山东地区上地幔各向异性研究

苗庆杰 刘希强 李永华 周彦文郑建常1， 崔 鑫 季爱东

1）中国济南250014山东省地震局

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

山东地区上地幔各向异性研究

苗庆杰1），刘希强1）李永华2）周彦文1）郑建常1，2）崔 鑫1）季爱东1）

1）中国济南250014山东省地震局

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

通过分析山东地区数字地震台网37个宽频带地震台站的远震SKS波形资料，使用最小能量法和旋转相关法求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波时间延迟，获得了山东地区上地幔各向异性图像.该研究区的各向异性快波方向基本呈WNW－－ESE方向，快、慢波时间延迟为0.73—1.71s.研究表明，山东地区上地幔存在明显的各向异性，各向异性快波方向与岩石层的伸展方向和GPS测量得到的速度场方向（ITRF2005参考框架下）基本一致.

各向异性 SKS波分裂 快波方向 岩石层变形 山东地区

引言

近年来许多研究中发现由地震剪切波分裂所反映的地壳和上地幔地震各向异性，展示了地震各向异性在地壳和上地幔中的分布是相当广泛的.地震各向异性研究是了解地壳和上地幔变形的有效方法，这一研究不仅能了解板块内部的形变特征，而且能提供与板块构造运动有关的下覆岩石层的地幔形变状况.地幔各向异性主要是由地幔物质形变导致橄榄岩中晶格的优势取向所引起的（Hess，1964；Nicolas，Christensen，1987）.导致地幔物质形变的原因有多种，最为直接的原因是板块运动，漂浮在地幔物质上方的板块运动必然会造成地幔物质的形变，因此，板块运动在很大程度上决定地幔各向异性的大小和方向.在大陆动力学研究中遇到大陆下方复杂的深部结构及其演化过程，以及地壳－地幔耦合变形等一系列重要问题，上地幔各向异性研究是解决这些问题的有效手段之一（Silver，Chan，1991），SKS波分裂测量是研究上地幔各向异性的主要工具.

国内外许多学者使用SKS波进行过地震各向异性研究.Vinnik等（1984）首先使用SKS波震相研究了上地幔各向异性；Silver和Chan（1991）提出了测量SKS波分裂参数的网格搜索法，该方法广泛应用于北美、南美、欧洲、亚洲和非洲的各向异性研究中；Silver（1996），Savage（1999），Pard和Levin（2002），黄晓葛和白武明（1999），阮爱国和王椿镛（2001），以及张中杰（2002）等对各向异性研究的进展作了综述；高原和吴晶（2008）利用剪切波各向异性推断出首都圈地区地壳主压应力场；高原等（2010）利用壳幔地震各向异性研究了华北地区壳幔耦合关系；McNamara等（1994），丁志峰和曾融生（1994），Huang等（2000），姜枚等（2001），王椿镛等（2007），以及常利军等（2008a）先后对青藏高原地区的各向异性进行了研究；郑斯华和高原（1994）使用SKS波分裂研究了中国大陆8个CDSN台站的各向异性；刘希强等（2001）使用ScS波对中国大陆地区12个台站下面的各向异性参数进行了测量和分析；常利军等（2009，2006，2008b）分别对中国东部、云南及首都圈地区的各向异性进行了研究；李白基（1994）使用SKS波和Pn波研究了昆明地区的方位各向异性；罗艳等（2004）研究了中国大陆及邻区的各向异性.

2000年以来，尤其是2007年以来，山东地区新建、改建了数十个60s—40Hz，120s—40Hz的宽频带、大动态和高精度地震观测台站，获得了一定量的适合于研究SKS波分裂的地震波形记录，对深入研究山东地区上地幔各向异性和相关地球动力学问题提供了宝贵数据.

1 构造背景和研究资料

1.1 构造背景

山东地区地震构造环境较为复杂，地震活动具有强度大、破坏重的特点.该区地震的发生及空间分布，与第四纪以来仍在继续活动的断裂、断陷盆地等地震构造有密切关系，特别是那些发震断层的最新活动时代、运动性质、破裂分段的长度以及第四纪以来发育的断陷盆地规模、断陷幅度、盆地性质等，明显控制着地震活动的强度和分布.山东地区主要分布有3条大型断裂构造带：北北东向的沂沭断裂带、北东向的聊考断裂带和北西向的渤海—威海断裂带.此外，还有北西向、北东向、近南北向等多组中小型活动断裂构造.它们共同构成了这一地区活动断裂构造的基本格架（晁洪太等，1997）.因此，山东地区以其特殊的地质构造背景颇受地学工作者的关注，对其深部结构和动力学过程研究具有重要意义.

