引言

青藏高原由印度板塊和歐亞板塊持續(xù)擠壓隆升形成，強烈的構造作用和復雜的二級塊體之間的相對運動導致青藏內部和周緣斷裂分布復雜、強震活動頻繁.自新生代以來約50 Ma時間里，青藏高原巖石圈南北縮短約750～1500 km，垂直隆升約4500 km，垂直隆升需要的地殼未至減縮的物質的一半，其余地殼物質去向不明(Yin and Harrison, 2000).研究者根據(jù)獲得的觀測數(shù)據(jù)提出不同假說，用“塊體擠出”、“連續(xù)形變”、“下地殼流”等模型對青藏高原的構造運動進行解釋，雖然不同模型存在差異，但對物質東流是維持青藏高原平衡的主因取得基本共識，僅關于物質東流的形式、分布以及巖石圈的演化過程存在不同看法.塊體擠出模型認為亞歐板塊與印度洋板塊碰撞擠壓抬升形成青藏高原，南部向外擠出，并依次形成各個大斷裂帶(Tapponnier et al., 1982)；連續(xù)形變模型認為青藏高原的形變以壓縮和增厚為主，巖石圈深部變形隨深度變化連續(xù)(England and Houseman, 1986; Tian et al., 2014)；下地殼流模型認為青藏高原深部存在物質流向東北方向運動，遇到四川盆地阻擋，一部分向東南方向運動，一部分在秦嶺造山帶區(qū)域向著東北方向流出，殼幔有解耦的現(xiàn)象(Royden et al., 1997; Shapiro et al., 2004).在青藏高原東南緣，下地殼流向東南流動獲得了地震學的觀測證據(jù)(Bao et al., 2015；Sun et al., 2012)，但青藏高原東北緣地區(qū)是否存在地殼流仍存爭議，殼幔速度結構與各向異性特征還需要更深入的研究(Wang et al., 2016；郭飚等，2004；童蔚蔚等，2007; Shen et al., 2015; 張洪雙等，2015).

青藏高原東北緣的變形模式對于分析青藏高原隆升及延伸的動力學機制有著重要意義.各向異性是表征地區(qū)應力或物質流動狀態(tài)的一個重要指標(Crampin and Peacock, 2005; Vinnik et al., 2014).在上地殼，一般認為各向異性受到附近斷層走向、地殼應力產(chǎn)生的微裂隙的排列方向影響，各向異性的方向指示主壓應力或者斷層的方向(Crampin and Peacock, 2005; Gao et al., 2011; Crampin and Gao, 2014)；在下地殼受到巖層內晶格排列的影響，而在上地幔則與橄欖巖的定向排列、地幔流動的方向相關(Hess, 1964；Silver and Chan, 1991；Savage, 1999).研究分層各向異性結構，可用于探討巖石圈變形與殼幔相互作用特征(Shen and Gao, 2021).

在青藏高原周緣地區(qū)已有一系列研究工作(Chen et al. 2009)，研究者希望在青藏高原與其他塊體的交匯區(qū)域尋找到線索，不同方法結論不一.利用近場小震S波分裂可得到上地殼各向異性的分布情況，在整個東北緣呈分區(qū)分布的特征，快S波偏振在隴西地塹以NW為優(yōu)勢方向(張輝等，2012)，在銀川地塹主要為NNE或近NS方向(太齡雪和高原，2017；許英才等，2019).體波走時成像的結果顯示青藏高原東北緣和鄂爾多斯板塊中間(蘭州至海原區(qū)域)有寬約200 km的過渡帶(郭彪等，2004)，區(qū)域內上地幔有明顯的橫向不均勻性，在80～100 km深處可能有物質熔融或者巖石含水量增加(王新勝等，2013)，六盤山深部有物質通過海原斷裂從青藏高原一直流出(童蔚蔚等，2007).P波及S波走時的研究認為，在海原斷裂區(qū)域各向異性可能較弱(許忠淮等，2003)，在增加臺站和地震事件數(shù)量后有研究認為中下地殼可能有地殼流存在(董興鵬和滕吉文，2018).近震到時及接收函數(shù)的結果顯示，青藏高原東部，地殼厚度大于高原外側，海原斷裂附近地殼的各向異性方向平行于斷層(謝振新等，2017)；莫霍面向西傾斜(丁志峰等，1999；Zhang et al., 2010)，自青藏高原至銀川地塹的區(qū)域巖石圈地幔結構相似，支持深部地幔物質從該地區(qū)流出的假說(Shen et al., 2017).背景噪聲通過分析SV波和SH波波速結構，認為在青藏高原東緣中下地殼存在低速異常(Li et al., 2010).遠震XKS(SKS、PKS和SKKS的統(tǒng)稱)震相的分裂研究通常認為快波方向與上地幔物質流動方向一致(Silver and Chan, 1991).已有的青藏高原東北緣地區(qū)各向異性研究都是基于單層各向異性假設，快S波方向以NW-WNW向為主(常利軍等，2011，2016；胡亞軒等，2011；王瓊等，2013；張洪雙等，2013)，與接收函數(shù)Pms波分裂得到的快波方向一致(Wang et al., 2016)，也與近場S波分裂的快S波偏振方向大致相同(張輝等，2012；太齡雪和高原，2017；許英才等，2019；Shi et al., 2020).雙層各向異性的研究結果顯示，在龍門山以及秦嶺造山帶地區(qū)地殼與地幔各向異性方向相異，上層快波方向為NEE向，下層為NW向(Gao et al., 2019)；XKS波結合近震S波分裂以及Ps波的研究認為，在東北緣，上地殼快波方向接近NE向，中下地殼快波方向接近NW向，且接近海原斷裂附近的臺站，XKS波快波方向受到斷裂走向的影響(Shi et al., 2020).

