許啟慧, 蓋增喜*, 馮永革, 王冠之, 郭震， 梁曉峰

1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院理論與應(yīng)用地球物理研究所， 北京 100871 2 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系， 深圳 518055 3 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029

0 引言

塔里木盆地位于歐亞大陸中部，古亞洲和特提斯構(gòu)造域交匯地帶，四周山脈環(huán)繞，北側(cè)為天山造山帶，西南部為昆侖山造山帶和帕米爾高原，東南部為阿爾金造山帶和青藏高原(圖1)(劉訓(xùn),2006;李江海等,2019).新生代以來(lái)，受印度板塊與歐亞板塊碰撞及其遠(yuǎn)程作用的影響，青藏高原劇烈隆升并向北運(yùn)移，受堅(jiān)硬的塔里木巖石圈阻擋向東逃逸，高強(qiáng)度的塔里木塊體持續(xù)向北俯沖至天山造山帶的上地幔并消減(胥頤等,2001; Zhao et al., 2003)，盆地周緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，天山、昆侖山、阿爾金山發(fā)生劇烈的隆升、縮短和走滑變形，堅(jiān)硬的塔里木地塊在重力均衡作用下整體沉降，形成封閉型壓陷疊合盆地(宋曉東等,2004).塔里木南緣位于塔里木盆地與青藏高原的碰撞交匯地帶，該處巖石圈變形及深部地幔物質(zhì)流動(dòng)是探究青藏高原和周緣造山帶形成和演化、塊體間相互作用、印度—?dú)W亞板塊碰撞效應(yīng)的重要判定依據(jù)，對(duì)探究青藏高原的隆升和擴(kuò)張機(jī)制等地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要意義(李秋生等, 2020).但由于塔里木盆地內(nèi)部沙漠覆蓋，環(huán)境惡劣，一直以來(lái)缺少地震臺(tái)站布設(shè)和觀測(cè)，對(duì)盆地下方的地殼上地幔研究較少，盆地內(nèi)部巖石圈結(jié)構(gòu)特征亟待進(jìn)一步研究.

橫波分裂方法可以獲得巖石圈及軟流圈地幔的介質(zhì)各向異性特征，進(jìn)而探討巖石圈變形和地幔流動(dòng).研究表明，各向異性廣泛存在于地殼和上地幔中, 橫波分裂是地球內(nèi)部存在各向異性介質(zhì)最為明確的觀測(cè)證據(jù).中上地殼發(fā)育有大量的含液微裂隙，在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生定向排布，可造成不同偏振方向的S波1.5%～4%的速度差異，快波偏振方向平行于最大主壓應(yīng)力方向，反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征(Crampin and Lovell, 1991; Crampin and Peacock, 2005).地幔物質(zhì)構(gòu)造形變導(dǎo)致橄欖石晶格優(yōu)勢(shì)取向(Lattice Preferred Orientation, LPO)被廣泛認(rèn)為是產(chǎn)生上地幔各向異性的主要原因.上地幔中廣泛分布A型橄欖石，天然橄欖巖樣品和巖石實(shí)驗(yàn)表明，在簡(jiǎn)單剪切形變下，A型橄欖石會(huì)產(chǎn)生趨向于最大剪切力方向排列的LPO，其程度隨剪切強(qiáng)度的增大而增大(Karato, 2008)，反映了過(guò)去或現(xiàn)今地幔巖石圈內(nèi)物質(zhì)的變形和地幔流動(dòng)場(chǎng)特征.因此，通過(guò)各向異性的研究可以了解地球內(nèi)部變形特征(Silver and Chan, 1991; Silver, 1996; Savage, 1999)，并推測(cè)地幔流動(dòng)和地殼與下覆地幔的耦合機(jī)制(Wang et al., 2008; 高原等，2010).

