呂子強(qiáng)， 雷建設(shè)， 周智剛， 張剛， 張書(shū)建， 于澄， 顏啟

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京　100081　2 山東省地震局， 濟(jì)南　250000　3 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京　100085

?

環(huán)渤海地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與各向異性

呂子強(qiáng)1,2,3， 雷建設(shè)3*， 周智剛3， 張剛2， 張書(shū)建2， 于澄2， 顏啟2

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京1000812 山東省地震局， 濟(jì)南2500003 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 北京100085

摘要環(huán)渤海地區(qū)位于華北克拉通的中東部，是巖石圈破壞和減薄的主要地區(qū)，同時(shí)也是我國(guó)大陸東部強(qiáng)震的多發(fā)區(qū)和油氣田產(chǎn)區(qū)，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)區(qū)域.本研究利用環(huán)渤海地區(qū)1980—2015年期間中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)高質(zhì)量Pn波到時(shí)數(shù)據(jù)，反演得到環(huán)渤海地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)及各向異性.結(jié)果顯示，環(huán)渤海地區(qū)上地幔頂部的Pn波速度結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向不均勻性，且與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有一定相關(guān)性.在地形隆起區(qū)，如太行山隆起、燕山隆起、魯西隆起、膠遼隆起及蘇魯褶皺帶地區(qū)，呈現(xiàn)為低波速異常，說(shuō)明這些隆起區(qū)下方的上地幔存在熱物質(zhì)上涌，而凹陷地區(qū)，如華北盆地、南黃海北部盆地和南黃海南部盆地，則表現(xiàn)為高波速異常，說(shuō)明這些凹陷地區(qū)上地幔頂部巖石圈強(qiáng)度較大.地殼內(nèi)強(qiáng)震主要發(fā)生于低波速異常區(qū)和高低波速異常過(guò)渡帶上，說(shuō)明華北地區(qū)地殼強(qiáng)震的發(fā)生有可能受到上地幔深部構(gòu)造的影響.太行山造山帶地區(qū)Pn波各向異性快波方向?yàn)榻麼NE向，蘇魯褶皺帶區(qū)域的Pn波各向異性快波方向?yàn)榻麼E向，與斷裂帶的走向基本一致，表明在地殼形變劇烈的地區(qū)，可能受上地幔頂部的深部動(dòng)力學(xué)影響較大.華北盆地的北部和南部各向異性方向存在差異，可能與巖石圈的厚度及熱狀態(tài)的不均勻性有關(guān).關(guān)鍵詞Pn波；速度不均勻性； 各向異性； 上地幔頂部； 環(huán)渤海地區(qū)

1引言

環(huán)渤海地區(qū)是我國(guó)大陸東部強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，也是我國(guó)重要的新生代油氣田產(chǎn)區(qū).由于受太平洋板塊的西向俯沖(Fukao et al.,1992; Zhao, 2004; Lei and Zhao, 2005, 2006; Huang and Zhao, 2006; Li et al., 2008; Lei, 2012)和印度板塊的北向碰撞擠壓作用(Molnar and Tapponnier, 1975; England and Houseman, 1986; Tapponnier et al., 1986; Yin and Harrison, 2000; Liu et al., 2004; Huang and Zhao, 2006; Li et al., 2008; Lei et al., 2014)，區(qū)域構(gòu)造較為復(fù)雜，發(fā)育有多組北東、北北東向斷裂，包含有華北盆地、太行山造山帶、燕山造山帶、魯西隆起、蘇魯褶皺帶和一些海域盆地，并伴隨有多次7級(jí)以上歷史強(qiáng)震發(fā)生 (圖1).該地區(qū)位于華北克拉通中東部，是巖石圈發(fā)生明顯的減薄和破壞的區(qū)域(Chen et al., 2008, 2009)，且不同學(xué)者對(duì)華北克拉通的破壞機(jī)制有著不同的見(jiàn)解(如Gao et al., 2004; Lei, 2012; Menzies et al., 1993; Xu, 2001; 朱日祥等，2012).

為深入理解華北克拉通破壞機(jī)制，高分辨率Pn波成像結(jié)果具有重要意義.盡管前人曾對(duì)該研究區(qū)開(kāi)展過(guò)Pn波成像研究，獲得了一些有意義的研究成果(胥頤等, 2008; 李志偉等, 2011).然而，由于其所用資料收集于觀測(cè)報(bào)告，因而其模型空間分辨率具有一定限度.本研究除了使用已有觀測(cè)報(bào)告資料外，還從地震波形上讀取大量未包含在觀測(cè)報(bào)告中的Pn波到時(shí)資料，這對(duì)于提高模型空間分辨率具有重要科學(xué)意義，也已被前人利用Pn波成像結(jié)果所證實(shí)(黎源和雷建設(shè), 2012; Lei et al., 2014; Zhou and Lei, 2015).本研究收集1980—2015年研究區(qū)內(nèi)觀測(cè)報(bào)告資料，并增加2008—2014年期間4級(jí)以上地震被所在省或直轄市以外地震臺(tái)站所記錄到的Pn波到時(shí)資料，反演環(huán)渤海地區(qū)的Pn波速度結(jié)構(gòu)及各向異性，獲得研究區(qū)上地幔頂部高分辨率速度與各向異性模型，對(duì)于認(rèn)識(shí)和理解研究區(qū)克拉通破壞機(jī)制和地殼強(qiáng)震發(fā)生機(jī)理具有重要意義.

