剪切波分裂揭示的青藏高原东北缘分层各向异性形态：从海原断裂至银川地堑

沈胜意， 高原， 刘同振

中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室)， 北京 100036

0 引言

青藏高原由印度板块和欧亚板块持续挤压隆升形成，强烈的构造作用和复杂的二级块体之间的相对运动导致青藏内部和周缘断裂分布复杂、强震活动频繁.自新生代以来约50 Ma时间里，青藏高原岩石圈南北缩短约750～1500 km，垂直隆升约4500 km，垂直隆升需要的地壳未至减缩的物质的一半，其余地壳物质去向不明(Yin and Harrison, 2000).研究者根据获得的观测数据提出不同假说，用“块体挤出”、“连续形变”、“下地壳流”等模型对青藏高原的构造运动进行解释，虽然不同模型存在差异，但对物质东流是维持青藏高原平衡的主因取得基本共识，仅关于物质东流的形式、分布以及岩石圈的演化过程存在不同看法.块体挤出模型认为亚欧板块与印度洋板块碰撞挤压抬升形成青藏高原，南部向外挤出，并依次形成各个大断裂带(Tapponnier et al., 1982)；连续形变模型认为青藏高原的形变以压缩和增厚为主，岩石圈深部变形随深度变化连续(England and Houseman, 1986; Tian et al., 2014)；下地壳流模型认为青藏高原深部存在物质流向东北方向运动，遇到四川盆地阻挡，一部分向东南方向运动，一部分在秦岭造山带区域向着东北方向流出，壳幔有解耦的现象(Royden et al., 1997; Shapiro et al., 2004).在青藏高原东南缘，下地壳流向东南流动获得了地震学的观测证据(Bao et al., 2015；Sun et al., 2012)，但青藏高原东北缘地区是否存在地壳流仍存争议，壳幔速度结构与各向异性特征还需要更深入的研究(Wang et al., 2016；郭飚等，2004；童蔚蔚等，2007; Shen et al., 2015; 张洪双等，2015).

青藏高原东北缘的变形模式对于分析青藏高原隆升及延伸的动力学机制有着重要意义.各向异性是表征地区应力或物质流动状态的一个重要指标(Crampin and Peacock, 2005; Vinnik et al., 2014).在上地壳，一般认为各向异性受到附近断层走向、地壳应力产生的微裂隙的排列方向影响，各向异性的方向指示主压应力或者断层的方向(Crampin and Peacock, 2005; Gao et al., 2011; Crampin and Gao, 2014)；在下地壳受到岩层内晶格排列的影响，而在上地幔则与橄榄岩的定向排列、地幔流动的方向相关(Hess, 1964；Silver and Chan, 1991；Savage, 1999).研究分层各向异性结构，可用于探讨岩石圈变形与壳幔相互作用特征(Shen and Gao, 2021).

在青藏高原周缘地区已有一系列研究工作(Chen et al. 2009)，研究者希望在青藏高原与其他块体的交汇区域寻找到线索，不同方法结论不一.利用近场小震S波分裂可得到上地壳各向异性的分布情况，在整个东北缘呈分区分布的特征，快S波偏振在陇西地堑以NW为优势方向(张辉等，2012)，在银川地堑主要为NNE或近NS方向(太龄雪和高原，2017；许英才等，2019).体波走时成像的结果显示青藏高原东北缘和鄂尔多斯板块中间(兰州至海原区域)有宽约200 km的过渡带(郭彪等，2004)，区域内上地幔有明显的横向不均匀性，在80～100 km深处可能有物质熔融或者岩石含水量增加(王新胜等，2013)，六盘山深部有物质通过海原断裂从青藏高原一直流出(童蔚蔚等，2007).P波及S波走时的研究认为，在海原断裂区域各向异性可能较弱(许忠淮等，2003)，在增加台站和地震事件数量后有研究认为中下地壳可能有地壳流存在(董兴鹏和滕吉文，2018).近震到时及接收函数的结果显示，青藏高原东部，地壳厚度大于高原外侧，海原断裂附近地壳的各向异性方向平行于断层(谢振新等，2017)；莫霍面向西倾斜(丁志峰等，1999；Zhang et al., 2010)，自青藏高原至银川地堑的区域岩石圈地幔结构相似，支持深部地幔物质从该地区流出的假说(Shen et al., 2017).背景噪声通过分析SV波和SH波波速结构，认为在青藏高原东缘中下地壳存在低速异常(Li et al., 2010).远震XKS(SKS、PKS和SKKS的统称)震相的分裂研究通常认为快波方向与上地幔物质流动方向一致(Silver and Chan, 1991).已有的青藏高原东北缘地区各向异性研究都是基于单层各向异性假设，快S波方向以NW-WNW向为主(常利军等，2011，2016；胡亚轩等，2011；王琼等，2013；张洪双等，2013)，与接收函数Pms波分裂得到的快波方向一致(Wang et al., 2016)，也与近场S波分裂的快S波偏振方向大致相同(张辉等，2012；太龄雪和高原，2017；许英才等，2019；Shi et al., 2020).双层各向异性的研究结果显示，在龙门山以及秦岭造山带地区地壳与地幔各向异性方向相异，上层快波方向为NEE向，下层为NW向(Gao et al., 2019)；XKS波结合近震S波分裂以及Ps波的研究认为，在东北缘，上地壳快波方向接近NE向，中下地壳快波方向接近NW向，且接近海原断裂附近的台站，XKS波快波方向受到断裂走向的影响(Shi et al., 2020).