然而，遠震S波的研究認為該地區(qū)存在殼幔解耦的現(xiàn)象，但是不支持下地殼流存在(張洪雙等，2015).青藏高原東北緣接收函數(shù)各向異性結果，沒有發(fā)現(xiàn)下地殼流存在的證據(jù)(Wang et al., 2016).利用背景噪聲數(shù)據(jù)分析，認為在四川地塹下方存在一個三角形的低速區(qū)，地殼物質難以通過鄂爾多斯和四川盆地的邊界東流(宮猛等，2010)，東北緣殼幔有相同的變形模式，總體符合垂直連貫模型的特點，殼幔各向異性方向均以NNW-SSE至NW-SE方向為主(王瓊和高原，2018).地磁地電結合GPS的觀測顯示青藏高原東部存在條帶狀的地殼流管道，但并未找到延伸至大陸內部的證據(jù)(Bai et al., 2010).此外，有學者指出該地區(qū)中下地殼存在低速層，發(fā)生了部分熔融，在受地殼應力影響的塑型管道流的影響下，中下地殼的礦物重新定向排列，呈NE方向，與地殼的快波方向不同(謝振新等，2017)，在該區(qū)域附近的龍門山、松潘—甘孜地塊以及秦嶺造山帶等地區(qū)，觀測到殼幔解耦現(xiàn)象(Gao et al., 2019；Huang et al., 2017；Ye et al., 2016).青藏高原東北部的接收函數(shù)和遠震XKS波結果比對，認為地殼部分的各向異性很大程度上決定了XKS所得到的各向異性結果(Wang et al，2016)，鄂爾多斯以及阿拉善的交界處存在鐵鎂質的物質流(Guo and Chen, 2017).面波層析成像的結果認為該地區(qū)位于0～100 km及125～200 km有兩處速度異常，分別可能對應著巖石圈和軟流圈，并且同時觀察到了垂直連貫模型以及下地殼流模型的特征，認為青藏高原東北部的隆升同時受到擠壓增厚以及下地殼流流動的影響(Zhang et al., 2011).因此可能需要考慮地殼與地幔各向異性方向不一致帶來的影響(Li et al., 2011；高原等，2010；許英才等，2019).瑞利波頻散認為在海原斷裂附近中下地殼(T=25 s)各向異性的方向自NW向逐漸旋轉為NE向(王瓊和高原，2018)，P波到時認為中下地殼有物質流存在的可能(董興鵬和滕吉文，2018)，但模型與傳統(tǒng)XKS波單層各向異性并不一致.

對部分臺站進行XKS分裂研究時，若發(fā)現(xiàn)快波方向隨著方位角變化而變化的現(xiàn)象，但選擇計算每次事件得到的快波方向(即快S波的對稱軸方向，也有稱快S波偏振方向)和分裂時間(即快、慢波的時間差，常稱為慢S波時間延遲，也有稱慢S波延遲時間)的平均值，并不能代表該地區(qū)各向異性的真實特征，應考慮該地區(qū)是否存在各向異性分層現(xiàn)象，探討可能存在的殼幔解耦的現(xiàn)象或是下地殼流的存在.該方法已在拉薩、青藏高原東南緣以及德國等地進行應用，并據(jù)此分析研究區(qū)域殼幔結構(Gao and Liu, 2009；Kong et al., 2018；Brechner et al., 1998).本研究使用XKS波分裂分析青藏高原東北緣各向異性時，對于快波方向隨著方位角發(fā)生周期為90°變化的臺站數(shù)據(jù)，選擇用雙層模型進行擬合分析，討論可能存在的分層現(xiàn)象，從新的角度分析該地區(qū)物質形變特征，探討地殼和上地幔各向異性之間的關系，為研究該地區(qū)的地質構造提供新的依據(jù).

1 構造背景

青藏高原東北緣位于青藏高原與鄂爾多斯地塊、華南板塊、阿拉善地塊的交界處，是青藏高原向大陸內部延伸的前沿部位，也是高原物質向東流動的重要通道之一，內部發(fā)育多條逆沖和走滑斷裂(Zhang et al., 1991).本次研究區(qū)域范圍為東經(jīng)102°—110°，北緯34°—40°，包含銀川地塹、阿拉善塊體、鄂爾多斯塊體、祁連褶皺帶等多個構造單元.GPS數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)整體最大主壓應力方向為NNE(Gan et al., 2007).銀川地塹經(jīng)歷中生代擠壓隆升剝蝕以及新生代伸展斷陷的過程，沉積層較厚(侯旭波等，2012)，內部發(fā)育有多條隱伏或半隱伏的斷裂帶，NNE向的黃河斷裂被認為是平羅8級地震的震中(雷啟云等，2015).該地區(qū)遠震多尺度層析成像表明賀蘭山東麓斷層處，阿拉善以及鄂爾多斯地塊之間存在構造邊界，可能有地幔物質上涌(高翔等，2018).阿拉善塊體自早古生代與祁連地塊碰撞并持續(xù)抬升，南部形成花崗巖體(周立發(fā)，1992)，現(xiàn)今地殼主應力方向為西北向(張輝等，2012).鄂爾多斯地塊西南緣受到祁連褶皺帶NE方向的逆沖，形成NNE向的擠壓狀態(tài)(徐黎明等，2006)，結合太平洋板塊向西俯沖的作用形成銀川地塹(楊俊杰，2002).祁連褶皺帶呈NW走向，新生代隨著青藏高原的抬升沿著祁連山北部斷裂抬升，構成隆起區(qū)的東北邊緣，并形成多條斷裂帶，內部的海原斷裂早期為擠壓逆沖，之后發(fā)展為左旋走滑斷層，并在附近形成一系列拉分地塹(周明都等，2000)，某些地區(qū)的位移幅度超過了10 m，表明青藏高原一直在此處向東北延伸(Burchfiel et al., 1991)，被認為是青藏高原東北緣的地殼邊界(Tapponnier et al., 2001; Shi et al., 2020).

