辽宁地区上地幔各向异性研究

李子昊，琚长辉，李国辉，张衡，王承伟，安祥宇

1.辽宁省地震局, 沈阳 110031；2.中国地震局 地震预测研究所, 北京 100036；3.中国科学院 青藏高原研究所, 北京 100101

0 引言

辽宁地区位于郯庐断裂带的北段，西部有朝阳—北票和医巫闾山西侧断裂，中部分布有金州断裂，东北部发育浑河断裂等，这些断裂带共同组成了辽宁地区断裂构造的基础轮廓(图1)。该区地质构造复杂，地震活动频率较低，较大的两次预报地震为1975年海城地区发生的7.3级地震[1]和1999年海城—岫岩地区发生的5.4级地震[2]。辽宁地区构造轮廓基本形成在新近纪，第四纪以来继续活动发育，断裂发育比较强烈，当今构造运动为中部下辽河盆地拉张拗陷，东西两侧山区为山地挤压隆升[3]。研究区域的复杂地质结构与深部地幔变形密切相关，研究辽宁地区上地幔各向异性特征，有助于了解该区域地下深部运动形态构造和动力学特征等有关问题，对于深刻认识地表结构也具有重要意义。

图1 辽宁地区固定台站分布Fig.1 Distribution of seismic stations in Liaoning Province

地震各向异性在地球内部广泛存在，尤其是在地壳和上地幔中尤为突出，是研究地球内部变形的重要手段[4-7]。诸多研究表明：在上地壳中，各向异性是由于应力作用之下介质中充满流体的裂隙定向排列导致；在中下地壳中，各向异性通常是由于角闪石和黑云母等矿物定向排列所造成[8-9]；在上地幔中，各向异性一般被认为是地幔变形造成橄榄岩晶格沿着a轴定向排列导致[10-11]；在下地幔中，各向异性较弱。岩石圈和软流圈深度范围均存在各向异性，岩石圈的各向异性一般与岩石圈最近一次变形历史有密切关系[12]，而软流圈的各向异性通常与地幔流动有关[13]。

当震中距在85°～140°时，SKS波会与S波产生显著的分离，因而近垂直入射的SKS震相可以提供台站下方上地幔各向异性的信息[14]。通常可以用两个参数来表征地震各向异性的方向和强弱：快波偏振方向(fastpolarizationdirection,FPD)和快慢波到达的延迟时间(delaytime,DT)。通过上地幔地震各向异性可以探讨构造运动背景下地球板块岩石圈的内部变化和动力学特征[15]。

近年来，地震学家们对剪切波分裂现象开展观测，获得了大量研究成果[16-26]。但是对中国东北地区各向异性的研究相对较少，主要以地壳各向异性观测为主[27]，对上地幔各向异性的成因认识有限。Shietal.[28]通过渤海周边上地幔各向异性观测，认为上地幔各向异性主要来自于太平洋板块俯冲形成的软流圈地幔流；Lietal.[29]对东北地区的各向异性及地幔流动进行了分析，认为各向异性源于拉张变形作用；强正阳等[30]计算了东北诺敏河火山岩石圈各向异性，推测可能成因为残留在岩石圈中的化石；鲁明文等[31]的地震各向异性结果显示快波方向基本以NW-SE为主，与局部岩石圈拆沉和热物质上涌相关。本文在前人观测的基础上，充分利用辽宁省内宽频带地震台站长时间的观测数据，利用远震剪切波分裂的方法计算上地幔地震各向异性参数，并进一步探讨研究区域的上地幔变形特征。

1 数据与方法

2007年开始，在中国地震局“十五”项目开展期间，辽宁地区布设了大量的宽频带地震观测台站，积累了高精度地震波形资料。本研究对辽宁地区架设的地震台站进行筛选，最终选择了2013—2017年辽宁地区15个数字化宽频带地震台站(图1)所记录到的波形数据[32]，选取地震事件的约束标准为：震中距在85°～140°之间，震级Mw≥5.5。图2为用于SKS波分裂计算的地震事件分布，满足条件的地震主要集中在南太平洋一带，反方位角集中在120°～140°之间，地震事件随反方位角的分布并不均匀，并不适用于多层各向异性模型，所以本文在解释中采用单层各向异性模型。

a.地震事件随反方位角分布柱状图； b. 基于等距方位投影地图上的用于计算剪切波分裂的地震事件分布。(红色空心圆代表地震事件，黄色方框表示研究区域)图2 用于计算剪切波分裂的地震事件分布Fig.2 Distribution of earthquakes used for shear wave splitting

