山东地区各向异性、地壳厚度及泊松比分布特征
发布时间：2021-03-11
摘要山东地区位于华北东部，包含沂沭断裂带、鲁西隆起等重要构造单元，地质构造演化非常复杂，但目前尚缺乏对山东地区整体的地壳结构、壳内形变、壳幔耦合等方面的研究。本文基于该地区52个地震台站两年的波形记录，采用接收函数Ps转换波分裂和H-κ叠加的方法得到了研究区地壳各向异性、平均地壳厚度以及泊松比特征，为该地区的构造演化提供了重要的地震学约束。结果表明，研究区地壳结构存在较强的横向不均匀性。鲁西隆起南部地壳各向异性方向可能与断裂和地壳内部的构造拆离有关。泰山地区地壳厚度与泊松比呈现负相关，地壳各向异性不明显，表明泰山处在快速隆升阶段。胶东地区东部较小的地壳厚度和泊松比与地幔上涌和苏鲁造山带发育的超高压变质岩有关。沂沭断裂带南北段的地壳结构具有显著差异,南段地壳厚度与泊松比存在明显的横向变化，表明南段可能存在剧烈的地幔上涌。较厚的沉积层使得济阳凹陷内台站下方的泊松比偏小，而较薄的铁镁质下地壳层则可能是胶北隆起部分台站下方泊松比偏小的主要原因。
关键词接收函数;地壳各向异性;地壳厚度;泊松比;山东地区
0引言
山东地区内发育沂沭断裂带、济阳凹陷、鲁西隆起、胶北隆起等构造单元(图1)，分布于华北块体与扬子块体的碰撞拼合处及两侧。中生代早期，该地区主要受中朝块体和扬子块体碰撞作用影响，以挤压构造为主(苏道磊等,2016)。中生代中晚期，由于古太平洋板块的俯冲，该区经历了强烈的岩石圈减薄过程(Liuetal.,2017)，沂沭断裂带在其中发挥了重要作用(Lietal.,2018)。白垩纪至古近纪期间，沂沭断裂带发育了大规模的低角度正断层型断陷盆地(Renetal.,2002;Zhengetal.,2008;Zhuetal.,2012)，而第四纪以来，沂沭断裂带遭受强烈挤压，导致断陷盆地隆升，并出现逆冲活动(殷伟伟等,2019)。至今，山东地区形成了若干受伸展构造体控制的隆起、盆地、和凸起、凹陷等上叠构造单元(宋明春,2008)。对于如此复杂的构造环境，需要运用综合地球物理手段，才能更好的了解该地区的应力状态和演化历史。
前人对该区域已经进行了大量的地球物理研究。地震层析成像结果显示在华北地区地幔过渡带中存在滞留的太平洋板片(HuangandZhao,2006;Liuetal.,2017)，而俯冲板片的上方存在大型地幔楔(Chenetal.,2017)。地热等研究表明，山东地区平均岩石圈厚度仅有80~90km(Jiangetal.,2019)。Chenetal.(2006)利用基于波动方程的接收函数偏移成像刻画了山东地区中部东西向的莫霍面与岩石圈底界面的起伏特征。苏道磊等(2015)和申金超等(2016)利用接收函数分别获得了沂沭断裂带和鲁西隆起地区的地壳厚度与泊松比分布，发现沂沭断裂带的地壳结构存在明显的南北分段特征。Weietal.(2020)利用接收函数与面波联合反演方法发现沂沭断裂带附近存在垂直交替的高低速层以及复杂的横向S波速度变化。背景噪声成像和P波层析成像也表明沂沭断裂带下方存在低速异常(Lietal.,2018;Leietal.,2020)。吕子强等(2016)和殷伟伟等(2019)利用Pn波到时数据对渤海湾、沂沭断裂带等区域进行了各向异性层析成像。常利军等(2012)、吴萍萍等(2012)利用SKS分裂方法得到了华北地区上地幔的各向异性特征，揭示了上地幔在变形时的运动轨迹为NWW方向，表明华北块体受各向异性的上地幔流动影响明显。此外，该地区也有丰富的重力与大地电磁测深数据(Tangetal.,2006;王德华等,2018)。上述研究为揭示山东地区的深部结构及构造演化提供了非常重要的约束。然而，前人研究或聚焦于局部地区，或关注大尺度的地球物理特征，尚缺乏对山东地区整体的地壳结构的研究。
上地幔顶部是壳幔能量传递和物质交换的关键区域(李志伟等,2011)，上地幔的流动会对地壳施加应力，导致地壳形态的改变，产生地壳各向异性。而地壳厚度、泊松比又与岩石组成和应力状态相关(Jietal.,2009)。这三者之间的密切联系需要对地壳各向异性、地壳厚度和泊松比进行更加系统的分析。本研究利用接收函数研究地壳的各向异性(LiuandNiu,2012;Yangetal.,2018)、地壳厚度及泊松比(ZhuandKanamori,2000)的分布特征，并结合其他地质与地球物理数据，分析地壳形变及壳幔耦合，为该地区的构造演化提供新的约束。
1数据与方法
1.1数据
