華南塊體中部上地殼剪切波分裂特征

石玉濤，高原

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

華南塊體位于秦嶺—大別造山帶以南、青藏高原以東，自晚太古代-早元古代以來，經歷了多次強烈的板塊拼貼、拉張裂解，并伴隨多起構造巖漿熱事件的演化，最終形成了現今復雜的構造格局(張國偉等，2013；Zhao and Cawood, 2012; Zheng et al., 2013; 毛建仁等，2014).其中，揚子地塊與華北板塊、青藏高原相鄰，由太古代中深變質巖系組成，是一個構造穩定的克拉通古陸.華夏地塊與太平洋板塊、印支板塊相鄰，經歷了多期復雜構造演化過程，形成不穩定的克拉通古陸(舒良樹，2012).揚子地塊和華夏地塊在新元古代的碰撞拼合形成北東走向的江南造山帶(楊明桂等, 2009；Zhang and Zheng, 2013)，造山帶地層連續，內部構造特征獨特(圖1).華南塊體整體受到菲律賓海板塊向歐亞板塊碰撞擠壓作用，形成北西向和北西西方向的主壓應力，及北東和北北東方向的構造變形，隨著區域構造環境變化，塊體內部擠壓應力的強度有所變化(Zhao et al., 1990; 謝富仁等，2004；Liu and Yang, 2005；徐紀人和趙志新，2006a；楊樹新等，2012; Hu et al., 2017).

地殼中廣泛地存在著各向異性，介質的各向異性特征與地質構造、巖相、斷裂分布和應力環境等因素密切相關(Boness and Zoback, 2004, 2006; 高原等，2010；Gao et al., 2011; Araragi et al., 2015; Almqvist and Mainprice, 2017).剪切波分裂是研究地殼介質的各向異性特征的有效手段之一，快剪切波的偏振方向反映地殼的原地主壓應力方向，慢剪切波時間延遲反映了區域各向異性程度(Crampin, 1985; 1987; Gao and Crampin, 2004).研究表明，復雜地質構造與應力環境及應力變化都會造成剪切波分裂結果的差異(Gao et al., 1998, 2011; Peng and Ben-Zion, 2004; Cochran et al., 2006; Liu et al., 2008; 吳晶等，2010；Shi et al., 2015, 2020; Li and Peng, 2017; Kaviriset al., 2018).

華南塊體東部及華夏地塊東南部的剪切波分裂研究表明，受到多個地質構造單元共同約束，快剪切波的偏振方向顯示局部構造應力特征(吳晶等，2007a，2010； Gao et al., 2009).2011年1月19日安徽安慶MS4.8級地震余震序的剪切波分裂研究表明，快波偏振方向基本與區域主壓應力方向一致(李發等，2012).2005年九江—瑞昌MS5.7地震余震序列的剪切波分裂研究結果表明快波偏振方向與區域主壓應力方向不一致(湯蘭榮等，2012).大別山造山帶的剪切波分裂結果表明上地殼介質各向異性主要是由裂隙引起，反應區域主壓應力特征(王椿鏞等，1997).

華南塊體地震活動的空間分布不均，活動水平較低(尹曉菲等，2020)，地震臺站的分布密度有限，基于震源機制研究難以區分于華南塊體的各個構造單元內構造應力環境差異(徐紀人和趙志新，2006a；謝富仁等，2004；Hu et al., 2017; Wang and Yao., 2020).本研究通過收集密集覆蓋東秦嶺大別山、下揚子地塊和華南褶皺帶東南部區域的密集臺陣資料，結合國家地震臺網的近場觀測資料(圖1)，利用剪切波分裂方法開展中上地殼介質各向異性研究，分析地殼各向異性特征與區域構造之間的關聯，探討區內的應力環境以及構造變形背景.