然而，远震S波的研究认为该地区存在壳幔解耦的现象，但是不支持下地壳流存在(张洪双等，2015).青藏高原东北缘接收函数各向异性结果，没有发现下地壳流存在的证据(Wang et al., 2016).利用背景噪声数据分析，认为在四川地堑下方存在一个三角形的低速区，地壳物质难以通过鄂尔多斯和四川盆地的边界东流(宫猛等，2010)，东北缘壳幔有相同的变形模式，总体符合垂直连贯模型的特点，壳幔各向异性方向均以NNW-SSE至NW-SE方向为主(王琼和高原，2018).地磁地电结合GPS的观测显示青藏高原东部存在条带状的地壳流管道，但并未找到延伸至大陆内部的证据(Bai et al., 2010).此外，有学者指出该地区中下地壳存在低速层，发生了部分熔融，在受地壳应力影响的塑型管道流的影响下，中下地壳的矿物重新定向排列，呈NE方向，与地壳的快波方向不同(谢振新等，2017)，在该区域附近的龙门山、松潘—甘孜地块以及秦岭造山带等地区，观测到壳幔解耦现象(Gao et al., 2019；Huang et al., 2017；Ye et al., 2016).青藏高原东北部的接收函数和远震XKS波结果比对，认为地壳部分的各向异性很大程度上决定了XKS所得到的各向异性结果(Wang et al，2016)，鄂尔多斯以及阿拉善的交界处存在铁镁质的物质流(Guo and Chen, 2017).面波层析成像的结果认为该地区位于0～100 km及125～200 km有两处速度异常，分别可能对应着岩石圈和软流圈，并且同时观察到了垂直连贯模型以及下地壳流模型的特征，认为青藏高原东北部的隆升同时受到挤压增厚以及下地壳流流动的影响(Zhang et al., 2011).因此可能需要考虑地壳与地幔各向异性方向不一致带来的影响(Li et al., 2011；高原等，2010；许英才等，2019).瑞利波频散认为在海原断裂附近中下地壳(T=25 s)各向异性的方向自NW向逐渐旋转为NE向(王琼和高原，2018)，P波到时认为中下地壳有物质流存在的可能(董兴鹏和滕吉文，2018)，但模型与传统XKS波单层各向异性并不一致.

对部分台站进行XKS分裂研究时，若发现快波方向随着方位角变化而变化的现象，但选择计算每次事件得到的快波方向(即快S波的对称轴方向，也有称快S波偏振方向)和分裂时间(即快、慢波的时间差，常称为慢S波时间延迟，也有称慢S波延迟时间)的平均值，并不能代表该地区各向异性的真实特征，应考虑该地区是否存在各向异性分层现象，探讨可能存在的壳幔解耦的现象或是下地壳流的存在.该方法已在拉萨、青藏高原东南缘以及德国等地进行应用，并据此分析研究区域壳幔结构(Gao and Liu, 2009；Kong et al., 2018；Brechner et al., 1998).本研究使用XKS波分裂分析青藏高原东北缘各向异性时，对于快波方向随着方位角发生周期为90°变化的台站数据，选择用双层模型进行拟合分析，讨论可能存在的分层现象，从新的角度分析该地区物质形变特征，探讨地壳和上地幔各向异性之间的关系，为研究该地区的地质构造提供新的依据.

1 构造背景

青藏高原东北缘位于青藏高原与鄂尔多斯地块、华南板块、阿拉善地块的交界处，是青藏高原向大陆内部延伸的前沿部位，也是高原物质向东流动的重要通道之一，内部发育多条逆冲和走滑断裂(Zhang et al., 1991).本次研究区域范围为东经102°—110°，北纬34°—40°，包含银川地堑、阿拉善块体、鄂尔多斯块体、祁连褶皱带等多个构造单元.GPS数据显示该地区整体最大主压应力方向为NNE(Gan et al., 2007).银川地堑经历中生代挤压隆升剥蚀以及新生代伸展断陷的过程，沉积层较厚(侯旭波等，2012)，内部发育有多条隐伏或半隐伏的断裂带，NNE向的黄河断裂被认为是平罗8级地震的震中(雷启云等，2015).该地区远震多尺度层析成像表明贺兰山东麓断层处，阿拉善以及鄂尔多斯地块之间存在构造边界，可能有地幔物质上涌(高翔等，2018).阿拉善块体自早古生代与祁连地块碰撞并持续抬升，南部形成花岗岩体(周立发，1992)，现今地壳主应力方向为西北向(张辉等，2012).鄂尔多斯地块西南缘受到祁连褶皱带NE方向的逆冲，形成NNE向的挤压状态(徐黎明等，2006)，结合太平洋板块向西俯冲的作用形成银川地堑(杨俊杰，2002).祁连褶皱带呈NW走向，新生代随着青藏高原的抬升沿着祁连山北部断裂抬升，构成隆起区的东北边缘，并形成多条断裂带，内部的海原断裂早期为挤压逆冲，之后发展为左旋走滑断层，并在附近形成一系列拉分地堑(周明都等，2000)，某些地区的位移幅度超过了10 m，表明青藏高原一直在此处向东北延伸(Burchfiel et al., 1991)，被认为是青藏高原东北缘的地壳边界(Tapponnier et al., 2001; Shi et al., 2020).

