The preliminary SKS splitting results in the central Mongolia
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摘要: 为了进行蒙古中部地区的深部构造观测与模型研究， 中国地震局地球物理研究所和蒙古科学院天文与地球物理研究中心合作， 在该地区架设了60台宽频带流动地震台. 这些台站分布在被额尔齐斯—中蒙古—额尔古纳断裂隔断的加里东、 海西两个构造域. 本文选取了2011年8月—2012年7月部分台站记录的震中距在85°—135°且MW≥5.0的远震事件， 通过SplitLab软件来进行SKS分析. 使用最小能量法、 旋转相关法和最小特征值法进行处理， 取得了蒙古中部地区各向异性的初步结果. 结果显示： 快慢波延时在0.8—2.0 s之间. 西北部区域靠近杭爱山脉与肯特山脉的区域构造走向均为ENE--WSW方向， 而快波方向大多为N40°W， 与区域构造走向近似垂直.根据HS3-NUVEL-1A板块模型计算的该地区板块绝对运动方向与快波偏振方向呈顺时针约15°夹角. 然而， 有个别台站表现出了两种模式的快波分裂， 其中一种与当地ENE--WSW向的断裂方向近似一致.Abstract: A passive seismic array with 60 broadband seismometers was deployed in the central Mongolia by the cooperation between Institute of Geophysics, China Earthquake Administration and Research Center of Astronomy and Geophysics, Mongolian Academy of Sciences, to carry out the deep structure observation and modeling study. The passive seismic array was distributed within the Caledonian orogen and the Hercynian orogen separated by the Ergis-central Mongolia-Eerguna fault zone. The teleseismic waveform data from part of the array with the epicentral distance of 85°—135° and MW5.0, from August 2011 to July 2012, was selected to do SKS splitting analysis through the SplitLab package. Three methods, i.e., the minimum energy of tangential component (SC), the rotation and correlation (RC), and eigenvalue (EV), are simultaneously applied for each SKS waveform data. The preliminary anisotropy result was obtained for the central Mongolia. It shows that the time delay between fast and slow waves is within 0.8—2.0 s, and the polarization direction of fast wave is about N40°W, almost perpendicular to the geological structure strike direction of ENE--WSW. The fast direction is about 15° systematically clockwise to the absolute plate motion inferred from the HS3-NUVEL-1A model. It is also noted that not only the two different splitting modes are simultaneously observed beneath certain station, but also the fast wave direction parallel to the ENE--WSW striking direction exists beneath certain station.
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Keywords:
- anisotropy /
- SKS splitting /
- central Mongolia /
- bootstrap method
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引言
