李永東，鄭 勇，熊 熊，胡祥云

1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074

2大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，武漢 430077

1 引 言

大陸巖石圈的流變結(jié)構(gòu)和力學(xué)強(qiáng)度控制著巖石圈對(duì)地質(zhì)時(shí)間尺度載荷的響應(yīng)和大陸板塊的演化過程及空間構(gòu)型，是大陸動(dòng)力學(xué)研究的核心內(nèi)容之一［1－2］.通常，它由基于撓曲均衡下彈性薄板模型的撓曲剛度來(lái)描述［3］.為直觀起見，我們通常將其等價(jià)于巖石圈有效彈性厚度（Te），其物理意義是，設(shè)想一上覆于軟流圈流體上的彈性薄板在相同載荷作用下產(chǎn)生與真實(shí)巖石圈相同的響應(yīng)彎曲，則彈性板的厚度稱之為巖石圈的有效彈性厚度Te［1］.因此，Te并不是一個(gè)物理結(jié)構(gòu)上客觀存在的量，但是，它表征了巖石圈在載荷作用下抵抗變形的能力［2］.此外，由于Te在數(shù)值上等于分層巖石圈屈服強(qiáng)度包絡(luò)面的積分［4］，因此，Te為巖石圈流變性的確定提供了一個(gè)非常有價(jià)值的約束［5］.

重力和地形是研究巖石圈Te的主要信息源，以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，很多學(xué)者提出了不同的方法研究巖石圈Te［1，6－13］，如正演法、均衡響應(yīng)函數(shù) 法等.一些學(xué)者還提出了新的方法［14－21］以提高Te的空間分辨率.這些理論和方法的研究，為定量獲取巖石圈強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ).

青藏高原及其周緣地區(qū)是全球最活躍的碰撞造山帶，對(duì)研究大陸巖石圈動(dòng)力學(xué)和板內(nèi)動(dòng)力學(xué)具有重要的科學(xué)意義.Lyon－Caen和 Molnar［22－23］基于一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性板模型，采用正演模擬方法計(jì)算了喜馬拉雅和昆侖山地區(qū)巖石圈 Te.Caporali［24－26］研究了穿過喀喇昆侖和西喜馬拉雅直到塔里木的剖面，通過譜分析發(fā)現(xiàn)喀喇昆侖和西喜馬拉雅的巖石圈顯著分層：弱的下地殼被強(qiáng)的上地殼和上地幔所夾持；McNutt等［27］用響應(yīng)函數(shù)法計(jì)算了帕米爾、天山等地區(qū)的巖石圈Te；Jin等得到的青藏高原中部的巖石圈Te介于40～50km，并且，地形和布格異常的相關(guān)性提供了青藏高原殼幔解耦的證據(jù)［20］；Burov和Diament［28］采用分層非線性力學(xué)參數(shù)的二維模型研究了塔里木的巖石圈Te，結(jié)果顯示地殼部分20km以下、巖石圈部分120km以下Te趨向于零；一些研究表明巖石圈Te存在顯著的側(cè)向差異.Braitenberg等［29］的研究則顯示了青藏高原各塊體Te的橫向變化；這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)中國(guó)大陸巖石圈動(dòng)力學(xué)問題起到了積極的推進(jìn)作用.但是，這些研究［21－29］均假設(shè)巖石圈強(qiáng)度或Te是各向同性的，并通過在譜域內(nèi)對(duì)方位角信息的平均而將問題簡(jiǎn)化為一維［30］.然而，新的研究表明，大陸巖石圈的強(qiáng)度或Te是各向異性的.

巖石圈Te各向異性的物理涵義是在載荷作用下巖石圈抵抗變形的能力在不同方向上的差異.由于巖石圈在構(gòu)造歷史中受到的構(gòu)造力和溫度、組分等綜合效應(yīng)會(huì)在應(yīng)力應(yīng)變積累過程中“記憶”下來(lái)，影響其晶格排列的空間取向，即晶格的排列在空間上是各向異性的［31］.微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出宏觀效應(yīng)，體現(xiàn)在地震波傳播上，沿不同晶格排列方向其速度是不一樣的，因而導(dǎo)致橫波分裂.體現(xiàn)在介質(zhì)變形的宏觀效應(yīng)上，其抵抗變形的能力沿不同方向存在差異，其結(jié)果是，在同樣載荷作用下，巖石圈的變形有優(yōu)勢(shì)取向.