圖1 華南塊體內部構造紅色圓點表示為2009-01-01—2017-12-31期間華南地區發生ML1.5以上地震.NCC：華北塊體；SCB：華南塊體；TB：青藏塊體；F1：郯廬斷裂帶；F2：信陽—舒城斷層；F3：襄樊—廣濟斷層；F4：紹興—江山—萍鄉斷裂帶；F5：政和—大埔斷裂帶；F6：嘉山—響水斷裂帶；F7：石臺—九江—吉首隱伏斷裂帶(張國偉等，2001；Zhang et al., 2013).其中，F2和F3分別為大別造山帶北、南邊界，F4和F7分別為江南造山帶的北、南邊界.Fig.1 Tectonic settings of South China blockThe red dots are local earthquakes from 1 Jan 2009 to 31 Dec 2017. Black and blue triangles indicate the stations of Huanan seismic array and regional seismic network, respectively. The blue lines denote boundaries of the tectonic blocks. NCC: North China Block; SCB: South China block; TB: Tibet block; F1: Tanlu fault; F2: Xinyang-Shucheng fault; F3: Xiangfan-Guangji fault; F4: Shaoxing-Jiangshan-Pingxiang fault; F5: Zhenghe-Dapu fault; F6: Jiashan-Xiangshui fault; F7: Shitai-Jiujiang-Jishou potential fault (Zhang et al., 2001; Zhang et al., 2013). F2 and F3 are the northern and southern boundaries of Dabie orogenic belt, F4 and F5 are the northern and southern boundaries of Jiangnan orogenic belt.

1 數據及方法

本研究采用中國地質科學院地質調查工作項目“華南深部結構探測”在華南地區(25°N—33°N，112°E—121°E)布設的由200套寬頻帶流動地震臺組成的華南臺陣(HN Array)記錄的近場波形資料，該臺網是目前華南塊體內分布最廣且最密集的寬頻帶流動臺網，包括中國地質科學院地質研究所于2014年9月至2015年7月期間布設的100個寬頻帶地震臺，觀測儀器為STS-2.5地震計和Q330S+數據采集器；北京大學于2014年8月至2015年7月期間布設的40個寬頻帶地震臺，觀測儀器為Guralp-3T地震計和Reftek-130數據采集器；南京大學于2014年9月至2015年12月期間布設的20個寬頻帶地震臺，觀測儀器為Guralp-40T地震計和Reftek-130數據采集器，以及中國地震局地震預測研究所于2014年11月至2016年8月期間布設的40個寬頻帶地震臺(HN-IEF Array)，觀測儀器為30套Nanomatrics寬頻帶地震儀和10套CZS-II寬頻帶地震儀.所有流動臺站采樣率為100Hz.另外，本研究還收集了國家區域地震臺網(共計245個臺站)于2009年1月至2017年12月記錄的近場波形資料.

本研究使用剪切波分裂系統分析法——SAM方法，該方法基于相關函數提出的一種自我檢驗的分析方法，包括相關函數計算、時間延遲校正和偏振分析檢驗，該方法得到結果的穩定性和可靠性比較強(高原等，2008).本研究選取高信噪比“剪切波窗口內”的近場地震事件(Crampin and Peacock, 2005)，為了清晰識別剪切波信號，對選取事件進行Butterworth濾波器1～10 Hz帶通濾波，計算華南地區各個臺站下方的地殼介質各向異性空間分布特征.

圖2、3是采用SAM方法進行剪切波分裂分析的兩個實例.

圖2 剪切波分裂系統分析過程示意圖臺站NY(33.14°N，112.27°E)記錄2017-07-10/05∶28∶05事件，震源深度8.0km，震級ML2.0.(a)垂直(Z)、東西(E)和南北(N)向的地震波形，(b)通過相關函數計算得到快波偏振方向為60.0°，時間延遲0.14 s.(c)和(d)顯示為南北(NS)和東西(EW)方向分量的剪切波的質點運動軌跡圖以及剪切波波形.(e)和(f)顯示已消除了時間延遲的影響后快(F)和慢(S)剪切波的質點運動軌跡圖和快慢剪切波的波形，經過分析最終得到快波偏振方向60.0°，時間延遲0.07 s.波形圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示為振幅.藍色方框表示用于計算相關函數的波形，灰色表示用來做質點運動軌跡的剪切波部分.Fig.2 An example of the shear-wave splitting analysis for the seismic event recorded at NY stationThe event(ML=2.0) occurred at 05∶28∶05 on 07/10/2017 at depth of 8.0 km. (a) The original waveforms of vertical (Z), east-west (E) and north-south (N) components. (b) The colorful contour map of cross-correlation function with different time-delay and polarization. The fast polarization and time-delay are separately 60° and 0.14 s. (c) The polarization diagram of shear-waves. (d) The shear waveforms in NS and EW direction. (e) The polarization diagram of the fast shear-wave and the slow shear-wave after the effect of time-delay is eliminated. (f) The waveforms of the fast shear-wave (F) and the slow shear-wave (S). After elimination of time-delay and verification of polarization, the fast polarization and time-delay are finally 60° and 0.07 s. The abscissa is the time. The blue frame of shear waveform is used to compute the cross-correlation function. The shade areas in (d) and (f) mark the segment of shear waveforms showed in polarization diagrams of (c) and (e), respectively.