2數(shù)據(jù)和方法

圖1　環(huán)渤海地區(qū)主要構(gòu)造圖細(xì)實(shí)線為主要活動(dòng)斷裂. North China basin:華北盆地，Taihangshan orogen:太行山造山帶，Yanshan orogen:燕山造山帶，Luxi uplift:魯西隆起，Jiaoliao uplift:膠遼隆起，Sulu belt:蘇魯褶皺帶，North Yellow Sea basin:北黃海盆地，Northern South Yellow Sea basin:南黃海北部盆地，Southern South Yellow Sea basin:南黃海南部盆地，Tanlu fault:郯廬斷裂帶.紅色虛線為塊體邊界，白色圓圈為歷史7級(jí)以上地震.Fig.1　Sketch map of tectonics in the Bohai Sea and surrounding areas The thin and solid lines mark major active faults,dashed lines represent block boundaries. The circles denote epicenters of earthquakes with magnitudes greater than 7.0.

圖2　環(huán)渤海地區(qū)Pn波射線(藍(lán)線)分布圖紅色三角為臺(tái)站位置，白色圓圈為地震位置.Fig.2　Ray paths (blue lines) in the Bohai Sea and surrounding areas Red triangles are seismic stations, whereas white circles are earthquake epicenters.

本文采用的Pn波數(shù)據(jù)主要有3個(gè)來(lái)源：(1) 1980—2004年期間的2795條Pn波到時(shí)來(lái)自胥頤等(2008)工作；(2) 2005—2015年期間的6353條Pn波到時(shí)資料直接取自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)報(bào)告；(3) 由“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”提供的2008—2014年4級(jí)以上地震波形資料(鄭秀芬等，2009)，通過(guò)手工提取到前兩個(gè)資料集中未包含的Pn波到時(shí)資料3068條.為保證數(shù)據(jù)的可靠，挑選的Pn波到時(shí)資料采用以下標(biāo)準(zhǔn)：(1) 震中距位于1.2°～10°之間；(2) 震源深度小于35 km；(3) 每個(gè)地震被5個(gè)以上地震臺(tái)站所記錄；(4) 每個(gè)臺(tái)站記錄到5個(gè)以上Pn波到時(shí)記錄； (5) 走時(shí)殘差在±4 s之間.以上述這些標(biāo)準(zhǔn)作為條件，我們最終獲得569個(gè)地震事件被265個(gè)地震臺(tái)站記錄到的10056個(gè)Pn到時(shí)數(shù)據(jù).從圖2可以看出，Pn波地震射線分布除邊緣地區(qū)相對(duì)稀疏外，研究區(qū)整體上較為密集.

本文采用Hearn(1996)的方法反演Pn波速度結(jié)構(gòu)及各向異性參數(shù).將穿過(guò)上地幔頂部的Pn波震相的射線路徑分為震源路徑、接收路徑和地幔路徑.水平方向沿緯度和經(jīng)度將上地幔頂部劃分為若干等間距速度網(wǎng)格，Pn波的走時(shí)殘差可表示為地震延遲項(xiàng)、臺(tái)站延遲項(xiàng)、慢度變化和各向異性參數(shù)的方程組，選擇反演網(wǎng)格的大小為0.2°×0.2°，上地幔頂部的Pn波平均速度為7.9 km·s-1，地殼內(nèi)P波平均速度為6.2 km·s-1，地殼平均厚度為35 km，采用阻尼最小二乘迭代算法進(jìn)行求解.由于研究中使用了分別對(duì)速度和各向異性的阻尼因子，其中速度阻尼因子通過(guò)對(duì)速度變量的阻尼過(guò)程控制速度圖像的平滑度和反演結(jié)果的誤差，各向異性阻尼因子通過(guò)對(duì)各向異性變量的阻尼過(guò)程控制各向異性的平滑度.這兩個(gè)阻尼因子均控制著低誤差和高分辨率之間的折中(Tradeoff).同時(shí)，兩個(gè)阻尼因子相互間的比值控制著速度變量的大小和各向異性變量的大小.我們采用與Hearn (1996)類(lèi)似的方法選取最合理的一對(duì)阻尼因子.首先將不同阻尼因子反演計(jì)算獲得的速度均方根和走時(shí)殘差均方根繪制成L曲線(圖3a)，選取該曲線的曲率最大的阻尼值作為最佳速度阻尼因子(Boschi et al.,2006).在確定各向異性阻尼因子時(shí)則通過(guò)引入模型計(jì)算速度與各向異性的相對(duì)折中來(lái)進(jìn)行確定.各向異性對(duì)速度的折中定義為反演獲得的速度擾動(dòng)均方根與各向異性均方根的比值.固定已選取的速度阻尼因子，使用不同大小的各向異性阻尼因子進(jìn)行反演，當(dāng)速度對(duì)各向異性的折中與各向異性對(duì)速度的折中相等時(shí)所獲得的各向異性阻尼值為最佳各向異性阻尼因子(圖3b).最終我們確定速度阻尼因子為150，各向異性阻尼因子為200.反演后的走時(shí)殘差的標(biāo)準(zhǔn)差由反演前的1.33 s降低到了0.53 s，從圖4可以看出，反演后的殘差明顯地收斂.

