通過橫波分裂測量來分析華北克拉通上地幔各向異性

常利軍 王椿鏞 丁志峰

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

古老克拉通是地球上相對穩定的構造單元，通常具有密度和熱流值低、剛性的特點，多具有>200 km的巨厚巖石圈根。然而，華北克拉通是個例外。相對于世界上其他克拉通，華北克拉通具有獨特的殼幔結構。基于巖石組成、構造樣式、地球化學特征、同位素年齡及變質作用P-T演化方面的差異，華北克拉通分為西部陸塊、東部陸塊和中部帶。西部陸塊也叫鄂爾多斯塊體，具有厚的穩定的克拉通型的巖石圈根；相對于長期構造穩定的西部陸塊，東部陸塊自中生代以來遭受了強烈的改造，發生了大規模的構造變形、巖漿活動和盆地形成，致使其原有的克拉通結構和性質遭到明顯的破壞，巖石圈厚度從太古代或原生代的>200 km減小到目前的-80 km；中部帶是西部陸塊和東部陸塊的碰撞造山帶，其東邊界接近南北重力梯度帶。一些研究通過對比南北重力梯度帶兩側的地殼厚度、地形高度、重力異常、巖石組成認為南北重力梯度帶是中生代-新生代華北克拉通減薄的最西界線。然而，中生代-新生代火山活動研究表明中部帶也遭受了破壞。有關華北克拉通破壞的時間演化和空間分布一直受到廣泛的關注。諸如克拉通下的上地幔變形和與板塊運動有關的軟流圈地漫流等基本特征對理解華北克拉通的演化具有重要的意義。

地震各向異性是一種測量地殼和上地幔變形的有效方法。上地幔各向異性一般被認為是由于形變導致地幔橄欖巖中的晶格優勢排列引起的，反映了過去和現在的構造運動產生的大陸下巖石層中的內部變形，因此通過各向異性的研究可以推測地球內部物質運動模式。橫波分裂現象是各向異性在地震波形記錄中最明顯的表現形式。快波偏振方向和快、慢波的時間延遲這兩個分裂參數分別反映了地幔變形的方向和強度。因此，各向異性研究不僅可以用來分析板內變形特征，而且可以用來探測與板塊運動有關的巖石圈或軟流圈變形模式。華北地震科學臺陣項目的實施，使得華北地區形成了稠密和分布均勻的地震觀測網絡，并獲得大量高質量的寬頻帶數字地震記錄，使我們能夠深入分析華北上地幔各向異性特征和進行動力學研究。

本文對華北地震科學臺陣和研究區內區域地震臺網的寬頻帶臺站記錄作遠震SKS（SKKS）波形資料偏振分析，采用最小切向能量的網格搜索和疊加分析求得每一個臺站的快波偏振方向和快、慢波的延遲時間，獲得華北克拉通上地幔各向異性圖像。“疊加”分析是提高臺站SKS波分裂測量質量的有效方法，對于干擾背景較大的臺站，效果尤為明顯。從得到結果整體看，根據快波方向趨勢的分布，研究區基本可劃分為兩個部分，即華北東部和華北西部。按照快波方向趨勢分布劃分的華北西部主要位于研究區華北克拉通西部陸塊的南部，而華北東部包括研究區華北克拉通的東部陸塊、中部陸塊和西部陸塊的北部。華北東部的快波方向趨勢為NWW-SEE，而在華北西部快波方向轉為NW-SE方向和NNW-SSE方向。快、慢波時間延遲范圍是0.50～1.47 s。華北西部的各向異性參數平均值為（153°±12°，0.75±0.17 s），華北東部的各向異性參數平均值為（107°±9°，0.98±0.19 s）。整體上，華北西部的快、慢波時間延遲小于華北東部。在華北東部，快波方向與APM方向基本一致，預示了NWW向的軟流圈地幔流是引起該區域上地幔各向異性的主要原因，它使得上地幔橄欖巖等晶體的晶格優勢取向沿地幔物質流動方向，從而導致了NWW趨向的快波方向。華北東部的中部帶與東部陸塊的各向異性特征相同，支持了中部帶在中生代和新生帶也經歷了巖石圈的活化過程，巖石圈遭到了破壞。然而，在穩定的西部，快波方向既不與絕對板塊運動方向一致，也不與構造走向一致，這種弱各向異性很可能是遺留在古老克拉通的厚的巖石圈內的“化石”各向異性。