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究選擇隴西地塹以及銀川及其周邊地區(qū)共15個臺站的遠震記錄(圖1)，利用遠震XKS震相開展剪切波分裂分析(圖2).甘肅境內5個臺站數(shù)據(jù)來源于中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，時間從2010年1月至2018年8月.寧夏境內10個臺站數(shù)據(jù)來源于中國地震局地震預測研究所，時間從2017年2月至2019年2月.本研究選擇了震級大于5級的地震事件，共獲得137條有效地震記錄.對于SKS與SKKS波選取震中距85°～180°的地震數(shù)據(jù)，并在0.04～0.5 Hz的頻段內濾波.本文對于信噪比有一定要求，利用三個參數(shù)對得到的分裂結果進行歸類(Liu et al., 2008):

(1)Ror —原始徑向分量上信號的信噪比;

(2)Rot —原始切向分量上信號的信噪比;

(3)Rct —各向異性校正后切向分量信噪比.

圖1 研究區(qū)域與臺站分布 黑色三角代表臺站位置，附近的英文字母為臺站名.黑色的粗線代表塊體邊界，褐色細線代表該地區(qū)的主要斷裂.F1為海原斷裂，F(xiàn)2為六盤山斷裂，F(xiàn)3為賀蘭山東麓斷裂，F(xiàn)4為黃河斷裂，YG為銀川地塹(Yinchuan Graben).OB為鄂爾多斯塊體(Ordos Block)，AB為阿拉善塊體(Alxa Block)，SCB為華南塊體(South China Block)，TPB為青藏塊體(Tibetan Plateau Block)，SMB為 中蒙塊體(Sino-Mongolia Block).Fig.1 Study area and station distribution The black triangles represent the station locations, and the English letters nearby are the station names. The thick black lines show plate boundaries and the thin brown lines represent major faults in the area. F1 is Haiyuan Fault, F2 is Liupanshan Fault, F3 is the Eastern Piedmont Fault of Helan Mountain, F4 is the Yellow River Fault, and YG is Yinchuan Graben, OB is Ordos Block, AB is Alxa Block, SCB is South China Block, TPB is Tibetan Plateau Block, and SMB is Sino-Mongolian Block.

圖2 用于XKS波形分析的地震震源分布圖 藍色五角星代表研究區(qū)域內的臺站所在位置， 紅點代表本文使用的地震記錄的地震分布.Fig.2 Earthquake distribution adopted in this study The blue star marks the location of seismic stations, the red dots are earthquakes.

XKS波經(jīng)過地核時全部為P波，在核幔邊界轉換成S波進入地幔.由于此時的S波沒有切向分量，如果地震波后面經(jīng)過的傳播路徑上(地幔或者地殼)存在各向異性，S波會分裂成兩列速度不同的波并展現(xiàn)出切向分量.因此，XKS波攜帶著觀測臺站下方各向異性的信息，同時消除了來自震源與震源一側傳播路徑上的各向異性影響.分裂時間和快波方向是描述各向異性的兩個參數(shù).本研究利用切向能量最小的方法，可以通過網(wǎng)格搜索每個地震記錄的視分裂時間和視快波方向.最優(yōu)的參數(shù)，應能使XKS波經(jīng)過較正后切向分量的能量盡可能小(Gao and Liu；Kong et al., 2018).理論上，經(jīng)過各向異性校正后的切向分量能量為零.讓快、慢波在時間上同步，則質點運動軌跡接近直線(圖3).圖3顯示的是LXA臺站地震記錄進行單層各向異性XKS分裂計算的實例.研究中發(fā)現(xiàn)，有些臺站下方存在雙各向異性層，對于雙層各向異性的XKS分裂計算，結果展現(xiàn)出隨方位角不同參數(shù)出現(xiàn)變化的特征(圖4).在實際觀測資料的計算中，本研究采用的網(wǎng)絡為時間間隔為0.05 s，角度間隔為1°(注：快波方向以地理正北方向按順時針方向計算角度，全文同).

如果S波穿越快波方向非正交的雙層介質(下層分裂時間為t1，快波方向為φ1；上層分裂時間為t2，快波方向為φ2)，則觀測到的快波方向φa和分裂時間ta將隨著反方位角φp的變化而變化，并和該地震波的頻率ω相關.為簡化公式，引入中間變量α1,2,a和θ1,2,a(Silver and Savage, 1994)，下標1、2、a分別對應各向異性的下層、上層以及視參數(shù)：

(1)

(2)

為確定視分裂時間、快波方向和各層參數(shù)之間關系，需求α、φa和α1,2、φ1,2之間的關系.令：

(3)

最終有：

(4)

對于每個臺站，首先觀察是否有明顯的隨著方位角變化，快波方向和分裂時間發(fā)生了變化.如有變化，選擇網(wǎng)格搜索各層各向異性參數(shù)，本次研究中各向異性方向的網(wǎng)格寬度為1°，分裂時間的寬度為0.1 s.最終選擇對于所有事件失配函數(shù)值最小的函數(shù)作為最終結果(Kong et al., 2018)，失配函數(shù)為

(5)

其中φa,i、ta,i為搜索時計算出的對應事件的理論值，δφa,i、δta,i為標準差.w1、w2為權重因子，由于視快波方向的分層各向異性特征比視分裂時間更為明顯，為了增加視快波方向的權重，分別取w1=0.8和w2=0.2(Cherie et al., 2016).