Stephenson和Lambeck［32］采用正交各向異性薄板模型，在方位角平均前將導(dǎo)納因子分解為NS和EW兩個(gè)方向，發(fā)現(xiàn)顯著的各向異性.Lowry和Smith［15］用類似方法研究了美國(guó)西部，結(jié)果表明巖石圈強(qiáng)度隨方位角而變化.一些學(xué)者發(fā)展多窗口譜分析技術(shù)，并研究了不同地區(qū)的巖石圈Te，如Simons等［33］發(fā)現(xiàn)澳大利亞中部Te明顯的各向異性，NW—SE為低 Te方向［34］；Rajesh等［31］研究了東喜馬拉雅—青藏高原的巖石圈Te，結(jié)果顯示Te在南北向上強(qiáng)度最弱，僅～20km左右，較其地殼厚度小得多.并且，對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要來(lái)自上地殼，而非上地幔，表明高原殼幔形變并非直接耦合.Audet等［35］發(fā)現(xiàn)加拿大地盾Te的各向異性在短波長(zhǎng)上與地震及大地電磁各向異性有很好的相關(guān)性，表明地殼和地幔在最后一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中受到同樣的應(yīng)力場(chǎng)作用.但是，多窗口譜分析技術(shù)存在著窗口大小和分辨率相互制約的缺陷：小尺度窗口能更好地反映區(qū)域內(nèi)Te的空間變化，但不能解析轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)大于窗口尺度的厚度信息；而大尺度窗口雖然可解析更大波長(zhǎng)的信息，但不能反映區(qū)域Te的變化.Swain及其合作者［2，36－39］發(fā)展了一套基于小波變換的譜分析技術(shù)，由于小波系數(shù)同時(shí)是波數(shù)和空間坐標(biāo)的函數(shù)，因此能夠同時(shí)解析空間和頻率的信息，克服了多窗口譜方法的缺陷.同時(shí)，由于這種小波變換具有放大和縮小的能力，因此，可以在任意數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行譜分析，獲得不同空間尺度的Te分布［2］.采用構(gòu)建的Fan小波，Kirby和Swain［37］計(jì)算了澳大利亞巖石圈Te的各向異性分布，發(fā)現(xiàn)Te各向異性和75～175km深度上的地震SV波各向異性有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明前寒武時(shí)期，地震波速各向異性和巖石圈Te的各向異性是同源的.而在克拉通區(qū)域，地殼和地幔強(qiáng)烈耦合，巖石圈的強(qiáng)度主要集中在上地幔.

青藏高原東北部夾持于青藏高原羌塘地塊、塔里木盆地、祁連—西秦嶺造山帶和龍門山造山帶之間，是不同構(gòu)造類型塊體俯沖、碰撞及陸內(nèi)匯聚的結(jié)合部，記錄了青藏高原多個(gè)構(gòu)造塊體匯聚拼貼的歷史以及新生代以來(lái)陸陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)，研究該區(qū)巖石圈強(qiáng)度有助于我們深入認(rèn)識(shí)青藏高原乃至中國(guó)大陸的深部結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)過程.青藏高原東北部巖石圈運(yùn)動(dòng)變形顯示出強(qiáng)烈的空間差異和各向異性，地震學(xué)研究清晰地揭示了青藏高原東北部廣泛存在地震波及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各向異性［40－45］，比較而言，對(duì)于該區(qū)巖石圈力學(xué)強(qiáng)度的各向異性尚未涉及.本文基于小波分析方法，通過分析重力與地形間的相關(guān)性，研究青藏高原東北部巖石圈Te及其各向異性的二維分布，以幫助我們深入了解該區(qū)巖石圈力學(xué)性質(zhì)上的各向異性，理解該區(qū)巖石圈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的空間復(fù)雜性和深部殼幔耦合等動(dòng)力學(xué)過程.

2 方法和數(shù)據(jù)

2.1 Te的計(jì)算方法

我們使用布格相關(guān)性法研究Te及其各向異性.首先，由 Fan 小 波 分 析 法［36－37，46］通 過 嚴(yán) 格 控 制Fan小波疊加的角度范圍分別求取地形和布格重力異常間的各向同性和各向異性觀測(cè)相關(guān)性.本文依照Kirby和Swain［39］只取觀測(cè)相關(guān)性的實(shí)部.各向同性預(yù)測(cè)相關(guān)性由假設(shè)內(nèi)部載荷來(lái)自Moho面起伏加載的Forsyth薄板模型計(jì)算，而各向異性預(yù)測(cè)相關(guān)性，我們采用正交各向異性薄板模型［37］解算所得.將觀測(cè)相關(guān)性和預(yù)測(cè)相關(guān)性通過最小二乘法迭代擬合［46］反演各向同性有效彈性厚度及其各向異性.

2.2 數(shù) 據(jù)

本文研究區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴瓥|北部.使用的數(shù)據(jù)包括布格重力異常和來(lái)自SRTM30＿PLUS V7.0的30″×30″地形數(shù)據(jù)（http：//topex.ucsd.edu）（圖1，圖中的構(gòu)造線引自Ji［47］）、地殼分層模型、地殼密度、地幔密度.其中布格異常是由EGM2008球諧系數(shù)模型［48］解算得到的2′×2′自由空氣重力異常，將自由空氣異常經(jīng)過布格板校正到簡(jiǎn)單布格重力異常，再使用SRTM30高程數(shù)據(jù)做局部地形改正，最后得到完全布格重力異常.反演模型中用到的地殼分層模型、地殼密度、地幔密度均由Crust2.0模型［49］計(jì)算所得.為了不損失角度信息，所有以上數(shù)據(jù)經(jīng)過插值，使用Mercator方式投影到10km×10km標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格上用于計(jì)算.

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 各向同性結(jié)果分析

3.1.1 轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)與均衡補(bǔ)償模式

本文的各向同性結(jié)果均采用10km×10km的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，通過逐點(diǎn)反演計(jì)算獲得.

