鄂爾多斯塊體北緣呼包鄂地區 巖石圈各向異性初步研究

尹戰軍張建中張永剛

1）中國呼和浩特010010 內蒙古自治區地震局

2）中國哈爾濱150090 黑龍江地震局

0 引言

地球各向異性研究多以地震學研究為主。地震各向異性是地球內部介質的普遍地球物理現象，是進行地球深部結構、介質特性和應力環境等研究的重要手段之一，對了解板塊運動、地幔對流方向、巖石熱狀態、應力場分布具有重要意義。其研究主體已從大洋向大陸延伸，由上地幔向地殼發展，如：20 世紀50 年代，Anderson（1961）系統研究了地球各向異性介質中地震面波的傳播規律；60 年代，Hess（1964）發現太平洋中脊存在方位各向異性，為大洋中脊擴張學說提供了重要的地球物理證據；張中杰（2002）指出，20 世紀80 年代Crampin 發現橫波分裂現象以來，地震各向異性研究已成為理論地震學、勘探地震學、地球動力學以及地震災害監測等研究的焦點；王良書等（2005）提出，地震波各向異性為動力地球作用過程研究提供了一種嶄新手段；常利軍等（2012）提出，地震各向異性是一種測量地殼或上地幔變形的有效方法，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。

中國地區地下介質各向異性研究始于20 世紀90 年代，如：宋仲和等（1991）通過對覆蓋中國的358 條勒夫面波路徑資料進行面波各向異性研究，表明青藏高原、天山及印支板塊北緣下介質存在明顯的各向異性，以構造邊緣地區及上地幔低速層附近最為突出；鄭斯華等（1994）研究了中國數字地震臺網寬頻帶SKS 震相記錄的剪切波分裂現象，確定了快速S 波的振動方向和慢速S 波的時間延遲，并分析了S 波分裂的主要原因；李白基等（1995）利用Pn 波速的方位測量法與S 波分裂法，研究了昆明地區上地幔各向異性；丁志峰等（1996）利用分布在青藏公路沿線和青藏高原東部地區11 個寬頻帶數字臨時地震臺站記錄的高質量遠震數據，在多數臺站觀測到SKS 波分裂現象；常利軍等（2008）等用S 波分裂方法，分別研究了中國大陸及青藏高原、云南等地區上地幔各向異性；顧勤平等（2010）介紹了國外專家利用瑞雷波研究各向異性，并給出瑞雷波和勒夫波在不同周期的方位各向異性分布圖像；胡亞軒（2011）等使用遠震SKS 波形資料，采用最小切向能量法進行偏振分析，獲得鄂爾多斯塊體及其周緣上地幔各向異性圖像；張暉等（2020）對內蒙古呼和浩特地震臺單臺記錄的遠震震相（SKS、SKKS、SS），運用旋轉相關法和最小能量法進行綜合分析，取得較高質量的SKS 分裂結果，發現呼和浩特地區SKS 波分裂主要反映了上地幔介質的各向異性；許英才等（2019）利用鄂爾多斯塊體西緣固定地震臺網2010 年6 月至2017 年8 月記錄的近場地震資料，使用剪切波分裂方法，研究了該區地殼（即銀川地塹到海原斷裂帶）介質的各向異性。

為深入了解呼和浩特、包頭、鄂爾多斯等地區（下文簡稱呼包鄂地區）地下更深區域的介質特性，利用內蒙古自治區地震監測中心測震臺網覆蓋該區的11 個國家數字地震臺甚寬頻帶數字記錄，及39 個區域數字地震臺寬頻帶數字化記錄，在前人研究基礎上，利用地震波各向異性研究方法，分析該區巖石圈各向異性特征，以對內蒙古自治區“金三角”地區地下更深層介質的各向異性特征展開研究，探索并初步了解該區巖石圈和地幔活動的動力機制。

