重庆及周边地区地壳各向异性研究

董蕾 李建有 姜维松 李翠平

摘要：根据重庆及周边地区固定地震台站记录的远震资料提取了接收函数，并利用接收函数Pms相到时方差最小方法建立网格搜索，最终获得该区的地壳各向异性参数。结果表明：重庆及周边地区的地壳各向异性延迟时间为0.14～0.91 s，平均为0.4 s;快波偏振方向主要有NEE、NNW和NWW向，并且大部分台站快波方向与所在区域的主压应力方向明显不一致;重庆地区地壳各向异性具有横向不均匀性及分区特征，岩石圈形变特征主要来自地幔各向异性。

关键词：接收函数;地壳各向异性;重庆及周边地区

中图分类号：P313.3   文献标识码：A   文章编号：1000-0666（2021）02-0145-07

0 引言

重庆位于我国四川盆地东部、南北向构造带的东侧，属于东、西部板块运动的“中间过渡地区”，以城口断裂、青峰断裂分界，分属于扬子准地台和秦岭地槽褶皱系两个一级构造单元。重庆断褶构造的形成和地壳的缩短、隆升，分别与印度板块和太平洋板块碰撞、俯冲挤压相联系，并且以城口断裂、华蓥山基底断裂西北侧和七曜山—金佛山基底断裂为界分为4个地震构造区。研究表明重庆地区呈NW向挤压的应变状态，其中主压应力方向以NW向为主，部分区域呈NE向（丁仁杰，李克昌，2004;陈涛等，2018），但不同的形变观测手段研究的该地区内部构造运动的结果并不一致（陈涛等，2018）。因此，该地区的地壳深部应力环境和构造特征有待进行更深入的研究。

地震各向异性与介质结构、区域应力、介质变形及断裂分布等密切相关（高原等，2020）。对地壳构造应力特征和地球内部变形机制的探讨均具有重要的科学参考价值。在具有水平对称轴的各向异性水平层状介质中，接收函数的Ps转换波是唯一在Moho面生成并对横波分裂敏感的震相，它的到时与事件入射方位角呈余弦函数特征，这一特征是诊断各向异性的工具。由地表观测到的Pms剪切波分裂所携带的关于传播介质的各向异性信息全部来自地壳内部，与地幔无关。使用接收函数研究地壳各向异性的方法已经被广泛应用（Vinnik，Montagner，1996;孙长青等，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叠加方法，并根据径向Pms相叠加能量最大原则确定各向异性，可以弥补事件覆盖不均匀的缺点，同时可以抑制随机噪声的影响;韩明等（2017）对比了Pms相到时方差最小法和Pms相叠加振幅最大法，并进行了合成理论地震图试验，表明Pms相到时方差最小法受噪声影响不明显，可以得到稳定的结果。本文利用Pms相到时方差最小法，计算重庆及周边地区的地震台站下方地壳各向异性参数，探讨该地区地壳各向异性特征及其深部构造意义。

1 数据和方法

1.1 观测数据及处理

本文利用重庆地震台网及邻区固定的地震台站（图1），根据中国地震台网中心提供的地震目录，从中选取了2011年1月—2018年10月M≥5.5、震中距为30°～95°的远震记录（图2）。再利用远震波形计算P波接收函数：截取P波到时前20 s、后120 s的三分量波形数据（图3a）;将截取后的N、E分量波形旋转至R、T分量（图3b）;选取滤波因子2.5，利用时间域反褶積方法，计算R向接收函数（图3c），从中挑选转换相清楚的接收函数。

由于各个地震事件的射线参数（或震中距）不同，并且R分量接收函数的Pms相到时与震中距有关，所以必须先进行到时校正。将接收函数曲线上的Ps震相的到时都校正到一条任取的基准曲线上（本文以IASP91模型为参考，取震中距为67°）。到时校正后，按后方位角10°为间隔，将这一后方位角范围内的接收函数叠加成一道信号。图4a和图5a分为ROC台和WAS台接收函数的后方位角叠加结果。

1.2 各向异性参数

在水平各向异性介质中，R分量接收函数的Pms相到时随后方位角呈现π的周期性。Pms相的到时tps与后方位角的关系为：

tps=t0+Δt=t0-δt2cos（2baz-2φ）（1）

式中：t0为各向同性下，Pms相的到时;tps为计算得出的理论到时。本文对0～360°后方位角范围内的36道叠加信号进行Pms相识别，拾取不同后方位角的Pms相观测到时tops。

