川滇地区壳幔地震各向异性研究进展

张艺 高原 赵镇岭

1）上海市地震局，上海市兰溪路87号 200062

2）中国地震局地震预测研究所（地震预测重点实验室），北京市海淀区复兴路63号 100036

0 引言

当地震波在地球介质中传播时，地震波速度在同一位置随传播方向而发生变化的现象被称为地震各向异性。研究证实，地球内部介质的各向异性广泛存在（Anderson，1961；Hess，1964；Crampin，1978、1981；Crampin et al，1980；张中杰，2002；高原等，2005），且各向异性现象存在于地球的各个圈层（Vinnik et al，1989a、1989b；Charles et al，1995；Silver，1996；Pulliamet al，1998）。该现象主要是由地球内部的构造变形作用所引起（Ribe，1992；Silver et al，1991）。通过对地震各向异性的研究，分析地震波在各向异性介质中的传播规律，得到携带地球深部构造信息的各向异性参数，可加深对地球深部动力学演化过程的认识，这对于地震预测、地震灾害、环境及能源等应用研究领域具有积极的推动作用。

川滇地区地处青藏高原东南缘，活动断裂发育，新构造活动强烈，是我国强震发生的主要地区之一。自新生代以来，由于印度板块与欧亚板块发生碰撞致使青藏高原壳幔物质向东挤出，又因受到四川盆地的阻挡而转向SE方向继而向南运动，这使得川滇地区围绕东喜马拉雅构造结作顺时针运动，川滇地区即处在印度洋板块北偏东向推挤和青藏高原南南东向挤出的叠加作用区（阚荣举等，1977、1983）。该区域内部不同走向、规模和活动强度的断裂纵横交错，主要断裂包括龙门山断裂、鲜水河断裂、安宁河断裂、小金河断裂、怒江断裂、澜沧江断裂、程海断裂、小江断裂、楚雄-通海断裂和红河断裂等（图1）。前人根据活动断裂及大地构造等将川滇地区划分成大小不一、形状各异以及应力环境不同的块体（向宏发等，1986；马杏垣，1989；宋方敏等，1998；李国和等，2000；程万正等，2003；胡家富等，2005）。其中，最典型且最早被确认的块体是川滇菱形块体（简称“川滇菱块”或“康滇菱块”）（阚荣举等，1977；李玶等，1975）。研究表明，印度板块与欧亚板块间的碰撞引起了川滇地区强烈的构造活动，并延续至今（马杏垣，1989；丁国瑜，1991；虢顺民等，2000；邓起东等，2002；徐锡伟等，2003a；张培震等，2003），这使得川滇地区成为分析青藏高原形成与演化机制、探讨强烈变形与地震活动间关系的重要地区。已有研究人员运用多种方法对川滇地区进行了各向异性研究，通过对由浅层至深层得到的各个震相的综合分析，开展了川滇地区地壳和上地幔各向异性特征的研究并对川滇地区壳幔耦合状态等问题进行了讨论（许忠淮等，1987；崔效锋等，1999；Gao et al，2000；Vergne et al，2003；高原等，2004a；Flesch et al，2005；石玉涛等，2009、2013；张永久等，2008；易桂喜等，2010）。

本文根据川滇地区已有的地震各向异性结果，分别通过对体波、面波资料的研究，介绍川滇地区不同构造尺度、不同深度的地震各向异性特征。对比不同方法研究川滇地区介质各向异性的特点，讨论该地区的介质连续性及壳幔耦合状态，以期更好地了解区域内深部构造运动形态、构造变形和断裂等特性。

1 体波揭示的区域各向异性特征

20世纪60年代，科学家运用地球介质的各向异性研究了太平洋中脊纵波速度的方位变化（Hess，1964）。20世纪70～80年代，Crampin等发现并证实了地壳中确实存在S波分裂现象（Crampin，1978、1981；Crampin et al，1980）。20世纪80年代以来，地震各向异性已成为热点研究领域（张中杰，2002；高原等，2005）。目前，运用体波研究地震各向异性的震相主要有直达S震相、Ps转换震相、Pn震相、XKS（SKS，PKS，SKKS）和ScS震相等（表1）。不同的震相具有不同的特性，因而能够识别的地球介质尺度和范围也不同。由于体波的入射角相对陡峭，因此具有较高的横向分辨率。下面讨论由不同震相资料得到的各向异性特征。