在中國(guó)大陸一些學(xué)者利用橫波分裂開(kāi)展了大量的地殼上地幔各向異性研究.Huang等(2011)通過(guò)XKS震相橫波分裂分析了中國(guó)大陸及鄰區(qū)各向異性，結(jié)果表明中國(guó)大陸上地幔各向異性明顯，西部各向異性略大，中國(guó)東部快波偏振與絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向一致，認(rèn)為是軟流圈地幔物質(zhì)的流動(dòng)導(dǎo)致，西部青藏高原與天山造山帶快波偏振方向平行于地表變形和斷裂走向，并垂直于最大水平應(yīng)力方向，且與絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向較為一致，說(shuō)明地幔流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的各向異性廣泛存在中國(guó)大陸.Wang等(2014)利用SKS和SKKS震相最小切向能量方法獲得中國(guó)大陸及鄰區(qū)橫波分裂參數(shù)，結(jié)果表明中國(guó)大陸各向異性平均慢波延遲時(shí)間為0.95 s，西部各向異性略大(1.01 s)，青藏高原和天山地區(qū)是地殼-地幔耦合變形機(jī)制，推測(cè)斷裂控制了巖石圈深部變形.Wang等(2016)利用接收函數(shù)研究了青藏高原東北部的地殼結(jié)構(gòu)和地殼各向異性，結(jié)果顯示出快波偏振方向與地表構(gòu)造相一致的強(qiáng)各向異性特征，通過(guò)對(duì)比XKS震相結(jié)果，發(fā)現(xiàn)快波偏振方向與XKS結(jié)果較為一致，推測(cè)該區(qū)為殼幔耦合變形.郭桂紅等(2019)利用SKS震相橫波分裂和接收函數(shù)Pms震相，獲得了青藏高原東北緣地殼上地幔各向異性分裂參數(shù)，結(jié)果顯示SKS快波偏振方向均值為123°，Pms快波偏振方向均值為132°，大部分與地表構(gòu)造走向一致，說(shuō)明青藏高原東北緣地殼上地?；ハ囫詈?，以巖石圈垂直連貫變形為主，SKS、Pms快慢波到時(shí)差分別為1.0 s和0.6 s，說(shuō)明地殼各向異性貢獻(xiàn)較大.Zhao等(2010)利用接收函數(shù)和橫波分裂對(duì)青藏高原中部和東部?jī)蓷l新測(cè)線進(jìn)行了觀測(cè)研究，結(jié)果顯示印度—?dú)W亞板塊碰撞緩沖區(qū)青藏高原下方存在較強(qiáng)的各向異性.Levin等(2008)聯(lián)合遠(yuǎn)震橫波分裂和接收函數(shù)方法研究了青藏高原西部的各向異性特征，在昆侖斷裂附近擬合快軸方向?yàn)?0°的單層各向異性，而阿爾金斷裂附近更傾向于兩層各向異性結(jié)構(gòu)，上層各向異性快軸方向與斷裂走向一致，對(duì)于塔里木盆地南緣的橫波分裂結(jié)果較為復(fù)雜，推測(cè)該區(qū)較厚的沉積物對(duì)波形造成了扭曲.Levin等(2013)利用SKS、PKS震相橫波分裂和震源機(jī)制研究了青藏高原北緣的殼幔耦合特征，橫波分裂結(jié)果顯示，青藏高原北緣的各向異性主要來(lái)自上地幔，推測(cè)地幔流動(dòng)方向?yàn)榻鼥|西向，青藏高原與塔里木盆地交界地帶，存在殼內(nèi)東西向伸展變形，與上地幔內(nèi)部變形方向一致，推測(cè)該區(qū)地殼與上地幔耦合變形.鮑子文和高原(2017)利用近場(chǎng)小地震橫波分裂研究了天山及鄰區(qū)的地殼各向異性，表現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，其中塔里木盆地西側(cè)呈現(xiàn)出近北西向的快波偏振方向，可能反映了該區(qū)主壓應(yīng)力方向，而北天山和南天山部分臺(tái)站快波偏振方向?yàn)榻媳毕?，可能與塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地雙向擠壓有關(guān).

馮永革等(2016)對(duì)阿爾金造山帶西部進(jìn)行了上地幔各向異性研究，結(jié)果顯示研究區(qū)快波偏振方向整體呈東西向，反映了青藏高原北部地幔物質(zhì)向東西兩側(cè)流動(dòng)，并推測(cè)青藏高原軟流圈物質(zhì)“熱侵蝕”塔里木克拉通邊界.本研究通過(guò)收集塔里木盆地南部寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)站(2017年4月—2019年4月)波形資料，利用SKS、SKKS橫波分裂方法獲得臺(tái)站下方各向異性參數(shù)，能夠有效補(bǔ)充塔里木地區(qū)地震數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討青藏高原與塔里木塊體之間的相互作用關(guān)系.

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究所用資料是中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合北京大學(xué)和南方科技大學(xué)于2017年4月—2019年4月在塔里木盆地架設(shè)的寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)站的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，選取8個(gè)在研究區(qū)內(nèi)均勻分布的臺(tái)站(圖1).選取震中距在85°～140°范圍內(nèi)、震級(jí)大于5.0級(jí)的遠(yuǎn)震波形資料.圖2為有效事件和無(wú)效事件的震中分布，這些事件主要分布在南太平洋湯加、斐濟(jì)等地區(qū)，其他象限測(cè)得有效事件少，造成這種現(xiàn)象可能有兩個(gè)原因，一是地震事件相對(duì)較少，二是觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比較低，XKS震相不易識(shí)別.

SKS、SKKS波在穿過(guò)核幔邊界時(shí)，由P波轉(zhuǎn)換為S波，這里的S波僅有徑向分量(SV波)，沒(méi)有切向分量(SH波)，即切向分量能量為零.如果地殼地幔中存在各向異性介質(zhì)，則SKS、SKKS波發(fā)生分裂，此時(shí)可以觀測(cè)到明顯的切向分量能量；如果沒(méi)有切向分量或切向分量很小，則認(rèn)為臺(tái)站下方不存在各向異性物質(zhì)或SKS、SKKS波入射方向與快波偏振方向平行或垂直，記作無(wú)效分裂(NULL)(Wüstefeld and Bokelmann, 2007).基于這一思想，Silver 和Chan(1991)提出切向最小能量法(SC)，目前廣泛應(yīng)用于地殼上地幔各向異性參數(shù)的測(cè)量中.