為了測(cè)試結(jié)果的可靠程度，本文利用Checkerboard方法對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分辨能力進(jìn)行測(cè)試，初始模型Pn波平均速度為7.9 km·s-1, 速度擾動(dòng)和各向異性異常的幅度分別為0.3 km·s-1和0.4 km·s-1，采用與實(shí)際資料相同的反演方法重建不同尺度的檢測(cè)板模型.通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，從速度異常的恢復(fù)情況可以看出，除邊緣地區(qū)射線覆蓋較少外，大部分的速度異常都能得到很好的恢復(fù).總的來(lái)說(shuō)，在射線分布較為密集的區(qū)域圖像恢復(fù)情況較好，速度異常的分辨率能達(dá)到0.5°×0.5°(圖5a)，各向異性分辨率能達(dá)到1°×1°(圖5b).以下，主要討論研究區(qū)內(nèi)這些尺度的速度與各向異性的異常特征及構(gòu)造意義.

圖3　速度阻尼因子(a)與各向異性阻尼因子(b)的選取RMS_Vel/RMS_Ani 是速度擾動(dòng)均方根與各向異性變化均方根之比，RMS_Ani /RMS_Vel 是各向異性變化均方根與速度擾動(dòng)均方根之比.Fig.3　Damping parameters chosen for velocity (a) and anisotropy (b) inversions RMS_Vel/RMS_Ani is the ratio of RMS of velocity perturbations to RMS of anisotropy variations, RMS_Ani/RMS_Vel is the ratio of RMS of anisotropy variations to RMS of velocity perturbations.

圖4　資料走時(shí)殘差分布(a) 反演前； (b) 反演后.Fig.4　Distribution of travel-time residuals(a) Before inversion; (b) After inversion.

圖5　Pn波速度0.5°×0.5°(a)和各向異性1°×1°(b)尺度異常的分辨率試驗(yàn)(a)中紅色代表低速異常，藍(lán)色代表高速異常. (b)中藍(lán)色線代表Pn波各向異性結(jié)果，其中長(zhǎng)度代表各向異性強(qiáng)弱，走向代表各向異性快波方向. 速度與各向異性圖例位于各自左上角.Fig.5　Resolution tests for Pn velocity anomalies using cell sizes of 0.5°×0.5° (a) and anisotropy using cell sizes of 1°×1° (b) modelsIn (a) red and blue colors denote low-V and high-V anomalies, whereas in (b) blue lines denote Pn anisotropy, the length and strike of which are the strength and fast direction of anisotropy. The scales are shown on their individual upper-left corner.

3結(jié)果

3.1Pn波速度結(jié)構(gòu)

圖6為環(huán)渤海地區(qū)的Pn波速度反演結(jié)果，可以看出，研究區(qū)內(nèi)上地幔頂部存在明顯的橫向非均勻性，與該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān).相對(duì)于研究區(qū)模型Pn平均速度7.9 km·s-1，華北盆地表現(xiàn)為明顯的高波速異常，且異常形態(tài)的分布與華北盆地構(gòu)造塊體的形態(tài)比較吻合.由于結(jié)果的分辨率較高，相比前人層析成像的上地幔頂部結(jié)果(汪素云等，2003；李志偉等，2006；Lei et al.,2008; Huang and Zhao,2004; 于湘?zhèn)サ龋?010; Li et al., 2011)，可以更好地展現(xiàn)華北盆地的形態(tài).太行山造山帶地區(qū)表現(xiàn)為低波速異常，且低波速異常沿著山脈地區(qū)呈明顯的條帶狀分布，與山脈的走向基本一致.燕山造山帶地區(qū)表現(xiàn)為相對(duì)弱的低波速異常，魯西隆起和膠遼隆起一帶表現(xiàn)為低波速異常，蘇魯褶皺帶表現(xiàn)為近NE向的低波速異常條帶，與斷裂帶的走向相一致，且斷裂兩側(cè)的速度高低波速異常比較明顯，表明斷裂帶兩側(cè)具有不同的構(gòu)造特征.以往研究表明，郯廬斷裂帶的構(gòu)造活動(dòng)具有明顯的分段性，并且東西兩側(cè)存在明顯差異，是一條深度穿越Moho面的斷裂帶，而其殼內(nèi)低速層可能與軟流圈物質(zhì)上涌有關(guān)(葉高峰等，2009； 徐義剛等，2009； 漆家福等，2010； 黃耘等，2011； Lei,2012).本文結(jié)果表明，郯廬斷裂帶東西兩側(cè)波速結(jié)構(gòu)存在明顯差別，渤海帶以西地區(qū)成像為明顯高波速異常，而以東地區(qū)則為相對(duì)弱的低波速異常；在郯廬斷裂帶南端，以西地區(qū)為弱低波速異常，而以東地區(qū)為明顯高波速異常，說(shuō)明郯廬斷裂帶為明顯巖石圈尺度的斷裂帶.