1.2 研究资料

本文对山东地区37个宽频带地震台站的数字记录进行筛选，从中选取了震中距在85°—110°之间，震级MW＞5.5的地震事件（图1）.为提高远震记录中SKS震相的信噪比，在计算各向异性参数前对数据进行了带通滤波处理.多数情况下，我们选择0.02—1Hz的高斯滤波器.

图1 本研究所用地震事件（实点）的震中分布三角形为研究区的WUL台Fig.1 Teleseismic events（solid dots）used in the study Triangle represents station WUL

2 方法

研究中同时使用最小能量法（Silver，Chan，1991）和旋转相关法（Bowman，Ando，1987）对单个远震记录的SKS震相开展偏振分析，求取各向异性参数对（φ，δt）.其中，φ表示快波偏振方向，δt表示快、慢波到时差.震中距为85°—110°的SKS波近垂直入射到地面台站下方，如果地幔中存在各项异性介质，则SKS波在到达地震台站时，其快波存在偏振φ，且快、慢波之间存在到时差δt.这组参数对（φ，δt）用于描述上地幔各向异性.图2是对WUL台记录的远震事件进行SKS震相偏振分析的一个例子.由图2可以看出，同时使用多种方法开展SKS波分裂研究，求取的各向异性参数较任何一种单一方法得到的结果都要可靠.

根据Barruol等（1997）以及 Wüstefeld和Bokelmann（2007）关于分裂测量的判别方法，我们根据原始地震记录中SKS震相的信噪比、快慢波校正前后的波形、质点运动轨迹及不同测量方法（旋转相关法和最小能量法）得到的SKS波分裂参数等，将分裂结果分为高质量有效分裂结果（good）、一般（fair）、不可靠（poor）、高质量的无效分裂结果（goodNull）和质量一般的无效分裂结果（fairNull）5类.本研究中用于SKS波分裂参数均值计算时，只使用了质量一般及以上的有效分裂结果（表1）.一般认为，SKS波分裂测量方法中，利用最小能量法测量得到的结果相对更为可靠、稳定（Vecseyetal，2008；Gao，Liu，2009）.因此在下文中关于有效分裂结果的讨论，以利用最小能量法测量得到的结果为准.

图2 采用Splitlab软件（Wüstefeld etal，2008）对WUL台远震记录的SKS震相进行偏振分析的实例（a）左图为观测到的地震波形（图中径向、切向分量分别用虚线和实线表示，阴影部分表示用于SKS波分裂计算的时间窗），中间部分为波形数据信息及用3种方法的计算结果，右图为SKS波分裂结果的立体投影；（b），（c）分别表示采用旋转相关法（b）和最小切向能量法（c）进行SKS波分裂测量的例子，从左至右：1为表示经时移校正后的快波（虚线）、慢波（实线）分量；2为各向异性校正后的径向（虚线）、切向（实线）分量；3为各向异性校正前（虚线）、后（实线）的质点运动轨迹；4为各向异性参数分布等值线图Fig.2 An example of SKS splitting measurement using the Splitlab package（Wüstefeld etal，2008）at WUL station（a）Left panel shows the observed seismogram（dashed line，radial component；solid line，transverse component；gray zone，calculation window）.The middle shows information of teleseismic event and splitting parameters resulting from the three techniques.Right panel denotes a stereo－plot of the result.（b）and（c）display the result from using rotation－correlation（b）and minimum energy technique（c），respectively.From left to right：1Fast（dash）and slow（solid）components corrected for the calculated splitting delay time；2Corrected radial（dash）and transverse（solid）components；3Particle motion before（dash）and after（solid）correction；4Contour plot for the maximum value of correlation coefficient and for the energy on transverse component as function of delay time and fast wave polarization angle

3 结果

使用以上所述方法，逐一对研究区域各个台站进行分析，得到了山东地区37个台站下方的各向异性参数（表1）.

表1 山东地区各台站SKS波分裂参数Table 1 Splitting parameters of SKS phase in Shandong region

我们的分析结果（图3、图4和表1）表明，该研究区域快波偏振的优势方向为WNW－－ESE（从正北方向顺时针旋转为正）.慢波延迟时间为0.73—1.71s，平均时间延迟为1.22s.