本文所研究的蒙古中部区域处于中朝板块北缘，北为西伯利亚板块，毗邻贝加尔裂谷带，历史上处于古亚洲洋闭合带，主要由两大板块间的微陆块相互叠覆构成. 蒙古板块及邻区构造如图 1所示. 车自成等(2002)表明，早古生代至晚古生代中期，古亚洲洋向南北两侧俯冲消减，洋盆闭合，该区域微陆块相互碰撞拼贴构成联合板块； 到晚古生代尤其中石炭纪，闭合带区域火山活动达到顶峰，无论是活动造山带还是稳定地块均有岩浆侵入； 至喜山期，受到印度-欧亚板块碰撞影响，广泛发育NE-SW走向的挤压转换构造． 目前对于测区北部贝加尔裂谷的动力学成因仍存有争议，而在测区内部的地下物性研究尚待开展． 地幔的动力过程在该区域的演化历史中起到了不可替代的作用，尤其是该区域地质条件大多受到喜马拉雅造山运动的改造，并同时受到俯冲带的影响和北部西伯利亚板块的约束． 研究该区域地下深部的结构对全面理解区域的地质背景具有重要意义．
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图 1 蒙古板块及邻区构造图(据Tapponnier，Molnar(1979)修改)Figure 1. Main tectonic structures in Mongolia and its adjacent areas(revised after Tapponnier，Molnar，1979)先前的各向异性观测研究(Gao et al， 1994a，b； Barruol et al，2008； 张建利等，2012)主要集中在蒙古国北部与俄罗斯边境且靠近贝加尔湖的区域(图 2)． Gao等(1994a)在横跨贝加尔断裂带沿NW-SE走向的测线中发现： 北部西伯利亚板块—贝加尔裂谷区域的台站快波分裂为NW-SE方向； 而南部则从乌兰巴托附近台站开始，快波方向转为NE-SW． 根据各向异性层位深度约束，以及快慢波延时等方面的研究，认为该地区各向异性主要来自地幔． Barruol等(2008)在贝加尔断裂以南经过杭爱山脉的测线观测到较为一致的NW-SE方向的快波，同样根据岩石圈厚度约束，以及绝对板块运动方向的对比分析，认为该区域SKS分裂结果同时受到岩石圈和软流圈的影响，并且在乌兰巴托附近观测到NE-SW和NW-SE两种近乎垂直方向的快波分裂． 张建利等(2012)通过全局最小切向能量法对该区域ULN和TLY台站记录的SKS震相进行了进一步研究，其中对于ULN台站的研究结果表明，乌兰巴托附近存在双层各向异性介质： 上层主要反映岩石圈原始结构，而下层则对应软流圈的地幔流．
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图 2 跨贝加尔裂谷台站各向异性结果与GPS观测地表形变结果(据Barruol等(2008)修改)黑线和蓝线表示 Barruol等(2008)和Gao等(1994a)的横波分裂结果Figure 2. Splitting results of the stations across Baikal rift and ground deformations referred from GPS data(after Barruol et al，2008)The black and blue lines represent the splitting results of Barruol et al(2008) and Gao et al (1994a)，respectively. Green lines with arrow represent the ground deformation from GPS data， and the red lines with arrow represent the absolute plate velocity in this area由图 2可以看出，前人在此区域的测线主要沿NS走向分布，用以研究裂谷型板块边界的各向异性情况，重点在于对裂谷构造的动力学成因进行探讨． 本文选取与前人测线剖面垂直的台站分布，结合前人在此区域的研究结果，重点获取蒙古板块内部的各向异性差异情况，同时对蒙古中部区域台站的SKS分裂特征情况及各向异性起源进行初步展示和探讨．
1. 数据与方法
1.1 数据选取
2011年8月，中国地震局地球物理研究所和蒙古科学院天文和地球物理研究中心合作，在蒙古中部地区布设了60个地震台站． 使用的仪器为太阳能供电的REFTEK数据采集器和宽频地震计． 设置数据的采样频率为50 Hz，通过全球卫星授时系统周期性接受同步时间信号，进行连续记录作业． 截至2012年7月共取得了11个月的地震数据．
如图 3所示，我们选择了CM11、 CM14、 CM23、 CM25、 CM40、 CM41、 CM50、 CM52和CM58共9个台站记录的数据进行初步的结果展示． 对于2011年9月5日—2012年7月20日所有记录的地震事件，我们参考USGS的地震目录，选择震中距在80°—135°范围内的地震事件，设定MW≥5.0和震源深度≤1000 km作为约束条件，每个台站取得约100余个地震事件． 通过对所有台站记录数据的分析处理，共有25次地震的SKS震相记录可以用来作各向异性分析(包括无效分裂)． 图 4给出了这些事件随后方位角的分布情况，由图 4b可以看出这些地震大多发生在澳洲北部太平洋板块边界，位于台阵的105°—135°后方位角方向． 在冰岛以南也存在个别有效的地震事件．