圖6　環(huán)渤海地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與地震分布圖像紅色和藍(lán)色分別代表低波速和高波速異常，色標(biāo)位于圖左上角.其他標(biāo)示與圖1中的相同.Fig.6　Pn-wave velocity and earthquakes (white circles) in the Bohai Sea and surrounding areas Red and blue colors denote low and high velocity anomalies, respectively, the scale of which is shown at the top-left corner. The other labeling is the same as that in Fig.1.

圖6中白色圓圈代表該區(qū)域歷史上發(fā)生的7級(jí)以上的殼內(nèi)強(qiáng)震，從圖中可以看出，殼內(nèi)強(qiáng)震主要發(fā)生于低波速區(qū)邊緣上或高低波速的過(guò)渡區(qū)，說(shuō)明華北地區(qū)的殼內(nèi)強(qiáng)震的發(fā)生可能受到來(lái)自上地幔深部動(dòng)力環(huán)境的影響.中國(guó)東部最大的1668年山東郯城81/2級(jí)地震的發(fā)生位置位于郯廬斷裂帶和蘇魯褶皺帶的交界處，Pn波高低波速變化明顯.Pn波速度低意味著莫霍面溫度較高(汪素云等，2003)，可能存在熱物質(zhì)的上涌，而高低波速異常過(guò)渡帶意味著相應(yīng)區(qū)域介質(zhì)的溫度、巖性存在著明顯差異，更容易誘發(fā)地震.類(lèi)似的研究結(jié)果，在青藏高原東緣和天山地區(qū)的成像結(jié)果中得到證實(shí)(黎源和雷建設(shè), 2012; Lei et al., 2014; Zhou and Lei, 2015).

3.2Pn波各向異性

上地幔的各向異性可由地幔物質(zhì)形變引起的地幔中橄欖巖晶軸的定向排列來(lái)解釋?zhuān)从沉俗罱淮螛?gòu)造運(yùn)動(dòng)遺留的變形痕跡.總體來(lái)說(shuō)，在簡(jiǎn)單剪切形變條件下，橄欖巖的快波速方向趨向于與最大剪切應(yīng)力方向平行，如巖石圈中的板塊邊界和穿透地殼的剪切帶，各向異性快波速方向與剪切帶平行；在純剪切形變條件下，橄欖巖快波速方向?qū)⑵叫杏趲r石最大拉伸方向，如在巖石圈中沒(méi)有斷裂活動(dòng)的地區(qū)，各向異性快波速方向垂直于最大壓應(yīng)力方向(Savage et al.,1993; Silver,1996;Hearn,1996,1999).造成地幔物質(zhì)形變最直接的原因是板塊運(yùn)動(dòng)，因此獲取可靠的上地幔各向異性結(jié)果對(duì)于了解研究區(qū)板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有重要意義.圖7為環(huán)渤海地區(qū)Pn波各向異性的分布圖像.可以看出，太行山造山帶西北部地區(qū)Pn波各向異性快波速方向?yàn)榻麼W向，與太行山山脈近乎垂直，與SKS的結(jié)果一致(常利軍等，2011)，可能暗示該地區(qū)下方地幔巖石圈存在耦合現(xiàn)象，上地幔物質(zhì)受NW方向拉張作用發(fā)生了形變，在太行山山脈地區(qū)受到阻擋，屬于純剪切變形區(qū).太行山造山帶地區(qū)內(nèi)的Pn波各向異性快波速方向?yàn)榻麼NE向，基本平行于斷裂，與區(qū)域構(gòu)造的伸展方向趨于一致，與常利軍等(2009)的SKS結(jié)果差別較大，表明在地殼形變劇烈的地區(qū)，地幔巖石圈在一定深度范圍內(nèi)可能存在局部解耦現(xiàn)象.華北盆地內(nèi)部南北區(qū)域各向異性差別較大，南部地區(qū)Pn波各向異性快波速方向?yàn)榻麰W向，而北部地區(qū)Pn波各向異性快波速方向?yàn)榻麼W向，SKS的結(jié)果也表現(xiàn)出類(lèi)似的特征(常利軍等，2009，2012).接收函數(shù)的結(jié)果顯示，華北盆地的北部特別是渤海海域地區(qū)巖石圈較薄，而華北盆地南部巖石圈厚度相對(duì)較厚(Chen et al.,2008; Chen，2010).同時(shí)，體波成像結(jié)果表明，華北盆地南部上地幔為低波速異常，北部為高波速異常(李志偉等，2006)，可能反映了華北盆地南部和北部地區(qū)巖石層的厚度和熱狀態(tài)的不均勻性.郯廬斷裂帶東西兩側(cè)的Pn波各向異性快波速方向存在明顯的不同，西側(cè)的優(yōu)勢(shì)方向近NW向，與絕對(duì)板塊的運(yùn)動(dòng)方向一致，而東側(cè)的優(yōu)勢(shì)方向近NNE向，可能是受到郯廬斷裂帶大規(guī)模剪切運(yùn)動(dòng)的影響，屬于簡(jiǎn)單剪切變形區(qū).蘇魯褶皺帶地區(qū)Pn波各向異性快波速方向近NE向，一定程度上反映了蘇魯褶皺帶的擠壓變形特征.