圖2 沿圖1a中兩條綠線的剖線Fig.2 Cross sections along the two green lines in Fig.1 a

圖2是沿38°N，102°E兩條剖面的觀測(cè)相關(guān)性及預(yù)測(cè)相關(guān)性，觀測(cè)相關(guān)性及反演得到的預(yù)測(cè)相關(guān)性都有明顯的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，相關(guān)性由相關(guān)到不相關(guān)過渡平滑，沿剖面走向轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)橫向變化明顯，柴達(dá)木盆地近千公里，Te較大.從東西向分布來(lái)看，柴達(dá)木盆地整體上呈現(xiàn)兩側(cè)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)小、內(nèi)部波長(zhǎng)大的特點(diǎn)，特別是盆地的東緣與祁連山的交界處，實(shí)測(cè)相關(guān)性有明顯的提高，轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)很小，只有幾百公里，與祁連造山帶的相關(guān)性分布相似.這表明柴達(dá)木盆地內(nèi)部強(qiáng)度大，趨于區(qū)域補(bǔ)償；而周邊比較弱，巖石圈易于達(dá)到均衡，呈現(xiàn)局部補(bǔ)償特征.祁連山地區(qū)與鮮水河斷裂帶以及松潘—甘孜地塊的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)相近，都很小，祁連在200～300km左右，康定、鮮水河斷裂帶上的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)均在100km左右，這些區(qū)域巖石圈抗壓形變能力較弱，趨于局部補(bǔ)償.同時(shí)，102°E剖線跨過若爾蓋盆地，其呈現(xiàn)出與周邊區(qū)域明顯不同的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng).1000km波長(zhǎng)以上的相關(guān)性均趨于1，巖石圈均能達(dá)到撓曲均衡，而100km波長(zhǎng)以下的相關(guān)性均趨于0，這一尺度內(nèi)巖石圈沒有撓曲均衡響應(yīng)，內(nèi)外部的負(fù)載主要由巖石圈本身強(qiáng)度支撐.

3.1.2 各向同性Te分布與構(gòu)造的關(guān)系

我們基于各向同性Fan小波相關(guān)性分析，通過反演獲得青藏高原東北部的各向同性Te（圖3a）.整個(gè)研究區(qū)Te的分布在5～100km范圍，橫向變化明顯.主要構(gòu)造塊體的Te分布特征如下：

（1）柴達(dá)木盆地：柴達(dá)木盆地下伏有古生代地殼，為古老的克拉通塊體碎片［50］，構(gòu)造比較穩(wěn)定.Te較高，在50～90km之間.與已有的Te研究結(jié)果相比，Jordan和 Watts［50］得到的Te值為50～60km，Braitenberg等［29］給出的Te值為60～80km，均在本文結(jié)果的范圍之內(nèi)，本文結(jié)果空間變化較大，Te的分布區(qū)間較前人結(jié)果范圍更寬，究其原因可能與采用的方法有關(guān).以往的研究采用非頻譜法，其擬合誤差的極小值對(duì)應(yīng)的波峰范圍開闊平緩，即擬合誤差峰值“較淺”，并且如果沒有較好的觀測(cè)資料約束，則很難處理地下負(fù)載.另外，Braitenberg等人使用的空間域卷積方法也受到轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)的影響，高Te對(duì)應(yīng)大的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，相應(yīng)地，需要一個(gè)很寬闊的卷積核（均衡響應(yīng)函數(shù)）實(shí)現(xiàn)這些大的彎曲響應(yīng)，與這樣一個(gè)空間域?qū)掗煹暮俗骶矸e，導(dǎo)致得到的是平滑后的信號(hào)，從而降低分辨率.因此，該方法也需要最佳窗口和大的數(shù)據(jù)區(qū)域才能如實(shí)反映Te的分布特征.這些因素使得以往的結(jié)果在空間上變化較為平緩，變化的區(qū)間比較狹窄，不能很好地反映Te的空間變化.但總體而言，本文結(jié)果與前人研究一致表明柴達(dá)木盆地為剛性塊體.柴達(dá)木盆地中央的Te在90km左右，向周邊逐漸減小到60km，Te呈現(xiàn)明顯的四周低、中間高的特點(diǎn)，這表明柴達(dá)木盆地的內(nèi)部強(qiáng)度大，而周邊的變形區(qū)域強(qiáng)度小，強(qiáng)度分布與盆地及斷層走向等地質(zhì)構(gòu)造特征較好的一致性，體現(xiàn)了典型的古陸塊特征.

（2）松潘—甘孜地塊：在青藏高原東北緣的構(gòu)造演化過程中，松潘—甘孜地塊被改造為萎縮的若爾蓋高原盆地和盆地邊緣褶皺造山帶兩類不同的地殼結(jié)構(gòu)［51］.該區(qū)地震P波速度較低，且低速異常延續(xù)到300～400km［52］，本文結(jié)果顯示該區(qū)域的巖石圈強(qiáng)度較弱，Te降為10～50km.并且，Te在空間分布上存在著明顯的差異，該三角形地體的西部地區(qū)，Te相對(duì)較小，在30～40km之間；中部若爾蓋盆地相對(duì)較強(qiáng)，Te在40～50km；東部地區(qū)Te最小，從若爾蓋盆地東緣的40km減小到龍門山地區(qū)的10km左右.松潘—甘孜地塊是青藏高原物質(zhì)向東流動(dòng)的主要區(qū)域，從地表形變來(lái)看，該區(qū)域推覆體以及褶皺帶廣泛發(fā)育，地表變形強(qiáng)烈，Te低值區(qū)分布與松潘—甘孜地塊的地表形變強(qiáng)的區(qū)域相對(duì)應(yīng).深地震反射剖面研究表明若爾蓋盆地中部之下存在一個(gè)大陸地塊，受到兩側(cè)的擠壓作用形成微隆起，其南側(cè)發(fā)育強(qiáng)烈向北的逆沖推覆構(gòu)造，北側(cè)向北傾斜插入到西秦嶺造山帶之下［53］，Te呈現(xiàn)相對(duì)較高的分布特征，說(shuō)明這個(gè)大陸地塊的內(nèi)部仍保留著剛性地塊的特征.而在龍門山地區(qū)，一些研究［54－55］發(fā)現(xiàn)龍門山斷裂帶下方Moho面存在15～20km的錯(cuò)斷，同時(shí)，也有研究表明該地區(qū)存在下地殼流動(dòng)［55－57］或構(gòu)造逃逸［54］，該區(qū)Te最低，約10～15km，表明該區(qū)存在低強(qiáng)度的地殼軟弱層.