罗艳等（2004）给出的泰安台快波偏振方向为123°，本文与这一结果一致.高原等（2010）得出泰安台的快波偏振方向为135.3°，常利军等（2009）得出泰安台、苍山台、莱阳台的SKS波分裂参数，其快波偏振方向分别为117.2°，95.5°和106.7°，本文结果与上述结果相似.

图3 山东地区宽频带地震台站SKS波分裂测量结果实线为单个有效事件的快波方向，其长度与快慢波延时（表1）成比例Fig.3 Results of SKS splitting in Shandong regionSolid bars represent constrained splitting measurement，their orientation parallel to fast wave polarization azimuth and length proportional to the delay time（Table 1）

4 讨论与结论

4.1 各向异性层的深度和厚度

地壳和上地幔普遍存在介质各向异性.首都圈东南部上地壳各向异性产生的平均时间延迟为3.53ms/km（吴晶等，2008），假设山东地区地壳产生的平均时间延迟也为3.53ms/km，参照山东地区平均地壳厚度为36km（林怀存，1989），可以估算出山东地区地壳产生的时间延迟为0.13s.而本文由SKS波分裂研究得到的延迟时间为0.73—1.71s，由此可见，地壳对SKS波分裂分析的影响很小.所以，用SKS波分裂测量得到的各向异性主要来自上地幔.由上地幔橄榄石及其它矿物的含量和实验室的测量结果，推算出快、慢波1s的到时差相当于115km厚度的各向异性层（McNamaraetal，1994）.根据山东地区得到的SKS波分裂时间延迟（0.73—1.71s）估算各向异性层厚度范围是80—197km，平均为139km左右.该地区的各向异性层厚度变化较大，说明上地幔变形是横向不均匀的.中国大陆的面波各向异性结果表明，大约深度为70—150km范围内各向异性较强（彭艳菊等，2007），中国东部的岩石层厚度约100km（An，Shi，2006）.因此，山东地区各向异性不仅来自上地幔岩石层，还应有软流层的贡献.

图4 山东地区上地幔各向异性结果分布图黑线段代表快波的偏振方向，其长度代表慢波的相对延迟时间Fig.4 Seismic stations and average shear wave splitting measurements in Shandong regionThe orientation of black line represents fast wave polarization direction and the length denotes delay time of the slow component

4.2 各向异性的成因及动力学意义

通常认为，上地幔各向异性是由于地幔形变导致地幔橄榄岩晶格优势排列引起的，有关导致地幔橄榄岩晶格产生定向排列的动力机制目前还存在争议.当前，出现了两种流行的地幔流动模型，即垂直连贯变形模型（Fleschetal，2005；Silver，1996）和简单软流层流动模型（Richardson，1992）.前者模型预示板块强烈地耦合于地幔，并受地幔中密度不均匀产生的流动场驱动；后者模型则预示板块自驱动，并由力学上软弱的软流层与地幔有效解耦，地幔变形归因于软流层顶部和底部的速度差异.山东地区各向异性快波优势方向与该地区的主张应力方向基本一致，GPS的测量结果（殷海涛等，2008）显示了山东地区GPS位移运动速度场（ITRF2005参考框架下）呈现向东偏南方向运动.我们得到的上地幔各向异性快剪切波偏振方向与这一结果基本一致.说明山东地区浅部物质变形与深部上地幔物质变形一致，壳幔变形可能存在垂直连贯变形特征.

综上所述，从山东地区大部分台站得到的各向异性分裂结果看，山东地区各向异性快波方向基本为WNW－－ESE方向，快、慢波时间延迟范围是0.73—1.71s，推测的各向异性层厚度范围为80—197km，平均各向异性层厚度为139km.研究表明，山东地区上地幔存在明显的各向异性，研究区各向异性快波方向与GPS得到的速度场方向（ITRF2005参考框架下）基本相似，表明山东地区壳幔变形可能存在垂直连贯变形特征.

本研究得到朱少华、董翔、殷海涛及中国地震局地球物理研究所张风雪、宁夏回族自治区地震局马禾青、中国地震局地震研究所廖武林的热情帮助.评审专家对本文提出了宝贵意见和建议.在此表示衷心的感谢！

常利军，王椿镛，丁志峰.2006.云南地区SKS波分裂研究［J］.地球物理学报，49（1）：197－－204.