圖7　環(huán)渤海地區(qū)Pn波各向異性藍(lán)色線代表Pn波各向異性結(jié)果，其中長(zhǎng)度代表各向異性強(qiáng)弱，走向代表各向異性快波方向.其他標(biāo)示與圖1相同.Fig.7　Pn anisotropy in the Bohai Sea and surrounding areasBlue lines denote Pn anisotropy, length and strike of which denote the anisotropic strength and fast direction of anisotropy.The other labeling is the same as that in Fig.1.

4討論

由于受太平洋板塊的西向俯沖，華北克拉通中東部遭到嚴(yán)重的破壞和減薄.層析成像結(jié)果表明(Huang and Zhao, 2006; Lei, 2012; Tian and Zhao, 2011, 2013)，華北克拉通中部造山帶上地幔存在明顯的低波速異常，得到本文上地幔頂部研究結(jié)果(圖6)的支持，可能暗示著下方有地幔柱的存在.而華北克拉通東部地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)存在明顯的高波速異常，可能是滯留的太平洋俯沖板片.本研究結(jié)果顯示的華北盆地整體呈高波速異常，而魯西地區(qū)和蘇魯褶皺帶為明顯低波速異常(圖6)，表明華北盆地巖石圈的破壞與減薄對(duì)上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)影響較小，而對(duì)魯西地區(qū)和蘇魯褶皺帶影響較大.接收函數(shù)結(jié)果也證實(shí)了魯西隆起、渤海海域及郯廬斷裂帶附近是巖石圈減薄最強(qiáng)烈的地區(qū), 厚度約60～80 km，而華北盆地南部巖石圈厚度有所增加，達(dá)到110 km左右(Chen et al., 2008, 2009).太行山造山帶和蘇魯褶皺帶地區(qū)內(nèi)的Pn波各向異性快波速方向與斷裂帶的走向基本一致，說(shuō)明淺部地殼劇烈變形受到上地幔結(jié)構(gòu)與動(dòng)力環(huán)境的影響.這些結(jié)果對(duì)于理解華北克拉通破壞機(jī)制具有重要科學(xué)意義.體波成像結(jié)果顯示出，環(huán)渤海地區(qū)地殼上地幔的速度結(jié)構(gòu)具有明顯的橫向不均勻性，殼內(nèi)強(qiáng)震發(fā)生區(qū)域的下地殼至上地幔存在大范圍的低波速異常體(Lei et al., 2008; Huang and Zhao, 2004; 李志偉等, 2006; Lei, 2012).本文結(jié)果顯示，殼內(nèi)強(qiáng)震發(fā)生于Pn波低波速區(qū)和高低波速異常的過(guò)渡帶上，表明殼內(nèi)強(qiáng)震的發(fā)生可能與上地幔頂部介質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性存在一定聯(lián)系.

5結(jié)論

本研究利用環(huán)渤海地區(qū)的Pn波到時(shí)資料反演得到該地區(qū)上地幔頂部高分辨率的Pn波速度及各向異性結(jié)構(gòu).研究表明：環(huán)渤海地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)比較吻合，隆起地區(qū)主要表現(xiàn)為Pn波低波速異常，凹陷地區(qū)主要表現(xiàn)為Pn波高波速異常.殼內(nèi)強(qiáng)震主要發(fā)生于Pn波低波速區(qū)以及高低波速異常的過(guò)渡帶上，可能與熱物質(zhì)上涌、莫霍面溫度升高及上地幔頂部介質(zhì)的不均勻性有關(guān).Pn波各向異性快波方向與區(qū)域構(gòu)造特征存在一定的聯(lián)系，太行山造山帶和蘇魯褶皺帶地區(qū)Pn波各向異性快波速方向基本平行于斷裂，與區(qū)域構(gòu)造的伸展方向趨于一致，可能受上地幔頂部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力過(guò)程的影響.華北盆地的南部和北部地區(qū)各向異性有一定差異，可能與巖石層厚度和熱狀態(tài)不均勻性有關(guān).