（3）塊體邊界及斷裂帶：青藏高原北緣的阿爾金斷裂、祁連造山帶為活動(dòng)塊體邊界，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜.阿爾金斷裂是一條典型的深大斷裂，滑動(dòng)速率較快［58－59］，該區(qū)Te約10～40km.祁連地塊被認(rèn)為是青藏高原北部晚第四紀(jì)以來(lái)主要的變形區(qū)域，隨著青藏高原的隆升，沿祁連山北緣斷裂發(fā)生強(qiáng)烈垂直抬升，造山帶內(nèi)部的多條斷裂在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中活動(dòng)活躍，變形強(qiáng)烈［60］，Te值較低（5～25km）.松潘—甘孜塊體北緣的東昆侖—西秦嶺造山帶、西南緣的康定—鮮水河斷裂帶Te約10～45km.地震研究表明昆侖斷裂南側(cè)的SKS波分裂的到時(shí)差是北側(cè)的3倍，由此推斷昆侖斷裂帶是青藏塊體的北邊界并且其深度延伸至上地幔［61］.但是，最新的INDEPTH IV觀測(cè)結(jié)果顯示，松潘—甘孜地塊70km厚的地殼在昆侖斷裂以北100km才跳變至柴達(dá)木盆地的50km，因此排除了昆侖斷裂是造成 Moho面突變的原因［62］.這說(shuō)明昆侖斷裂帶可能并非切過 Moho面的深大斷裂.Te分布特征顯示昆侖斷裂以北仍然為平行于昆侖斷裂的低值帶，并且，電性結(jié)構(gòu)也顯示青藏高原地殼的局部熔融物質(zhì)已穿過昆侖斷裂向北侵入至柴達(dá)木盆地南部地殼之下［63］.因此，我們推斷昆侖斷裂Te的低值帶可能是較厚的青藏高原地殼向北插入或局部熔融侵入至柴達(dá)木盆地南部地殼之下［62－63］的均衡信號(hào).另外，沿昆侖斷裂帶走向由西向東，西段（80°E—95°E）Te呈現(xiàn)出一致的分布特征，該地區(qū)下地殼厚度恒定不變，約35km［64－65］，從95°E以東到100°E，Te值降低至20～30km，下地殼也減薄至20～25km［64－65］，二者相似的分布特征可能說(shuō)明該地區(qū)下地殼對(duì)巖石圈強(qiáng)度有部分貢獻(xiàn).結(jié)合這些不同的地球物理觀測(cè)資料，說(shuō)明青藏高原南北向的地殼縮短機(jī)制可能是青藏高原地殼向北插入或局部熔融侵入造成地殼增厚［63－65］或巖石圈增厚［66］，巖石圈的整體強(qiáng)度遭到破壞，Te低值跨過昆侖斷裂帶向北延伸.鮮水河斷裂具有明顯的低阻異常電性結(jié)構(gòu)，表明在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)流動(dòng)的地殼弱物質(zhì)流體含量較高［57］.本文的結(jié)果也反映這些區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)軟弱帶，巖石圈強(qiáng)度弱可能與下地殼物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)有關(guān).

綜上所述，Te的分布與構(gòu)造塊體有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.Te不僅能很好地反映巖石圈力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)，也能形象地反映巖石圈結(jié)構(gòu)的橫向變化.Te低值區(qū)對(duì)應(yīng)于地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生過多次構(gòu)造事件的斷裂帶、縫合帶和造山帶，甚至有些Te低值區(qū)可以認(rèn)為是弱的、流動(dòng)的下地殼的均衡信號(hào).Te高值區(qū)則對(duì)應(yīng)于古老的、冷的大陸塊體.青藏高原東北部Te整體格局包括剛性和非剛性塊體，Te高的剛性塊體被Te低的非剛性構(gòu)造帶、塊體分割、包圍，顯現(xiàn)為輪廓分明的古陸塊.Jordan和 Watts［50］、Simons［34］等在印度半島、澳大利亞等不同地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)古老穩(wěn)定的、高Te的大陸塊體被軟弱的、低Te的縫合帶、斷裂帶切割的現(xiàn)象.這說(shuō)明穩(wěn)定的大陸塊體相對(duì)縫合帶、斷裂帶以及塊體邊界在后來(lái)的構(gòu)造事件中更難被剪切、變形，巖石圈的強(qiáng)度更容易繼承、保留.

3.2 各向異性結(jié)果分析

我們利用Fan小波各向異性相關(guān)性和正交二維各向異性薄板模型計(jì)算青藏高原東北緣的Te各向異性分布（圖4）.圖中黑色條棒方向?yàn)門e弱軸［Tmin］所對(duì)應(yīng)的方向，是相關(guān)性最大的方向，是巖石圈優(yōu)先選擇均衡補(bǔ)償?shù)姆较?，也是巖石圈綜合強(qiáng)度最弱的方向［30］，我們稱之為“Te各向異性方向”，條棒的長(zhǎng)度為各向異性比率（Tmax－Tmin）/Tmax.