为了求得稳定的快波方位角（φ）和分裂时间（δt），给定不同的快波方位角和快慢波之间的延时，以此计算Ps震相的理论到时tps，以Pms相的观测到时tops与理论到时tps之差的平方和达到最小为准则，进行二维网格搜索获取稳定的Pms相的分裂参数。如图4b所示，图中黑色圆点代表Pms相最大振幅对应的到时，黑线为ROC台Pms相理论到时，最终进行网格搜索得到快波偏振方向为71°，延迟时间为0.39 s（图4c）。

2 研究结果

由于观测原因等，需剔除接收函数质量较差或后方位角覆盖较差的台站，本文对重庆及周边地区44个台站的接收函数进行叠加，其中有一些台站的周期性不明显，如WAS台接收函数质量较好，但到时随方位角变化周期性不明显（图5b），因此认为这些台站地壳弱各向异性。PAL台、SHG台、BZH台、CHS台存在同样的情况，一并剔除这些台站的结果。

本文最终对周期性明显的39个台站进行各向异性参数计算，获得39组Pms相分裂结果（表1）。由表1可见，研究区延迟时间为0.14～0.91 s，平均为0.4 s。如图6所示，快波偏振方向主要有NE、NNW和NWW向，主要受断裂分布的影响。华蓥山断裂两侧的各向异性特征差异较大，断裂附近的ROC、YUM、HYS台偏振方向为NE向，与断裂走向一致，延迟时间平均为0.36 s;而其东南部的YUB、XIM台延迟时间较小，各向异性较弱。七曜山—金佛山断裂西南侧的SLO、FUL、L5540、XNS台延迟时间为0.39～0.62 s，偏振方向为NE向，与该断裂走向一致。七曜山—金佛山断裂西北侧、方斗山断裂东侧的LOH、SHZ台偏振方向为NNW向。

3 讨论

上地壳各向异性主要是由EDA（extensive dilatancy anisotropy，各向异性）微裂隙定向排列造成（Crampin，Atkinson，1985;Crampin，Peacock，2005;Crampin，Gao，2014），一般情况下，快波方向与裂隙优势排列方向和最大水平主压应力方向一致（Crampin，Peacock，2005;高原等，2020）。而在中下地壳裂隙闭合，各向异性成因主要与下地壳造岩矿物晶格的定向排列或物质流动引起的层理优势排列有关（韩明等，2017;高原等，2020）。韩明等（2017）根据Pms震相计算得到的青藏高原东南缘平均延迟时间为0.54 s左右，认为该区Pms震相分裂主要由下地壳引起;邵若潼等（2019）同样根据各向异性延迟时间，认为青藏高原东北缘地壳各向异性主要由下地壳各向异性引起。本文计算得到的平均分裂时间为0.4 s，因此认为研究区地壳的各向异性主要为中下地壳的各向异性。

丁仁杰和李克昌（2004）依据断层力学性质和现代地震震源机制解P轴轴向等综合分析得出，重庆新生代构造应力场具有由渝西向渝东地区，构造应力场主压应力方向从NWW向逐渐转变为NNE向的变化（图6）;贺曼秋等（2008）利用SAM方法对ROC台进行S波分裂研究，认为S波快波优势分布方向为NW向，与荣昌地区区域应力场方向（陈涛等，2018）大体一致，与该区的主要基底断裂走向接近垂直。本文计算得到的ROC台快波方向为NE向，平行于华蓥山断裂，与上地 壳的各向异性快波方向基本垂直，ROC台地壳各`向异性延迟时间为0.39 s，大于上地壳S波分裂延迟时间0.11 s。孙长青等（2013）发现云南地区地壳各向异性快波方向与研究区内断裂带走向一致，与最大主压应力方向存在较大差异，认为其各向异性可能主要与矿物晶格定向排列或者熔体的定向排列有关;强正阳等（2016）认为韧性的中下地壳与地幔在受到主压应力挤压后，矿物晶体发生定向排列，形成垂直于主压应力方向的各向异性。本文计算得到的研究区大部分台站快波方向与台站附近的断裂走向较一致，而与主压应力方向明显不一致（图6），进一步说明研究区地壳各向异性主要由中下地壳引起。