1.1 直达S波震相

首先介绍近场记录的地壳范围内的直达S波（即剪切波）震相。直达波是指从震源发出的地震波在地壳中传播后直接到达接收台站，其可用于研究台站与震源之间地壳介质的特性。Crampin（1984）提出引起地壳介质各向异性的主要原因是在区域应力作用下产生的充液微裂隙的定向排列（即EDA裂隙结构），认为EDA裂隙能够很好地描述地壳介质各向异性。EDA裂隙的变化可通过S波分裂进行监视（Crampin et al，2014）。直达S波在穿过EDA裂隙后产生的快S波偏振方向平行于直立裂隙面，与慢S波偏振方向近似垂直（Crampin et al，2002）。对慢S波延迟时间变化进行研究，可用于探讨由应力积累和变化所反映出的地震孕育、发展过程（Gao et al，1998、2004、2008；Crampin et al，2002、2013）。目前，利用S波分裂研究地壳各向异性的数据分析方法种类繁多，包括偏振分析方法、相关分析方法、SAM方法和SWAS方法等（Crampin et al，2013；Gao et al，2006；高原等，2004b）。

图1 川滇地区构造背景

川滇地区复杂的应力环境及构造特征引起了许多研究者的广泛关注，对川滇地区S分裂与构造及应力分布特征间的关系进行研究发现，该地区的快S波偏振方向与区域主压应力方向总体上一致，但也显示出明显的分区性。研究结果表明，该地区的快S波偏振方向整体上似乎比较杂乱，从NW向到NE向甚至有些台站显示出近EW向的优势方向，但实际上这些台站的快S波优势偏振方向反映了原地（或区域）的主压应力或断裂、深部构造的影响。一方面，从总体上看，川滇北部的地壳各向异性受区域应力场和龙门山断裂、鲜水河断裂等构造的影响，快S波优势偏振方向主要为NW向和NE向（或NNE向），川滇南部的地壳各向异性同样受到区域应力场和断裂等区域构造的影响，快S波优势偏振方向主要为近NS向。另一方面，一些台站的快S波优势偏振方向显示出明显的不一致，主要原因在于部分位于活动断裂周围的台站的快S波偏振方向与起控制作用的走滑断裂走向一致，而个别台站的快S波偏振方向表现复杂则可能是有效数据过少、地形不规则、存在未知的断裂或数据质量欠佳等问题的干扰。从慢S波延迟时间分布上来看，各个小区域的平均延迟时间δt的差异也较大，同样显示出局域化的分布特征，但总体上，慢S波延迟时间一般不大于0.2s（李国和等，2000；程万正，2003；李玶等，1975；Gao et al，2012；石玉涛等，2006、2009；Shi et al，2009；太龄雪等，2015；蒲晓虹等，1993）。利用S波分裂研究得到的川滇地区主压应力方向与通过震源机制解得到的应力方向一致，与GPS测量得到的地表运动特性也具有一致性（丁国瑜，1991；崔效锋等，1999、2006；Crampin et al，2013；蒲晓虹等，1993；刁桂苓等，1995；乔学军等，2004）。

表1 体波各向异性研究

1.2 Ps震相

Ps震相是指由震源发出的远震P波传播到莫霍界面发生波型转换，成为S波到达接收台站。通过P波接收函数方法可从远震P波中分离出Ps震相，Ps转换波及其多次反射波信息可用于对各台站下方地壳各向异性的研究。利用Ps波分裂法得到的Ps波快波方向及慢波延迟时间等参数可用于研究区域构造分布、深大断裂的存在及下地壳流等（Royden et al，1997），对地壳应力状态及岩石圈变形等研究亦同样具有重要意义（高原等，2005）。