3.2.1 主要構(gòu)造單元的Te各向異性特征

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)巖石圈Te存在明顯的各向異性，且不同塊體之間存在著明顯的空間差異，總體而言，各向異性分布有如下特征：

（1）塊體內(nèi)部Te各向異性差異明顯.從圖4的分布來(lái)看，青藏高原東北部的各向異性分布在空間上有明顯的分區(qū)性差異.祁連造山帶西北端的Te各向異性近南北向，東南緣漸變?yōu)楸蔽鳌蠔|向.在整個(gè)松潘—甘孜塊體內(nèi)部各向異性分布比較一致，Te各向異性方向近北西—南東向，到龍門山邊界區(qū)域各向異性逐漸變大，表明該區(qū)域的區(qū)域構(gòu)造變形具有整體性.另外，龍門山斷裂帶北東段的各向異性與南西段有明顯差異，大約以103°E為界.南東段以東西向?yàn)橹?，北西段Te方向以北西—南東向?yàn)橹?，向北逐漸出現(xiàn)逆時(shí)針的方向直至近平行于秦嶺造山帶.該現(xiàn)象與地震學(xué)研究結(jié)果有良好的一致性，地震學(xué)方法也揭示龍門山斷裂帶以103°E為界的南、北兩段存在明顯的速度結(jié)構(gòu)差異［67－69］，說(shuō)明龍門山斷裂帶的南、北段巖石圈結(jié)構(gòu)及其流變性存在差異.

圖4 青藏高原東北部巖石圈Te各向異性Fig.4 Map of the mechanical anisotropy of the elastic lithosphere in the northeast Qinghai－Tibet plateau

（2）古構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶兩側(cè)Te各向異性變化明顯.柴達(dá)木—祁連—河西地區(qū)和華北陸塊之間的轉(zhuǎn)換帶［70］（圖4虛線所示）的兩側(cè)Te各向異性差異明顯.從地質(zhì)上看，該邊界帶是在早元古代階段，由于塔里木盆地與華北陸塊逐漸分離而導(dǎo)致的一條北東向的韌性剪切帶［70］.結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)換帶以西，Te弱軸方向由柴達(dá)木盆地的近東西向過渡到北祁連地區(qū)的近南北向，各向異性方向過度平緩，沒有明顯突變，且各向異性強(qiáng)度相對(duì)較小.這種分布態(tài)勢(shì)一直延伸到靠近阿爾金斷裂帶的區(qū)域.而在轉(zhuǎn)換帶的東部區(qū)域，不僅各向異性強(qiáng)度明顯大于邊界帶的西部地區(qū)，而且在各向異性方向上也有非常大的變化.柴達(dá)木盆地東部到秦嶺造山帶的各向異性由柴達(dá)木盆地的近東西向逐漸變化為北西—南東方向，與主要構(gòu)造線的走向比較接近.在祁連山東南段，各向異性方向向東由北西向逐漸轉(zhuǎn)向近東西向，與GPS觀測(cè)的地表水平運(yùn)動(dòng)方向較為一致［71］.本文得到的巖石圈強(qiáng)度各向異性存在明顯變化的界線與崔篤信等［70］研究得到的地殼有明顯差異的界線大致一致.說(shuō)明該界線可能是巖石圈尺度的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶.

（3）各向異性方向與主要的斷裂帶、構(gòu)造邊界有近似垂直的分布.研究區(qū)內(nèi)主要的斷裂帶、塊體邊界有青藏高原與四川盆地間的龍門山造山帶、介于塔里木盆地與青藏高原之間的阿爾金斷裂帶和柴達(dá)木盆地與阿拉善塊體之間的祁連造山帶.這些邊界帶的共同特征是兩側(cè)地形和重力變化明顯，且兩側(cè)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有明顯差異.同Te的各向異性分布來(lái)看，Te的弱軸與阿爾金斷裂、北祁連造山帶、龍門山斷裂帶這些大的塊體邊界都存在近似垂直的關(guān)系.類似的，Kirby和Swain［37］，Audet［30，35］也分別在澳大利亞和北美大陸發(fā)現(xiàn)Te弱軸與主要斷裂帶、塊體邊界近似垂直的關(guān)系.造成這種現(xiàn)象的原因現(xiàn)在還不清楚，推測(cè)可能與斷層和地塊邊界對(duì)地殼或者巖石層的影響有關(guān).Burov等［72］研究表明地殼內(nèi)的斷層分布能顯著地降低Te.因此，巖石圈強(qiáng)度在垂直于斷層的方向上被削弱［35］.即若斷層對(duì)巖石圈強(qiáng)度的影響較大，則Te各向異性方向垂直于斷層走向.不過Te與斷層和板塊邊界的關(guān)系很復(fù)雜，不僅與受到的構(gòu)造作用力有關(guān)，也與該區(qū)域的構(gòu)造歷史有關(guān)［73］，如果一個(gè)區(qū)域比較穩(wěn)定，強(qiáng)度主要與古構(gòu)造相關(guān)，而受現(xiàn)代的構(gòu)造環(huán)境影響很小，那么其Te各向異性則主要體現(xiàn)的是凍結(jié)在巖石層上的古應(yīng)力場(chǎng)形態(tài)，從而不垂直于主要的構(gòu)造邊界.從本文的研究區(qū)域來(lái)看，昆侖斷裂帶、祁連山東部褶皺帶的走向與Te沒有明顯的相互垂直關(guān)系.因此，其具體的動(dòng)力學(xué)機(jī)制仍需要進(jìn)一步的分析.