致謝感謝 Thomas M. Hearn提供的Pn波成像程序.中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)，兩位審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出的諸多寶貴建議，使文章增色不菲，在此一并表示感謝.

References

Boschi L, Becker T W, Soldati G, et al. 2006. On the relevance of Born theory in global seismic tomography.Geophys.Res.Lett., 33(6): L06302. Chang L J, Wang C Y, Ding Z F. 2009. Seismic anisotropy of upper mantle in eastern China.Sci.ChinaSer.D-EarthSci., 52(6): 774-783.

Chang L J, Wang C Y, Ding Z F. 2012. Upper mantle anisotropy beneath North China.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 55(3): 886-896, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.03.018.Chen L, Wang T, Zhao L, et al. 2008. Distinct lateral variation of lithospheric thickness in the Northeastern North China Craton.EarthandPlanetaryScienceLetters, 267(1-2): 56-68.

Chen L, Cheng C, Wei Z G. 2009. Seismic evidence for significant lateral variations in lithospheric thickness beneath the central and western North China Craton.EarthandPlanetaryScienceLetters, 286(1-2): 171-183.

Chen L. 2010. Concordant structural variations from the surface to the base of the upper mantle in the North China Craton and its tectonic implications.Lithos, 120(1-2): 96-115.

England P, Houseman G. 1986. Finite strain calculations of continental deformation: 2. Comparison with the India-Asia collision zone.JournalofGeophysicalResearch, 91(B3): 3664-3676.

Fukao Y, Obayashi M, Inoue H, et al. 1992. Subducting slabs stagnant in the mantle transition zone.JournalofGeophysicalResearch, 97(B4): 4809-4822.

Gao S, Rudnick R L, Yuan H L, et al. 2004. Recycling lower continental crust in the North China craton.Nature, 432(7019): 892-897.

Hearn T M. 1996. Anisotropic Pn tomography in the western United States.JournalofGeophysicalResearch, 101(B4): 8403-8414, doi: 10.1029/96JB00114.

Hearn T M. 1999. Uppermost mantle velocities and anisotropy beneath Europe.JournalofGeophysicalResearch, 104(B7): 15123-15139.

Huang J L, Zhao D P. 2004. Crustal heterogeneity and seismotectonics of the region around Beijing, China.Tectonophysics, 385(1-4): 159-180. Huang J L, Zhao D P. 2006. High-resolution mantle tomography of China and surrounding regions.JournalofGeophysicalResearch, 111(B9): B09305, doi: 10.1029/2005JB004066. Huang Y, Li Q H, Zhang Y S, et al. 2011. Crustal velocity structure beneath the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tancheng-Lujiang Fault Zone and adjacent areas.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 54(10): 2549-2559, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.10.012.

Lei J S, Zhao D P. 2005. P-wave tomography and origin of the Changbai intraplate volcano in Northeast Asia.Tectonophysics, 397(3-4): 281-295.

Lei J S, Zhao D P. 2006. Global P-wave tomography: on the effect of various mantle and core phases.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 154(1): 44-69.

Lei J S, Xie F R, Lan C X, et al. 2008. Seismic images under the Beijing region inferred from P and PmP data.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 168(3-4): 134-146.

Lei J S. 2012. Upper-mantle tomography and dynamics beneath the North China Craton.JournalofGeophysicalResearch, 117(B06): B06313.

Lei J S, Li Y, Xie F R, et al. 2014. Pn anisotropic tomography and dynamics under eastern Tibetan plateau.JournalofGeophysicalResearch, 119(3): 2174-2198. Li C, van der Hilst R D, Meltzer A S, et al. 2008. Subduction of the Indian lithosphere beneath the Tibetan Plateau and Burma.EarthandPlanetaryScienceLetters, 274(1-2): 157-168.

Li Y, Lei J S. 2012. Velocity and anisotropy structure of the uppermost mantle under the eastern Tibetan plateau inferred from Pn tomography.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 55(11): 3615-3624, doi: 10. 6038/j.issn.0001-5733.2012.11.010. Li Z W, Xu Y, Hao T Y, et al. 2006. Seismic tomography and velocity structure in the crust and upper mantle around Bohai Sea area.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 49(3): 797-804.

Li Z W, Hao T Y, Xu Y. 2011. Uppermost mantle structure of the North China Craton: Constraints from interstation Pn travel time difference tomography.ChineseSci.Bull., 56(16): 1691-1699.

Liu M, Cui X J, Liu F T. 2004. Cenozoic rifting and volcanism in eastern China: A mantle dynamic link to the Indo-Asian collision?Tectonophysics, 393(1-4): 29-42.

Menzies M A, Fan W M, Zhang M. 1993. Palaeozoic and Cenozoic lithoprobes and the loss of >120 km of Archaean lithosphere, Sino-Korean craton, China.Geol.Soc.Spec.Pub., 76(1): 71-78.Molnar P, Tapponnier P. 1975. Cenozoic tectonics of Asia: Effects of a continental collision.Science, 189(4201): 419-426.

