山东地区壳幔耦合关系探讨

苗春兰

中国地震台网中心，北京市西城区三里河南横街5号 100045

0 引言

壳幔运动的耦合关系对板块的活动性和强震的孕育发生等起至关重要的作用，也对地球动力学模式的建立有关键性的影响。用地震波各向异性特性研究壳幔耦合关系是一种有效的方法(Wang et al，2008;王椿镛等，2007)，通过对地震剪切波分裂特征的研究，可以获得地壳和地幔介质各向异性的分布。通常认为，地幔各向异性的主要成因是由地幔物质形变导致橄榄石晶轴的定向排列所引起的(Hess，1964;Nicolas et al，1987)，地壳介质的地震各向异性虽然是与地壳中定向排列的裂隙直接有关，但其实质上是与地壳的应力相关联(Crampin，1978;Crampin et al，2004; 高原等，1995、2008a)。研究发现，剪切波分裂的快波方向与矿物长轴定向排列的优势取向一致，但对于形成橄榄石晶轴的定向排列的原因目前还没有统一的认识。一种观点认为，这是由于板块运动所产生的水平剪切作用(Vinnik et al，1995)的结果，另一种观点认为，它与岩石圈下部乃至地幔中的构造形变有关(Silver et al，1991;Mainprice et al，1993;Silver，1996;Plomerova et al，1996;Vauchez et al，1996)，二者代表了在岩石圈-地幔变形和构造演化研究方面两种截然不同的观点(任金卫，2004)。通过地震学方法研究地幔各向异性的分布，就能以一定的精度确定地幔塑性流动的空间分布图像，通过对地幔塑性流动和地表的GPS应变测量对比分析，可以建立其空间联系，这是用来研究壳幔耦合关系的主要方法之一，若能再虑及地壳内较高频率的近场地震资料各向异性结果，显然有益于更深入的讨论。加入地壳各向异性分析，结合壳、幔各向异性和地表GPS观测，是对壳幔耦合关系研究的重要推进(高原等，2010)。

地震活动是地壳内部应变能释放的一种形式，并且与深部发震断层的活动密切相关，这种能量释放的过程与破裂机制是与地壳和上地幔的物理和化学性质密切相关的，而壳幔运动的耦合作用对强震的孕育发生等具有至关重要的作用。山东地区分布有3条大型断裂构造带:NNE向的沂沭断裂带、NE向的聊考断裂带和NW向的渤海-威海断裂带，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。对山东地区壳幔运动的耦合关系开展研究，不仅在岩石圈动力学研究、地震活动趋势预测和强震深部力源研究方面有重要的理论意义，也对探究该地区的地壳稳定性、完善其工程地震安全性评价以及防震减灾工作的诸多环节具有重要的应用价值。

1 资料和方法

对山东地区36个宽频带地震台站记录的2000～2010年的数字记录进行了筛选，从中选取震中距在85～110°且震级MW＞5.5的地震事件。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。

使用最小能量法(Silver et al，1991)和旋转相关法(Bowman et al，1987)对单个记录的远震SKS震相进行偏振分析，求取其地震各向异性参数 (φ，δt)，其中φ表示快波的偏振方向，δt表示快、慢波的到时差。震中距为85～110°的SKS波几乎是垂直入射到地面台站下方，如果存在各向异性介质，则SKS波在到达地震台站时，其快波存在偏振φ，快、慢波之间存在到时差δt。这组参数(φ，δt)用来描述上地幔地震各向异性。图1是对WUL(五莲)台进行SKS震相偏振分析的例子(苗庆杰，2011)。由图1可看到，同时使用多种方法展开SKS波分裂求取的地震各向异性参数，较任何一种单一方法得到的结果更为可靠。

根据Barruol等(1997)、Wüstefeldt等(2007)关于剪切波分裂的判别方法，在进行 SKS波分裂参数均值计算时仅使用质量一般及以上的有效分裂结果(表1)。通常认为，在SKS波分裂测量方法中，利用最小能量法测得的结果相对更为可靠、稳定(Vecsey et al，2008;Gao et al，2009)，故本文采用最小能量法测得的结果。