3.2.2 Te各向異性與地震波各向異性的比較

巖石圈的變形過程及機(jī)制與各向異性結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系是我們認(rèn)識(shí)和解釋Te各向異性和地震各向異性的驅(qū)動(dòng)力.通常意義下，地震各向異性是指描述地震波傳播或偏振速度的彈性張量在不同方向上存在差異，并且將快波的偏振方向定義為地震波各向異性方向.與此相對(duì)，Te的各向異性則體現(xiàn)的是在不同方向上的強(qiáng)度分布差異.從定義上看，Te各向異性的物理涵義是巖石圈在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)、不同方向上抵抗形變的能力不同；其數(shù)值形式表現(xiàn)為重力異常和地形間的相關(guān)性是方位角的函數(shù).因此，地震學(xué)各向異性和Te各向異性均可視為巖石圈變形過程和各向異性結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系的直觀體現(xiàn)，研究二者的相互關(guān)系能幫助我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖石圈結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制，也能為地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程提供一些直接有效的約束.

Te各向異性和地震各向異性的產(chǎn)生機(jī)制很復(fù)雜，一般認(rèn)為，巖石圈各向異性弱軸方向平行于單位地形載荷作用下的巖石圈形變最大的方向［33］，即巖石圈彎曲補(bǔ)償?shù)膬?yōu)選方向.此外，若保留的重力結(jié)構(gòu)反映的是巖石圈的當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)，例如在板塊的匯聚帶，Te各向異性方向則與最大壓應(yīng)力的方向以及剪切變形誘發(fā)的地震各向異性方向一致，反映的是巖石圈中應(yīng)力場(chǎng)分布特征［15］.另外，Silver［74］給出兩種殼幔變形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：殼幔強(qiáng)烈耦合的垂直連貫變形模型和源于板塊運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單軟流圈流動(dòng)模型.依照巖石圈垂直連貫變形模式，地震波快軸方向垂直于巖石圈形變的壓縮方向，而此方向也是單位地形加載所能引起最大變形的方向［37］，是巖石圈力學(xué)強(qiáng)度最弱的方向，因此Te的弱軸與壓縮方向平行.從巖石學(xué)角度看，在巖石圈變形過程中，橄欖石慢波軸和快波軸分別與最大壓應(yīng)力方向（最短軸）和最大張應(yīng)力方向（最長(zhǎng)軸）趨于一致.據(jù)此，通過比較Te各向異性與不同深度上地震各向異性，可以獲得巖石圈垂直連貫性變形的深度，以及巖石圈不同圈層耦合程度信息.另外，地震徑向各向異性能為巖石圈流變結(jié)構(gòu)及地幔動(dòng)力學(xué)提供有效信息，尤其是在青藏高原東北部地區(qū)，Te各向異性與地震徑向各向異性的研究能幫助我們認(rèn)識(shí)地殼或地幔流變結(jié)構(gòu)及巖石圈變形的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制.目前，有關(guān)青藏高原東北部地震各向異性的研究成果已有不少，如：SKS分 裂［61，75－76］、Rayleigh 群 速 度 方 位 各 向 異 性［77］、Rayleigh面波相速度方位各向異性［69］、地震波徑向各向異性［78］等.我們將本文的Te各向異性結(jié)果與SKS波分裂［61，75］（圖4）、Rayleigh面波方位各向異性［77］（圖5）、地震波徑向各向異性［78］進(jìn)行比較，簡(jiǎn)單探討不同各向異性之間的相互關(guān)系，并對(duì)研究區(qū)域內(nèi)Te各向異性產(chǎn)生機(jī)制作初步闡述，幫助我們進(jìn)一步理解研究區(qū)內(nèi)的巖石圈結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制.

（1）Te各向異性與SKS波分裂的關(guān)系

圖4中空心條棒為SKS橫波分裂結(jié)果，條棒方向?yàn)榭觳ǖ钠穹较?，大小為快慢波的到時(shí)差大小.其中，空心條棒數(shù)據(jù)取自Silver［74］和常利軍［75］的研究結(jié)果.其中部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)出的不一致性可能與臺(tái)站附近的局部地區(qū)遺留在巖石圈的“化石”各向異性有關(guān)［75］.

從Te各向異性與地震學(xué)各向異性的比較來(lái)看，不同區(qū)域之間有明顯的差異：在祁連山北緣以及阿拉善塊體地區(qū)，Te各向異性與SKS快波偏振方向近似垂直，說(shuō)明該地區(qū)各向異性可能源于地幔橄欖石晶格排列的優(yōu)勢(shì)取向.而在松潘—甘孜塊體地區(qū)，二者則呈近似平行關(guān)系，推測(cè)可能與該區(qū)域的物質(zhì)側(cè)向流動(dòng)［73］有關(guān).從SKS的結(jié)果來(lái)看，巖石圈地幔物質(zhì)在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，沿北西—南東方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn)的形變以至流動(dòng)，它使上地幔中橄欖巖的晶格排列方向平行于物質(zhì)形變或流動(dòng)的方向，而此方向正好是Te的弱軸方向，意味著該區(qū)域各向異性源自物質(zhì)的側(cè)向流動(dòng).對(duì)比這兩個(gè)地區(qū)Te與SKS各向異性分布的差異可以發(fā)現(xiàn)，Te的各向異性與SKS波分裂結(jié)果大體上存在10o和75o的兩個(gè)峰值［73］，表明Te和SKS分裂結(jié)果在不同構(gòu)造塊體、構(gòu)造背景下的關(guān)系不同，不能用單一的簡(jiǎn)單巖石圈運(yùn)動(dòng)變形模式來(lái)解釋.