2 数据与方法

本研究选择陇西地堑以及银川及其周边地区共15个台站的远震记录(图1)，利用远震XKS震相开展剪切波分裂分析(图2).甘肃境内5个台站数据来源于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，时间从2010年1月至2018年8月.宁夏境内10个台站数据来源于中国地震局地震预测研究所，时间从2017年2月至2019年2月.本研究选择了震级大于5级的地震事件，共获得137条有效地震记录.对于SKS与SKKS波选取震中距85°～180°的地震数据，并在0.04～0.5 Hz的频段内滤波.本文对于信噪比有一定要求，利用三个参数对得到的分裂结果进行归类(Liu et al., 2008):

(1)Ror —原始径向分量上信号的信噪比;

(2)Rot —原始切向分量上信号的信噪比;

(3)Rct —各向异性校正后切向分量信噪比.

图1 研究区域与台站分布 黑色三角代表台站位置，附近的英文字母为台站名.黑色的粗线代表块体边界，褐色细线代表该地区的主要断裂.F1为海原断裂，F2为六盘山断裂，F3为贺兰山东麓断裂，F4为黄河断裂，YG为银川地堑(Yinchuan Graben).OB为鄂尔多斯块体(Ordos Block)，AB为阿拉善块体(Alxa Block)，SCB为华南块体(South China Block)，TPB为青藏块体(Tibetan Plateau Block)，SMB为 中蒙块体(Sino-Mongolia Block).Fig.1 Study area and station distribution The black triangles represent the station locations, and the English letters nearby are the station names. The thick black lines show plate boundaries and the thin brown lines represent major faults in the area. F1 is Haiyuan Fault, F2 is Liupanshan Fault, F3 is the Eastern Piedmont Fault of Helan Mountain, F4 is the Yellow River Fault, and YG is Yinchuan Graben, OB is Ordos Block, AB is Alxa Block, SCB is South China Block, TPB is Tibetan Plateau Block, and SMB is Sino-Mongolian Block.

图2 用于XKS波形分析的地震震源分布图 蓝色五角星代表研究区域内的台站所在位置， 红点代表本文使用的地震记录的地震分布.Fig.2 Earthquake distribution adopted in this study The blue star marks the location of seismic stations, the red dots are earthquakes.

XKS波经过地核时全部为P波，在核幔边界转换成S波进入地幔.由于此时的S波没有切向分量，如果地震波后面经过的传播路径上(地幔或者地壳)存在各向异性，S波会分裂成两列速度不同的波并展现出切向分量.因此，XKS波携带着观测台站下方各向异性的信息，同时消除了来自震源与震源一侧传播路径上的各向异性影响.分裂时间和快波方向是描述各向异性的两个参数.本研究利用切向能量最小的方法，可以通过网格搜索每个地震记录的视分裂时间和视快波方向.最优的参数，应能使XKS波经过较正后切向分量的能量尽可能小(Gao and Liu；Kong et al., 2018).理论上，经过各向异性校正后的切向分量能量为零.让快、慢波在时间上同步，则质点运动轨迹接近直线(图3).图3显示的是LXA台站地震记录进行单层各向异性XKS分裂计算的实例.研究中发现，有些台站下方存在双各向异性层，对于双层各向异性的XKS分裂计算，结果展现出随方位角不同参数出现变化的特征(图4).在实际观测资料的计算中，本研究采用的网络为时间间隔为0.05 s，角度间隔为1°(注：快波方向以地理正北方向按顺时针方向计算角度，全文同).