本研究所用数据为山东地区52个固定台站记录的发生于2014年1月至2015年12月的远震事件(郑秀芬等，2009)，台站主要分布在鲁西隆起、沂沭断裂带以及胶东地区(图1)。以震级大于5.5级，震中距30°到100°作为标准，总共选取了324个远震事件。地震事件的方位角分布较为均匀(图1)，能够保证各向异性结果的准确性。经去均值、去线性趋势和波势尖灭等一系列常规预处理后，我们对三分量完整的地震波形利用ISAP91模型(KennettandEngdahl,1991)标记地震的理论到时，截取直达P波到时前5s至后50s，选取0.05~2Hz频段对原始三分量波形进行滤波，将采样率从100Hz降至10Hz。选取高斯系数为2.5，并采用更加稳定的时间域迭代反褶积方法(Ligorriaetal.,1999)进行计算，共挑选出3186个接收函数。
1.2方法
接收函数是接收区介质对地震波的响应，对间断面具有较高的敏感性。接收函数理论首先由Langston(1979)提出，利用等效震源假定从长周期远震体波波形数据中去除震源和接收区之外的路径响应，分离出接收台站下方介质对入射P波的脉冲响应。后经过长时间发展形成了更加成熟的利用接收函数获取接收区地下结构的方法(Owensetal.,1984;Ammonetal.,1990;ZhuandKanamori,2000;Juliàetal.,2000)。目前接收函数已经成为研究S波速度结构、莫霍面和地幔过渡带的起伏变化等地球内部结构的常用方法。
许多地震观测结果表明，地震波在地壳和上地幔中具有各向异性特征(CrampinandLovell1991;Silver,1996)，而接收函数也是研究壳幔各向异性的一种常用方法。当莫霍面的转换震相(Pms)穿过各向异性地壳时，径向上的能量会分裂到切向分量上，并且由于事件的后方位角不同，Pms的到时和极性也会发生相应的变化。大量的合成记录实验表明，在各向异性的结构中，不同后方位角下的径向接收函数Ps震相到时呈现出清晰的cos2θ的图像(Savage,1998;FrederiksenandBostock,2000;Nagayaetal.,2008;Fordetal.,2016)，而切向接收函数Ps转换波的到时呈现sin2θ的变化。Levinetal.(2008)利用这些特征识别地壳各向异性，并从实际接收函数数据中提取了各向异性参数。
地壳各向异性主要从两个方面来进行衡量，快波方向φ和快慢波分裂时间δt(Crampin,1987)。为消除噪声影响，提高接收函数的信噪比，本文利用LiuandNiu(2012)提出的基于接收函数集的各向异性分析方法，通过联合分析找到一组最优的横波分裂参数(φ,δt)，获得复杂环境下稳定可靠的地壳各向异性特征。
2结果
由接收函数得到的山东地区地震台站下方的地壳方位各向异性、地壳厚度与泊松比结果分别如图4-6所示。
影响地壳各向异性的因素较多，主要包括断裂、造山带等构造变形带以及地幔流动等。各向异性结果(图4)显示，研究区域内大部分台站下方的地壳各向异性具有NWW-SEE的快波方向(约为114°)，平均分裂时间为0.28s，与板块绝对运动方向一致(GrippandGordon,2002)，同时与利用SKS波分裂得到的研究区域内上地幔的方位各向异性基本一致(常利军等,2012)。这说明山东地区的地壳各向异性主要来源于中下地壳岩石中的云母、角闪石等各向异性矿物在地幔流的作用下的定向排列，地壳与地幔是基本耦合的(吴萍萍等,2012)。另外，沂沭断裂带附近的LIS、TCH、XW等台站，胶东半岛的HAY、RSH等台站的各向异性方向与周围深大断裂的方向一致，特别是沂沭断裂带南段，平均快波方向为19°，平均分裂时间为0.24s，说明这些地区的各向异性主要由附近的深大断裂所控制。
山东地区的地壳厚度(图5)与泊松比(图6)均表现出强烈的不均匀性，而且两者存在较明显的负相关特性。鲁西隆起地区地壳厚度呈现东南高西北低的特征，其中TIA台站及其周边具有较小的地壳厚度(小于33km)，ZCH台站及其周边具有较大的地壳厚度，最大可至38km以上。而泊松比在TIA台站及其附近具有极大值(0.27)，在ZCH台站及其附近具有极小值(0.21)。胶东地区平均地壳厚度呈现中间高、两侧低的形态，LZH台站及其附近具有较大的地壳厚度(35.8km)，东部WED台站及其附近具有较小的地壳厚度(31.5km)，与地形存在一定的正相关关系。而泊松比则呈现西部高东部低的情况，在RCH台站达到极小值(0.22)。