重慶及周邊地區地殼各向異性研究

董蕾 李建有 姜維松 李翠平

摘要：根據重慶及周邊地區固定地震臺站記錄的遠震資料提取了接收函數，并利用接收函數Pms相到時方差最小方法建立網格搜索，最終獲得該區的地殼各向異性參數。結果表明：重慶及周邊地區的地殼各向異性延遲時間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s;快波偏振方向主要有NEE、NNW和NWW向，并且大部分臺站快波方向與所在區域的主壓應力方向明顯不一致;重慶地區地殼各向異性具有橫向不均勻性及分區特征，巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。

關鍵詞：接收函數;地殼各向異性;重慶及周邊地區

中圖分類號：P313.3?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）02-0145-07

0 引言

重慶位于我國四川盆地東部、南北向構造帶的東側，屬于東、西部板塊運動的“中間過渡地區”，以城口斷裂、青峰斷裂分界，分屬于揚子準地臺和秦嶺地槽褶皺系兩個一級構造單元。重慶斷褶構造的形成和地殼的縮短、隆升，分別與印度板塊和太平洋板塊碰撞、俯沖擠壓相聯系，并且以城口斷裂、華鎣山基底斷裂西北側和七曜山—金佛山基底斷裂為界分為4個地震構造區。研究表明重慶地區呈NW向擠壓的應變狀態，其中主壓應力方向以NW向為主，部分區域呈NE向（丁仁杰，李克昌，2004;陳濤等，2018），但不同的形變觀測手段研究的該地區內部構造運動的結果并不一致（陳濤等，2018）。因此，該地區的地殼深部應力環境和構造特征有待進行更深入的研究。

地震各向異性與介質結構、區域應力、介質變形及斷裂分布等密切相關（高原等，2020）。對地殼構造應力特征和地球內部變形機制的探討均具有重要的科學參考價值。在具有水平對稱軸的各向異性水平層狀介質中，接收函數的Ps轉換波是唯一在Moho面生成并對橫波分裂敏感的震相，它的到時與事件入射方位角呈余弦函數特征，這一特征是診斷各向異性的工具。由地表觀測到的Pms剪切波分裂所攜帶的關于傳播介質的各向異性信息全部來自地殼內部，與地幔無關。使用接收函數研究地殼各向異性的方法已經被廣泛應用（Vinnik，Montagner，1996;孫長青等，2011;Liu，Niu 2012;Chen et al，2013;Kong et al，2016），Rumpker等（2014）提出用多地震事件按方位角疊加方法，并根據徑向Pms相疊加能量最大原則確定各向異性，可以彌補事件覆蓋不均勻的缺點，同時可以抑制隨機噪聲的影響;韓明等（2017）對比了Pms相到時方差最小法和Pms相疊加振幅最大法，并進行了合成理論地震圖試驗，表明Pms相到時方差最小法受噪聲影響不明顯，可以得到穩定的結果。本文利用Pms相到時方差最小法，計算重慶及周邊地區的地震臺站下方地殼各向異性參數，探討該地區地殼各向異性特征及其深部構造意義。

1 數據和方法

1.1 觀測數據及處理

本文利用重慶地震臺網及鄰區固定的地震臺站（圖1），根據中國地震臺網中心提供的地震目錄，從中選取了2011年1月—2018年10月M≥5.5、震中距為30°～95°的遠震記錄（圖2）。再利用遠震波形計算P波接收函數：截取P波到時前20 s、后120 s的三分量波形數據（圖3a）;將截取后的N、E分量波形旋轉至R、T分量（圖3b）;選取濾波因子2.5，利用時間域反褶積方法，計算R向接收函數（圖3c），從中挑選轉換相清楚的接收函數。

由于各個地震事件的射線參數（或震中距）不同，并且R分量接收函數的Pms相到時與震中距有關，所以必須先進行到時校正。將接收函數曲線上的Ps震相的到時都校正到一條任取的基準曲線上（本文以IASP91模型為參考，取震中距為67°）。到時校正后，按后方位角10°為間隔，將這一后方位角范圍內的接收函數疊加成一道信號。圖4a和圖5a分為ROC臺和WAS臺接收函數的后方位角疊加結果。

1.2 各向異性參數

在水平各向異性介質中，R分量接收函數的Pms相到時隨后方位角呈現π的周期性。Pms相的到時tps與后方位角的關系為：

tps=t0+Δt=t0-δt2cos（2baz-2φ）（1）

式中：t0為各向同性下，Pms相的到時;tps為計算得出的理論到時。本文對0～360°后方位角范圍內的36道疊加信號進行Pms相識別，拾取不同后方位角的Pms相觀測到時tops。