2 上地殼介質各向異性

經過嚴格數據篩選，共得到163個臺站記錄569條剪切波分裂參數的結果(圖4)，包括105個國家臺網臺站記錄的384條地震事件，以及華南流動臺陣58個臺站記錄的185個地震事件，最終得到快剪切波偏振方向為91.6°±42.4°，平均時間延遲為2.66±1.85 s，平均值和誤差的計算采用圓形統計計算方法(Berens, 2009).由于華南塊體整體地震活動性低，波形質量篩選嚴格，導致本研究結果中111臺站的分析結果少于3個有效事件(圖4).本研究分析結果與前人研究結果比較一致，然而受到臺陣的空間尺度及分布密度的限制，前人研究結果僅反映華南塊體局部地區(王椿鏞等，1997；吳晶等，2007a；2010；Wu et al., 2009)以及主震震源區范圍(李發等，2012；湯蘭榮等，2012)的剪切波分裂參數空間分布特征.對比前人有限的研究基礎，為了獲得更大尺度的地殼介質各向異性特征，本研究采用豐富的觀測數據，獲得華南塊體中部地殼介質各向異性特征.根據構造分區及巖石結構，結合各個臺站快波平均偏振方向空間分布特征，將研究區劃分為9個不同區域(圖5)，統計結果顯示出各個區域的剪切波分裂特征不同.

圖5 華南塊體內各地塊的快剪切波偏振平均方向和等面積投影玫瑰圖右上角是所有臺站獲得快剪切波偏振等面積投影玫瑰圖及平均方向.白色圓圈表示本研究使用的區域地震臺和流動地震臺，灰色陰影表示研究區被劃分的9個不同區域，其中，A：南華北塊體；B：西大別造山帶；C：東大別造山帶；D：蘇魯造山帶；E：江漢盆地；F：大別造山帶與郯廬斷裂帶交接區域；G：下揚子地塊；H：江南造山帶；I：西華夏地塊；J：東華夏地塊.Fig.5 The mean fast shear-wave polarization and equal area rose diagrams in sub-blockThe top-right shows the equal-area rose diagrams and predominant orientation of fast shear-wave polarizations in this study area from all stations in South China. The white circles respectively indicate the seismic stations, which were used in the study. The equal area rose diagrams beneath nine areas are acquired by stations within the nine gray area. A: South North China block; B: West Dabie orogenic belt; C: East Dabie orogenic belt; D: Sulu orogenic belt; E: Jianghan basin; F: The confluent area of Dabie orogenic belt and Tanlu fault zone; G: Lower Yangtze block; H: Jiangnan orogen belt; I: West Cathaysia block; J: East Cathaysia block.

華北塊體整體受到太平洋板塊向歐亞板塊俯沖擠壓，形成北東東方向的區域主壓應力(徐紀人等，2008).本研究得到南華北塊體內21個臺站(A區)57條快剪切波分裂平均偏振方向為90.5°±30.8°，與區域水平主壓應力方向較一致；慢剪切波的平均時間延遲為2.50±1.48 ms·km-1(圖4，5)，小于華北盆地平均時間延遲(吳晶等，2007b；Gao et al., 2011; Shi et al., 2015).