3 各向異性計算結果

3.1 數(shù)據(jù)處理

對于實際地震數(shù)據(jù)，首先計算出每個臺站記錄的每個地震事件的XKS波形的分裂參數(shù)，之后分析這些參數(shù)與方位角的關系.就單個臺站而言，單層各向異性或雙層各向異性介質展現(xiàn)的XKS分裂參數(shù)特征不同.例如，對于臺站LXA和SGS，由于快波方向和分裂時間沒有明顯變化，因此在這兩個臺站下方的各向異性用單層模型描述(圖5).對于臺站GYU和TLE，快波方向和分裂時間隨著方位角發(fā)生了變化，雙層各向異性模型可以較好地擬合觀測數(shù)據(jù)(圖6).

3.2 臺站下方各向異性基本特征

根據(jù)每個臺站的XKS分裂的計算結果，獲得研究區(qū)每個臺站的各向異性區(qū)域分布，超過一半的臺站顯示出單層各向異性形態(tài)，但有些臺站呈現(xiàn)了明顯的上、下兩層的各向異性分布特征(圖7)，有關的XKS分裂參數(shù)見表1和表2.

根據(jù)各向異性的分布圖(圖7)，呈現(xiàn)兩層各向異性的臺站XSH、HYU和GYU都緊鄰海原斷裂帶，上層的各向異性快波方向大致為NW或NNW，呈現(xiàn)出平行于海原斷裂帶走向的趨勢，而下層的各向異性快波方向為NEE或NE向，幾個臺站的各向異性特征具有較好的一致性.

位于青藏東北緣與本研究區(qū)相關的區(qū)域，有多個研究得到了SKS或XKS分裂結果.從空間分布的整體圖像上看，本研究中圍繞海原斷裂帶的三個臺站，雙層各向異性中的上層各向異性快波方向與這些單層XKS分裂結果有很好的一致性(常利軍等，2008，2011；王瓊等，2013).而接收函數(shù)各向異性研究揭示的地殼各向異性結果，圍繞海原斷裂帶的這三個臺站雙層各向異性中的上層各向異性快波方向，與區(qū)域內接收函數(shù)各向異性快波方向基本相同(Wang et al., 2016；謝振新等，2017).三個臺站的下層各向異性NEE或NE的快波方向，都是從青藏高原內部指向青藏高原外部.背景噪聲的瑞利波30 s的成像結果顯示(王瓊和高原，2018)，海原斷裂處各向異性快波方向接近NE向，本次研究結果大致相符；P波到時反演成像結果(董興鵬和滕吉文，2018)認為東北緣存在NE向地殼流，但是地殼流并未流出東北緣，在方向上近似而在分布區(qū)域存在差異.

圖3 LXA臺站記錄的XKS分裂計算 (A)和(B)是兩個地震記錄的計算實例.以(A)圖為例，(B)圖含義同理.(a1) 原始和校正后的XKS徑向(黑色)和切向(紅色)波形圖.(a2) 快(紅色)、慢(黑色)XKS波形，左圖和右圖分別為各向異性校正前和校正后的波形.(a3) 質點運動軌跡圖(即偏振圖)，左圖和右圖與(a2)上下一一對應.(a4) 計算各向異性參數(shù)的誤差函數(shù)等值線圖，紅點為最佳擬合值.對于單層各向異性，方位角不同，快波方向和 分裂時間大體相同.最下方依次標明地震事件的震級、經(jīng)緯度、震源深度、后方位角以及震中距.Fig.3 XKS splitting computations recorded by LXA stations Fig.(A) and Fig.(B) are the calculation examples of two seismic records. Take note of Fig.(A), same meanings for Fig.(B). (a1) the original and corrected XKS waveforms in the radial (black) and transverse (red) components. (a2) the fast (red) and slow (black) waveforms. The left and the right are the original and the corrected by anisotropy, respectively. (a3) the particle motion diagrams, i.e. the polarization diagram. The left and the right are up-and-down one-to-one correspondence to two plots in (a2). (a4) the misfit contour map from calculation of anisotropic parameters. The red dot marks the optimal fitting parameters. For single layer anisotropy, the azimuths are different, the directions of fast wave and the delay-time of slow wave are generally consistent. The bottom lists the magnitude, latitude, longitude, focal depth, back azimuth and epicenter distance of the earthquake.

圖4 GYU臺站記錄的XKS分裂計算 圖中的符號含義等圖例，同圖3.Fig.4 XKS splitting computations recorded by GYU stations The legends including meaning of symbols are same asFig.3.

圖5 單層各向異性情形下的臺站數(shù)據(jù)擬合 (a,b) LXA臺站的快波方向和分裂時間數(shù)據(jù)擬合圖； (c,d) SGS臺站快波方向和分裂時間 數(shù)據(jù)擬合圖.星號為測量值，線段為標準差的誤差棒，紅色直線是平均值.Fig.5 Station data fitting in the case of the single layer anisotropy LXA and SGS are station codes. The upper are the data fitting of (a) the fast wave direction and (b) the delay time at station LXA. The lower (c) and (d) are the data fitting at station SGS. The asterisks are from the measurements, the short straight lines are the error bars of standard deviations, and the red lines are the average values.