如果S波穿越快波方向非正交的双层介质(下层分裂时间为t1，快波方向为φ1；上层分裂时间为t2，快波方向为φ2)，则观测到的快波方向φa和分裂时间ta将随着反方位角φp的变化而变化，并和该地震波的频率ω相关.为简化公式，引入中间变量α1,2,a和θ1,2,a(Silver and Savage, 1994)，下标1、2、a分别对应各向异性的下层、上层以及视参数：

(1)

(2)

为确定视分裂时间、快波方向和各层参数之间关系，需求α、φa和α1,2、φ1,2之间的关系.令：

(3)

最终有：

(4)

对于每个台站，首先观察是否有明显的随着方位角变化，快波方向和分裂时间发生了变化.如有变化，选择网格搜索各层各向异性参数，本次研究中各向异性方向的网格宽度为1°，分裂时间的宽度为0.1 s.最终选择对于所有事件失配函数值最小的函数作为最终结果(Kong et al., 2018)，失配函数为

(5)

其中φa,i、ta,i为搜索时计算出的对应事件的理论值，δφa,i、δta,i为标准差.w1、w2为权重因子，由于视快波方向的分层各向异性特征比视分裂时间更为明显，为了增加视快波方向的权重，分别取w1=0.8和w2=0.2(Cherie et al., 2016).

3 各向异性计算结果

3.1 数据处理

对于实际地震数据，首先计算出每个台站记录的每个地震事件的XKS波形的分裂参数，之后分析这些参数与方位角的关系.就单个台站而言，单层各向异性或双层各向异性介质展现的XKS分裂参数特征不同.例如，对于台站LXA和SGS，由于快波方向和分裂时间没有明显变化，因此在这两个台站下方的各向异性用单层模型描述(图5).对于台站GYU和TLE，快波方向和分裂时间随着方位角发生了变化，双层各向异性模型可以较好地拟合观测数据(图6).

3.2 台站下方各向异性基本特征

根据每个台站的XKS分裂的计算结果，获得研究区每个台站的各向异性区域分布，超过一半的台站显示出单层各向异性形态，但有些台站呈现了明显的上、下两层的各向异性分布特征(图7)，有关的XKS分裂参数见表1和表2.

根据各向异性的分布图(图7)，呈现两层各向异性的台站XSH、HYU和GYU都紧邻海原断裂带，上层的各向异性快波方向大致为NW或NNW，呈现出平行于海原断裂带走向的趋势，而下层的各向异性快波方向为NEE或NE向，几个台站的各向异性特征具有较好的一致性.

位于青藏东北缘与本研究区相关的区域，有多个研究得到了SKS或XKS分裂结果.从空间分布的整体图像上看，本研究中围绕海原断裂带的三个台站，双层各向异性中的上层各向异性快波方向与这些单层XKS分裂结果有很好的一致性(常利军等，2008，2011；王琼等，2013).而接收函数各向异性研究揭示的地壳各向异性结果，围绕海原断裂带的这三个台站双层各向异性中的上层各向异性快波方向，与区域内接收函数各向异性快波方向基本相同(Wang et al., 2016；谢振新等，2017).三个台站的下层各向异性NEE或NE的快波方向，都是从青藏高原内部指向青藏高原外部.背景噪声的瑞利波30 s的成像结果显示(王琼和高原，2018)，海原断裂处各向异性快波方向接近NE向，本次研究结果大致相符；P波到时反演成像结果(董兴鹏和滕吉文，2018)认为东北缘存在NE向地壳流，但是地壳流并未流出东北缘，在方向上近似而在分布区域存在差异.

图3 LXA台站记录的XKS分裂计算 (A)和(B)是两个地震记录的计算实例.以(A)图为例，(B)图含义同理.(a1) 原始和校正后的XKS径向(黑色)和切向(红色)波形图.(a2) 快(红色)、慢(黑色)XKS波形，左图和右图分别为各向异性校正前和校正后的波形.(a3) 质点运动轨迹图(即偏振图)，左图和右图与(a2)上下一一对应.(a4) 计算各向异性参数的误差函数等值线图，红点为最佳拟合值.对于单层各向异性，方位角不同，快波方向和 分裂时间大体相同.最下方依次标明地震事件的震级、经纬度、震源深度、后方位角以及震中距.Fig.3 XKS splitting computations recorded by LXA stations Fig.(A) and Fig.(B) are the calculation examples of two seismic records. Take note of Fig.(A), same meanings for Fig.(B). (a1) the original and corrected XKS waveforms in the radial (black) and transverse (red) components. (a2) the fast (red) and slow (black) waveforms. The left and the right are the original and the corrected by anisotropy, respectively. (a3) the particle motion diagrams, i.e. the polarization diagram. The left and the right are up-and-down one-to-one correspondence to two plots in (a2). (a4) the misfit contour map from calculation of anisotropic parameters. The red dot marks the optimal fitting parameters. For single layer anisotropy, the azimuths are different, the directions of fast wave and the delay-time of slow wave are generally consistent. The bottom lists the magnitude, latitude, longitude, focal depth, back azimuth and epicenter distance of the earthquake.

图4 GYU台站记录的XKS分裂计算 图中的符号含义等图例，同图3.Fig.4 XKS splitting computations recorded by GYU stations The legends including meaning of symbols are same asFig.3.