揚子地塊與華北板塊俯沖碰撞形成世界上規模最大的超高壓變質帶蘇魯—大別造山帶(張國偉等，1996；董樹文等，1993；Li et al., 2020)，郯廬斷裂帶將其左旋錯開，平移為大別造山帶和蘇魯造山帶兩部分(Okay andeng?r, 1992；Li, 1994).震源機制結果顯示，蘇魯—大別造山帶地殼應力場受到華北塊體應力場的影響(徐紀人和趙志新，2006b).研究認為，大別造山帶的各向異性主要來源于華北塊體和揚子地塊碰撞殘留的裂隙定向排列(王椿鏞等，1997).本研究得到西大別造山帶(B區)的5個臺站(HN07、HN09、HN11、HN14和SZH)記錄的7個事件的快剪切波分裂平均偏振方向為113.2°±22.6°，與區域水平主壓應力方向較一致，反映地殼巖石裂隙定向排列特征，平均時間延遲為1.84±1.53 ms·km-1.東大別造山帶(C 區)及周邊地區11個臺站記錄171條剪切波分裂特征顯示較為復雜，與西大別造山帶上地殼介質各向異性不同，快剪切波偏振方向表現為150.3°±26.9°和65.9°±24.8°，時間延遲差異不大，分別為1.65±0.63 ms·km-1和1.50±0.46 ms·km-1(圖6).根據構造變形、巖石組合分布特征，東大別造山帶以商城—麻城斷裂帶和郯廬斷裂帶為東西邊界，其內部被劃分為北淮陽褶皺帶和北大別構造帶等多個單元(董樹文等，1993；劉少峰和張國偉，2013).其中，臺站BZY和JZA有兩個快剪切波優勢偏振方向，分別為近東西向和北北東向，臺站SJH和LNA快剪切波偏振方向顯示北北西，臺站FZL、ah211、SCH&ah207、ah206和ah217快剪切波偏振方向顯示為北東向，位于北淮陽褶皺帶的北邊界的臺站LAN快波偏振方向為北西和北北西向(圖 6).蘇魯造山帶(D區)8個臺站21條快剪切波分裂偏振平均方向為117.8°±15.0°和62.0°±4.6°，整體與華北塊體區域水平主壓應力方向一致，平均時間延遲為1.69±1.38 ms·km-1和1.61±1.19 ms·km-1(圖4，5).蘇魯—大別造山帶的時間延遲整體小于華北塊體的平均時間延遲，顯示其內部中上地殼介質的各向異性程度較弱.

揚子地塊北鄰大別—蘇魯造山帶，南靠江南造山帶，地塊中部江漢盆地(E區)是一個典型內陸斷陷盆地，內部斷裂相互交切，構造型式復雜(王必金等，2006)，盆地內7個臺站(JME、HN16、HN26、SSH、HUR、YDU和SZI)記錄的15個事件的快剪切波分裂偏振方向較為離散，平均方向為118.0°±28.5°，平均時間延遲為2.11±1.72 ms·km-1(圖4，5).受到華北板塊的南向擠壓和江南雪峰隆起的阻擋，位于大別造山帶與郯廬斷裂帶碰撞區域(F區)主壓應力場為北東東方向(Liu et al., 2005)，本研究得到該區域9個臺站17條快剪切波偏振平均方向為56.7°±32.0°，平行于郯廬斷裂帶走向，平均時間延遲為1.72±1.07 ms·km-1(圖4，5)，分析結果與2005年MS5.7九江地震余震序列的剪切波分裂結果一致(湯蘭榮等，2012).下揚子地塊(G區)夾持于大別—蘇魯造山帶和江南造山帶之間，整體受到北東向構造應力場作用(許忠淮等，1989；徐杰等，2012).本研究結果顯示，通過下揚子地塊內46臺站93個事件的快剪切波偏振平均方向為71.5°±31.2°，與區域應力場方向及構造變形走向一致，平均時間延遲為2.67±1.16 ms·km-1，各向異性程度大于上揚子地塊和中揚子地塊(圖4，5).地質調查顯示愈接近郯廬斷裂帶，塊體內部變形愈強烈(朱光等，1999)，位于郯廬斷裂帶上臺站LIS，TCH，XIY快波偏振方向與斷裂走向基本一致，強烈的構造變形也導致下揚子地塊的各向異性程度大于周邊塊體.