（2）Te各向異性與Rayleigh面波方位各向異性的關(guān)系

蘇偉等［77］將Rayleigh方位各向異性特征劃分為4個(gè)周期段，周期13.5s，31.6s，63.0s和146.0s的反演結(jié)果分別代表上地殼、下地殼、地幔巖石圈和軟流圈4個(gè)深度區(qū)間的方位各向異性.

從Rayleigh波的各向異性分布來(lái)看（圖5），除上地殼外，柴達(dá)木盆地內(nèi)地震快波方向在各個(gè)周期上變化比較小，與Te各向異性方向近似平行或呈較小角度，二者關(guān)系從下地殼至巖石圈地幔沒有明顯變化.由于Rayleigh波從下地殼到上地幔軟流圈深度上的各向異性方向與Te有較一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們推測(cè)該區(qū)域地殼和地幔對(duì)巖石圈Te均有貢獻(xiàn)；考慮到該區(qū)域的Te比較大（圖3a），該區(qū)域的Te可能以巖石圈地幔貢獻(xiàn)為主.同時(shí)，柴達(dá)木盆地屬于較穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)域，而近來(lái)的研究表明，在克拉通等穩(wěn)定地區(qū)，巖石圈強(qiáng)度的各向異性與歷史構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變形和礦物的排列、以及殘留的應(yīng)力場(chǎng)等有關(guān)［73］.因此，我們推測(cè)，在柴達(dá)木盆地區(qū)域的巖石圈各向異性與地震波各向異性的近平行分布可能源于歷史構(gòu)造事件殘留在巖石圈內(nèi)部的古老的“化石”各向異性.

北祁連Te各向異性方向與Rayleigh波各向異性方向由地殼深度上夾角較小，甚至平行（圖5a、5b），隨著深度的增加，其夾角逐漸增大，到上地幔深度上逐漸趨向垂直（圖5c）；從各向異性強(qiáng)度來(lái)看，上地幔仍有一定的地震各向異性，且垂直于Te各向異性方向，意味著這些區(qū)域巖石圈地幔對(duì)整個(gè)巖石圈的強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，且存在殼幔解耦的可能性.阿拉善地塊從地殼至地幔均有一致的垂直關(guān)系，其巖石圈變形趨于垂直連貫變形.但是，松潘—甘孜西北端在上地幔Te弱軸與Rayleigh方位各向異性接近垂直，而與SKS的結(jié)果仍然接近平行，此結(jié)果在現(xiàn)有的理論模型基礎(chǔ)上難以解釋，需要更多的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析.

在松潘—甘孜塊體，隨著Rayleigh面波周期的增大，Te弱軸方向與地震波的快軸方向之間呈小角度甚至平行的關(guān)系，且與絕對(duì)板塊的運(yùn)動(dòng)方向大致一致.另外，該地區(qū)地殼泊松比高，上地幔溫度高，預(yù)示著在中、下地殼可能存在部分熔融［79］.如此，Te各向異性軸與地震各向異性方向近似平行的現(xiàn)象便不能以簡(jiǎn)單的殼幔變形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)解釋.考慮到地殼對(duì)各向異性的貢獻(xiàn)，該現(xiàn)象有兩種可能的解釋：1）松潘—甘孜塊體各向異性與地殼25km處的復(fù)理層和片巖的高度變形有關(guān)［80］.2）若橄欖巖晶格排列的方向與物質(zhì)流動(dòng)的方向一致，那么地震波的快波方向也與物質(zhì)流動(dòng)的方向一致，物質(zhì)流動(dòng)的方向也是巖石圈力學(xué)強(qiáng)度最弱的方向.二者在松潘—甘孜地塊存在近似平行關(guān)系可能意味著各向異性源自物質(zhì)側(cè)向流動(dòng).結(jié)合前面與SKS的比較分析結(jié)果，我們推斷該地區(qū)各向異性源自物質(zhì)側(cè)向流動(dòng).該地區(qū)地殼形變強(qiáng)烈、地表水平運(yùn)動(dòng)方向與SKS、Te各向異性方向也大致相近，可能預(yù)示巖石圈變形趨于垂直連貫變形.

（3）Te各向異性與地震波徑向各向異性的關(guān)系

圖5 Te各向異性方向（黑色條棒）與Rayleigh面波方位各向異性［77］（空心條棒）的比較（a）T＝13.5s；（b）T＝31.6s；（c）T＝63.0s；（d）T＝146.0s.Fig.5 Comparison of our axes of anisotropy in the direction of Tmin（black bars），with the fast axes of Rayleigh wave azimuthal anisotropy［77］（white bars）

地震波徑向各向異性是指兩種偏振特性不同的地震面波——Rayleigh波和Love波在介質(zhì)中的傳播速度存在差異（L－R discrepancy），通常被認(rèn)為是由于地殼上地幔介質(zhì)的各向異性效應(yīng)引起的.一般而言，若存在下覆板塊、地殼流等的剪切運(yùn)動(dòng)的“剪切流”的區(qū)域，則VSH＞VSV；而對(duì)于地幔對(duì)流、下覆擴(kuò)張中心及俯沖帶等與“徑向運(yùn)輸”作用有關(guān)的區(qū)域，則VSH＜VSV［81－82］.下面我們將簡(jiǎn)單探討Te各向異性與地震波徑向各向異性的關(guān)系.