图5 单层各向异性情形下的台站数据拟合 (a,b) LXA台站的快波方向和分裂时间数据拟合图； (c,d) SGS台站快波方向和分裂时间 数据拟合图.星号为测量值，线段为标准差的误差棒，红色直线是平均值.Fig.5 Station data fitting in the case of the single layer anisotropy LXA and SGS are station codes. The upper are the data fitting of (a) the fast wave direction and (b) the delay time at station LXA. The lower (c) and (d) are the data fitting at station SGS. The asterisks are from the measurements, the short straight lines are the error bars of standard deviations, and the red lines are the average values.

图6 双层各向异性情形下的台站数据拟合 (a,b) GYU台站的快波方向和分裂时间数据拟合图； (c,d) TLE台站快波方向和分裂时间 数据拟合图.星号为测量值，线段为标准差的误差棒，红色曲线为拟合值.Fig.6 Station data fitting in the case of the two-layer anisotropy GYU and TLE are station codes. (a) and (b) are the data fitting at station GYU; (c) and (d) are the data fitting at station TLE. The red lines are the fitting results of two-layer anisotropic model. Other meanings are same as in Fig.5.

在银川地堑内部，靠近中心区域的三个台站(LWU、TLE、YCH)也展现出双层各向异性的特征.根据数据拟合结果，几个台站的上层各向异性快波方向总体呈NW或近E-W向，接近其他单层各向异性XKS和接收函数各向异性快波方向的研究结果(Wang et al., 2016；谢振新等，2017).靠近鄂尔多斯块体西边界的TLE和LWU两个台站的分裂时间较短，而靠近阿拉善块体的YCH台站的分裂时间较长.三个台站的下层各向异性快波方向近似为N-S向，接近瑞利波30 s的成像结果(王琼等，2018).位于银川地堑南端的TXN台，因为有效数据过少而无法确认该台站下方是否存在双层各向异性.

表1 双层各向异性台站XKS参数Table 1 Station XKS parameters of two-layer anisotropy

表2 单层各向异性台站XKS参数Table 2 Station XKS parameters of single layer anisotropy

此外，海原断裂带南侧甘肃境内BYT台也发现存在双层各向异性现象.根据其他学者的研究，在附近也发现类似的双层现象(Li et al., 2011).在其他台站上，未发现快波方向和分裂时间随方位有明显变化，各向异性可视为单层情况.

3.3 误差分析

学者们提出关于SKS双层模型的计算公式及拟合方法，但是并未讨论计算的准确性和误差情况(Silver et al., 1994).由于对每个地震记录计算视分裂时间和快波方向使用网格搜索，之后进行双层各向异性拟合再次采用了网格搜索，因此难以利用标准差传递公式推算各参数标准差.对此，本文提出一套误差估算方法，可定性地判断快波方向和分裂时间计算结果的可靠性：

由于实际计算时XKS的优势频率一般较小，公式(1)中近似：

因此，

sin(θ)≈θ,

cos(θ)≈1-θ2

代入公式(3)和(4)，去掉高阶小量，最后得到：

(6)

由上述推导，视快波方向主要受到两层介质的快波方向以及两层介质分裂时间比值的影响，但对于单层介质分裂时间并不敏感.为证明结论的可靠性，我们选择下层快波方向20°，分裂时间0.5 s；上层快波方向80°，分裂时间1.0 s的模型，取频率为0.1 Hz(图8)，分别让上下层的分裂时间增加20%，可看到在视快波方向和视分裂时间上没有明显变化.若快波方向增加20%，快波方向和分裂时间变化明显.因此，为使分裂时间更准确必须依靠精确的视分裂时间.然而实际操作中，由于失配函数中给予快波方向更大权重，视分裂时间的约束较弱；若为让分裂时间准确而去增加权重，考虑本身分裂时间标准差相对结果的比值较大，需要极大的权重去拟合，将产生快波方向无法准确拟合的问题.此外，由于视分裂时间自身常带有较高的标准差(0.05～0.5 s不等)，在第二次网格搜索中误差自身会进一步放大，综上考虑，此方法对于分裂时间的精度不高，对于快波方向的反演较为可靠.综上，在利用双层模型分析各层位置及厚度时需结合其他方法得到的结论共同推断.由拟合的过程和图像的规律可知，方位角分布尽可能密集，尤其在突变的区域数据充足可以增加反演结果的可靠性.

4 区域性各向异性特征

银川地堑里的LWU、TLE和YCH三个台站都展现了比较一致的双层各向异性形态，虽然TXN台站因有效数据量少而无法提取双层信息，但考虑到这几个台都位于银川地堑里，结合南部的海原断裂带展现出的各向异性特征，可以综合计算LWU、TLE、YCH和TXN四个台站的XKS分裂数据(图9)，探讨银川地堑的各向异性分层模型.

同理，海原断裂带附近的XSH、HYU和GYU三个台站也展现了较为一致的双层各向异性形态，综合计算三个台站的XKS分裂数据，可用于分析海原断裂带及附近区域的各向异性分层形态(图10)，探讨海原断裂带的区域各向异性分层模型.根据区域XKS参数分布特点，获得了海原断裂带和银川地堑的双层XKS分裂参数区域分布(表3)，结合整个研究区的各向异性空间分布和分层模型，可进而分析深部地壳上地幔物质的运动形态.