1 構造背景及資料選取

鄂爾多斯塊體北緣地處華北塊體、東北亞塊體等一級地塊交界，主要指內蒙古中西部地區，包括呼包鄂區域（圖1）。該地區地質構造復雜，新構造運動活躍，存在強震發生背景，形成了陰山地震帶（簡稱陰山帶），歷來是地震地質學家研究的熱點地區。

圖1 研究區構造背景和臺站分布Fig.1 Tectonic map of the study region and the locations of stations

1.1 研究區域構造背景

呼包鄂地區地處鄂爾多斯塊體北緣，區內主要分布包頭斷裂、鄂爾多斯北緣斷裂、大青山山前斷裂3 條斷裂。包頭斷裂為前第四紀斷裂，位于陰山山脈大青山段南麓，在地質構造上，位于華北板塊北部的陰山巨型緯向構造帶中段的大青山隆起邊緣，周圍的基本構造格架由陰山隆起、河套斷陷構成。鄂爾多斯北緣斷裂為左旋走滑正斷裂，位于華北地臺北部鄂爾多斯地臺東北部，周邊基本構造格架由河套斷裂、鄂爾多斯隆起、呂梁隆起構成。該區域斷裂構造發育，烏拉山山前斷裂、大青山山前斷裂活動時代新，幅度大，是鄂爾多斯周緣垂直差異運動強烈的斷裂構造之一。大青山山前斷裂帶是呼包斷陷北邊界斷裂，形成于燕山早期，具有南降北升垂直差異運動的活動特點，即北側大青山相對抬升，呼和盆地不斷沉降。

呼包鄂地區近代地震活動水平較高，附近及外圍曾發生多次中強地震，是內蒙古自治區地震重點監視區，研究該區巖石圈介質各向異性具有現實意義。

1.2 資料選取

為了深入研究呼包鄂區域地下更深層介質是否存在各向異性，選取包圍研究區域的11 個固定地震臺（內蒙古地震臺網所屬，圖1）的寬頻帶地震計記錄，從中截取2007—2013年震中距在85°—110°范圍內、MW＞6.0 的遠震事件記錄，得到156 個遠震事件的數據，事件方位分布均滿足研究要求。地震分布見圖2。

圖2 選用的地震事件震中分布Fig.2 Distribution of the selected earthquakes

使用剪切波分裂軟件（Splitlab），運用其中提供的旋轉相關法（簡稱RC 法）和最小能量法（簡稱SC 法），測量并給出各地震臺站記錄的遠震事件SKS 波分裂參數。通過對所選11個地震臺站記錄的遠震事件SKS 波分裂參數的綜合分析，推斷研究區域地下介質的各向異性。

2 處理方法

對于選取的遠震波形，使用剪切波分裂軟件（Splitlab），運用RC 法和SC 法，經濾波、波列分量旋轉、高信噪比記錄篩選、分析時間窗合理選擇、SKS 波分裂結果質量評定、誤差估計，測量SKS 波分裂參數，包括快波偏振方向（φ）、快波偏振方向相應誤差（Eφ）、快波和慢波的時間延遲（δt）及相應誤差（Eδt）。為提高遠震記錄中SKS 震相識別度，在計算各向異性參數前，對波形數據進行帶通濾波處理，一般選擇0.02—1 Hz 的高斯濾波器。對每個震中在85°— 110°的遠震記錄的SKS 震相進行偏振分析，求取各向異性參數對（φ，δt）（通常用于描述上地幔各向異性），其中φ表示快波偏振方向，δt表示快、慢波到時差。