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图 4 震源分布图(a)震源随后方位角的分布统计图;(b)震源分布位置Figure 4. Distribution of hypocenters used in this study(a)Statistic on distribution of earthquakes with back azimuth； (b)Location of earthquakes图 5给出了CM50台站记录的2011年9月15日的地震事件． 图中标定的地震震相理论到时由IASP91模型计算得到． 通过对其进行径切向旋转和0.02—1 Hz巴特沃斯带通滤波(对于个别事件，为了取得更收敛的结果，我们也选用0.01—0.5 Hz的滤波频段)，获得了图 5所示的波形结果． 阴影部分为SKS震相区域． 可以看出，区域切向分量有强烈的波动，显示出较为明显的SKS震相，由此可以初步判断台站下方存在各向异性介质．
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图 5 地震事件记录示例(记录起始时刻19:31:04)事件： 2011-09-15，台站： CM50，MW7.3，后方位角： 118.23°，震中距： 93.47°，震源深度： 644 kmFigure 5. Sample of the event records since 19:31:04Event: 2011-09-15，station: CM50，MW7.3，backazimuth: 118.23°，epicentral distance: 93.47°，focal depth： 644 km1.2 处理方法
我们使用SplitLab软件(Wüstefeld et al，2008)对数据进行处理及各向异性参数的计算． SplitLab软件可以同时用最小能量法、 旋转相关法和最小特征值法等3种算法进行计算，并对计算结果予以优劣评价以更好把握结果所展示的信息情况． 该软件提供了界面式的人机交互处理方式，灵活性很高，可以根据具体需求选择不同的区间，执行不同的处理方式，例如，滤波频段选择、 结果权重标定、 自定算法等． 这种灵活性尽管会受到经验和个人理解方面的差异使得处理结果略微不同，然而在对传播介质和震相波形进行完全的理解之前，经验因素无法消除． 处理流程的差异从侧面也反映了地震波传播过程的区别．
最小能量法(Silver & Chan，简写为SC)基于从上地核出射的SKS波为单分量的转换SV波，对分裂后的快慢波进行复原可获得最初单分量SV波的理论，通过对快波方向φ、 快慢波延时δt的网格搜索取得最终单分量能量最小值点，其对应即为所求参数(Silver，Chan，1988； 常利军等， 2006，2009)．
旋转相关法(rotation correlation，简写为RC)基于波形在分裂后存在一定程度近似的理论，同样通过对φ和δt的网格搜索得到两个分量的最大互相关值以获取对应各向异性参数(Bowman，Ando，1987； 吴萍萍等，2012).
两个分量的协方差cij(φ，δt)=∫-∞+∞ui(t)uj(t-δt)dt(i，j=1，2)将振动回归到未经传播延时的分裂初态，并表达为二维振动的张量形式．
最小特征值法(eigenvalue，简写为EV; Silver，Chan，1991)基于剪切波偏振平面内的理论弹性振动的协方差矩阵描述形式： C=Cij． 由于振动位移本质上为旋量场，所以可以通过单一特征值的奇异矩阵来获取弹性振动的线性极化形式． 在算法上，我们通过(φ，δt)的网格搜索满足|C|=0约束并含有单一分量最小特征根的极值点从而获取介质各向异性情况．
2. 结果与统计
2.1 单台处理结果
图 6所示为CM50台站2011年9月15日地震事件的处理结果. 图 6a为经过径切方向旋转的振动记录，其中虚线表示径向分量，实线表示切向分量，两条分割点线分别标定了依据IASP91模型计算得到的SKS震相与后续震相的到时． 从中可以看出切向分量能量较强，表现出典型的横波分裂特征．
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图 6 利用SplitLab软件得到的可信分裂结果： 以CM50台站2011-09-15地震事件为例(a)切向与径向波形；(b)分裂结果及后方位角；(c)、(g)快慢波波形拟合；(d)、(h)切向能量； (e)、(i)质点极化前后振动轨迹；(f)快慢波波形相关系数分布； (j)不同分裂参数的切向能量分布Figure 6. Credible results got by SplitLab: Taking the event on 15 September 2011 recorded by the station CM50 as an example(a)Tangential and radial waveforms;(b)Splitting result and the back azimuth;(c)-(e)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by RC method;(f)Correlation coefficient of splitting parameters;(g)-(i)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by SC method;(j)Rotated tangential energy of splitting parameters图 6c-f和图 6g-j分别给出了旋转相关法和最小能量法的处理结果. 可以看出，两种方法得到的极值点几乎一致，质点的极化形式近乎相同，切向能量分量平坦近似为零，快慢波波形几乎重合．
从图 6可以看出，采用3种方法取得的结果一致收敛于图 6b的S波分裂快波投影图中，3种不同方法取得的快波投影重合在一起． 以Wüvstefeld等(2008)提出的标准为参考，我们把该结果设置为质量合格．