表3 海原断裂和银川地堑的双层各向异性XKS参数Table 3 Two-layer anisotropic XKS parameters beneath Haiyuan Fault and Yinchuan Garben

4.1 银川地堑

银川地堑XKS分裂数据的拟合结果显示，银川地堑下方有明显的双层各向异性形态(图9).计算结果表明，银川地堑的上层快波方向为74°、分裂时间0.3 s，下层快波方向为11°、分裂时间1.1 s(图11).

图7 台站XKS分裂参数的区域分布 图中的线段方向代表XKS快波方向，线段长度代表分裂时间.红色线段表示单层各向异性或双层各向异性的下层，蓝色线段 表示双层各向异性的上层.Fig.7 Regional distribution of XKS splitting parameters The directions of short straight lines indicate the fast wave direction, and the line lengths indicate the splitting time (i.e. delay-time). The red lines mean the single layer anisotropy or lower layer of two-layer anisotropy, and the blue lines mean the upper layer of two-layer anisotropy.

接收函数的研究显示，银川地堑的地壳厚度约在40～48 km(谢晓峰等，2010；Wang et al., 2016；刘保金等，2017)，而研究区附近地区上地壳的分裂时间(即慢S波时间延迟)大致为1.6～5.9 ms·km-1(郭桂红等，2015；太龄雪和高原，2017；许英才等，2019；Shi et al., 2020)，如果外推到整个地壳，该地区地壳能产生的分裂时间大约是0.06～0.28 s，稍小于本文得到的上层各向异性介质0.3 s的分裂时间，原因可能是上地壳各向异性参数对应相对更高频率的信号，反映脆性岩石的裂隙各向异性，与远震体波更低频率的结构排列或变形特征不同.此外，由于双层模型拟合时网格搜索的步长为0.1 s，影响分裂时间的计算.综上，本研究推测0.3 s分裂时间的各向异性上层可能反映的是地壳介质的性质.下层各向异性分裂时间为1.1 s，主要反映的是上地幔的各向异性，根据上地幔介质分裂时间1 s大约对应115 km的厚度(Silver and Chan, 1991；郑斯华和高原，1994；McNamara et al.，1994)，对应银川地堑下方的下层各向异性的厚度则约为126 km.

研究表明，中上地壳介质各向异性受到局部构造(如断裂、结构)和应力诱发的介质变形(包括定向排列的裂隙结构)的控制(Gao et al., 2011；Shi et al., 2020；高原等，2020)，而整个地壳的介质各向异性，其下地壳的介质变形、晶体排列或物质流动可能会产生重要影响(Savage, 1999；Wang et al., 2016).

图8 双层各向异性参数变化对于视快波方向与视分裂时间的影响 (a) 视分裂时间参数曲线； (b) 视快波方向参数曲线.红色曲线对应下层快波方向20°、分裂时间0.5 s，上层快波方向80°、分裂时间1.0 s；蓝色曲线对应快波方向增大20%，绿色曲线对应分裂时间增大20%.可以看到分裂时间同时增大或者减小对于视快波方向以及分裂时间 几乎没有影响.Fig.8 Influence of the anisotropic parameters on the apparent fast wave direction and the apparent splitting time The left is the curve of apparent splitting time, and the right is the curve of apparent fast wave direction. The red line stands for the model, the lower layer parameters, the fast wave direction 20° and the splitting time 0.5 s; the upper layer parameters, the fast wave direction 80° and the split time 1.0 s. The blue line stands for the model with increasing 20% in the fast wave direction, and the green line stands for the model with increasing 20% in the splitting time. It can be seen that the simultaneous increase or decrease of the splitting time results in little variation on both the apparent fast wave direction and the apparent splitting time.

图9 银川地堑下方的双层模型拟合图 SZS、TLE、LWU、TXN等4个台站XKS数据的综合拟合结果.(a)和(b)的含义同图6(a，b).Fig.9 Two-layer model under Yinchuan Graben Comprehensive fitting results of XKS data from stations SZS, TLE, LWU and TXN. The meanings of (a) and (b) are same as (a) and (b) in Fig.6, respectively.

图10 海原断裂下方的双层模型拟合图 XSH、HYU、GYU等3个台站XKS数据的综合拟合结果. (a)和(b)的含义同图9.Fig.10 Two-layer model under Haiyuan Fault Comprehensive fitting results of XKS data from stations XSH, HYU and GYU. The meanings of (a) and (b) are same as in Fig.9.