Qi J F, Zhou X H, Wang Q S. 2010. Structural model and Cenozoic kinematics of Tan-Lu deep fracture zone in Bohai Sea area.GeologyinChina(in Chinese), 37(5): 1231-1242.

Savage M K, Silver P G. 1993. Mantle deformation and tectonics: Constraints from seismic anisotropy in the western United States.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 78(3-4): 207-227.

Silver P G. 1996. Seismic anisotropy beneath the continents: Probing the depths of geology.AnnualReviewofEarthandPlanetarySciences, 24: 385-432.

Tapponnier P, Peltzer G, Armijo R. 1986. On the mechanics of the collision between India and Asia. ∥ Coward M, Ries A eds. Collision Tectonics.Geol.Soc.LondonSpec.Publ., 19(1): 113-157.

Tian Y, Zhao D P. 2011. Destruction mechanism of the North China Craton: Insight from P and S wave mantle tomography.JournalofAsianEarthSciences, 42(6): 1132-1145.

Tian Y, Zhao D. 2013. Reactivation and mantle dynamics of North China Craton: insight from P-wave anisotropy tomography.GeophysicalJournalInternational, 195(3): 1796-1810.

Wang S Y, Xu Z H, Pei S P. 2003. Pn wave velocity structure of at the uppermost mantle of the northern China and tectonic implication.ScienceinChina(SeriesD) (in Chinese), 33(Suppl.): 91-98.

Xu Y G. 2001. Thermo-tectonic destruction of the Archaean lithospheric keel beneath the Sino-Korean Craton in China: Evidence, timing and mechanism.Phys.Chem.Earth, 26(9-10): 747-757.

Xu Y, Li Z W, Liu J S, et al. 2008. Pn wave velocity and anisotropy in the Yellow Sea and adjacent region.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 51(5): 1444-1450.

Ye G F, Wei W B, Jin S, et al. 2009. Study of the electrical structure and its geological meanings of the middle part of Tancheng-Lujiang fault zone.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 52(11): 2818-2825, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.11.016.

Yin A, Harrison T M. 2000. Geologic evolution of the Himalayan-Tibetan orogen.AnnualReviewofEarthandPlanetarySciences, 28: 211-280.

Yu X W, Chen Y T, Zhang H. 2010. Three-dimensional crustal P-wave velocity structure and seismicity analysis in Beijing-Tianjin-Tangshan Region.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 53(8): 1817-1828, doi: 10. 3969/j.issn.0001-5733.2010.08.007.

Zhao D P. 2004. Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs: insight into deep Earth dynamics.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 146(1-2): 3-34.

Zheng X F, Ouyang B, Zhang D N, et al. 2009. Technical system construction of Data Backup Centre for China Seismograph Network and the data support to researches on the Wenchuan earthquake.ChineseJournalofGeophysics(in Chinese), 52(5): 1412-1417, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.031.

Zhou Z G, Lei J S. 2015. Pn anisotropic tomography under the entire Tienshan orogenic belt.JournalofAsianEarthSciences, 111: 568-579.Zhu R X, Xu Y G, Zhu G, et al. 2012. Destruction of the North China Craton.Sci.ChinaEarthSci. (in Chinese), 42(8): 1135-1159.

附中文參考文獻(xiàn)

常利軍, 王椿鏞, 丁志峰. 2009. 中國(guó)東部上地幔各向異性研究. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 39(9): 1169-1178.

常利軍, 王椿鏞, 丁志峰. 2011. 鄂爾多斯塊體及周緣上地幔各向異性研究. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 41(5): 686-699.

常利軍, 王椿鏞, 丁志峰. 2012. 華北上地幔各向異性研究. 地球物理學(xué)報(bào), 55(3): 886-896, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.03.018.

黃耘, 李清河, 張?jiān)? 2011. 郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu). 地球物理學(xué)報(bào), 54(10): 2549-2559, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.10.012.

黎源, 雷建設(shè). 2012. 青藏高原東緣上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)及各向異性研究. 地球物理學(xué)報(bào), 55(11): 3615-3624, doi: 10. 6038/j.issn.0001-5733.2012.11.010.

漆家福, 周心懷, 王謙身. 2010. 渤海海域中郯廬深斷裂帶的結(jié)構(gòu)模型及新生代運(yùn)動(dòng)學(xué). 中國(guó)地質(zhì), 37(5): 1231-1242.

李志偉, 胥頤, 郝天珧等. 2006. 環(huán)渤海地區(qū)的地震層析成像與地殼上地幔結(jié)構(gòu). 地球物理學(xué)報(bào), 49(3): 797-804.

李志偉, 郝天珧, 徐亞. 2011. 華北克拉通上地幔頂部構(gòu)造特征: 來(lái)自臺(tái)站間Pn波到時(shí)差成像的約束. 科學(xué)通報(bào), 56(12): 962-970. 汪素云, 許忠淮, 裴順平. 2003. 華北地區(qū)上地幔頂部Pn波速度結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造含義. 中國(guó)科學(xué)D輯: 地球科學(xué), 33(增刊): 91-98.