利用接收函数资料可获得Ps波快波偏振方向和慢波延迟时间（Sun et al，2012；孙长青等，2013），进而得到川滇地区存在显著的地壳各向异性的研究结果。孙长青等（2013）研究认为，Ps波快波方向大致平行于最大张应力方向，显示出明显的区域性。云南地区快波方向整体上与活动断裂走向近似平行，不同区域的延迟时间存在差异，显示出各向异性的强弱与构造分布相关，研究还认为这些块体受下地壳流的影响各不相同；由于受到上地壳阻挡，腾冲地区内部上涌的地幔热物质各向异性快波方向近似以火山为中心发散状分布。

1.3 Pn震相

Pn波是最先到达台站的地震波，它是由震源发出，到达上地幔顶部（Moho界面）上滑行一段，最后再到达地表的纵波，震中距一般为2°～12°，也叫首波。利用到时资料开展Pn波层析成像，可以得到上地幔顶部的速度结构，进而对温度、压力以及物质成分等进行约束。同时，由Pn波层析成像得到的台站延迟时间也可反映地壳厚度（黄金莉等，2003）。

利用Hearn（1996）提出的反演Pn波速度和各向异性的方法，对川滇地区及其邻区的Pn波地震层析成像进行研究，结果表明（Liang et al，2004；王海洋等，2013）：

（1）Pn波速度横向变化的特征与现代构造活动及大地热流分布间存在明显的关联性：在地质构造稳定的地块和盆地（如四川盆地），Pn波速度高；在构造活动强烈的地区和高大地热流值地区（如腾冲火山区），则低速异常。

（2）川滇地区Pn波各向异性的快波方向揭示的地幔流动（由松潘-甘孜造山带向四川盆地）与青藏高原物质向SE方向流动的大体趋势基本吻合，并与地表观测得到的大地形变方向一致。对于龙门山地区，胥颐等（2010）得出龙门山地区的Pn波各向异性的快波方向为SE，与该地区青藏高原物质向SE方向流动的趋势相吻合，而与龙门山断裂的走向无关，因而认定该断裂的剪切作用仅限于地壳内部。而黄金莉等（2003）、裴顺平等（2004）、崔仲雄等（2009）及李飞等（2011）的结果显示，龙门山地区的Pn波快波方向为SW向，平行于断裂带走向，故认为龙门山断裂的剪切已深入上地幔。

（3）由地震事件和台站的静延迟结果得出川滇地区地壳厚度变化剧烈的结论，整体表现为青藏高原及北部区域的地壳较厚，向东及向南地区地壳相对较薄，该研究结果与人工地震测深的结果相符（黄金莉等，2003）。

1.4 XKS（SKS，PKS，SKKS）震相

XKS是SKS、PKS、SKKS等3种震相的统称，指从震源发出的地震波以S波或P波形式穿过地幔进入地球外核时，都成为P波，在核幔边界发生1次或2次反射后，又穿过核幔边界转换为S波返回地幔，最终到达接收台站的震相。通过对远震XKS波横波分裂的研究发现，地幔内存在各向异性现象（Silver et al，1991；Vinnik et al，1984）。研究认为，地幔物质形变引起的橄榄岩中晶格的优势取向是导致地幔各向异性的原因（Hess，1964；Zhang et al，1995），而产生这种变形最直接的原因是板块运动（常利军等，2009；王椿镛等，2014、2015）。上地幔各向异性可对S波分裂产生很大影响，通过对川滇地区上地幔各向异性的研究，可以了解该地区深部物质运动模式。此外，在一定条件下XKS波分裂测量还可对各向异性层位置作出合理约束（Silver，1996；Gao et al，2009）。目前，利用XKS分裂研究地幔各向异性的分析方法包括最小切向能量法（Vinnik et al，1989a；Silver et al，1991）、互相关法（Fukao，1984）、交叉褶积法（Menke et al，2003）和多道法（Chevrot，2000）等。