地壳各向异性计算采用的是地壳剪切波分裂的综合分析方法，称之为SAM计算分析技术(高原等，2008b)。SAM主要是基于偏振分析，并加入了相关分析和时间延迟的扣除技术，大量的研究表明(高原等，2008b;太龄雪等，2009;石玉涛等，2009)，使用SAM计算技术得到的结果是可靠的。

地壳地震各向异性计算使用的是近场记录的直达剪切波，地震波形需要符合剪切波窗口的约束条件，即剪切波射线入射角要小于全反射临界角。本研究中用于地壳剪切波分裂计算的近场记录资料使用的是山东地区2005～2007年的数字化地震波形资料，大部分地震震源深度在6～20km，且多数集中分布在8～16km的区间内，波形记录经严格挑选后，进行了剪切波分裂计算①郑建常等，2009，山东地区地壳介质各向异性与剪切波分裂研究(见:山东省2009年度地震趋势研究报告)。

图1 对WUL(五莲)台SKS震相展开偏振分析的实例

2 山东地区壳幔地震各向异性特征

把山东地区数字地震台网36个宽频带地震台站的远震SKS波形进行SKS分裂计算，通过严格的数据选择，最后得到159个高质量波形记录的SKS分裂计算结果(表1)。图2展示出这36个台站的SKS分裂平均快剪切波偏振。

常利军等(2009)给出了泰安台、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°，与本文采用的结果相似。

对于地壳剪切波分裂结果，通过数据筛选计算获得14个台站的结果。由于快剪切波偏振会受到台站下方或台站附近断裂的明显影响，因此本研究中把明显受到地表构造影响的台站的结果剔除。为了保证讨论的可靠性，将有效数据≤5条的台站数据也舍弃，最后将7个台站的结果用于本研究的讨论中(图2)，把每个台站的快剪切波偏振结果按台站计算得到快剪切波偏振平均值(表2)①。

表1 山东地区各台站SKS波分裂参数

表2 山东地区SKS快剪切波偏振与近场地壳快剪切波偏振统计结果

通过表2可以看到，穿透壳幔的SKS分裂的快剪切波偏振平均值为94.7°，而地壳直达剪切波的快剪切波偏振平均值为117.1°，与SKS快剪切波偏振平均值相差22.4°。这表明地壳主压应力方向与岩石圈内的平均主压应力方向有22°的差别。

3 山东地区地震各向异性及壳幔耦合作用的讨论

地壳中近场记录的剪切波分裂主要使用地壳内地震的直达剪切波，其剪切波分裂反映的各向异性是地壳内的特性。根据现代中小地震震源机制解得知(周翠英等，2005)，山东地区目前处于NEE向(80°左右)主压应力作用中，山东地壳运动GPS观测资料计算的位移场分析结果显示(殷海涛等，2008)，山东地区的主应变场呈 NEE-SWW向挤压，NWW-SEE向拉张，与地震资料得到的最大主压应力有较好的相关性。为了减少断裂的影响，并去掉可靠性较差的较少数据样本的台站，本研究选取了7个台站，地壳直达剪切波的快剪切波偏振方向为117.1°±l4.1°，穿透地壳和上地幔的 SKS分裂的快剪切波偏振平均值为 94.7°± 15.3°。

图2 快剪切波偏振方向

表3 穿过地幔的SKS的快剪切波偏振与近场地壳的快剪切波偏振的对比

为了更准确地对比分析地壳中近场快剪切波偏振与壳幔SKS分裂的快剪切波偏振的异同，把同时获得的SKS分裂和近场剪切波分裂结果的台站进行直接比较(表3)。通过表3可以看到，在5个台站上获得的二个结果都明显不同，2种快剪切波偏振方向都相差在13.5°以上。这种差异可能说明，山东地区壳幔之间构造活动可能有一定程度的解耦，表明山东地区的壳幔运动耦合作用可能既不属于壳幔强耦合型，也不属于简单的壳幔解耦型，该地区的壳幔运动耦合作用可能是2种模式共存的不均匀分布或者是物理性质介于二者之间的渐变模式，这与高原等(2010)对华北地区的相似研究获得的结论一致。

致谢:对匿名审稿专家在本文修改过程中提出的中肯意见及耐心指教，深表感谢!