在使用RC 法和SC 法分析處理遠震數據的同時，鑒別某些可靠、有效的SKS 波分裂結果。SKS 波在介質中進行傳播，進入各向異性介質層前，切向能量為零，進入各向異性介質時，分裂成一對偏振方向正交的快、慢波。快、慢波先后到達地震臺站，出現到時差，記為δt，且快波具有偏振方向，記為φ。找到某對值（φ，δt），對觀測記錄進行校正，使切向能量E(φ，δt)最小，則可推斷介質的各向異性參數。計算SKS 波分裂參數均值時，只使用質量一般或較優的有效分裂結果，且以最小能量法測量所得結果為準。以包頭臺（BTO）記錄的湯加事件為例，進行SKS 震相偏振分析，分裂結果詳見圖3。

圖3 采用Splitlab 軟件得到的可信分裂結果(a)利用旋轉相關法得到的歸一化快慢波波形對比；(b)利用旋轉相關法得到的徑向分量(R)與切向分量(T)的波形對比；(c)利用旋轉相關法分析前后的水平質點運動圖對比；(d)互相關系數關于快軸方向與走時差的分布；(e)利用最小能量法得到的歸一化快慢波波形對比；(f)利用最小能量法得到的徑向分量(R)與切向分量(T)的波形對比；(g)利用最小能量法分析前后的水平質點運動圖對比；(h)切向分量能量關于快軸方向與走時差的分布Fig.3 Credible results got by Splitlab

3 計算結果

根據上述方法，對研究區域各臺站記錄數據逐一計算，得到11 個地震臺站下方介質的各向異性參數，結果見表1，其中φ和Eφ為快波偏振方向及相應誤差，δt和Eδt為快、慢波的時間延遲及相應誤差。各臺站SKS 波分裂結果見圖4。根據統計，11 個地震臺符合要求的記錄數不多，包頭臺滿足要求的記錄數最多，但僅6 條，而其他臺站多為2—3 條（表1），樣本量有所欠缺，但為了對研究區域形成包圍，計算結果要反映研究區域的各向異性，必須使用11 個臺站的少量有效數據記錄，否則可用于計算的樣本量更少。

圖4 呼包鄂地區11 個寬頻帶地震臺SKS 波分裂結果Fig.4 Resultsof SKS splitting of 11 broadband stations in Hohhot -Baotou -Ordos region

表1 呼包鄂地區各臺站SKS 波分裂參數Table 1 SKS wave splitting parameters of stations in Hohhot -Baotou -Ordos region

據表1，參閱每個臺站SKS 波的分裂參數φ（快波偏振方向）值，綜合發現，11 個臺站φ值集中分布在78.9°—108.5°范圍內，可知其SKS 波分裂參數快波偏振方向φ具有區域性分布特點。由圖4 所示每個臺站的SKS 波分裂結果可知，11 個臺站的快波偏振優勢方向集中表現為ESE 向（以正北方向順時針旋轉為正）。綜合圖4 和表1，可知：該研究區域快波偏振方向主要集中在78.9°—108.5°范圍內，優勢方向為ESE 向；快、慢波時間延遲0.87—1.74 s，平均約1.26 s。

4 討論與結論

McNamara 等（1994）認為，上地幔各向異性一般是由于形變導致地幔橄欖巖中的晶格優勢排列引起的，快波偏振方向反映了地幔變形的方向，快、慢波的時間延遲則反映了地幔變形的強度。上地幔各向異性不僅受到來自軟流圈地幔流的影響，也受到巖石圈板塊驅動的影響。上地幔各向異性反映了大陸巖石層在過去和現在的構造運動中產生的內部變形，根據上地幔中橄欖石和其他礦物的含量及實驗室測量結果，推算得出：快、慢波到時差1 s，相當于波在層厚115 km 的各向異性層中傳播。基于此理論，根據上文得出的呼包鄂地區SKS 波分裂結果：該地區慢波延遲時間為0.87—1.74 s，估算呼包鄂地區各向異性層厚度在100—200 km，平均層厚約145 km。呼包鄂地區各向異性層厚度變化較大，說明該區巖石圈包括上地幔頂層變形存在橫向不均勻性，具有各向異性特征。