地震波在通過(guò)橫波分裂參數(shù)為(φ,δt)的各向異性介質(zhì)后，臺(tái)站接收到的徑向和切向地震記錄可以表示為：

(1)

(2)

其中s表示該地震記錄的水平分量.

地震波經(jīng)過(guò)各向異性介質(zhì)后分裂成的快波和慢波具有相似的波形，因此Bowman和Ando(1987)提出的旋轉(zhuǎn)相關(guān)法(Rotation Cross-correlation,簡(jiǎn)稱RC)即是通過(guò)網(wǎng)格搜索(φ,δt)值，使得校正后的兩方向地震數(shù)據(jù)互相關(guān)系數(shù)最大.

此外，Silver和Chan(1991)在提出最小切向能量法的同時(shí)提出最小特征值法.地震儀器記錄到的兩個(gè)偏振方向相互正交的地震波分量分別為ui(t)和uj(t),則協(xié)方差矩陣定義為：

(3)

類似于最小切向能量法思路，網(wǎng)格搜索找到一對(duì)最優(yōu)的(φ,δt)，使得協(xié)方差矩陣有唯一的非零特征值.但由于實(shí)際地震記錄中有噪聲的干擾，在計(jì)算時(shí)通常求取的是λ2或λ1λ2的最小值或者λ1或λ1/λ2的最大值(λ1>λ2).

基于上述的三種方法，本研究采用SplitLab(Wüstefeld et al., 2008)程序包來(lái)計(jì)算快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間.具體步驟如下：

(1)根據(jù)USGS提供的地震目錄，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、截取等預(yù)處理.

圖2 遠(yuǎn)震事件震中分布圖紅色三角表示研究區(qū)域中心位置，(a)中藍(lán)色圓表示有效分裂事件，(b)中紅色圓表示無(wú)效分裂事件，圓的大小代表此事件被測(cè)量到的臺(tái)站數(shù)量.Fig.2 Epicenter distribution of teleseismic eventsRed triangle is the center of the research area, blue circles in (a) show the locations of valid splitting events, red circles in (b) show the locations of null splitting events, size of the circle represents the number of stations measured for certain event.

(2)由于SKS、SKKS震相的主要能量集中在8～20 s，因此我們先對(duì)原始記錄選擇較大的濾波范圍(0.02～0.3 Hz)進(jìn)行初始濾波，便于挑選出震相相對(duì)清晰、信噪比高的記錄用于下一步橫波分裂分析.

(3)將原始信號(hào)從Z-E-N三分量地震坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到L-Q-T射線坐標(biāo)系，根據(jù)Taup計(jì)算IPS91模型下SKS、SKKS震相的理論到時(shí)，手動(dòng)選擇波形時(shí)間窗口，保證所選震相時(shí)間窗口至少包含一個(gè)完整周期波形；根據(jù)每條記錄波形的特點(diǎn)分別在初始濾波范圍0.02～0.3 Hz內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以提高信噪比.

(4)快波偏振方向φ和慢波延遲時(shí)間δt分別在(-90°，90°)、(0 s，4 s)的范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格搜索，根據(jù)校正結(jié)果對(duì)濾波范圍和時(shí)間窗反復(fù)微調(diào)，獲得最佳測(cè)量參數(shù).

圖3顯示了T15臺(tái)站記錄的2017年9月20日20時(shí)09分發(fā)生的MW6.4地震的SKS波分裂結(jié)果，地震震源深度為197 km，震中距為99.02°，地震反方位角為106.8°，最小切向能量法、旋轉(zhuǎn)相關(guān)法、最小特征值法得到的快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間分別為(73°，0.9 s)、(75°，0.9 s)、(75°，0.9 s).Δφ=2°，ρ=1，信噪比為22.4，質(zhì)量判定為好的有效分裂結(jié)果.圖3a原始記錄中切向分量明顯，說(shuō)明傳播路徑中遇到各向異性介質(zhì)，發(fā)生了橫波分裂.校正后的快慢波波形基本一致(圖3b，3f)，切向分量能量接近直線(圖3c，3g)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖由橢圓偏振(藍(lán)色虛線)校正為線性偏振(紅色實(shí)線)(圖3d，3h)，圖3e和圖3i分別為旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和切向最小能量法網(wǎng)格搜索(φ,δt)所計(jì)算得到的快慢波互相關(guān)值和切向分量能量的等值線圖，交線位置對(duì)應(yīng)互相關(guān)最大值和切向能量最小值.校正后的波形擬合較好，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近乎為直線，原始信號(hào)信噪比高，且三種方法得到的結(jié)果也較為一致，標(biāo)定該結(jié)果質(zhì)量為好的分裂結(jié)果.說(shuō)明該測(cè)量方法能夠有效得到各向異性參數(shù).