圖6 雙層各向異性情形下的臺站數(shù)據(jù)擬合 (a,b) GYU臺站的快波方向和分裂時間數(shù)據(jù)擬合圖； (c,d) TLE臺站快波方向和分裂時間 數(shù)據(jù)擬合圖.星號為測量值，線段為標準差的誤差棒，紅色曲線為擬合值.Fig.6 Station data fitting in the case of the two-layer anisotropy GYU and TLE are station codes. (a) and (b) are the data fitting at station GYU; (c) and (d) are the data fitting at station TLE. The red lines are the fitting results of two-layer anisotropic model. Other meanings are same as in Fig.5.

在銀川地塹內部，靠近中心區(qū)域的三個臺站(LWU、TLE、YCH)也展現(xiàn)出雙層各向異性的特征.根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結果，幾個臺站的上層各向異性快波方向總體呈NW或近E-W向，接近其他單層各向異性XKS和接收函數(shù)各向異性快波方向的研究結果(Wang et al., 2016；謝振新等，2017).靠近鄂爾多斯塊體西邊界的TLE和LWU兩個臺站的分裂時間較短，而靠近阿拉善塊體的YCH臺站的分裂時間較長.三個臺站的下層各向異性快波方向近似為N-S向，接近瑞利波30 s的成像結果(王瓊等，2018).位于銀川地塹南端的TXN臺，因為有效數(shù)據(jù)過少而無法確認該臺站下方是否存在雙層各向異性.

表1 雙層各向異性臺站XKS參數(shù)Table 1 Station XKS parameters of two-layer anisotropy

表2 單層各向異性臺站XKS參數(shù)Table 2 Station XKS parameters of single layer anisotropy

此外，海原斷裂帶南側甘肅境內BYT臺也發(fā)現(xiàn)存在雙層各向異性現(xiàn)象.根據(jù)其他學者的研究，在附近也發(fā)現(xiàn)類似的雙層現(xiàn)象(Li et al., 2011).在其他臺站上，未發(fā)現(xiàn)快波方向和分裂時間隨方位有明顯變化，各向異性可視為單層情況.

3.3 誤差分析

學者們提出關于SKS雙層模型的計算公式及擬合方法，但是并未討論計算的準確性和誤差情況(Silver et al., 1994).由于對每個地震記錄計算視分裂時間和快波方向使用網(wǎng)格搜索，之后進行雙層各向異性擬合再次采用了網(wǎng)格搜索，因此難以利用標準差傳遞公式推算各參數(shù)標準差.對此，本文提出一套誤差估算方法，可定性地判斷快波方向和分裂時間計算結果的可靠性：

由于實際計算時XKS的優(yōu)勢頻率一般較小，公式(1)中近似：

因此，

sin(θ)≈θ,

cos(θ)≈1-θ2

代入公式(3)和(4)，去掉高階小量，最后得到：

(6)

由上述推導，視快波方向主要受到兩層介質的快波方向以及兩層介質分裂時間比值的影響，但對于單層介質分裂時間并不敏感.為證明結論的可靠性，我們選擇下層快波方向20°，分裂時間0.5 s；上層快波方向80°，分裂時間1.0 s的模型，取頻率為0.1 Hz(圖8)，分別讓上下層的分裂時間增加20%，可看到在視快波方向和視分裂時間上沒有明顯變化.若快波方向增加20%，快波方向和分裂時間變化明顯.因此，為使分裂時間更準確必須依靠精確的視分裂時間.然而實際操作中，由于失配函數(shù)中給予快波方向更大權重，視分裂時間的約束較弱；若為讓分裂時間準確而去增加權重，考慮本身分裂時間標準差相對結果的比值較大，需要極大的權重去擬合，將產(chǎn)生快波方向無法準確擬合的問題.此外，由于視分裂時間自身常帶有較高的標準差(0.05～0.5 s不等)，在第二次網(wǎng)格搜索中誤差自身會進一步放大，綜上考慮，此方法對于分裂時間的精度不高，對于快波方向的反演較為可靠.綜上，在利用雙層模型分析各層位置及厚度時需結合其他方法得到的結論共同推斷.由擬合的過程和圖像的規(guī)律可知，方位角分布盡可能密集，尤其在突變的區(qū)域數(shù)據(jù)充足可以增加反演結果的可靠性.

4 區(qū)域性各向異性特征

銀川地塹里的LWU、TLE和YCH三個臺站都展現(xiàn)了比較一致的雙層各向異性形態(tài)，雖然TXN臺站因有效數(shù)據(jù)量少而無法提取雙層信息，但考慮到這幾個臺都位于銀川地塹里，結合南部的海原斷裂帶展現(xiàn)出的各向異性特征，可以綜合計算LWU、TLE、YCH和TXN四個臺站的XKS分裂數(shù)據(jù)(圖9)，探討銀川地塹的各向異性分層模型.

同理，海原斷裂帶附近的XSH、HYU和GYU三個臺站也展現(xiàn)了較為一致的雙層各向異性形態(tài)，綜合計算三個臺站的XKS分裂數(shù)據(jù)，可用于分析海原斷裂帶及附近區(qū)域的各向異性分層形態(tài)(圖10)，探討海原斷裂帶的區(qū)域各向異性分層模型.根據(jù)區(qū)域XKS參數(shù)分布特點，獲得了海原斷裂帶和銀川地塹的雙層XKS分裂參數(shù)區(qū)域分布(表3)，結合整個研究區(qū)的各向異性空間分布和分層模型，可進而分析深部地殼上地幔物質的運動形態(tài).