江南造山帶是分布于揚子和華夏地塊之間的一條北東東向的造山帶，根據構造特征和演化歷史的差異，江南造山帶被劃分為多個地質構造單元，造山帶內部地質構造主要為北東向和北西向(Shu et al., 2011; Wong et al., 2011; Wang et al., 2014; Zhao, 2015; Sun et al., 2017).本研究獲得江南造山帶中段(H區)的15個臺站記錄26條剪切波分裂偏振表現為兩個優勢方向，分別為146.7°±15.5°和82.9°±22.6°，分別與地質構造變形和區域主壓應力方向一致(許忠淮等，1989)和內部斷裂帶走向一致.慢剪切波的平均時間延遲為1.91±1.44 ms·km-1，與蘇魯—大別造山帶地震各向異性程度基本一致(圖 4，5).

圖6 東大別造山帶(C區)地質構造圖(Liu et al., 2007; Zhao et al., 2016)其中，SMF: 商城—麻城斷裂帶；XMF: 曉天—磨子潭斷裂帶；TLF: 郯廬斷裂帶.曉天—磨子潭斷裂為北淮陽褶皺帶和北大別塊體的邊界斷裂.Fig.6 The geological structure of east Dabie orogenic belt (Liu et al., 2007; Zhao et al., 2016)SMF: Shangcheng-Macheng fault; XMF: Xiaotian-Mozitan fault; TLF: Tanlu fault. Xiaotian-Mozitan fault is the boundary fault of north Huaiyang fold and Dabieorogenic belt. The Dabie orogenic belt is divided into two east and west parts by the NNE trending Shangcheng-Macheng fault

華夏地塊位于揚子克拉通的東南側，太平洋板塊和菲律賓板塊的俯沖導致華南塊體出現不同規模的巖漿活動(Li and Li, 2007)，整體受到北西向區域構造應力影響(許忠淮等，1989).基于巖石學組成，華夏地塊被北東向政和—大埔斷裂帶劃分成東、西兩個不同性質的巖石構造單元(舒良樹，2012；Shu et al., 2015; Xu et al., 2007; Zhang et al., 2013).本研究結果顯示，以政和—大埔斷裂帶為界，西華夏地塊(I 區)19個臺站記錄54條剪切波分裂平均偏振方向為112.4°±27.8°，慢剪切波的平均時間延遲為1.89±1.14 ms·km-1，東華夏地塊(J區)22個臺站記錄108條剪切波分裂平均偏振方向為18.7°±38.5°，慢剪切波平均時間延遲為1.99±1.15 ms·km-1(圖6).吳晶等(2007a)研究認為華南東部海邊或島上的臺站的快剪切波偏振方向主要受到不規則表面地形和斷裂交會的影響.本研究推測，由于東華夏地塊出露大量變質巖(舒良樹，2012)，變質巖葉理的優勢取向是導致東華夏地塊地殼各向異性發生變化的主要因素.此外，斷裂帶兩側時間延遲差異較小，整體小于華北塊體及揚子地塊，本研究推測斷裂帶兩側構造單元之間的碰撞擠壓強度較弱，產生各向異性程度較弱.

3 討論與結論

大陸地殼中巖石表現出顯著的地震各向異性(Ji et al., 2002)，定向排列的裂隙是中上地殼地震各向異性主要成因(Crampin, 1987; Learyet al., 1990; Savage, 1999).此外，巖層構造、斷裂幾何形態以及礦物晶體優勢取向也是產生地殼介質地震各向異性的重要因素(Boness and Zoback, 2006; Cochran et al., 2006; Gao et al., 2011; Shi et al., 2020).地殼介質的地震各向異性觀測結果與地震波傳播方位及巖層尺度、內部結構方向和連續性等有關.為了獲得華南塊體中上地殼介質的精細地震各向異性特征，本研究收集華南地區國家地震臺網九年觀測近場觀測數據，以及華南塊體中部高密度流動地震臺陣觀測的近場地震數據，利用剪切波分裂方法獲得華南塊體全方位中上地殼的各向異性分布.

華南塊體巖石圈整體結構比較完整、均勻，應力場表現為北西和北西西方向.研究結果顯示，華南塊體整體平均快波偏振方向為近東西向，反映出華南塊體主要受到太平洋板塊西向俯沖和菲律賓板塊北西向俯沖的聯合作用，而青藏塊體對其擠壓作用較弱.華南塊體地殼介質各向異性也表現為近東西向的區域構造應力，與華北塊體區域構造應力環境比較一致.結合震源機制觀測結果，本研究推測華北和華南塊體在太平洋板塊西向俯沖作用下，顯示出比較統一的中上地殼區域應力特征，整體表現為近東西向構造應力環境.