重庆地区地壳各向异性具有横向不均匀性，且具有分区特征。城口断裂、巫溪断裂以北的渝东北推覆构造区（主要有CHK、HCB和WUX台）内的断裂以逆冲性质为主，与倒转褶皱构造构成强烈挤压的推覆构造区。从该区等面积玫瑰投影图（图7a）可以看出，延迟时间平均为0.33 s，快波方向由NNW向转至EW向，与断裂走向基本一致，该区的地壳各向异性快波方向应该与NNE方向的主压应力挤压作用及推覆构造带有关。在华蓥山基底断裂东南，七曜山—金佛山、方斗山断裂西北地区为渝中央褶皱区，主要有15个台站（SHL、HOT、LIJ、WAZ、YAL、XIM、FUL、L5540、YUB、CQT、SLO、MAL、XNS、LOH、SHZ）;该区主要有两个快波方向，NNW向和NE向（图7b），NNW向的台站有LIJ、SHZ、LOH，其余台站为NE向，垂直于该区主压应力方向，平行于七曜山—金佛山断裂;该区中部（主要有XIM、YUB、CQT台）各向异性较弱，延迟时间最小为0.14 s。渝东南褶断区（主要有WUL、LUJ、QIJ、HOP、XIS台）的地壳各向异性等面积玫瑰投影图如7c所示。从图中可以看出，平均延迟时间为0.49 s，各向异性较强烈，快波方向为NEE至EW向，与断裂NE走向有一定差异;该区主压应力方向为NW向，基本垂直于该区的主压应力方向;该区NE走向断裂力学性质以逆冲为主，但也发育少量的正断层，其中2017年武隆5.0级地震的发震断层被认为是张性断裂（李翠平等，2019）。该区构造应力环境较复杂，这可能是造成快波方向与断裂走向不太一致的原因。

由于SKS波分裂垂向分辨率较差，SKS波相各向异性包含了上、下地壳和上地幔的各向异性特征。本文收集了重庆及周边地区的SKS计算结果，与本文获取的地壳各向异性参数进行对比。结果表明，除SHZ台的偏振方向与常利军等（2008）计算的上地幔快波方向较一致外，其余台站（ROC、XCO、HYS、XHA、WAZ、YUB、CHS、FUL、WUL）与上地幔快波方向相差较大，并且地壳各向异性弱于上地幔各向异性，说明研究区岩石圈形变特征主要来自地幔各向异性。佐佳卉和钮凤林（2019）在接收函数地壳各向异性研究结果（Sun et al，2012）的基础上，利用剥去法对SKS波分裂进行了分层计算，认为四川盆地中部（包括ROC）上地幔的各向异性特征一致，主要是地幔各向异性的贡献。SKS波分裂受上地壳裂隙各向异性的影响（姚陈等，2016），虽然笔者认为研究区地壳的各向异性主要为中下地壳的各向异性，但不可忽略的是Pms分裂应该也包含上地壳各向异性，如何分离上、下地壳的各向异性有待进一步研究。

4 结论

本文利用重庆地震台网及邻区固定台站的远震波形资料计算P波接收函数，经到时校正后按后以方位角10°为间隔将接收函数叠加，最后利用Pms相到时方差最小法获取研究区地壳各向异性参数，得出以下主要结论：

（1）重庆及周边地区的地壳各向异性延迟时间为0.14～0.91 s，平均为0.4 s;研究区的快波方向与该区的主压应力方向明显不一致，大部分台站的快波方向垂直于主压应力方向。

（2）本文計算得到的地壳各向异性主要为中下地壳的各向异性;重庆地区地壳各向异性具有横向不均匀性及分区特征，渝东北构造区的地壳各向异性与主压应力挤压作用及推覆构造带有关。将本文研究结果与研究区其他上地幔各向异性研究结果进行对比，认为重庆及周边岩石圈形变特征主要来自地幔各向异性。

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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：地震监测、预测、科研三结合课题（3JH-202001072）资助.

第一作者简介：董蕾（1986-），工程师，主要从事地震监测工作.E-mail：dongleiyue@163.com.