圖3 質(zhì)量為好的分裂結(jié)果實(shí)例.T15臺(tái)站記錄的2017年9月20日20時(shí)09分發(fā)生的MW6.4地震的SKS波分裂結(jié)果圖(a)為原始的徑向(藍(lán)色虛線)和切向(紅色實(shí)線)地震波形，灰色陰影為選取的時(shí)間窗； (b)和(f)為校正后的快波(藍(lán)色虛線)和慢波(紅色實(shí)線)波形； (c)和(g)為校正后的徑向(藍(lán)色虛線)和切向(紅色實(shí)線)波形； (d)和(h)分別為校正前(藍(lán)色虛線)和校正后(紅色實(shí)線)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖； (e)和(i)分別為互相關(guān)系數(shù)和切向能量等值線圖. (b—e)為旋轉(zhuǎn)互相關(guān)法的校正結(jié)果，(f—i)為最小切向能量法的校正結(jié)果.Fig.3 An example of good splitting result. SKS wave splitting result of the event took place at 2017-09-20 20∶09 recorded by T15(a) is the original radial (blue dotted line) and tangential (red solid line) seismic waveform, and the gray shadow is the selected time window; (b) and (f) are corrected fast wave (blue dotted line) and slow wave (red solid line); (c) and (g) are corrected radial wave (blue dotted line) and transverse wave (red solid line); (d) and (h) are particle motion of original SKS phase (blue dotted line) and particle motion of corrected SKS phase (red solid line); (e) and (i) are contour plot of cross-correlation coefficient and energy of transverse component. (b—e) are results of Rotation cross-correlation method, (f—i) are results of Minimum transverse energy method.

圖4為質(zhì)量評(píng)定為一般的結(jié)果實(shí)例，T15臺(tái)站記錄的2018年10月16日00時(shí)28分發(fā)生的MW6.3地震的SKS波分裂結(jié)果，地震震源深度為10 km，震中距為101.16°，地震反方位角為109.1°，最小切向能量法、旋轉(zhuǎn)相關(guān)法、最小特征值法得到的快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間分別為(61°，0.9 s)、(72°，0.9 s)、(75°，0.9 s).Δφ=11°，ρ=1，信噪比為8.9，質(zhì)量判定一般的有效分裂結(jié)果.

圖5是一個(gè)SKS震相無(wú)效分裂結(jié)果實(shí)例，這是T16臺(tái)站記錄的2018年4月30日18時(shí)24分發(fā)生的MW6.3地震的SKS波分裂結(jié)果，地震震源深度為266 km，震中距為97.15°，地震反方位角為104.7°，最小切向能量法、旋轉(zhuǎn)相關(guān)法、最小特征值法得到的快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間分別為(-79°，3.8 s)、(54°，0.0 s)、(-83°，4.0 s).其中，旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小切向能量法的快波偏振方向結(jié)果相差45°，旋轉(zhuǎn)相關(guān)法與最小切向能量法的慢波延遲時(shí)間分別為0.0 s和3.7 s(近網(wǎng)格搜索的上限，4.0 s)，最小特征值法的結(jié)果與最小切向能量法近乎相同，根據(jù)Wüstefeld和Bokelmann(2007)總結(jié)的規(guī)律和判定標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定為無(wú)效分裂結(jié)果(NULL).圖5a原始徑向和切線波形記錄中未看到明顯的切向分量波形，即切向分量近似為直線，且質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈線性，判定該地震記錄未發(fā)生橫波分裂.

圖4 質(zhì)量為一般的分裂結(jié)果實(shí)例.T15臺(tái)站記錄的2018年10月16日00時(shí)28分發(fā)生的MW6.3地震的SKS波分裂結(jié)果圖圖例說(shuō)明同圖3.Fig.4 An example of fair splitting result. SKS wave splitting result of the event took place at 2018-10-16 00∶28 recorded by T15Illustration is the same as Fig.3.

圖5 無(wú)效分裂結(jié)果實(shí)例.T16臺(tái)站記錄的2018年4月30日18時(shí)24分發(fā)生的MW6.3地震的SKS波分裂結(jié)果圖圖例說(shuō)明同圖3.Fig.5 An example of null splitting result. SKS splitting result of the event took place at 2018-04-30 18∶24 recorded by T16Illustration is the same as Fig.3.

2 橫波分裂結(jié)果

利用上述方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)8個(gè)臺(tái)站共7467條地震記錄進(jìn)行了橫波分裂測(cè)量，最終得到43對(duì)有效分裂結(jié)果和14對(duì)無(wú)效分裂結(jié)果，其中16對(duì)質(zhì)量評(píng)定為好的分裂結(jié)果，27對(duì)質(zhì)量評(píng)定為一般的分裂結(jié)果，包含41個(gè)SKS震相分裂結(jié)果和2個(gè)SKKS震相分裂結(jié)果.圖6為各個(gè)臺(tái)站的分裂結(jié)果.根據(jù)誤差平方的倒數(shù)加權(quán)平均(Schmid et al., 2004)得到每個(gè)臺(tái)站的平均結(jié)果，詳見(jiàn)表1.圖7為有效分裂事件和無(wú)效事件的方位分布，快波偏振方向與無(wú)效分裂事件的反方位角存在一定的偏差，暗示該區(qū)可能存在復(fù)雜的各向異性特征，馮強(qiáng)強(qiáng)等(2012)在對(duì)新疆地區(qū)橫波分裂的觀測(cè)中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象.圖8為研究區(qū)快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間的空間分布，圖9展示了快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