彭艷菊等（2007）利用Love 波和Rayleigh 波得到S 波速度結構差值，對中國大陸及鄰區海域地殼上地幔中2 種波的偏振各向異性進行分析，表明：在大陸地區，地下介質的各向異性強度隨深度增加具有顯著變化，上地殼和上地幔蓋層中介質的各向異性普遍較弱。易桂喜等（2010）利用Rayleigh 波傳播方位的各向異性研究中國大陸巖石圈形變特征，表明：104°E 以東地區地殼上地幔各向異性較西部地區弱，說明其構造變形總體弱于西部地區。常利軍等（2008）研究發現，快波偏振方向有可能指示了中生代以前最后一次大規模構造運動造成的巖石圈地幔變形。而本研究給出的結果表明，這種弱各向異性較大可能受到遺留在古老克拉通的厚巖石圈內“化石”各向異性的影響。高原等（2010）采用首都圈地震臺網、國家地震臺網、IRIS 臺站記錄，參考華北流動地震臺陣部分臺站資料，進行地震各向異性分析，得到華北地區穿透殼幔的SKS 波分裂的快剪切波偏振方向在NE110.2°±15.8°。在本研究中，呼包鄂地區快波偏振方向主要集中在78.9°—108.5°范圍內，其優勢方向為ESE向，與高原等（2010）的結論有一定一致性，2 個研究結論的共性部分，從另一個側面反映了華北地區上地幔巖石圈具有的不變總體穩定性。

本研究區域作為印度板塊碰撞和太平洋板塊俯沖的遠程效應的交匯部位，也受到巖石圈塊體推擠和軟流圈物質運動的共同作用，而且軟流圈物質的水平拖曳和垂向熱侵蝕均可對斷陷盆地的運動特征產生影響。在鄂爾多斯北緣，水平運動有助于盆地的剪切走滑，而垂向運動對盆地的拉張伸展影響可能較弱，與呼包凹陷盆地左旋走滑的運動特征有較好的對應。石云等（2017）研究發現：軟流圈物質運動對巖石圈底面和地殼的摩擦拖曳力，軟流圈物質上涌引起的淺部拉張應力，板塊間相互作用的區域拉張應力等，多種作用力相互疊加，共同構成了斷陷盆地形成和發展的動力來源。張暉等（2020）對鄂爾多斯塊體北緣與西緣地區地殼介質的地震各向異性進行研究，使用內蒙古自治區數字測震臺網區域小地震波形記錄，采用SAM 方法，分析地殼剪切波分裂特征，得出研究區域剪切波快波平均偏振方向為NE44.4°±38.4°，而本研究中快波偏振方向主要集中在78.9°—108.5°范圍內，二者有重合處，證明研究結果存在一致性，也說明了該研究區域地下深層介質各向異性來源的復雜性。

對呼包鄂地區11 個地震臺站得到的各向異性分裂結果進行綜合分析，認為：該區各向異性快波偏振方向呈ESE 向，快、慢波時間延遲范圍在0.87—1.74 s，推測的各向異性層厚度范圍為100—200 km，平均層厚145 km；本研究區域是呼包凹陷盆地和鄂爾多斯盆地的綜合體，鄂爾多斯盆地弱各向異性存在的根本原因是上地幔板塊之間運動的相互約束，而呼包凹陷盆地的各向異性發源于軟流圈物質的水平拖曳和垂向熱侵蝕。

5 結束語

由于本研究區域大部分地震臺站的有效記錄數據量較少，受臺站密度和分布位置所限，未密集覆蓋研究區，且波形數據質量理論信噪不高。基于此，在探索呼包鄂地區地下巖石圈更深區域的介質各向異性及動力機制的條件稍欠成熟，后續研究尚需更多有效資料的再加入及再驗證。

審稿專家在稿件審核過程中提出合理化修改意見，并反復認真審閱批注文章，在此對審稿專家的辛勤工作表示真摯的謝意。