选择大连台记录到的格林威治时间2016年2月1日19时发生在新西兰的6.3级地震的远震SKS波震相进行分析，主要步骤包括：转换为SAC格式、去均值、去线性趋势、去倾向和去仪器响应等简单处理。对其进行坐标旋转和带通滤波后，获得了如图3所显示的波形记录，其中红色线段代表SKS相对理论到时(零时刻)，灰色框部分表示截取用于计算的时间窗。

图3 旋转到RTZ坐标系后的三分量地震事件波形记录Fig.3 Three-component seismic event waveform record after rotating to RTZ coordinate system

本文基于SplitLab程序[33]对远震SKS波形进行处理并计算各向异性参数，采用最小切向能量法、旋转相关法和最小特征值法[12]同时计算，获得可靠的分裂参数对。该方法不仅可以计算并评判有效分裂结果的质量，还可以获得无分裂(Null值)观测结果。

2 分析实例

图4为利用SplitLab软件计算剪切波分裂参数的示例，大连台观测的发生于2016年2月1号19:00的远震事件，波形记录如图3，震中距为88°，其中图4a是大连台记录到的事件波形，分别采用上述三种方法计算各向异性参数，结果显示，旋转相关法和最小切向能量法的结果相似，校正后快慢波波形一致，校正后的切向能量近似为零，校正前后质点运动轨迹分别为近似椭圆与近似直线，互相关系数和切向能量的等值线图上95%置信区间均收敛，表明计算结果可靠。

图5是朝阳台观测的发生于2016年3月31号11:53的远震事件无分裂(Null)实例，校正前后切向能量都接近于零，质点振动轨迹都接近为线性，旋转相关法得到的时间延迟一般较小，最小切向能量法得到的时间延迟比较大。

a.原始地震波形的径向分量(蓝色虚线)和切向分量(红色实线)，阴影部分为计算SKS波分裂的时间窗口；b. 入射角分布； c和d分别为旋转相关法和最小切向能量法的计算结果，其中(1)为校正后的快波(蓝色虚线)、慢波(红色实线)，(2)为校正后的径向(蓝色虚线)、切向(红色实线)分量，(3)为校正前(蓝色虚线)、校正后(红色实线)质点的振动轨迹，(4)为互相关系数和切向能量等值线分布图。图4 高质量剪切波分裂结果示例Fig.4 Example of high-quality result of shear wave splitting

a.原始地震波形的径向分量(蓝色虚线)和切向分量(红色实线)，阴影部分为计算SKS波分裂的时间窗口；b. 入射角分布； c和d分别为旋转相关法和最小切向能量法的计算结果，其中(1)为校正后的快波(蓝色虚线)、慢波(红色实线)，(2)为校正后的径向(蓝色虚线)、切向(红色实线)分量，(3)为校正前(蓝色虚线)、校正后(红色实线)质点的振动轨迹，(4)为互相关系数和切向能量等值线分布图。图5 高质量Null值观测示例Fig.5 Example of high-quality null-result from shear wave splitting observation

3 结果

本次研究运用上述方法，对辽宁地区15个地震台站为期5年的SKS数据进行研究，共获得了398对SKS分裂结果(表1)，考虑到地震事件随反方位角的分布不均匀，本文采用加权叠加的方法[34]获得每个台站的综合观测结果(图6)。