在统计计算中，我们仅使用质量合格和质量可用的数据． 设定质量可用数据的结果如图 7所示，这是来自冰岛南部一次M6.5的地震事件． 该地震事件通过最小能量法与旋转相关法取得的结果一致，而且波形拟合、 切向最小能量、 质点线性极化效果可以接受，只是最小特征值法取得的快波方向与其它两种方法存在30°左右的差别．
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图 7 利用SplitLab软件得到的可用分裂结果： 以CM17台站2011-12-11地震事件为例(a)切向及径向波形；(b)分裂结果及后方位角；(c)、(g)快慢波波形拟合；(d)、(h)切向能量； (e)、(i)质点极化前后振动轨迹；(f)快慢波波形相关系数分布布Figure 7. Valuable results got by SplitLab: Taking the event on 11 December 2011 recorded by the station CM17 as an example(a)Tangential and radial waveforms;(b)Splitting result and the back azimuth;(c)-(e)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by RC method;(f)Correlation coefficient of splitting parameters;(g)-(i)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by SC method;(j)Rotated tangential energy of splitting parameters2.2 台阵处理结果
本文对用最小能量法、 旋转相关法和最小特征值法等3种方法得到的CM台阵所有各向异性结果进行了对比(图 8). 由图 8可以看出，3种方法取得的结果具有较好的一致性．整体快慢波延时在0.5—1.5 s左右，从NW向到SE向有减小的趋势． 同时在快波方向上两侧趋于一致，均为NW-SE向，而中间CM40和CM58台站则表现出东西向分裂的结果； 而且处于乌兰巴托附近的CM58台站表现出近乎垂直的两种分裂结果．
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图 8 用3种方法取得的分裂结果对比图Red line represents the result by SC method，blue line denotes the result by RC method and yellow line denotes the result by EV methodFigure 8. Comparison of the results from three methods根据实际取得的资料，可用地震事件大多源于台站的东南方向，无效分裂结果的数量较多． 根据Wüstefeld和Bokelmann(2007)的研究结果可以看出，本地区取得的无效分裂结果(图 9)在一定程度上验证了该地区快波方向多数为NE-SW的结论． 另外，由于本次观测的大多地震事件的震源后方位角与快波方向非常接近，在这种情况下最小能量法取得的结果比旋转相关法更稳定，所以下面只选用最小能量法的结果进行统计和展示．
2.3 统计结果
从统计角度看： ① 对于取得的参数φ与δt，并非服从已知的分布类型，其分布受到震源方位、 地下各向异性介质模型等因素的影响； ② 出于对分裂质量的把握，每个分裂结果并非具有同等地位； ③ 我们取得的结果样本较少，根据经典统计推断假设存在较大的偏差. 综上，本文采用自助法(Efron，1979； 张萍，2011)进行各向异性参数的统计估计．
自助法基于自助统计量对观测统计量的分布，估计随观测样本增加收敛于真值分布的基本假设. 其优势在于脱离了统计分布模型假设，能够从较少的观测数据本身构建未知的分布模型． 对于每个台站的延时参数，我们进行样本数据与原始数据个数相同的1000次重采样，得到1000个自助样本． 对于具有周期为180°的快波方向参数，我们将所取得的数据统一转换到0°—180°区间内，按照相同的方法进行重采样．
使用1000次自助样本进行统计分析得到的所有台站分裂参数的均值与方差结果如表 1所示.
表 1 利用最小能量法得到的蒙古中部地区SKS波分裂参数Table 1. Splitting parameters for SKS phase in central Mongolia region by SC method
从表 1的统计数据中，可以看出快波方向主要集中在100°—150°之间，CM40和CM58台站的快波方向在50°—100°之间． 另外CM58台站的快波方向方差较大，源于其同时包括两种方位． 而快慢波延时差异浮动较大，个别台站方差可达1 s，认为是快波方向与震源方位近似重合所致(图 10)． 有个别台站由于只取得了无效分裂结果，所以未在图中显示．
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图 10 快波方向φ与快慢波延时δt统计结果Figure 10. Statistical results of the fast-wave direction φ and delay time δt对于取得分裂结果的台站，我们给出了各台站SKS分裂的后方位角图(图 11).