常利军，王椿镛，丁志峰，周民都，杨建思，徐智强，姜旭东，郑秀芬.2008a.青藏高原东北缘上地幔各向异性研究［J］.地球物理学报，51（2）：431－－438.

常利军，王椿镛，丁志峰.2008b.首都圈地区SKS波分裂研究［J］.地震学报，30（6）：551－－559.

常利军，王椿镛，丁志峰.2009.中国东部上地幔各向异性研究［J］.中国科学，39（9）：1169－－1178.

晁洪太，王錡，李家灵，崔昭文，陈时军.1997.山东省地震构造图、山东省新构造图说明书［M］.济南：山东省地图出版社：1－－3.

丁志峰，曾融生.1994.青藏高原SKS波各向异性的研究［G］∥陈运泰主编.中国固体地球物理学进展.北京：海洋出版社：162－－168.

高原，吴晶.2008.利用剪切波各向异性推断地壳主压应力场：以首都圈地区为例［J］.科学通报，53（23）：2933－－2939.

高原，吴晶，易桂喜，石玉涛.2010.从壳幔地震各向异性初探华北地区壳幔耦合关系［J］.科学通报，55（29）：2837－－2843.

黄晓葛，白武明.1999.地震各向异性的研究进展［J］.地球物理学进展，14（3）：54－－65.

姜枚，许志琴，Hirn A，刘妍，董英君，薛光琦，钱辉.2001.青藏高原及其部分邻区地震各向异性和上地幔特征［J］.地球学报，22（2）：111－－116.

李白基.1994.昆明地区上地幔地震方位异性［M］∥陈运泰主编.中国固体地球物理学进展.北京：海洋出版社：330－－338.

林怀存.1989.山东地区近震地震波速与地壳结构［J］.华北地震科学，7（3）：82－－90.

刘希强，周蕙兰，李红，季爱东.2001.中国大陆及邻区上地幔各向异性研究［J］.地震学报，23（4）：337－－348.

罗艳，黄忠贤，彭艳菊，郑月军.2004.中国大陆及邻区SKS波分裂研究［J］.地球物理学报，47（5）：812－－821.

彭艳菊，黄忠贤，苏伟，郑月军.2007.中国大陆及邻区海域地壳上地幔各向异性研究［J］.地球物理学报，50（3）：752－－759.

阮爱国，王椿镛.2001.上地幔各向异性研究综述及在川滇地区的研究思路［J］.国际地震动态，（10）：1－－7.

王椿镛，常利军，吕智勇，秦嘉政，苏伟.2007.青藏高原东部上地幔各向异性及相关的壳幔耦合型式［J］.中国科学：D辑，37（4）：495－－503.

吴晶，高原，陈运泰.2008.首都圈东南部地区地壳介质各向异性［J］.地震学报，21（1）：1－－10.

殷海涛，李杰，张玲，吴晨，董晓娜.2008.基于GPS观测网的山东地区地壳运动特征分析［J］.西北地震学报，30（3）：276－－281.

张中杰.2002.地震各向异性研究进展［J］.地球物理学进展，17（2）：281－－293.

郑斯华，高原.1994.中国大陆岩石层的方位各向异性［J］.地震学报，16（2）：131－－140.

An M，Shi Y.2006.Lithospheric thickness of the Chinese continent［J］.PhysEarthPlanetInteri，159（3－4）：257－－266.

Barruol G，Silver P G，Vauchez A.1997.Seismic anisotropy in the eastern US：Deep structure of a complex continental plate［J］.JGeophysRes，102（B4）：8329－－8348.

Bowman J R，Ando M.1987.Shear－wave splitting in the upper－mantle wedge above the Tonga subduction zone［J］.GeophysJRAstronSoc，88（1）：25－－41.

Flesch L M，Holt W E，Silver P G，Stephenson M，Wang C Y，Chan W W.2005.Constraining the extent of crust－mantle coupling in central Asia using GPS，geologic，and shear wave splitting data［J］.EarthPlanetSciLett，238（1－2）：248－－268.

Gao S S，Liu K H.2009.Significant seismic anisotropy beneath the southern Lhasa Terrane，Tibetan Plateau［J］.GeochemGeophysGeosyst，10，Q02008，doi：10.1029/2008GC002227.