由图6及表1可以看出，辽宁地区上地幔各向异性主要为NWW向，平均快波方向为-34°，快慢波延迟时间为0.4～1.2 s,平均延迟时间为0.7 s。大多数台站快波偏振方向与平均值接近，只有法库和清原两个台站快波偏振方向较小；另外法库和沈阳台相距不到90 km，延迟时间从0.4 s增大至0.8 s，有可能与辽宁地区存在多种各向异性成因相关。平均延迟时间< 0.5 s的台站只有2个(法库和西丰)，分布在研究区的东北方向，延迟时间> 1 s的台站只有1个(营口)，其偏振方向为NW向，与东部台站方向存在差异。在研究区东部，还观察到NE-SW向偏振方向，与周围台站方向不同。

图6 本研究各向异性结果(红色)与鲁明文等[31](蓝色)对比图Fig.6 Comparison of anisotropic results between present studies (red) and Lu et al. (blue)

表1 辽宁地区各台站SKS震相分裂测量结果Table 1 SKS splitting parameters for stations beneath Liaoning region

与前人结果[31]进行对比，可以发现大多数台站快波偏振方向差值在15°，快慢波延迟时间差最大为0.5 s，结果基本一致。与Shi et al.[28]的结果相比，朝阳、建昌和宽甸台站快波偏振方向相近，相差10°；Li et al.[29]的结果表明快波方向和平均延迟时间分别为NW向和0.85 s，本文观测为NWW方向和0.7 s，其中丹东、法库、桓仁、宽甸和辽阳台延迟时间差在0.2 s以内，相似性高；大连台的快波偏振方向(-82°)与Liu[35]研究结果(95±6°)一致。

与相邻区域的观测结果对比，诺敏河火山周围附近台站快慢波延迟时间平均为0.78±0.21 s[30]，与本文结果0.7 s基本一致；东北地区其他观测给出的快波偏振方向大都为NW向[36-38]，与本文观测一致。

选取宽甸台(40.7°N, 124.8°E)与前人进行比较(表2)，可以看出快波方向最大差值为31.2°，最小差值为16°，快慢波延迟时间最大差值为0.4 s，本文用于计算的地震事件更多，结果更加稳定。此外，该区存在不少Null值结果，对应的地震事件反方位角既不平行也不垂直于快波偏振方向，表明该区各向异性成因相对复杂。

表2 宽甸台站研究结果与前人结果比较Table 2 Results of Kuandian station compared with previous studies

4 讨论

4.1 各向异性的深度分布

各向异性普遍存在于地壳以及上地幔介质之中，通过剪切波分裂计算得到的各向异性参数是整个传播路径上的综合效应，垂向分辨率较低。首都圈东南部上地壳各向异性造成的慢波延迟时间平均为3.5 ms/km[39]，以此带入，考虑辽宁地区地壳厚度为30～36 km[3]，推测辽宁地区地壳延迟时间为0.11～0.13 s，而本文结果表明上地幔延迟时间为0.4～1.2 s。假设介质有4%的各向异性，估算研究区域的各向异性厚度为46～138 km，平均厚度为92 km。地壳对各向异性贡献不大，主要成因是来自上地幔。

4.2 各向异性与岩石圈变形

地震各向异性，与岩石圈最近一次构造变形关系密切[40]。中国大陆东北区域快波偏振方向为NW-SE向[41]，辽宁地区快波偏振方向为NWW方向，与板块运动方向大体上相一致，可能与太平洋板块向欧亚板块俯冲引起的地幔流动相关，造成软流圈物质发生形变，橄榄岩等晶体的晶格沿着物质流动方向优势排列取向。中生代晚期岩石圈处于伸展构造区域，伸展构造方向平行于矿物定向排列方向；晚中生代以来岩石圈发生了拉张形变，伸展方向与快波偏振方向一致。

5 结论

(1)SKS分裂研究得到辽宁地区各向异性贡献主要来自于上地幔，各向异性层平均厚度为92 km。

(2)快慢波延迟时间范围在0.4～1.2 s，各向异性方向大部分为NWW向，和中生代晚期岩石圈伸展形变方向一致。

(3)部分台站不一致的快波偏振方向有可能是受到断裂作用的影响，岩石圈在挤压过程中的古老形变可能是各向异性产生的主要原因。

致谢感谢中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”提供的地震波形资料。文中图件使用GMT软件绘制，在此表示感谢。