為了求得穩定的快波方位角（φ）和分裂時間（δt），給定不同的快波方位角和快慢波之間的延時，以此計算Ps震相的理論到時tps，以Pms相的觀測到時tops與理論到時tps之差的平方和達到最小為準則，進行二維網格搜索獲取穩定的Pms相的分裂參數。如圖4b所示，圖中黑色圓點代表Pms相最大振幅對應的到時，黑線為ROC臺Pms相理論到時，最終進行網格搜索得到快波偏振方向為71°，延遲時間為0.39 s（圖4c）。

2 研究結果

由于觀測原因等，需剔除接收函數質量較差或后方位角覆蓋較差的臺站，本文對重慶及周邊地區44個臺站的接收函數進行疊加，其中有一些臺站的周期性不明顯，如WAS臺接收函數質量較好，但到時隨方位角變化周期性不明顯（圖5b），因此認為這些臺站地殼弱各向異性。PAL臺、SHG臺、BZH臺、CHS臺存在同樣的情況，一并剔除這些臺站的結果。

本文最終對周期性明顯的39個臺站進行各向異性參數計算，獲得39組Pms相分裂結果（表1）。由表1可見，研究區延遲時間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s。如圖6所示，快波偏振方向主要有NE、NNW和NWW向，主要受斷裂分布的影響。華鎣山斷裂兩側的各向異性特征差異較大，斷裂附近的ROC、YUM、HYS臺偏振方向為NE向，與斷裂走向一致，延遲時間平均為0.36 s;而其東南部的YUB、XIM臺延遲時間較小，各向異性較弱。七曜山—金佛山斷裂西南側的SLO、FUL、L5540、XNS臺延遲時間為0.39～0.62 s，偏振方向為NE向，與該斷裂走向一致。七曜山—金佛山斷裂西北側、方斗山斷裂東側的LOH、SHZ臺偏振方向為NNW向。

3 討論

上地殼各向異性主要是由EDA（extensive dilatancy anisotropy，各向異性）微裂隙定向排列造成（Crampin，Atkinson，1985;Crampin，Peacock，2005;Crampin，Gao，2014），一般情況下，快波方向與裂隙優勢排列方向和最大水平主壓應力方向一致（Crampin，Peacock，2005;高原等，2020）。而在中下地殼裂隙閉合，各向異性成因主要與下地殼造巖礦物晶格的定向排列或物質流動引起的層理優勢排列有關（韓明等，2017;高原等，2020）。韓明等（2017）根據Pms震相計算得到的青藏高原東南緣平均延遲時間為0.54 s左右，認為該區Pms震相分裂主要由下地殼引起;邵若潼等（2019）同樣根據各向異性延遲時間，認為青藏高原東北緣地殼各向異性主要由下地殼各向異性引起。本文計算得到的平均分裂時間為0.4 s，因此認為研究區地殼的各向異性主要為中下地殼的各向異性。

丁仁杰和李克昌（2004）依據斷層力學性質和現代地震震源機制解P軸軸向等綜合分析得出，重慶新生代構造應力場具有由渝西向渝東地區，構造應力場主壓應力方向從NWW向逐漸轉變為NNE向的變化（圖6）;賀曼秋等（2008）利用SAM方法對ROC臺進行S波分裂研究，認為S波快波優勢分布方向為NW向，與榮昌地區區域應力場方向（陳濤等，2018）大體一致，與該區的主要基底斷裂走向接近垂直。本文計算得到的ROC臺快波方向為NE向，平行于華鎣山斷裂，與上地 殼的各向異性快波方向基本垂直，ROC臺地殼各`向異性延遲時間為0.39 s，大于上地殼S波分裂延遲時間0.11 s。孫長青等（2013）發現云南地區地殼各向異性快波方向與研究區內斷裂帶走向一致，與最大主壓應力方向存在較大差異，認為其各向異性可能主要與礦物晶格定向排列或者熔體的定向排列有關;強正陽等（2016）認為韌性的中下地殼與地幔在受到主壓應力擠壓后，礦物晶體發生定向排列，形成垂直于主壓應力方向的各向異性。本文計算得到的研究區大部分臺站快波方向與臺站附近的斷裂走向較一致，而與主壓應力方向明顯不一致（圖6），進一步說明研究區地殼各向異性主要由中下地殼引起。