表3 海原斷裂和銀川地塹的雙層各向異性XKS參數(shù)Table 3 Two-layer anisotropic XKS parameters beneath Haiyuan Fault and Yinchuan Garben

4.1 銀川地塹

銀川地塹XKS分裂數(shù)據(jù)的擬合結果顯示，銀川地塹下方有明顯的雙層各向異性形態(tài)(圖9).計算結果表明，銀川地塹的上層快波方向為74°、分裂時間0.3 s，下層快波方向為11°、分裂時間1.1 s(圖11).

圖7 臺站XKS分裂參數(shù)的區(qū)域分布 圖中的線段方向代表XKS快波方向，線段長度代表分裂時間.紅色線段表示單層各向異性或雙層各向異性的下層，藍色線段 表示雙層各向異性的上層.Fig.7 Regional distribution of XKS splitting parameters The directions of short straight lines indicate the fast wave direction, and the line lengths indicate the splitting time (i.e. delay-time). The red lines mean the single layer anisotropy or lower layer of two-layer anisotropy, and the blue lines mean the upper layer of two-layer anisotropy.

接收函數(shù)的研究顯示，銀川地塹的地殼厚度約在40～48 km(謝曉峰等，2010；Wang et al., 2016；劉保金等，2017)，而研究區(qū)附近地區(qū)上地殼的分裂時間(即慢S波時間延遲)大致為1.6～5.9 ms·km-1(郭桂紅等，2015；太齡雪和高原，2017；許英才等，2019；Shi et al., 2020)，如果外推到整個地殼，該地區(qū)地殼能產(chǎn)生的分裂時間大約是0.06～0.28 s，稍小于本文得到的上層各向異性介質0.3 s的分裂時間，原因可能是上地殼各向異性參數(shù)對應相對更高頻率的信號，反映脆性巖石的裂隙各向異性，與遠震體波更低頻率的結構排列或變形特征不同.此外，由于雙層模型擬合時網(wǎng)格搜索的步長為0.1 s，影響分裂時間的計算.綜上，本研究推測0.3 s分裂時間的各向異性上層可能反映的是地殼介質的性質.下層各向異性分裂時間為1.1 s，主要反映的是上地幔的各向異性，根據(jù)上地幔介質分裂時間1 s大約對應115 km的厚度(Silver and Chan, 1991；鄭斯華和高原，1994；McNamara et al.，1994)，對應銀川地塹下方的下層各向異性的厚度則約為126 km.

研究表明，中上地殼介質各向異性受到局部構造(如斷裂、結構)和應力誘發(fā)的介質變形(包括定向排列的裂隙結構)的控制(Gao et al., 2011；Shi et al., 2020；高原等，2020)，而整個地殼的介質各向異性，其下地殼的介質變形、晶體排列或物質流動可能會產(chǎn)生重要影響(Savage, 1999；Wang et al., 2016).

圖8 雙層各向異性參數(shù)變化對于視快波方向與視分裂時間的影響 (a) 視分裂時間參數(shù)曲線； (b) 視快波方向參數(shù)曲線.紅色曲線對應下層快波方向20°、分裂時間0.5 s，上層快波方向80°、分裂時間1.0 s；藍色曲線對應快波方向增大20%，綠色曲線對應分裂時間增大20%.可以看到分裂時間同時增大或者減小對于視快波方向以及分裂時間 幾乎沒有影響.Fig.8 Influence of the anisotropic parameters on the apparent fast wave direction and the apparent splitting time The left is the curve of apparent splitting time, and the right is the curve of apparent fast wave direction. The red line stands for the model, the lower layer parameters, the fast wave direction 20° and the splitting time 0.5 s; the upper layer parameters, the fast wave direction 80° and the split time 1.0 s. The blue line stands for the model with increasing 20% in the fast wave direction, and the green line stands for the model with increasing 20% in the splitting time. It can be seen that the simultaneous increase or decrease of the splitting time results in little variation on both the apparent fast wave direction and the apparent splitting time.

圖9 銀川地塹下方的雙層模型擬合圖 SZS、TLE、LWU、TXN等4個臺站XKS數(shù)據(jù)的綜合擬合結果.(a)和(b)的含義同圖6(a，b).Fig.9 Two-layer model under Yinchuan Graben Comprehensive fitting results of XKS data from stations SZS, TLE, LWU and TXN. The meanings of (a) and (b) are same as (a) and (b) in Fig.6, respectively.

圖10 海原斷裂下方的雙層模型擬合圖 XSH、HYU、GYU等3個臺站XKS數(shù)據(jù)的綜合擬合結果. (a)和(b)的含義同圖9.Fig.10 Two-layer model under Haiyuan Fault Comprehensive fitting results of XKS data from stations XSH, HYU and GYU. The meanings of (a) and (b) are same as in Fig.9.