沂沭断裂带的地壳厚度与泊松比呈现明显的南北分段特征，大致以YSH-WUL台站为界，北段具有较大的地壳厚度(平均37km)和较小的泊松比(平均0.23)，南段具有较小的地壳厚度(平均34km)和较大的泊松比(0.28)，而且南段自断裂带向东地壳厚度与泊松比的横向变化更为剧烈，JUX台站具有最高的泊松比(超过0.3)，GAY台站的泊松比却仅有0.21。这种南北差异与Heetal.(2015)的研究结果基本一致。此外，将我们的结果与申金超等(2016)在鲁西隆起和沂沭断裂带地区的结果对比(图7)发现，地壳厚度与泊松比横向分布的趋势基本一致，如以TIA台站为代表的泰山地区均表现出高泊松比与较小的地壳厚度，以ZCH台站为代表的鲁西隆起南部地壳均呈现出低泊松比与较大的地壳厚度，以及沂沭断裂带明显的南北分段特征，尤其是沂沭断裂带南段。本次研究包括了苏北地区部分台站，局部分辨率更高，更准确地揭示出了该地区地壳结构的横向不均匀性。
3讨论
3.1鲁西隆起
鲁西隆起地区位于华北克拉通的中东部，地壳各向异性大体为NWW向展布，与该地区的断裂方向基本一致，因此断裂可能是该地区地壳各向异性的主要控制因素之一。另外，野外露头观测和反射地震实验表明，鲁西地区存在不同深度的滑脱构造(李理等，2012)，而P波层析成像结果(苏道磊等,2016)表明在20km深度上，鲁西地区存在NWW向展布的低速异常。因此，太平洋板块在地幔转换带的俯冲滞留诱发的地幔熔融物质沿沂沭断裂带上涌后，沿NWW向断裂继续横向运移，从而使得该地区区域性的伸展应力场加强，并导致鲁西地区地壳内部出现强烈的构造拆离(李理等,2008)，这可能也是该地区地壳各向异性的一个控制因素。
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泰山作为山东海拔最高的地区，新生代以来发生了多期快速抬升(李理和钟大赉，2006)。我们的结果显示，泰山地区地壳厚度仅为32.1km，泊松比却达到0.27，同时区内各台站(TIA、QUF、WSH)均未表现出明显的方位各向异性，这表明泰山地区地壳仍处于不均衡状态。前人的层析成像结果(Lietal.,2018;Leietal.,2020)显示，泰山地区存在明显的低速异常，这表明该地区仍存在较强烈的地幔上涌，地幔的热侵蚀作用使该地区地壳减薄，同时上涌的地幔物质中含有较高的铁镁质组分使得泊松比能保持不变甚至增大(OwensandZandt,1997)，这造成了泰山地区较小的地壳厚度和较高的泊松比。强烈的热侵蚀与地幔上涌，导致泰山新生代以来出现显著抬升，并且现在仍处于抬升阶段。
3.2胶东地区
胶东地区位于华北克拉通东缘，区域内的苏鲁造山带是华北块体与扬子块体碰撞的产物。在胶东地区的最东部，地壳厚度明显偏低(图5)。这与位于该区域的二维地震剖面展示的地壳厚度基本一致(潘素珍等，2015)。层析成像结果也显示该区域上地幔顶部出现大范围的低速异常(李志伟等，2006)，同时在地壳内部出现异常多的地震活动(范建柯等，2016)。地球化学数据表明，胶东半岛存在地幔部分熔融形成的新生代玄武岩(汤华云等，2007)，这说明该地区存在地幔上涌，幔源岩浆侵蚀韧性变形的下地壳，使胶东半岛东部地壳厚度变小，而表现为脆性活动的上中地壳受到地幔上涌的影响，在韧性-脆性转换的区域更容易积累和释放应变，孕育大量的地震。
胶东地区泊松比具有较明显的非均一性，西北部泊松比偏高，而东部则表现出低泊松比的特征。在P波速度保持不变的情况下，S波速度与泊松比呈现反比例关系。胶东地区的二维地震剖面表明该地区P波速度呈现西高东低的趋势(潘素珍等，2015)，而背景噪声成像结果表明，烟台-五莲断裂带西侧的胶北隆起和东侧的苏鲁造山带分别表现出较低和较高的S波速度结构(俞贵平等，2020)，这与本研究所揭示的西北部较高和东部较低的泊松比一致。推测造成胶西北泊松比偏高的原因可能是该地区受控于以招平断裂为代表的低角度拆离断层，在伸展背景下发生的岩石破碎或者流体蚀变等(Lietal.,2015)。而烟台-五莲断裂带以东，地质研究表明，幔源岩浆沿断裂的上涌导致该地区发育并出露以榴辉岩为主的大规模超高压变质岩(Zhouetal.,2008)，此类岩石具有较高的S波速度，可能是该地区地壳泊松比偏低的重要原因。此外，幔源岩浆上涌导致铁镁质的下地壳被侵蚀(嵇少丞等,2009;Chenetal.,2010)，可能也是造成地壳泊松比偏低的原因之一。——论文作者：郑宏1,2，范建柯1,3*，李翠琳1,3，苏道磊4
