黑龍江地區上地幔各向異性研究

劉長生　苗慶杰　趙　誼　李萬金　李永生　郝永梅

1　黑龍江省地震局，哈爾濱市鴻翔路24號，150090 2　山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014 3　云南省地震局個舊地震臺，個舊市寶華路21號，661000

黑龍江地區上地幔各向異性研究

劉長生1苗慶杰2趙誼1李萬金3李永生1郝永梅1

1黑龍江省地震局，哈爾濱市鴻翔路24號，150090 2山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014 3云南省地震局個舊地震臺，個舊市寶華路21號，661000

摘要：采用黑龍江數字地震臺網2012-01～2014-07間23個寬頻帶地震臺站記錄的遠震SKS波形資料，利用Splitlab 軟件對黑龍江地區進行剪切波分裂的分析研究，使用最小能量法、旋轉相關法和最小特征值法計算所有觀測臺站的SKS快波偏振方向和快、慢波的延遲時間，最終得到黑龍江省上地幔各向異性圖像。結果顯示，黑龍江地區上地幔地震各向異性比較明顯，快波偏振方向與主張應力方向基本一致，與GPS得出的速度場方向相符，說明該地區的殼幔耦合可能存在垂直連貫性。

關鍵詞：各向異性；SKS波分裂；上地幔；快波方向；時間延遲

黑龍江地區位于歐亞板塊的東北亞地區，屬于天山-興蒙構造單元[1]，區域內分布著復雜交錯的斷裂系統，地震活動頻繁，且大多數地震都沿著區域性斷裂帶、大型凹陷盆地邊緣以及新生代火山巖出露地帶、斷裂與速度變化帶發生。因此，系統地利用剪切波研究該區域各向異性，對于了解區域構造動力學及板塊內地震機制等具有重要意義。SKS剪切波可以用于地球各層介質的各向異性研究[2-3]。中國“十五”數字地震臺網項目實施期間，黑龍江地震局建設了37個涵蓋50 Hz～360 s的寬頻帶和高精度觀測臺站，從其記錄圖中可以獲得易于讀取SKS波分裂的地震波形，為研究黑龍江地區上地幔各向異性和地球動力學特征提供了珍貴資料。

1構造背景和研究資料

1.1構造背景

黑龍江地區構造運動較為活躍，地震構造背景復雜，曾經多次發生M5.0～6.0的中強地震。其東部毗鄰西太平洋板塊，M≥6.5的深源地震時有發生，是西太平洋板塊高速度、小傾角向歐亞大陸下俯沖的結果[4]。研究區自第四紀以來仍存在繼續活動的斷裂帶，地震的空間分布特征與其斷裂長度、斷陷盆地規模、性質和幅度等有密切關系。黑龍江地區分布有北東東向的嫩江、依蘭-伊通、敦化-密山等3條大型斷裂帶，還有北西向的濱州斷裂和近北南向的肇東-扶余斷裂帶等次一級斷裂，它們組成了黑龍江地區活動斷裂構造的基本框架。圖1為黑龍江地區地震與斷裂分布圖，地震目錄選取時間為1980～2015年。

F1嫩江斷裂；F2依蘭-伊通斷裂；F3敦化-密山斷裂;F4訥莫爾河斷裂；F5第二松花江斷裂；F6勃利-北安斷裂圖1　黑龍江地區地震與斷裂分布圖Fig.1　Distribution of earthquakes and faults in the Heilongjiang region

1.2研究資料

通過對黑龍江地區37個地震臺站進行篩選，最終確定23個數字化地震臺站的寬頻帶記錄波形用于分析計算。選取震中在85°～110°之間、震級M>5.5的地震事件(圖2)共2 000余個作為基礎數據，采用0.02～0.2 Hz的高斯濾波器對數據進行帶通濾波處理，計算各向異性參數，從而提高遠震記錄中SKS震相的信噪比。

選取嘉蔭臺(JIY)2012-01-24記錄的地震事件，通過對其進行徑切向旋轉和0.02～0.2 Hz巴特沃斯帶通濾波，獲得如圖3所示的波形記錄結果。從圖中看到，切向和徑向分量的SKS波記錄得比較明顯，而垂向則較為模糊，所以判定臺站下方介質層可能具有各向異性。

圖2　震源分布圖Fig.2　The distribution of hypocenters in this study

圖3　選取的地震事件波形記錄Fig.3　Sample of the event records

2處理方法

采用Splitlab軟件對波形數據進行處理，同時計算各向異性參數。該軟件使用最小能量法、旋轉相關法和最小特征值法等3種方法進行計算，對單個遠震記錄SKS震相開展偏振分析，求取震中在85°～110°的SKS波的各向異性參數對(φ,δt)。此時地震波幾乎是垂直入射至臺站正下方，該范圍地震波入射能量最強，在觀測記錄圖中與S波震相有明顯分離，很容易進行震相識別。SKS波到達地震臺時，若地幔中存在各向異性介質，必然存在各向異性參數對(φ,δt)，此參數反映了地核與地幔的邊界至地震臺站之間介質的各向異性特征。