銀川地塹4個臺站的綜合數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域上層各向異性快波方向為74°.YCH臺位于銀川地塹西側賀蘭山東麓斷裂南部，走向N-S，銀川地塹東側的黃河斷裂走向N-S(圖1).根據(jù)該地區(qū)近場剪切波分裂的研究(許英才等，2019；Shi et al., 2020；張暉等，2020)，銀川地塹的主應力方向是NE-SW，區(qū)域內各臺站的快剪切波偏振方向與應力或構造相關，但與本研究的結果有明顯差異.背景噪聲成像的結果顯示(王瓊和高原，2018)，TLE和LWU臺站所在區(qū)域的下方8～25 s的方位各向異性快軸方向隨深度發(fā)生變化，從NE轉變?yōu)镹NW向.產(chǎn)生差異的原因可能是近場剪切波分裂使用的地震震源深度集中于5～15 km，不能反映中下地殼(15 km深度以下)的各向異性.這些結果進一步表明，近場記錄的上地殼各向異性與遠場記錄的全地殼各向異性，在形態(tài)上和機制上都有不同.

圖11 青藏高原東北緣XKS分裂分布圖 (海原斷裂和銀川地塹呈現(xiàn)出雙層各向異性) 紅色以及藍色線段的意義同圖7.綠色陰影區(qū)標示出雙層各向異性區(qū)域，紅色虛線表示海原斷裂和銀川地塹之間區(qū)域的下層快波方向的推測結果.紫色線段為他人的XKS結果(王瓊等，2013；常利軍等，2008，2011)，黃色線段為Ps接收函數(shù)各向異性結果(Wang et al., 2016; 謝振新等，2017).HYF為海原斷裂， YG為銀川地塹.圖中白色方框是圖12的模型范圍.Fig.11 XKS distribution on the northeast margin of Tibetan Plateau Block (Haiyuan Fault and Yinchuan Graben show two-layer anisotropy) The red and blue short lines are same meanings as in Fig.7. The green shaded indicates the two-layer anisotropy area, and the dotted red line indicates the predicted fast wave direction in the lower layer in the area between Haiyuan fault and Yinchuan graben. The purple short lines are the XKS results (from Wang et al., 2013; Chang et al., 2008; 2011), the yellow short lines are the anisotropic parameters of Ps receiver functions (from Wang et al., 2016; Xie et al., 2017). HYF means Haiyuan fault and YG means Yinchuan graben.

銀川地塹下方的下層各向異性快波方向為11°，可能揭示了上地幔物質的流動方向為NNE(接近N-S)方向.采用SKS分裂得到的單層各向異性結果，該地區(qū)上地幔各向異性快波方向為NW(馬禾青等，2010；常利軍等，2011；胡亞軒等，2011)，與本研究的結果不同，主要原因是分別采用了單層或雙層模型.背景噪聲反演成像結果也顯示，方位各向異性快軸方向在上地幔的深度為近N-S，與本次研究的結果接近(王瓊和高原，2018).遠震體波接收函數(shù)的研究認為存在物質從海原斷裂處流出，遇到鄂爾多斯地塊的阻擋向近N-S方向流動(童蔚蔚等，2007)，影響深度達300 km.

4.2 海原斷裂

海原斷裂帶附近臺站的XKS分裂數(shù)據(jù)擬合結果顯示，海原斷裂帶下方的地殼和上地幔呈現(xiàn)明顯的雙層各向異性形態(tài)(圖10)，得到雙層各向異性的參數(shù)為：上層快波方向133°、分裂時間1.5 s，下層快波方向為57°、分裂時間0.7 s(圖11).

根據(jù)反演的分裂時間估算各向異性層的厚度可推測各層的可能深度位置.由于海原斷裂帶區(qū)域的地殼厚度大致為46～65 km(Li et al., 2006；Pan and Niu, 2011；Wang et al., 2016；童蔚蔚等，2007)，結合上地殼近場地震記錄得到的分裂時間分布范圍(張輝等，2012；郭桂紅等，2015；太齡雪和高原，2017；許英才等，2019；Shi et al., 2020)，整個地殼能產(chǎn)生的分裂時間不超過0.3 s.雖然這樣外推是有問題的，但可用于進行定性比較.接收函數(shù)得到的青藏東北緣地殼Pms的分裂時間約為0.4～1.0 s(Wang et al., 2016)，這都與1.5 s的上層分裂時間相差很大.因此，我們推測海原斷裂帶下方的上層各向異性可能超越了地殼，還包括了上地幔的一部分.由此推論，下層各向異性由更深范圍的上地幔物質產(chǎn)生.有研究認為，上地幔的成分為70%左右的橄欖巖，其余成分以二氧化硅為主，1 s分裂時間大致對應上地幔各向異性層厚度約110～115 km(Silver and Chan, 1991；鄭斯華和高原，1994；McNamara et al., 1994；Vinnik et al., 2014).由此推算，海原斷裂帶下方的上層各向異性厚度約170 km，下層的厚度約80 km.兩層各向異性的合計厚度達到了250 km，暗示各向異性層似乎深至軟流圈.但是，由于海原斷裂在地殼里是構造誘發(fā)的強各向異性，上層的實際厚度應明顯小于170 km.此外，如前所述，本研究采用的擬合技術對分裂時間約束不強，因此本研究估算的深度范圍只能作為定性參考.