银川地堑4个台站的综合数据显示，该区域上层各向异性快波方向为74°.YCH台位于银川地堑西侧贺兰山东麓断裂南部，走向N-S，银川地堑东侧的黄河断裂走向N-S(图1).根据该地区近场剪切波分裂的研究(许英才等，2019；Shi et al., 2020；张晖等，2020)，银川地堑的主应力方向是NE-SW，区域内各台站的快剪切波偏振方向与应力或构造相关，但与本研究的结果有明显差异.背景噪声成像的结果显示(王琼和高原，2018)，TLE和LWU台站所在区域的下方8～25 s的方位各向异性快轴方向随深度发生变化，从NE转变为NNW向.产生差异的原因可能是近场剪切波分裂使用的地震震源深度集中于5～15 km，不能反映中下地壳(15 km深度以下)的各向异性.这些结果进一步表明，近场记录的上地壳各向异性与远场记录的全地壳各向异性，在形态上和机制上都有不同.

图11 青藏高原东北缘XKS分裂分布图 (海原断裂和银川地堑呈现出双层各向异性) 红色以及蓝色线段的意义同图7.绿色阴影区标示出双层各向异性区域，红色虚线表示海原断裂和银川地堑之间区域的下层快波方向的推测结果.紫色线段为他人的XKS结果(王琼等，2013；常利军等，2008，2011)，黄色线段为Ps接收函数各向异性结果(Wang et al., 2016; 谢振新等，2017).HYF为海原断裂， YG为银川地堑.图中白色方框是图12的模型范围.Fig.11 XKS distribution on the northeast margin of Tibetan Plateau Block (Haiyuan Fault and Yinchuan Graben show two-layer anisotropy) The red and blue short lines are same meanings as in Fig.7. The green shaded indicates the two-layer anisotropy area, and the dotted red line indicates the predicted fast wave direction in the lower layer in the area between Haiyuan fault and Yinchuan graben. The purple short lines are the XKS results (from Wang et al., 2013; Chang et al., 2008; 2011), the yellow short lines are the anisotropic parameters of Ps receiver functions (from Wang et al., 2016; Xie et al., 2017). HYF means Haiyuan fault and YG means Yinchuan graben.

银川地堑下方的下层各向异性快波方向为11°，可能揭示了上地幔物质的流动方向为NNE(接近N-S)方向.采用SKS分裂得到的单层各向异性结果，该地区上地幔各向异性快波方向为NW(马禾青等，2010；常利军等，2011；胡亚轩等，2011)，与本研究的结果不同，主要原因是分别采用了单层或双层模型.背景噪声反演成像结果也显示，方位各向异性快轴方向在上地幔的深度为近N-S，与本次研究的结果接近(王琼和高原，2018).远震体波接收函数的研究认为存在物质从海原断裂处流出，遇到鄂尔多斯地块的阻挡向近N-S方向流动(童蔚蔚等，2007)，影响深度达300 km.

4.2 海原断裂

海原断裂带附近台站的XKS分裂数据拟合结果显示，海原断裂带下方的地壳和上地幔呈现明显的双层各向异性形态(图10)，得到双层各向异性的参数为：上层快波方向133°、分裂时间1.5 s，下层快波方向为57°、分裂时间0.7 s(图11).

根据反演的分裂时间估算各向异性层的厚度可推测各层的可能深度位置.由于海原断裂带区域的地壳厚度大致为46～65 km(Li et al., 2006；Pan and Niu, 2011；Wang et al., 2016；童蔚蔚等，2007)，结合上地壳近场地震记录得到的分裂时间分布范围(张辉等，2012；郭桂红等，2015；太龄雪和高原，2017；许英才等，2019；Shi et al., 2020)，整个地壳能产生的分裂时间不超过0.3 s.虽然这样外推是有问题的，但可用于进行定性比较.接收函数得到的青藏东北缘地壳Pms的分裂时间约为0.4～1.0 s(Wang et al., 2016)，这都与1.5 s的上层分裂时间相差很大.因此，我们推测海原断裂带下方的上层各向异性可能超越了地壳，还包括了上地幔的一部分.由此推论，下层各向异性由更深范围的上地幔物质产生.有研究认为，上地幔的成分为70%左右的橄榄岩，其余成分以二氧化硅为主，1 s分裂时间大致对应上地幔各向异性层厚度约110～115 km(Silver and Chan, 1991；郑斯华和高原，1994；McNamara et al., 1994；Vinnik et al., 2014).由此推算，海原断裂带下方的上层各向异性厚度约170 km，下层的厚度约80 km.两层各向异性的合计厚度达到了250 km，暗示各向异性层似乎深至软流圈.但是，由于海原断裂在地壳里是构造诱发的强各向异性，上层的实际厚度应明显小于170 km.此外，如前所述，本研究采用的拟合技术对分裂时间约束不强，因此本研究估算的深度范围只能作为定性参考.