重慶地區地殼各向異性具有橫向不均勻性，且具有分區特征。城口斷裂、巫溪斷裂以北的渝東北推覆構造區（主要有CHK、HCB和WUX臺）內的斷裂以逆沖性質為主，與倒轉褶皺構造構成強烈擠壓的推覆構造區。從該區等面積玫瑰投影圖（圖7a）可以看出，延遲時間平均為0.33 s，快波方向由NNW向轉至EW向，與斷裂走向基本一致，該區的地殼各向異性快波方向應該與NNE方向的主壓應力擠壓作用及推覆構造帶有關。在華鎣山基底斷裂東南，七曜山—金佛山、方斗山斷裂西北地區為渝中央褶皺區，主要有15個臺站（SHL、HOT、LIJ、WAZ、YAL、XIM、FUL、L5540、YUB、CQT、SLO、MAL、XNS、LOH、SHZ）;該區主要有兩個快波方向，NNW向和NE向（圖7b），NNW向的臺站有LIJ、SHZ、LOH，其余臺站為NE向，垂直于該區主壓應力方向，平行于七曜山—金佛山斷裂;該區中部（主要有XIM、YUB、CQT臺）各向異性較弱，延遲時間最小為0.14 s。渝東南褶斷區（主要有WUL、LUJ、QIJ、HOP、XIS臺）的地殼各向異性等面積玫瑰投影圖如7c所示。從圖中可以看出，平均延遲時間為0.49 s，各向異性較強烈，快波方向為NEE至EW向，與斷裂NE走向有一定差異;該區主壓應力方向為NW向，基本垂直于該區的主壓應力方向;該區NE走向斷裂力學性質以逆沖為主，但也發育少量的正斷層，其中2017年武隆5.0級地震的發震斷層被認為是張性斷裂（李翠平等，2019）。該區構造應力環境較復雜，這可能是造成快波方向與斷裂走向不太一致的原因。

由于SKS波分裂垂向分辨率較差，SKS波相各向異性包含了上、下地殼和上地幔的各向異性特征。本文收集了重慶及周邊地區的SKS計算結果，與本文獲取的地殼各向異性參數進行對比。結果表明，除SHZ臺的偏振方向與常利軍等（2008）計算的上地幔快波方向較一致外，其余臺站（ROC、XCO、HYS、XHA、WAZ、YUB、CHS、FUL、WUL）與上地幔快波方向相差較大，并且地殼各向異性弱于上地幔各向異性，說明研究區巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。佐佳卉和鈕鳳林（2019）在接收函數地殼各向異性研究結果（Sun et al，2012）的基礎上，利用剝去法對SKS波分裂進行了分層計算，認為四川盆地中部（包括ROC）上地幔的各向異性特征一致，主要是地幔各向異性的貢獻。SKS波分裂受上地殼裂隙各向異性的影響（姚陳等，2016），雖然筆者認為研究區地殼的各向異性主要為中下地殼的各向異性，但不可忽略的是Pms分裂應該也包含上地殼各向異性，如何分離上、下地殼的各向異性有待進一步研究。

4 結論

本文利用重慶地震臺網及鄰區固定臺站的遠震波形資料計算P波接收函數，經到時校正后按后以方位角10°為間隔將接收函數疊加，最后利用Pms相到時方差最小法獲取研究區地殼各向異性參數，得出以下主要結論：

（1）重慶及周邊地區的地殼各向異性延遲時間為0.14～0.91 s，平均為0.4 s;研究區的快波方向與該區的主壓應力方向明顯不一致，大部分臺站的快波方向垂直于主壓應力方向。

（2）本文計算得到的地殼各向異性主要為中下地殼的各向異性;重慶地區地殼各向異性具有橫向不均勻性及分區特征，渝東北構造區的地殼各向異性與主壓應力擠壓作用及推覆構造帶有關。將本文研究結果與研究區其他上地幔各向異性研究結果進行對比，認為重慶及周邊巖石圈形變特征主要來自地幔各向異性。

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Study of the Crustal Anisotropy beneath Chongqing and Its Surrounding Area

DONG Lei1，LI Jianyou2，JIANG Weisong1，LI Cuiping1

（1.Chongqing Earthquake Agency，Chongqing 401147，China）

（2.Kunming Southern Geophysical Technology Development Inc.，Kunming 650091，Yunnan，China）

Abstract

In this paper，a receiver function is extracted from the teleseismic data recorded by the seismic network and earthquake stations in Chongqing and its surrounding areas，and a grid search is established by using the minimum variance of arrival time of Pms phase of the receiver function.Finally anisotropic parameters of the crust are obtained.The results indicate that the delay time of the crustal anisotropic in Chongqing and its surrounding areas is ranges within 0.14～0.91 s，with an average of 0.4 s;The fast wave mainly polarizes in NEE，NNW，and NWW directions，and the direction of the fast wave at most of the stations is obviously different from the direction of the main compressive stress in the study area.And in this area the anisotropy of the crust features transverse heterogeneity and zoning;the characteristics of lithospheric deformation are mainly derived from mantle anisotropy.

Keywords：receiver function;crustal anisotropy;Chongqing area

收稿日期：2020-07-05.

基金項目：地震監測、預測、科研三結合課題（3JH-202001072）資助.

第一作者簡介：董蕾（1986-），工程師，主要從事地震監測工作.E-mail：dongleiyue@163.com.