本研究所用的流動(dòng)地震臺(tái)站布設(shè)在中國(guó)最大的沙漠——塔克拉瑪干沙漠內(nèi)部，環(huán)境惡劣，臺(tái)基特殊，巨厚的沉積層造成地震波能量衰減，且易受周期性沙漠流動(dòng)的影響，波形受干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)信噪比較低，震相不易識(shí)別，造成數(shù)據(jù)處理困難，是盆地內(nèi)部臺(tái)站測(cè)量結(jié)果較少的主要原因.另一方面，盆地內(nèi)部各向異性較弱的臺(tái)站，分裂震相不明顯，因此環(huán)境的影響對(duì)波形干擾程度更大，也加大了橫波分裂測(cè)量的難度.靠近盆地中部的臺(tái)站獲得的有效分裂事件較少，其中位于沙漠內(nèi)部的T32臺(tái)站，沒(méi)有獲得有效分裂結(jié)果.而盆地邊緣靠近阿爾金山脈的T13、T15臺(tái)站，基巖出露，臺(tái)基穩(wěn)固，環(huán)境影響小，數(shù)據(jù)信噪比高，且各向異性較強(qiáng)，在相同信噪比情況下，橫波分裂現(xiàn)象更明顯、更易識(shí)別和測(cè)量，獲得有效分裂結(jié)果多，分別測(cè)量得到15和13條有效分裂記錄.

結(jié)果顯示，研究區(qū)快波偏振方向主要分布在50°～ 90°，以東西向?yàn)橹?，慢波延遲時(shí)間分布在0.3～1.5 s.上地幔橄欖巖晶格定向排列被廣泛認(rèn)為是上地幔各向異性的主要原因，假定上地幔橄欖巖含量為50%～70%，其中15%定向排列，則1 s的慢波延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)115 km的各向異性層(Silver and Chan, 1991; 鄭斯華和高原，1994)，換算成該區(qū)的各向異性層厚度為34.5～172.5 km，范圍差異較大，且與面波層析成像得到的塔里木盆地巖石層厚度(120～200 km)相比明顯較小(李孟奎等, 2018).整體來(lái)看，相對(duì)于青藏高原和周緣造山帶強(qiáng)各向異性，盆地顯示為較弱的各向異性特征，且存在區(qū)域差異，研究區(qū)東部強(qiáng)西部弱，南部強(qiáng)北部弱，盆地從南東邊緣沿北西向至盆地內(nèi)部呈減弱的趨勢(shì)，各向異性較強(qiáng)的臺(tái)站表現(xiàn)為近東西向的快波偏振方向，而研究區(qū)西部各向異性較弱的臺(tái)站快波偏振方向?yàn)榻睎|向，造成這種差異的原因可能是引起該區(qū)強(qiáng)各向異性與弱各向異性的原因不同.東南部靠近阿爾金斷裂的T13、T15臺(tái)站顯示出較強(qiáng)的各向異性，平均慢波延遲時(shí)間分別為1.12 s、0.86 s，快波偏振方向分別為76.51°、69.76°，與阿爾金斷裂走向平行，該結(jié)果與Zhao等(2010)在印度—?dú)W亞板塊交界處塔里木盆地內(nèi)側(cè)的橫波分裂結(jié)果和馮永革等(2016)在阿爾金斷裂西部鄰區(qū)的橫波分裂結(jié)果一致.西昆侖斷裂附近的T37、T39臺(tái)站平均慢波延遲時(shí)間分別為0.59 s和0.56 s，快波偏振方向近北東向，這與Herquel和Tapponnier(2005)在西昆侖造山帶北緣測(cè)得N35°E的快波偏振方向較為一致.盆地內(nèi)部T16、T17臺(tái)站結(jié)果接近，但存在一定的差異，表明盆地內(nèi)部的各向異性是復(fù)雜的.T16臺(tái)站測(cè)得4條有效分裂記錄，但結(jié)果較為發(fā)散，其中出現(xiàn)一條北西向快波偏振結(jié)果(快波偏振方向?yàn)?62°)，這可能與來(lái)自不同方位的地震記錄所反映出的深部各向異性結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，該地震事件的反方位角為53.8°，與其他地震事件的反方位角差值近40°.此外，T16臺(tái)站各向異性平均結(jié)果較大，為1.06 s，其中2017年11月4日12∶08，反方位角為108.6°，震中距為100.82°，質(zhì)量標(biāo)定為好的地震事件表現(xiàn)為較強(qiáng)的各向異性，慢波延遲時(shí)間為1.5 s，從而拉高了該臺(tái)的平均值，這與該臺(tái)站及鄰近臺(tái)站慢波延遲時(shí)間普遍小于1 s的結(jié)果不一致，經(jīng)認(rèn)真核對(duì)，確認(rèn)該記錄測(cè)量的準(zhǔn)確性.以T16臺(tái)站與T17臺(tái)站距離的一半為半徑，假定波長(zhǎng)為40 km，則根據(jù)菲涅爾帶，兩臺(tái)站產(chǎn)生橫波分裂參數(shù)差異的深度約為90 km以下，推測(cè)與上地幔各向異性差異有關(guān).T34臺(tái)站慢波延遲時(shí)間最小，為0.4 s，表明盆地內(nèi)部各向異性較弱，快波偏振方向?yàn)?3.24°，與周圍臺(tái)站結(jié)果較為一致，但該區(qū)沉積環(huán)境復(fù)雜，在Levin等(2013)結(jié)果中該區(qū)各向異性參數(shù)較為發(fā)散，該臺(tái)結(jié)果與Levin等(2013)部分結(jié)果相一致.