在海原斷裂帶所在區(qū)域下方，背景噪聲的瑞利波成像顯示大約在下地殼范圍，方位各向異性的快軸方向基本平行于斷裂帶的走向，約在上地幔頂部其方位各向異性的快軸方向轉向NE，但各向異性相對較弱(王瓊和高原，2018).遠震體波接收函數(shù)研究得到該區(qū)域地殼厚度為51.5 km，認為在這附近介質的泊松比發(fā)生變化，推測為花崗巖熔融所致(童蔚蔚等，2007).在海原斷裂附近，近場地震記錄的上地殼各向異性顯示快剪切波偏振優(yōu)勢方向為WNW-NW(張輝等，2012；太齡雪和高原，2017；許英才等，2019；Shi et al., 2020)，與接收函數(shù)揭示的全地殼各向異性特征一致(Wang et al., 2016；謝振新等，2017)，也與本研究得到的上層快波方向基本一致.XKS分裂得到的單層各向異性快波方向也為NW-WNW，被認為是該地區(qū)的上地幔各向異性特征(常利軍等，2011, 2016；胡亞軒等，2011；王瓊等，2013；張洪雙等，2013).在海原斷裂西南方向附近，也發(fā)現(xiàn)存在各向異性分層現(xiàn)象，上、下層的快波方向與本研究在海原斷裂下方發(fā)現(xiàn)的不同，但與本研究得到的BYT臺站的結果一致.這些研究證實海原斷裂帶附近的地殼各向異性受到了斷裂的控制(Shi et al., 2020).從海原斷裂帶到銀川地塹，根據(jù)得到的分層各向異性結果，建立了區(qū)域雙層各向異性模型(圖12)，清楚地指示了上層各向異性主要在地殼范圍.雖然海原斷裂帶下方可能進入到上地幔范圍，產(chǎn)生各向異性的主要機制是結構各向異性(雖然上地殼可能是應力變形各向異性)，而下層各向異性主要在上地幔范圍，產(chǎn)生各向異性的主要機制為上地幔物質的流動.

圖12 海原斷裂到銀川地塹各向異性模型示意圖 地表的黑色粗線為板塊邊界，海原斷裂用白色表示.深藍色線段表示上層各向異性，紅色線段表示下層各向異性， 紅色箭頭指示地幔物質運動的方向.Fig.12 The Anisotropic model beneath Yinchuan Graben and Haiyuan Fault The thick black lines on the surface are the plate boundaries. The Haiyuan Fault is shown in white. The dark blue lines represent the upper anisotropy, the red lines show the lower anisotropy, and the red arrow indicates the direction of the mantle material movement.

本研究得到的各向異性結果與其他研究者的結果有些不同，其主要原因可能是數(shù)據(jù)擬合技術的差異.例如，Li 等 (2011)研究中采用數(shù)據(jù)處理的頻率固定為0.125 Hz，而本研究采用的數(shù)據(jù)處理頻率不固定，按震相信號的優(yōu)勢頻率而變；兩個研究的搜索網(wǎng)格劃分也存在差異.此外，地震數(shù)據(jù)的數(shù)量以及地震事件的方位角分布差異，都會影響反演結果.

5 討論與結論

本文使用甘肅、寧夏境內的15個臺站的遠震記錄，對青藏東北緣的地殼-上地幔各向異性及分層特性進行了研究.利用遠震XKS震相進行剪切波分裂分析，獲得了青藏東北緣地區(qū)XKS分裂的快S波方向和分裂時間參數(shù).對于臺站的快波方向和分裂時間隨方位角變化采用雙層模型反演，可以獲得雙層各向異性參數(shù)，在銀川地塹以及海原斷裂帶附近區(qū)域均發(fā)現(xiàn)分層各向異性的現(xiàn)象.通過對位于相同構造單元內具有相似XKS分裂特征的數(shù)據(jù)進行分組綜合分析，獲得了海原斷裂鄰近區(qū)域和銀川地塹區(qū)域的雙層各向異性擬合結果.

海原斷裂區(qū)域下方，上層快波方向呈NW方向，大致平行海原斷裂走向，與近場S波優(yōu)勢快波方向及主壓應力方向一致.分裂時間為1.5 s，較大的分裂時間顯示出各向異性的主要成因是結構各向異性，受到切穿地殼的海原斷裂的影響.下層快波方向為NE偏NEE方向，分裂時間為0.7 s，揭示下層各向異性厚度可能小于上層，推測為上地幔介質的流動或橄欖巖晶格的優(yōu)勢排列所致.

銀川地塹區(qū)域下方，上層快波方向為NEE，與區(qū)域現(xiàn)今主應力方向不同，反映了復雜的區(qū)域地殼結構，結合銀川地塹近E-W方向的拉張構造，推測為上地幔軟弱物質擠入地殼所致(黃興富等，2016)；而分裂時間為0.3 s，則表明上層各向異性局限在地殼范圍.下層快波方向為近N-S偏NNE方向，分裂時間1.1 s，揭示下層各向異性厚度遠大于上層.

根據(jù)青藏東北緣XKS分裂展示的各向異性分布圖像，結合海原斷裂以及銀川地塹下方的快波方向變化和分層特征，推測青藏東北緣存在上地幔物質大致向NE方向流動，經(jīng)過海原斷裂下方，遇到鄂爾多斯塊體的阻擋，逐漸轉向NNE，并以近N-S向繼續(xù)流動至銀川地塹下方(圖12).由于觀測數(shù)據(jù)的不足，對于該地區(qū)是否同時存在著下地殼流以及垂直連貫的共同作用，以及分層各向異性分布的細節(jié)和準確度仍然不足，最近全波形反演技術的進步(Zhang et al., 2021)，可能給各向異性的三維準確成像帶來突破.關鍵構造區(qū)的各向異性分層問題，還需要更進一步的研究.

致謝本研究使用了Stephan Gao和Kelly Liu教授提供的XKS計算及分層擬合程序，石玉濤博士在數(shù)據(jù)篩選和成圖方面提供了幫助.中國地震局地震預測研究所計算中心和中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供了遠震波形數(shù)據(jù).評審專家對本文提出了評審意見和建議.在此一并致謝.