Hess H H.1964.Seismic anisotropy of the upper most mantle under oceans［J］.Nature，203（9）：629－－631.

Huang W C，Ni J F，Tilmann F，Nelson D，Guo J R，Zhao W J，Mechie J，Kind R，Saul J，Rapine R，Hearn T M.2000.Seismic polarization anisotropy beneath the central Tibetan Plateau［J］.JGeophysRes，105（B12）：27，979－－27，989.

McNamara D E，Owens T J，Silver P G，Wu F T.1994.Shear wave anisotropy beneath the Tibetan Plateau［J］.JGeophysRes，99（B7）：13655－－13665.

Nicolas A，Christensen N I.1987.Formation of anisotropy in upper mantle peridotites：A review，in composition structure and dynamics of the lithosphere－asthenosphere system［J］.GeodynSer，16：111－－123.

Pard J，Levin V.2002.Seismic anisotropy：Tracing plate dynamics in the mantle［J］.Science，296（5567）：485－－489.

Richardson R M.1992.Ridge forces，absolute plate motions，and the intraplate stress field［J］.JGeophysRes，97（B8）：11739－－11748.

Savage M K.1999.Seismic anisotropy and mantle deformation：What have we leamed from shear wave splitting［J］.Rev Geophys，37（1）：65－－106.

Silver P G，Chan W W.1991.Shear wave splitting and subcontinental mantle deformation［J］.JGeophysRes，96：16429－－16454.

Silver P G.1996.Seismic anisotropy beneath the continents：Probing the depths of geology［J］.AnnuRevEarthPlanet Sci，24：385－－432.

Vecsey L，Plomerova J，Babuska V.2008.Shear－wave splitting measurements－Problems and solutions［J］.Tectonophysics，462（1－4）：178－－196.

Vinnik L P，Kosarev G L，Makeyeva L I.1984.Anisotropy in the lithosphere from the ovbservations of SKS and SKKS［J］.DokAcadNaukSSSR，278：1335－－1339.

Wüstefeld A，Bokelmann G H R.2007.Null detection in shear－wave splitting measurements［J］.BullSeismSocAmer，97（4）：1204－－1211.

Wüstefeld A，Bokelmann G H R，Zaroli C，Barruol G.2008.SplitLab：A shear－wave splitting environment in Matlab［J］.ComputGeosci，34（5）：515－－528.

苗庆杰 山东省地震局工程师.2008年中国科学技术大学地球物理学专业毕业，获理学学士学位.曾从事地震科研项目管理、地震学及工程地震研究.现主要从事地震波分析处理与应用方面的研究工作.山东地震学会会员.

Study on seismic anisotropy of upper mantle beneath Shandong region

Miao Qingjie1），Liu Xiqiang1）Li Yonghua2）Zhou Yanwen1）Zheng Jianchang1，2）Cui Xin1）Ji Aidong1）
1）EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Jinan250014，China
2）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Based on teleseimic SKS waveform data recorded at 37broad－band seismic stations in Shandong region，the split SKS fast－wave polarization direction and the delay time between fast and slow wave arrival at each station were determined by using both the minimum energy and waveform rotation－correlation method，and the image of upper mantle anisotropy in Shandong region was acquired.The fast－wave polarization direction in this region is basically WNW－－ESE，and the delay time is about 0.73—1.71s.Our result suggests that the upper mantle anisotropy obviously exists in Shandong region.The fast－wave polarization direction is generally consistent with the direction of lithospheric extension and GPS observed velocity（ITRF2005）vectors.

anisotropy；SKS wave splitting；fast－wave polarization direction；lithospheric deformation；Shandong region

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.005

P315.2

A

苗庆杰，刘希强，李永华，周彦文，郑建常，崔鑫，季爱东.2011.山东地区上地幔各向异性研究.地震学报，33（6）：746－－754.

Miao Qingjie，Liu Xiqiang，Li Yonghua，Zhou Yanwen，Zheng Jianchang，Cui Xin，Ji Aidong.2011.Study on seismic anisotropy of upper mantle beneath Shandong region.ActaSeismologicaSinica，33（6）：746－－754.

山东省自然科学基金项目（Y2007E09）和山东省科学技术发展计划（2009GG10008002）资助.

2010－09－14收到初稿，2010－12－01决定采用修改稿.

e－mail：qjmiao＠163.com