在早期的单台SKS分裂研究中，郑斯华等（1994）得到昆明下方的快波偏振方向为NESW，而后随着大量数据的获取，又得到了区域性的分布特征。在川滇块体南部地区，XKS快波方向大约以26°N为分界，以北为近NS向，而以南则为近EW向，并伴有顺时针旋转的趋势（Shi et al，2012；Gao et al，2012；常利军等，2015）。该研究结果揭示出川滇地区下方上地幔各向异性在很小的范围突然发生了快波偏振方向接近90°的转向（李玶等，1975；常利军等，2015），暗示在26°N附近的深部构造和上地幔物质运动可能有剧烈的变化，但具体原因还需进一步的探讨。

还有学者通过慢波延迟时间研究认为，川滇地块南部及周边地区的上地幔介质各向异性强度较大，其各向异性层厚度的变化也较大（Flesch et al，2005；Lev et al，2006；常利军等，2006、2015；王椿镛等，2007；Shi et al，2012）。

一个具有代表性的观点认为，青藏高原上地幔各向异性主要源于岩石圈的垂直连贯变形（Wang et al，2008），与其他地区相比，川滇西部地区的快波偏振方向表现出明显的不同，在约27°N以南地区以软流圈流动为主，推测是由软流圈流动和岩石圈组构的变化共同所致。四川盆地西部快波偏振方向（NW-SE）总体上显示为青藏高原东部岩石圈变形的延续（常利军等，2009）。该结果与利用GPS观测得到的地壳变形特征具有一致性（Wang et al，2001；牛之俊等，2005）。

以上研究结果揭示，川滇地区因处于印度板块与欧亚板块的碰撞挤压带，这致使其地壳上地幔物质向东挤出，后受到四川盆地的阻挡，物质流动方向由东向转变为东南向。因此，2大板块的碰撞是造成川滇地区上地幔各向异性现今复杂图像的主要因素。

2 地震面波与背景噪声反演揭示的各向异性特征

面波是由体波在地球表面附近衍生出的另一种形式的波，主要在靠近地表的波导内传播。地震（远震）面波和背景噪声面波都可用于各向异性的研究。面波主要有Rayleigh波和Love波两种（表2）。由面波的特性可知，面波具有较高的纵向分辨率。通过不同周期的面波层析成像，可反演得到地壳及上地幔S波速度结构及方位各向异性（Jobert et al，1985；陈国英等，1992）。

表2 面波各向异性研究

研究发现，从地球背景噪声场中可提取连续的Rayleigh面波（Shapiro et al，2004）。2005年，Shapiro等（2005）、Sabra等（2005）同时发表了第1批微震频带内Rayleigh波群速度背景噪声层析图像，之后关于背景噪声层析成像的研究在世界范围内广泛开展。与其他传统面波方法相比，背景噪声层析成像可有效避免地震面波高频信号在远震传播时的衰减和散射，且不依赖于地震即可获取地壳、上地幔等的高分辨率信息（Michael et al，2009）。研究人员利用背景噪声方法在中国大陆进行了一系列的研究（Shapiro et al，2005；苏伟等，2008；Moschetti et al，2008；Zheng et al，2008；房立华等，2009；李昱等，2010；刘志坤等，2010；杨文等，2011；王琼等，2014、2015），得到了青藏高原东南缘地区的噪声面波速度结构和各向异性结果。

在川滇地区西北部（拉萨地块、羌塘地块及松潘-甘孜褶皱带东缘），地壳内Rayleigh面波快波优势方向为NW-SE向，与构造应力场方向基本一致，表现为围绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转，可能指示板块碰撞与挤压过程中中下地壳软弱层物质的流变方向（许忠淮等，1987；许忠淮，2001；张培震等，2002；苏伟等，2008；易桂喜等，2010；王琼等，2015）。而在上地幔，各向异性快波方向与地壳相比变化不大，但强度减小。

川滇地区东部（扬子地台）的各向异性存在显著变化。四川盆地的上地壳快波方向为NS向，盆地北部的下地壳和岩石圈地幔的快波方向为NE向，南部为SE向（苏伟等，2008；易桂喜等，2010）。在云南地区，上地壳与中下地壳内Rayleigh面波快波优势方向基本与断裂走向一致。在下地壳，快波方向存在变化，但苏伟等（2008）认为，该地区从地壳到上地幔顶部并不存在较明显的方位各向异性，并认为该区下方SKS波分裂的快波方向可视为地幔的流动方向。