表1 塔里木盆地南部SKS、SKKS分裂結(jié)果Table 1 The SKS and SKKS splitting results beneath southern Tarim basin

圖6 塔里木盆地南端8個(gè)臺(tái)站SKS、SKKS分裂結(jié)果黑色短線的方位角和長(zhǎng)度分別表示臺(tái)站記錄的SKS,SKKS分裂結(jié)果的快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間，內(nèi)外圈的慢波延遲時(shí)間分別為1 s和2 s.Fig.6 Results of the SKS and SKKS wave splitting of 8 stations in southern Tarim basinThe azimuth and length of the short black lines denote the polarization of the fast waves and the delay time respectively, and the inner and outer circles indicates the delay time as long as 1 s and 2 s respectively.

圖7 按照方位分布的有效分裂結(jié)果和無(wú)效分裂結(jié)果黑色短線的方位角和長(zhǎng)度分別表示臺(tái)站記錄的SKS,SKKS分裂結(jié)果的快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間，紅色叉線表示該臺(tái)無(wú)效分裂事件,中心點(diǎn)為臺(tái)站名稱，虛線圓圈分別表示85°、140°震中距.Fig.7 Results of the SKS and SKKS wave splitting and null results according to azimuth distributionThe azimuth and length of the short black lines denote the polarization of the fast waves and the slow wave delay time respectively. The red crosses indicate null events. The station names are in the center and the dotted circles represent the epicenter distance of 85° and 140°.

圖8 研究區(qū)各向異性結(jié)果短線方向?yàn)榭觳ㄆ穹较?，長(zhǎng)短與慢波延遲時(shí)間成正比.紅色實(shí)線為本研究結(jié)果，橘色、綠色、淺藍(lán)色、黃色、藍(lán)色實(shí)線為前人研究結(jié)果(其中，橘色：馮永革等,2016;綠色：Levin et al., 2008, 2013;淺藍(lán)色：Wu et al., 2015;黃色：Herquel and Tapponnier, 2005;藍(lán)色：來(lái)自http:∥splitting.gm.univ-montp2.fr/DB/public/searchdatabase.html.)， 黑色箭頭表示絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向，紫色箭頭為GPS地表位移(引自Zheng et al., 2017).Fig.8 Anisotropic results in study areaThe direction of the short line is anisotropic fast wave polarization direction, and the size of the line is proportional to the slow wave delay time. Red solid lines show our results, orange, green, light blue, yellow, blue solid lines show results of other researchers (Orange: Feng et al., 2016; green: Levin et al., 2008,2013; light blue: Wu et al., 2015; yellow: Herquel and Tapponnier, 2005; blue: from http:∥splitting.gm.univ-montp2.fr/DB/public/searchdatabase.html.). The black arrow indicates the direction of absolute plate motion, the purple arrow indicates the GPS surface displacement (from Zheng et al., 2017).

圖9 研究區(qū)各向異性快波偏振方向(a)和慢波延遲時(shí)間(b)的事件數(shù)分布直方圖Fig.9 The histogram of events number distribution of anisotropic fast wave polarization direction (a) and the slow wave delay time (b) in the study area

3 討論

塔里木盆地是寒武紀(jì)基底之上的較為堅(jiān)硬的塊體，自古生代成盆以來(lái)，盆地內(nèi)無(wú)大的構(gòu)造變革，巖石圈變形較小(王良書(shū)等,1996;賈承造,1999;胥頤等,2000;姜光政等,2016).盆地下方表現(xiàn)為高速特性，且高速區(qū)域與地表盆地構(gòu)造具有較好的一致性，盆山交界明顯，說(shuō)明在構(gòu)造擠壓背景下周緣造山帶變化劇烈而未對(duì)盆地構(gòu)造造成較大破壞(李孟奎等, 2018).宋仲和等(1991)對(duì)中國(guó)西部進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)反演和徑向各向異性研究，顯示塔里木盆地主體在40～80 km內(nèi)無(wú)明顯各向異性表現(xiàn)，直到120 km以下才出現(xiàn)較小的負(fù)值，其下為正值.李孟奎等(2018)利用面波層析成像研究了中國(guó)大陸大型盆地的巖石圈結(jié)構(gòu)，塔里木盆地靠近阿爾金斷裂一側(cè)巖石圈厚度明顯較薄，僅為120 km，且沿北西向逐漸增厚到200 km，推測(cè)在板塊碰撞下，青藏高原軟流圈物質(zhì)向周緣運(yùn)動(dòng)，遇到堅(jiān)硬的盆地地塊后轉(zhuǎn)為向下溢流，對(duì)盆地巖石圈底部造成侵蝕.