對嘉蔭臺(JIY)記錄的遠震事件進行SKS震相偏振分析，結果見圖4。圖4(a)左邊是地震波形(圖中虛線表示徑向分量，實線表示切向分量，陰影部分是SKS波分裂的時間窗)；中間部分為3種方法的計算結果；右邊是SKS波分裂結果的立體投影。圖4(b)、4(c)分別表示利用旋轉相關法、最小切向能量法進行SKS波分裂。分圖①是經過時移校正后的快波(虛線)、慢波(實線)分量；分圖②是各向異性校正后的徑向(虛線)、切向(實線)分量；分圖③是各向異性校正前(虛線)、后(實線)的質點運動軌跡；分圖④是快慢波波形相關系數分布和不同分裂參數的切向能量分布。

圖4　采用Splitlab軟件得到的可信分裂結果Fig.4　Credible results got by SplitLab

根據Bowman等[5]的研究，計算每一個地震事件的分裂參數時，多數臺站的剪切波分裂結果是無效的，只有少數分裂結果有效。通過以下幾個方面判別測量結果的有效性：1)SKS震相的信噪比；2)快慢波校正前后的波形形態；3)質點運動軌跡特征；4)利用旋轉相關法、最小能量法和最小特征值法等。計算出的SKS波分裂參數共5個類別，從有效到無效分別為：良好的有效分裂結果(good)，一般的分裂結果(fair)，不可靠的分裂結果(poor)，高質量的無效分裂結果(goodNULL)，質量一般的無效分裂結果(fairNULL)。使用前兩種結果作為最終的分裂參數結果，選用最小能量法作為有效計算方法。

3結果選取

利用以上方法對所選的23個臺站進行分析，結果見表1。

表1　黑龍江地區SKS波分裂參數

注：φ和Eφ代表快波偏振方向及相應誤差， δt和Eδt代表快、慢波的時間延遲及相應誤差。

由圖5(圖中同心圓直徑代表延遲時間為1 s,線段方向代表快波偏振方向，線段長度代表快、慢波延遲時間)、圖6和表1可見，本研究區快波偏振的優勢方向是NNW-SSE, 個別地區呈現EW和NW-SE向；快、慢波時間延遲為0.6～2.3 s，平均時間延遲為1.45 s。Li等[6]給出的嘉蔭臺快波偏振方向為164°，與本文結果較為一致。

圖5　黑龍江地區23個寬頻帶地震臺SKS波分裂結果Fig.5　Results of SKS splitting of 23 broadband stations in Heilongjiang region

4討論與結論

4.1各向異性層厚度與延遲時間的關系

Crampin等[7]認為，地殼各向異性主要由上地幔上部10～15 km的裂紋和微裂紋的定向排列引起，而黑龍江地區的地殼厚度在30～40 km。吳晶等[8]認為，首都圈東南部上地殼各向異性生成的平均時間延遲為3．53 ms/km，若本研究區結果與首都圈相同，則本區地殼延遲時間為0.11～0.14 s。本文利用SKS分裂計算得到的上地幔延遲時間為0.6～2.3 s，所以本地區SKS波各向異性性質可能來自上地幔。McNamara等[9]根據上地幔橄欖巖含量及測量結果得出，快、慢波相差1 s相當于各向異性層的厚度為115 km。黑龍江地區各向異性層的厚度范圍為69～264 km，平均為167 km，表明上地幔變形是橫向不均勻的。彭艷菊等[10]認為，中國大陸的面波各向異性層在70～150 km范圍內各向異性較強，本文計算得到的各向異性層厚度為167 km，而中國東部的巖石圈厚度約100 km[11]。

4.2研究區不同地區各向異性對比分析

研究區東部下方的快波偏振方向由南向北具有NW向NNW的順時針旋轉過程，同時分裂時間較其他區域更長(見圖6)。Miller等[12]認為，中世紀以來，馬里亞納-日本-庫頁島海溝已經逐步由西向東遷移，導致俯沖板塊向東回轉。研究區的各向異性快波分裂主要受平行海溝的快速分裂方向所控制。如果在太平洋板塊的彎曲處存在板舌撕裂現象，太平洋板舌東向回轉時可能會誘發北西向流。因此推測，正是這種流導致東部山脈地區內獨特的各項異性。西部松遼盆地內部的各向異性程度與東部地區相比較弱。孫蓮[13]利用Pn波速度研究上地幔頂部的結構后認為，松遼盆地表現為大尺度低速異常區，而盆地周邊表現為高速異常區。這些低速異常區暗示其地殼較薄，該地區具有熱的和薄的地幔蓋層。因Pn波能夠反映上地幔頂部的物質流動變形特征，而剪切波分裂結果是整個上地幔變形特征的綜合反映，不同的方法得到了一致的各向異性快波方向，可能暗示整個地幔具有一致的變形特征，即該區具有軟流圈的作用。