3 各向异性机制的讨论

3.1 不同震相各向异性特征

地壳（至少是上地壳）内存在的大量充液定向排列的微裂隙是地壳各向异性的主要原因（Crampin，1978），与岩石中的各向异性结构背景有关，即形状优势方向（SPO）。上地幔矿物晶体的定向排列造成的上地幔介质各向异性（Silver，1996；Vinnik et al，1989a、1989b）与地球中矿物的固有各向异性有关，即晶格优势方向（LPO）。壳、幔各向异性形成机制的不同，对地震活动、板块运动、地球动力学及深部结构等的探索具有重要意义（高原等，2005）。通过研究S波在地壳各向异性介质中的分裂现象，可得到该地区小尺度范围的原地各向异性特征。在大尺度的构造运动剧烈的区域，面波和体波各向异性方向具有较好的一致性，但在强度方面一致性则存在差异。通过上述体波震相、面波反演与成像研究，可对川滇地区地壳上地幔大尺度范围内的各向异性进行综合分析。

直达S震相、Ps震相的研究范围都限定在地壳，前者主要用于中上地壳各向异性的研究，后者主要用来研究全地壳的各向异性特征。两者共同之处都是运用S波分裂方法来获取1对最佳地壳各向异性参数，从而对与S波分裂参数有关的地质、地球物理问题进行探讨。直达S波分裂研究可得到快S波偏振方向和慢S波延迟时间2个参数，快S波偏振方向分别与区域主压应力和起控制作用的走滑断层走向之间关系密切，慢S波延迟时间表征了中上地壳介质各向异性程度的强弱。Ps波分裂研究同样可得到快Ps波偏振方向和慢Ps波延迟时间2个参数，快波偏振方向可能受构造块体、大型断裂带、下地壳流及地幔热物质等的影响，慢波延迟时间则反映了整个地壳的各向异性强弱。

Pn震相与XKS震相都可用于上地幔各向异性研究。地幔各向异性的大小和方向很大程度上取决于板块运动，因而被认为是上地幔动力学的重要参数（周兵等，1991）。Pn波是沿Moho面传播的地震波形，可用于研究上地幔顶部各向异性，Pn波各向异性研究所得快波偏振方向与断裂走向、块体运动方向及地幔流动方向等相关，台站延迟时间则反映了台站下方的地壳厚度（Moho面深度）和速度变化。在一定条件下，台站下方地壳越薄或存在高速岩体，则Pn波从Moho面到台站的传播时间越短，台站延迟为负延迟；反之，地壳较厚或存在低速体，则台站延迟为正延迟（黄金莉等，2003）。此处的台站延迟时间与S波分裂延迟时间的含义截然不同，S波分裂延迟时间是指一列S波经各向异性介质传播，分裂成速度不同的快、慢2列波，这2列波到达接收台站的时间差。它主要反映壳幔介质的各向异性程度。XKS波同样被用于研究上地幔各向异性，通过获取S波分裂参数，可分析快波偏振方向与台站所在断裂的走向、上地幔物质运动、软流圈流动及岩石圈变形间的关系。其慢波延迟时间可表征上地幔介质各向异性强弱。

Ps转换波主要在速度间断面上产生，而Pn波则沿上地幔顶部传播，两者与XKS波相比各向异性的深度范围更明确。XKS波一般不具有垂向分辨率，也不适用于倾斜对称轴的情况，其各向异性方向一般与Pn波速度各向异性方向相同。XKS波分裂延迟时间虽然较长，但将Ps波延迟时间、快波偏振方向与SKS／SKKS资料进行对比后发现，地壳各向异性是引起SKS／SKKS波分裂的重要原因（Sun et al，2012）。

利用面波层析成像及背景噪声层析成像可获取地壳、上地幔速度结构及方位各向异性。由背景噪声层析成像可得到短周期、高分辨率的面波图像，该观测结果对地壳结构比较敏感；而远震面波层析成像则可得到更准确的长周期图像，从而更好地约束地幔信息。因此，将背景噪声与地震面波数据进行联合反演，可得到更大周期范围的更高分辨率的速度图像，为研究地壳上地幔速度结构与方位各向异性提供更多依据。