全球應力庫(https:∥ccgm.org)揭示了沉積盆地的應力模式復雜多樣，沉積盆地的應力場與構造作用直接相關，但是盆地內斷裂的幾何形狀和地質構造，也會導致盆地內部應力場發生局部變化(Zoback, 1992; Tingay, 2009).沉積盆地中普遍存在正交各向同性介質，這種各向異性由垂直定向排列(EDA,Extensive—Dilatancy Anisotropy)裂隙和水平層狀(PTL, Periodic Thin Layers)各向異性構成，具有正交對稱性.正交各向異性介質中剪切波傳播特征復雜(Wild and Crampin, 1991; Crampin, 1991).本研究結果顯示，江漢盆地內各臺站的快剪切波分裂平均偏振方向較為復雜，整體優勢偏振方向顯示為北西西方向，同時也表現出明顯的北西和近東西方向特征.這種現象揭示出太平洋板塊和菲律賓板塊西向俯沖作用形成了揚子地塊內地殼介質優勢背景應力場，盆地內部斷裂帶導致次級應力疊加作用也形成復雜的應力環境，產生了北西和近東西向的次級應力方向.

震源機制結果顯示，華北與華南塊體地殼應力場之間分界偏離塊體碰撞邊界——蘇魯—大別山造山帶，并向東南方向偏轉(徐紀人和趙志新，2006b).地震各向異性結果顯示華北地塊的構造應力場向東南擴展，控制了郯廬斷裂帶以東的蘇魯造山帶，形成近東西向的區域構造應力.大別山造山帶中上地殼各向異性特征表現復雜，其中西大別造山帶內各個臺站的快剪切波偏振方向與區域主壓應力方向一致，而東大別造山內各個臺站的快剪切波偏振方向表現非常復雜.東大別造山帶內部北淮陽褶皺帶和北大別構造帶單元以高壓變質巖為主，具有復雜的巖石組合和疊覆構造，這兩個區域中上地殼表現出復雜的各向異性特征，深地震測深剖面資料進行剪切波分裂研究顯示，曉天—磨子潭斷裂為界的北淮陽褶皺帶和北大別山造山帶存在差異(王椿鏞等，1997)，本研究結果顯示，東大別造山帶東段的中上地殼介質各向異性表現更為復雜，位于相同構造單元內部臺站的地震各向異性也表現不同(圖6).由于東大別造山帶的地殼巖石中廣泛分布著具有強各向異性的高壓變質巖(章軍鋒等，2007)，本研究推測，東大別造山帶的復雜中上地殼介質各向異性特征可能與區域內不均勻分布的高壓變質巖存在密切關系.

太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖導致在華南地區出現大規模的、活躍的巖漿活動(陳毓川和王登紅，2012; Li and Li, 2007).較揚子地塊不同，華夏地塊發生多期強烈的巖漿活動(Li et al., 2005; 張國偉等，2013).以政和—大埔斷裂帶為界，華夏地塊的快剪切波偏振方向顯示出兩個近似垂直的方向，西華夏地塊的各個臺站的快剪切波偏振方向為南東東方向，與區域構造應力方向基本一致，東華夏地塊的各個臺站的快剪切波分裂方向為北北東方向，與構造應力方向基本垂直.實驗室測量表明，廣泛存在EDA裂隙的大陸巖石中，大多數地殼變質巖廣泛存在較強各向異性，不同類型礦物巖石也會導致不同程度的各向異性(Christensen, 1965; Brocher and Christensen, 1990； Johnstonand Christensen, 1995; Sayers, 2005; Lloyd et al., 2009; Almqvist and Mainprice, 2017).本研究結果顯示，中上地殼介質各向異性主要來源于定向排列微裂縫，然而，巖石組合分層以及變質巖葉理的優勢取向也是大陸地殼地震各向異性產生的重要來源.東華夏地塊中廣泛分布不同尺度的基底變質巖，剪切波傳播過程受到不同方向的巖石的各向異性影響，表現出復雜的偏振特征，與區域構造應力方向不同.

致謝感謝中國地震局地球物理研究所“中國地震科學探測臺陣數據中心”為本研究提供地震波形數據.