馮永革等(2016)在阿爾金斷裂帶西部以及向塔里木盆地內(nèi)部延伸近40 km的XJ10臺(tái)站均測(cè)得近東西向快波偏振方向，推斷與青藏高原地幔物質(zhì)向東西兩側(cè)流動(dòng)并向北侵蝕塔里木克拉通有關(guān).本研究中觀測(cè)到塔里木盆地南部廣泛存在快波偏振方向?yàn)闁|西向的上地幔各向異性，距離盆地邊緣160 km的T16臺(tái)站觀測(cè)到強(qiáng)各向異性，平均慢波延遲時(shí)間為1.06 s，平均快波偏振方向?yàn)?9.35°，與盆地邊緣阿爾金斷裂和青藏高原北緣表現(xiàn)為相似的各向異性結(jié)果.同時(shí)快波偏振方向從盆地邊緣到盆地內(nèi)部存在一定變化，結(jié)合前人研究結(jié)果，可知從青藏高原北部到盆地南緣整體快波偏振方向呈南東東方向，到盆地內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向，整體保持同絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向一致(Gripp and Gordon, 1990)，推測(cè)地幔流動(dòng)是各向異性的主要來(lái)源，且青藏高原北部的地幔流動(dòng)對(duì)塔里木塊體下方地幔流動(dòng)造成了擾動(dòng).同時(shí)，快慢波時(shí)差從盆地邊緣到盆地內(nèi)部存在逐漸減小的趨勢(shì)，盆地南緣阿爾金斷裂鄰區(qū)各向異性明顯，慢波延遲時(shí)間普遍在1 s左右，研究區(qū)西側(cè)及盆地內(nèi)部各向異性較弱，推斷青藏高原地幔物質(zhì)在盆山交界處活動(dòng)強(qiáng)烈，隨著進(jìn)入塔里木塊體內(nèi)部其地幔物質(zhì)影響逐漸減小.這些觀測(cè)結(jié)果支持了馮永革等(2016)的結(jié)論，推測(cè)受印度—?dú)W亞板塊碰撞推擠的影響，青藏高原北緣軟流圈可能存在較大范圍的東西向流動(dòng)，在塔里木盆地南部盆山交界處對(duì)塔里木巖石圈產(chǎn)生影響.

目前，對(duì)于地殼-地幔運(yùn)動(dòng)變形有兩種假設(shè)：一是簡(jiǎn)單軟流圈運(yùn)動(dòng)；二是殼幔耦合垂直連貫變形(Silver, 1996).Wang等(2001)對(duì)中國(guó)大陸GPS資料反演的地表速度及大陸變形機(jī)制進(jìn)行了探討，塔里木盆地與周緣活動(dòng)斷裂結(jié)合帶GPS 資料反演的南北向地表運(yùn)動(dòng)速率很大，與地殼擠壓應(yīng)力方向一致，反映了印度—?dú)W亞板塊碰撞持續(xù)向北推擠運(yùn)動(dòng)，各向異性快波偏振方向和GPS資料反演的地表運(yùn)動(dòng)方向不一致.遠(yuǎn)震SKS、SKKS反映的是地殼上地幔各向異性的累積效應(yīng)，由于缺乏該區(qū)域近震橫波分裂和接收函數(shù)研究，無(wú)法獲得地殼各向異性結(jié)構(gòu)特征，該區(qū)殼幔變形機(jī)制的討論有待數(shù)據(jù)資料的補(bǔ)充和多種方法結(jié)果的聯(lián)合分析.根據(jù)天然橄欖石的實(shí)驗(yàn)室形變實(shí)驗(yàn)，橄欖石快軸方向在擠壓應(yīng)力下沿最大拉伸方向優(yōu)勢(shì)排列(Nicolas and Poirier, 1976)，一般認(rèn)為橄欖石快軸方向垂直于最近一次造山運(yùn)動(dòng)所造成的擠壓方向(Silver and Chan, 1991; 鄭斯華和高原，1994).塔里木盆地南端各向異性快軸偏振方向與印度—?dú)W亞板塊碰撞擠壓方向近垂直，可能反映了青藏高原向北推擠造成塔里木盆地巖石圈上地幔橄欖石東西向優(yōu)勢(shì)排列.