Chen等［78］研究了青藏高原及其周緣地區(qū)從8～170km不同深度的地震波徑向各向異性，研究結(jié)果顯示青藏高原的地殼上地幔存在不同程度的徑向各向異性.柴達(dá)木盆地地震波徑向各向異性在8～90km深度上表現(xiàn)為VSH＜VSV，90～110km深度上表現(xiàn)為VSH＞VSV，大于110km又轉(zhuǎn)變?yōu)閂SH＜VSV，地殼地震波徑向各向異性中等（～5%），而上地幔各向異性很強(qiáng)（～8%）.柴達(dá)木盆地Te的確也存在各向異性，且其屬于古老的克拉通碎片，Te值較高，其地殼不可能存在下覆“徑向運(yùn)輸”作用.另外，Te值大于地殼厚度，說(shuō)明巖石圈地幔對(duì)Te也有貢獻(xiàn)，上地幔中90～110km的VSH＞VSV也不可能是存在剪切運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，這進(jìn)一步說(shuō)明不同各向異性源的最可能的解釋是歷史構(gòu)造事件殘留在巖石圈內(nèi)部的古老的“化石”各向異性.北祁連地區(qū)，35～130km深度上地震徑向各向異性呈現(xiàn)VSH＞VSV，且各向異性大小隨深度逐漸增大；而松潘—甘孜地塊地震徑向各向異性相對(duì)較弱（＜5%），下地殼和整個(gè)上地幔各向異性特征一致，這些區(qū)域Te均存在較強(qiáng)的各向異性，且各向異性方向與青藏高原物質(zhì)運(yùn)移的方向大體一致，結(jié)合前面Te各向異性與SKS和Rayleigh各向異性的對(duì)比分析，說(shuō)明這些區(qū)域受印度板塊向歐亞大陸遠(yuǎn)程擠壓俯沖作用的影響，各向異性源自青藏高原東北緣物質(zhì)向周緣地區(qū)擴(kuò)散的側(cè)向流動(dòng)，其可能進(jìn)一步表明不僅有下地殼物質(zhì)的側(cè)向流動(dòng)，而且?guī)r石圈變形趨于垂直連貫變形模式，上地幔和下地殼整體在運(yùn)動(dòng)，在地表和上地殼則表現(xiàn)為大量的推覆構(gòu)造和復(fù)理層以及片巖的高度變形［80］.大于110km深度，研究區(qū)地震徑向各向異性呈現(xiàn)大尺度的VSH＜VSV，其可能預(yù)示著地幔對(duì)流或板塊的深俯沖控制著該區(qū)域的深部動(dòng)力學(xué)過程.研究區(qū)內(nèi)除柴達(dá)木盆地以外，在8～110km深度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出大尺度的VSH＞VSV，結(jié)合Te各向異性方向，即巖石圈抵抗形變最弱的方向，這些不同的各向異性信息共同揭示了青藏高原東北緣物質(zhì)存在側(cè)向流動(dòng).

4 結(jié) 論

本文基于布格重力異常與地形間的小波相關(guān)性，研究了青藏高原東北部巖石圈Te及其各向異性的二維精細(xì)結(jié)構(gòu).通過對(duì)Te結(jié)果的分析以及與地震波等其它研究的比較，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）研究區(qū)內(nèi)Te橫向變化明顯.柴達(dá)木盆地Te較高，松潘—甘孜地塊的Te較低，尤其是其周緣的斷裂帶、縫合帶、塊體邊界Te更小，這些區(qū)域在今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)持續(xù)吸收印度—?dú)W亞板塊匯聚的能量，但松潘—甘孜塊體內(nèi)部的若爾蓋盆地是Te較強(qiáng)的區(qū)域，屬于大陸塊體內(nèi)部仍保留有剛性的塊體，這意味著若爾蓋盆地有可能不是與松潘—甘孜整合的統(tǒng)一大陸塊體.研究結(jié)果還顯示龍門山斷裂帶以103°E為界的南、北兩段Te各向異性存在明顯差異，與地震波速結(jié)構(gòu)差異分布特征相對(duì)應(yīng).

（2）Te的低值區(qū)對(duì)應(yīng)于地質(zhì)時(shí)間上發(fā)生過多次構(gòu)造事件的斷裂帶、縫合帶以及塊體邊界，Te的高值區(qū)對(duì)應(yīng)于冷的、古老的大陸塊體.

（3）研究區(qū)Te存在較強(qiáng)的各向異性，松潘—甘孜地塊Te弱軸方向由西北端的近東西向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南緣垂直于龍門山斷裂帶的東南向，與青藏高原東緣物質(zhì)運(yùn)移的方向呈一致趨勢(shì)，且其西北部、東昆侖斷裂的西段、康定—鮮水河斷裂的北端存在殼幔解耦的可能性.

（4）各向異性方向都近似垂直于阿爾金斷裂、北祁連造山帶、龍門山斷裂帶這些大的塊體邊界.與地震各向異性結(jié)果（SKS、Rayleigh面波方位各向異性、地震波徑向各向異性）比較，我們推測(cè)阿拉善地塊各向異性源自地幔橄欖巖晶格的優(yōu)勢(shì)取向，巖石圈變形趨于垂直連貫變形模式；柴達(dá)木盆地各向異性源于歷史構(gòu)造事件殘留在巖石圈中的“化石”各向異性；松潘—甘孜地塊各向異性源自物質(zhì)的側(cè)向流動(dòng).

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