在海原断裂带所在区域下方，背景噪声的瑞利波成像显示大约在下地壳范围，方位各向异性的快轴方向基本平行于断裂带的走向，约在上地幔顶部其方位各向异性的快轴方向转向NE，但各向异性相对较弱(王琼和高原，2018).远震体波接收函数研究得到该区域地壳厚度为51.5 km，认为在这附近介质的泊松比发生变化，推测为花岗岩熔融所致(童蔚蔚等，2007).在海原断裂附近，近场地震记录的上地壳各向异性显示快剪切波偏振优势方向为WNW-NW(张辉等，2012；太龄雪和高原，2017；许英才等，2019；Shi et al., 2020)，与接收函数揭示的全地壳各向异性特征一致(Wang et al., 2016；谢振新等，2017)，也与本研究得到的上层快波方向基本一致.XKS分裂得到的单层各向异性快波方向也为NW-WNW，被认为是该地区的上地幔各向异性特征(常利军等，2011, 2016；胡亚轩等，2011；王琼等，2013；张洪双等，2013).在海原断裂西南方向附近，也发现存在各向异性分层现象，上、下层的快波方向与本研究在海原断裂下方发现的不同，但与本研究得到的BYT台站的结果一致.这些研究证实海原断裂带附近的地壳各向异性受到了断裂的控制(Shi et al., 2020).从海原断裂带到银川地堑，根据得到的分层各向异性结果，建立了区域双层各向异性模型(图12)，清楚地指示了上层各向异性主要在地壳范围.虽然海原断裂带下方可能进入到上地幔范围，产生各向异性的主要机制是结构各向异性(虽然上地壳可能是应力变形各向异性)，而下层各向异性主要在上地幔范围，产生各向异性的主要机制为上地幔物质的流动.

图12 海原断裂到银川地堑各向异性模型示意图 地表的黑色粗线为板块边界，海原断裂用白色表示.深蓝色线段表示上层各向异性，红色线段表示下层各向异性， 红色箭头指示地幔物质运动的方向.Fig.12 The Anisotropic model beneath Yinchuan Graben and Haiyuan Fault The thick black lines on the surface are the plate boundaries. The Haiyuan Fault is shown in white. The dark blue lines represent the upper anisotropy, the red lines show the lower anisotropy, and the red arrow indicates the direction of the mantle material movement.

本研究得到的各向异性结果与其他研究者的结果有些不同，其主要原因可能是数据拟合技术的差异.例如，Li 等 (2011)研究中采用数据处理的频率固定为0.125 Hz，而本研究采用的数据处理频率不固定，按震相信号的优势频率而变；两个研究的搜索网格划分也存在差异.此外，地震数据的数量以及地震事件的方位角分布差异，都会影响反演结果.

5 讨论与结论

本文使用甘肃、宁夏境内的15个台站的远震记录，对青藏东北缘的地壳-上地幔各向异性及分层特性进行了研究.利用远震XKS震相进行剪切波分裂分析，获得了青藏东北缘地区XKS分裂的快S波方向和分裂时间参数.对于台站的快波方向和分裂时间随方位角变化采用双层模型反演，可以获得双层各向异性参数，在银川地堑以及海原断裂带附近区域均发现分层各向异性的现象.通过对位于相同构造单元内具有相似XKS分裂特征的数据进行分组综合分析，获得了海原断裂邻近区域和银川地堑区域的双层各向异性拟合结果.

海原断裂区域下方，上层快波方向呈NW方向，大致平行海原断裂走向，与近场S波优势快波方向及主压应力方向一致.分裂时间为1.5 s，较大的分裂时间显示出各向异性的主要成因是结构各向异性，受到切穿地壳的海原断裂的影响.下层快波方向为NE偏NEE方向，分裂时间为0.7 s，揭示下层各向异性厚度可能小于上层，推测为上地幔介质的流动或橄榄岩晶格的优势排列所致.

银川地堑区域下方，上层快波方向为NEE，与区域现今主应力方向不同，反映了复杂的区域地壳结构，结合银川地堑近E-W方向的拉张构造，推测为上地幔软弱物质挤入地壳所致(黄兴富等，2016)；而分裂时间为0.3 s，则表明上层各向异性局限在地壳范围.下层快波方向为近N-S偏NNE方向，分裂时间1.1 s，揭示下层各向异性厚度远大于上层.

根据青藏东北缘XKS分裂展示的各向异性分布图像，结合海原断裂以及银川地堑下方的快波方向变化和分层特征，推测青藏东北缘存在上地幔物质大致向NE方向流动，经过海原断裂下方，遇到鄂尔多斯块体的阻挡，逐渐转向NNE，并以近N-S向继续流动至银川地堑下方(图12).由于观测数据的不足，对于该地区是否同时存在着下地壳流以及垂直连贯的共同作用，以及分层各向异性分布的细节和准确度仍然不足，最近全波形反演技术的进步(Zhang et al., 2021)，可能给各向异性的三维准确成像带来突破.关键构造区的各向异性分层问题，还需要更进一步的研究.

致谢本研究使用了Stephan Gao和Kelly Liu教授提供的XKS计算及分层拟合程序，石玉涛博士在数据筛选和成图方面提供了帮助.中国地震局地震预测研究所计算中心和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了远震波形数据.评审专家对本文提出了评审意见和建议.在此一并致谢.