葉高峰, 魏文博, 金勝等. 2009. 郯廬斷裂帶中段電性結(jié)構(gòu)及其地學(xué)意義研究. 地球物理學(xué)報(bào), 52(11): 2818-2825, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.11.016.

胥頤, 李志偉, 劉勁松等. 2008. 黃海及其鄰近地區(qū)的Pn波速度與各向異性. 地球物理學(xué)報(bào), 51(5): 1444-1450

徐義剛, 李洪顏, 龐崇進(jìn)等. 2009. 論華北克拉通破壞的時(shí)限. 科學(xué)通報(bào), 54(14): 1974-1989.

于湘?zhèn)? 陳運(yùn)泰, 張懷. 2010. 京津唐地區(qū)地殼三維P波速度結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)性分析. 地球物理學(xué)報(bào), 53(8): 1817-1828, doi: 10. 3969/j.issn.0001-5733.2010.08.007.

鄭秀芬, 歐陽(yáng)飚, 張東寧等. 2009. “國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)及其對(duì)汶川大地震研究的數(shù)據(jù)支撐. 地球物理學(xué)報(bào), 52(5): 1412-1417, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.05.031.

朱日祥, 徐義剛, 朱光. 2012. 華北克拉通破壞. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 42(8): 1135-1159.

(本文編輯何燕)

基金項(xiàng)目中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH16024Y，XH15026)，山東省地震局科研基金和國(guó)家自然科學(xué)基金(41530212)聯(lián)合資助.

作者簡(jiǎn)介呂子強(qiáng)，男，1982年生，博士研究生，主要從事地震層析成像應(yīng)用研究. E-mail: ziqiangmail@163.com E-mail: jshlei_cj@hotmail.com

*通訊作者雷建設(shè),男,1969年生,中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研究員,主要從事地震層析成像理論及應(yīng)用研究.

doi:10.6038/cjg20160611 中圖分類(lèi)號(hào)P315

收稿日期2015-09-01，2015-12-29收修定稿

Pn-wave velocity and anisotropy around the Bohai Sea areas

Lü Zi-Qiang1,2,3, LEI Jian-She3*, ZHOU Zhi-Gang3, ZHANG Gang2,ZHANG Shu-Jian2, YU Cheng2, YAN Qi2

1InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2EarthquakeAdministrationofShandongProvince,Jinan250000,China3KeyLaboratoryofCrustalDynamics,InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100085,China

AbstractThe Bohai Sea and surrounding areas are located on the mid-eastern parts of North China Craton, where the lithospheric thinning and destruction occurred and earthquakes frequently took place and oil and gases were generated. Therefore, it is a region attracting much attention of geoscientists to study.

The Pn-wave data during 1980 to 2015 used in this study come from the observational bulletins of China Seismological Networks Center, including hand-picked 3068 Pn arrival times. We selected 10056 high-quality Pn data from 569 earthquakes recorded at 265 stations. The ray paths have good coverage in the study region.

We inverted Pn-wave velocity structure and anisotropy beneath the Bohai Sea and surrounding areas using the Hearn′s method. The high-resolution result shows that Pn-wave velocity is well consistent with the regional geological structure in the Bohai Sea and surrounding areas. The lithospheric thinning and destruction of North China Craton has little effects on the uppermost mantle. In the study area, the uppermost mantle exhibits prominent lateral heterogeneities. The uplifted areas, such as the Taihangshan orogen, Yanshan orogen, Luxi uplift, Jiaoliao uplift and Sulu belt, present low-velocity (low-V) anomalies, indicating the lithosphere is weak beneath these areas. The depressed regions, such as the North China basin, northern South Yellow Sea basin, and southern South Yellow Sea basin, exhibit high-velocity (high-V) anomalies, implying a strong lithosphere there. Crustal earthquakes are mainly distributed along the transition zone of low-V to high-V anomalies, suggesting a possible correlation between the crustal strong earthquakes and the upper mantle structure. The fast directions of Pn anisotropy beneath the Taihangshan orogen are roughly along the NNE direction that is consistent with the trend of the mountains. The fast directions of Pn anisotropy beneath the Sulu belt are generally in the NE direction. It is inferred that the uppermost mantle structure may have affected on the shallow crustal structure. The fast directions of Pn anisotropy are variable in the northern and southern North China basin, which might be related to the lithosphere thickness and thermal conditions beneath the study region.

KeywordsPn-wave; Velocity heterogeneity; Anisotropy; Uppermost mantle; Bohai Sea and surrounding areas

呂子強(qiáng)， 雷建設(shè)， 周智剛等. 2016. 環(huán)渤海地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與各向異性.地球物理學(xué)報(bào)，59(6):2047-2055,doi:10.6038/cjg20160611.

Lü Z Q, Lei J S, Zhou Z G, et al. 2016. Pn-wave velocity and anisotropy around the Bohai Sea areas.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(6):2047-2055,doi:10.6038/cjg20160611.