位于阿爾金斷裂北緣的T13、T15臺(tái)站快波偏振方向平行于阿爾金斷裂走向，可能與左旋剪切的阿爾金斷裂有關(guān)，反映了在青藏高原強(qiáng)烈擠壓作用下，巖石圈構(gòu)造變形強(qiáng)烈，阿爾金斷裂控制了地殼和上地幔變形，為垂直連貫變形機(jī)制.馮強(qiáng)強(qiáng)等(2012)在塔里木盆地南緣和田臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果與我們的結(jié)果類似，快波偏振方向?yàn)?84°，慢波延遲時(shí)間為0.74 s，表現(xiàn)出受阿爾金斷裂控制的各向異性特征.Huang等(2011)對(duì)中國(guó)大陸138個(gè)寬頻帶固定臺(tái)站進(jìn)行了各向異性研究，其中塔里木南緣HTA臺(tái)2000—2009年XKS各向異性分裂分析顯示，該臺(tái)站快波偏振方向與阿爾金斷裂走向一致，呈東西向，表明受印度—?dú)W亞板塊碰撞影響，中國(guó)西部東西向斷裂控制著巖石圈深部變形.Levin等(2013)在青藏高原與塔里木盆地交界地區(qū)觀測(cè)到明顯的上地幔各向異性特征，快波偏振方向近東西向，平行于阿爾金斷裂走向，認(rèn)為阿爾金斷裂向下延伸至巖石圈上地幔，青藏高原北緣東西向的地殼伸展與上地幔變形方向一致，表明該區(qū)地殼地幔相互耦合.T15臺(tái)站位于西昆侖斷裂和阿爾金斷裂的轉(zhuǎn)換地區(qū)，快波偏振方向與阿爾金斷裂走向平行，推測(cè)阿爾金斷裂深部變形繼續(xù)向東延伸，控制著該區(qū)的巖石圈內(nèi)部變形和上地幔物質(zhì)流動(dòng).

前人在西昆侖造山帶附近獲得的快波偏振方向結(jié)果較為發(fā)散，Herquel等(2005)在塔里木盆地南緣觀測(cè)到北東向快波偏振方向，認(rèn)為其與前寒武紀(jì)以來(lái)遺留在塔里木巖石圈的“化石”各向異性有關(guān).Levin等(2008)通過(guò)橫波分裂和接收函數(shù)研究了青藏高原西部各向異性，在塔里木盆地一側(cè)測(cè)得集中于平行山脈走向和北東向兩組快波偏振方向，不同臺(tái)站之間和單個(gè)臺(tái)站不同記錄之間差異較大，認(rèn)為與塔里木盆地較厚沉積層產(chǎn)生的強(qiáng)地面混響有關(guān).層析成像結(jié)果顯示，塔里木盆地南部至西昆侖造山帶山前莫霍面附近出現(xiàn)低速區(qū)，表明塔里木上地幔巖石層向青藏高原西北部俯沖到較深的位置(胥頤等，2000；Zhao et al., 2014)，該區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造變形可能是造成快波偏振方向發(fā)散的另一原因.本研究中，西昆侖造山帶附近的T37、T39臺(tái)站快波偏振方向分別為56.28°和74.82°，慢波延遲時(shí)間主要分布在0.36～0.88 s，各向異性較弱，與塔里木盆地內(nèi)部各向異性特征較一致，推測(cè)西昆侖造山帶附近各向異性可能是遺留在巖石圈中的“化石”各向異性引起，快波偏振方向與地表構(gòu)造走向不平行，推測(cè)西昆侖斷裂未對(duì)巖石圈深部造成控制.

4 結(jié)論

本研究通過(guò)分析塔里木盆地南部布設(shè)的寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)站的遠(yuǎn)震波形資料，利用橫波分裂方法對(duì)8個(gè)臺(tái)站的各向異性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量.結(jié)果顯示，研究區(qū)慢波延遲時(shí)間分布在0.3～1.5 s，快波偏振方向以東西向?yàn)橹?本文的研究結(jié)果表明地幔流動(dòng)可能是研究區(qū)各向異性的主要因素，且推測(cè)青藏高原北部地幔流動(dòng)對(duì)塔里木塊體南緣地幔流動(dòng)存在影響，但這個(gè)影響隨著深入塊體內(nèi)部逐漸減小.青藏高原北緣軟流圈向北可能存在較大范圍的東西向流動(dòng)，并在盆山交界處活動(dòng)強(qiáng)烈，隨著地幔物質(zhì)持續(xù)向北運(yùn)動(dòng)逐漸冷卻，對(duì)盆地內(nèi)部巖石圈的影響減小.SKS、SKKS快波偏振方向與GPS資料反演的地表運(yùn)動(dòng)方向不一致.阿爾金造山帶北緣橫波分裂快波偏振方向與斷裂走向一致，表明阿爾金造山帶活動(dòng)斷裂控制巖石圈深部變形，呈垂直連貫變形機(jī)制.

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、北京大學(xué)、南方科技大學(xué)、新疆維吾爾自治區(qū)地震局所有參與此次地震臺(tái)站布設(shè)和數(shù)據(jù)采集的工作人員.野外采集工作中受到中石化石油工程地球物理有限公司華東分公司的大力協(xié)助.梁曉峰受中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)支持(2017093).