圖6　黑龍江地區上地幔各向異性結果分布Fig.6　The anisotropy results distribution of up mantle in Heilongjiang region

4.3與其他研究結果的比較

羅艷[14]等使用CB臺網和美國IRIS數據中心提供的三分量寬頻帶數字化地震資料，得到中國大陸及鄰區的SKS波分裂結果，顯示牡丹江地震臺下方的快波偏振方向為近EW向，與本研究類似。這可能是西太平洋板塊與歐亞板塊相互作用引起局部對流而使水平方向平行的緣故。Liu等[15]利用架設在中國東北部和蒙古國的區域地震臺網推導亞洲東北地區下方上地幔構造特征，結果同樣顯示牡丹江地區下方的快波偏振方向為近EW向。Li等[6]利用東北地區108個臺站的SKS波形記錄分析該區域的偏振，結果顯示，中國東北地區剪切波快波偏振方向由松遼盆地南部至嫩江斷裂北端按順時針方向旋轉，方向由近EW向轉為NW-SE向，其快慢波延時為0.2～2.2 s。本文得到的黑龍江地區各部分的快波方向及快慢波延遲時間見圖5。西部地區快波方向為NW-SE向；佳木斯地塊地區方向為NNW-SSE向，與太平洋板塊俯沖方向一致；松遼盆地內部的臺站結果為SWW-NEE向。延遲時間為0.83～1.73 s，與Li等[6]的研究結果總體上較為接近。

4.4成因及動力學意義

一般認為，板塊運動是導致地幔物質形變的最直接原因。地幔鍥中物質流動[10，16-17]使橄欖巖等晶體的晶格獲得優勢取向，從而形成當前地幔各向異性結果[4,16-17]。

東部牡丹江(MDJ)等臺站的快波偏振方向為近EW向，向北即佳木斯地塊臺站的快波偏振方向為NNW-SSE，該地區消減帶似乎存在一個突然的90°旋轉，可能與太平洋俯沖引起局部對流的水平流方向平行有關。西部的碾子山地震臺地下的快波偏振方向轉成了NW-SE向。根據各向異性不同深度的約束及快、慢波延遲等方面的研究可以判定，該地區各向異性主要來自地幔。

綜上所述，黑龍江地區各向異性快波方向基本為NNW-SEE向；快、慢波的延遲時間范圍為0.6～2.3 s；各向異性層厚度在69～264 km，平均為167 km。黑龍江地區上地幔存在明顯的各向異性，各向異性快波方向與主張應力方向一致，地幔流動的方向與由GPS(ITRF2008參考框架下)得出的板塊運動方向基本一致[18]，說明黑龍江下方的殼幔變形可能存在垂直連續變形特征。

致謝：感謝趙誼研究員、苗慶杰工程師和李萬金高級工程師的熱情幫助。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No.41302268; Projects of Earthquake Administration of Heilingjiang Province, No.201402.

About the first author:LIU Changsheng,engineer,majors in earthquake analysis and prediction, E-mail:lcs971215@163.com.

Study on Seismic Anisotropy of Upper Mantle Beneath Heilongjiang Region

LIUChangsheng1MIAOQingjie2ZHAOYi1LIWanjin3LIYongsheng1HAOYongmei1

1Earthquake Administration of Heilongjiang Province,24 Hongxiang Road,Herbin 150090，China 2Earthquake Administration of Shandong Province,20 East-Wenhua Road,Jinan 250014,China 3Gejiu Earthquake Station of Yunnan Earthquake Administration, 21 Baohua Road,Gejiu 661000,China

Abstract:Based on teleseismic SKS waveform data recorded from January 2012 to July 2014 at 23 broad-band seismic network stations of Heilongjiang province, we use Splitlab software to study the shear wave splitting in the region. The delay times between fast and slow wave arrival at each station are determined using both the minimum energy and waveform rotation-correlation method and the minimum feature value method. We calculate the SKS fast wave polarization direction and the fast and slow wave delay time for all observation stations, and acquire the image of upper mantle anisotropy in Heilongjiang region. The results show that the Heilongjiang regional upper mantle seismic anisotropy is more obvious and the fast wave polarization direction and principal tensile stress direction are basically consistent. Furthermore, as obtained by the GPS velocity field in the same direction, the coupling of the crust and upper mantle in the region present vertical coherence.

Key words:anisotropy；SKS wave splitting; upper mantle；fast-wave polarization direction；time delay

收稿日期：2015-07-31

第一作者簡介：劉長生，工程師，主要從事地震分析預報研究, E-mail:lcs971215@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.014

文章編號：1671-5942(2016)07-0620-05

中圖分類號：P315

文獻標識碼：A

項目來源：國家自然科學基金(41302268)；黑龍江省地震局局內科研項目(201402)。