3.2 不同深度和不同构造尺度的各向异性特征

通过将川滇地区Pn波快波方向（汪素云等，2001）与川滇菱形块体运动方向（Wang et al，2001）进行对比发现，川滇地区岩石圈上下部分物质运动方向呈大角度相交，川滇块体东西两侧边界断裂带滑动速率存在差异（Allen et al，1984；徐锡伟等，2003b），这暗示着川滇地区岩石圈正在发生着某种程度的解耦（杨晓松等，2003）。对于川滇西北部地区，苏伟等（2008）由Rayleigh面波得到该区从地壳到上地幔的快波方向基本为NW-SE的结果，与易桂喜等（2010）所得结果不同。苏伟等（2008）发现，该区域中地壳与上地幔形变存在明显差异，并认为地壳与上地幔似乎不具备垂直连贯变形的特征。Sun等（2012）利用接收函数资料对青藏高原东南缘地震各向异性的研究认为，上地幔变形强度较弱或主要为垂直变形，与地壳变形类型不同，且青藏高原边缘地幔岩石圈与上地壳解耦。以上研究结果表明，川滇地区存在壳幔解耦现象。但也有研究显示，在川滇东部地区存在下地壳与上地幔的强耦合特征，下地壳与上地幔的Rayleigh面波快波优势方向一致性较好（易桂喜等，2010），但两者的变形类型不同（Yao et al，2010；Sun et al，2012）。

由川滇地区直达S震相、Ps震相及XKS震相得到的各向异性结果可用于探讨该地区不同深度的圈层耦合关系。不同震相的快波偏振方向存在一定的差异。孙长青等（2013）将云南地区的以上各向异性结果进行对比后认为，该地区地壳与上地幔间、上地壳与下地壳间可能均存在解耦现象。王琼等（2015）将Rayleigh面波方位各向异性与直达S波分裂、Ps转换波分裂和SKS（SKKS）分裂等进行对比后认为，周期越长，快波方向与XKS分裂的快波方向越接近，但与地壳S波方向不同。青藏高原东南缘地壳上地幔各向异性的差异表明，该地区具有复杂的地壳上地幔形变机制，但目前尚未得出较一致的结论。

通过以上不同深度及不同构造尺度范围内地震各向异性的研究，可分析川滇地区地震各向异性特征的连续性，以期探讨壳幔之间的耦合状态等。

4 结语

对川滇地区进行地震波各向异性研究，可以更好地了解印度板块与欧亚板块碰撞导致的青藏高原隆升变形机制及其演化特征。本文收集了川滇地区已有的各向异性研究结果，对不同震相进行体波、面波资料分析，得出该地区的S波分裂各向异性层主要分布在地壳和上地幔，与印度板块和欧亚板块间的碰撞密切相关，不同深度上地震各向异性特征存在显著的横向不均匀性。川滇地区存在复杂的壳幔耦合状态。地壳上地幔各向异性的差异表明，该地区具有复杂的地壳上地幔变形机制。印度板块的NE向运动作用于青藏高原，致使其壳幔物质向东挤出，而四川盆地对其的阻挡作用致使物质流动方向由东向转变为东南向。在川滇西北部地区，构造应力场方向表现为围绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转，可能指示中下地壳软弱层物质在板块碰撞与挤压过程中的流变方向。

对川滇地区的各向异性研究虽已取得了大量结果，但仍缺乏更可靠的各向异性的定量解释。若要更精细地认识川滇地区各向异性仍然面临很多问题。如川滇地区壳内存在的低速层存在于中地壳还是下地壳？川滇地区具有怎样的壳幔耦合状态？地壳流的存在是否可支持壳幔解耦的观点？各向异性与物质流动间的关系？未来上述问题的解决，不仅需要高密度数据资料的支持，更应从理论上对川滇地区壳幔地震各向异性开展量化研究。