3. 讨论与结论
本文取得的各向异性结果如图 12所示. 从图 12可以看出： 该区域西部与东部的快波分裂情况较为近似，均为NW-SE向，延时分布在0.6—1.7 s之间； 中部CM41和CM58台站的结果比较复杂，快波出现在NE-SW方向的分裂结果，分裂延时在0.5—0.6 s之间； 其中乌兰巴托附近的CM58台站，同时具有两种互相垂直的分裂结果．
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图 12 横波分裂结果的比较Red lines represent the splitting results of CM stations in this study; blue lines denote the results from Gao et al(1994a); yellow lines show the absoulte plate motion direction based on HS3-NUVEL-1A plate model; black lines represent the main tectonic lineFigure 12. Comparison of shear-wave splitting results结合Gao等(1994a)的贝加尔东线测线结果，中部区域的分裂模式向北可延伸到G23台站，向南到G28台站． 东西向限制在本测线中CM41与CM53台站之间． 本测线中最大方位角变化出现在CM41和CM48台站，两台站相距约55 km．
车自成等(2002)认为： 本地区的岩石圈构造形变基本形成于新生代，被喜山运动所控制，并同时受北部贝加尔裂谷和东部太平洋俯冲带等构造影响； 而且测区处于微板块叠覆区域，同时靠近贝加尔裂谷带，无论岩石圈的厚度及构成的变化，还是地幔流动都会使得该区域的各向异性来源更加复杂． 从结果看该区域分裂变化较大，表现出区域上地幔在横向上的非均匀性变形．
东西部台站(CM11，CM14，CM23，CM25，CM41，CM50和CM52)的分裂方向大体垂直于北部贝加尔裂谷主轴． 前人研究(Vauchez et al，2000； 王永锋，金振民，2005)表明，裂谷附近垂直于裂谷走向的剪切快波方向主要是由平行于地壳延展方向的地幔流所致． Zorin等(1989)的研究表明测线范围内的杭爱山脉和肯特山脉区域岩石圈厚度在100 km左右． 按照Gao等(1994b)对此区域4%的各向异性度的假设，考虑岩石圈厚度和快波延时，我们不能排除软流圈影响的因素． 同时我们通过HS3-NUVEL-1A模型(Gripp，Gordon，2002)计算取得了对应台站的板块绝对运动方向． 在测区西部杭爱山脉和东侧肯特山脉区域，分裂情况非常接近板块绝对运动方向，且一致顺时针偏差10°—20°的夹角． 板块绝对运动方向在一定程度上可以表征下部地幔的流动方向(Li et al，2011). 我们初步推测，造成该区域东西部山区台站各向异性结果的主要原因在于软流圈地幔流动造成的晶体矿物定向生长． 而快波方向与板块绝对运动之间存在的稳定偏差或许是分裂方向受到岩石圈的影响，或许是板块运动受到周围板块的约束所致．
中部CM41和CM58两个台站都表现出与以上台站不同方向的分裂结果． 但是不同快波方向的过渡并不明显，方向上的总体分裂模式的分布也难以统一用地幔流动来理解． 其极化方向更加趋近于当地的构造走向，快慢波延时也更小． 据此我们初步判断，受应力控制定向的岩石圈裂隙等构造是造成中间区域SKS分裂模式的主要原因．
关于出现两种分裂结果的CM58台站，我们的观点与张建利等(2012)在ULN台站取得的结果所作出的解释相似，即NE-SW方向分裂结果代表上层动力演化造成的蒙古岩石圈形变，而NW-SE方向分裂结果是欧亚板块运动耦合的地幔软流圈结构的表现．
本文结果可用于约束构建地区的地球动力学模型． 更深入的研究需要将各向异性的垂直结构，以及单一台站取得的双层结构结果是否为两种分裂模式过渡考虑在内．
中国地震局地球物理研究所李永华、 张瑞青对本文研究思路给予指导，何静，高占永在数据处理中予以协助. 在此一并表示感谢.
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图 1 蒙古板块及邻区构造图(据Tapponnier，Molnar(1979)修改)
Figure 1. Main tectonic structures in Mongolia and its adjacent areas(revised after Tapponnier，Molnar，1979)
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图 2 跨贝加尔裂谷台站各向异性结果与GPS观测地表形变结果(据Barruol等(2008)修改)
黑线和蓝线表示 Barruol等(2008)和Gao等(1994a)的横波分裂结果
Figure 2. Splitting results of the stations across Baikal rift and ground deformations referred from GPS data(after Barruol et al，2008)
The black and blue lines represent the splitting results of Barruol et al(2008) and Gao et al (1994a)，respectively. Green lines with arrow represent the ground deformation from GPS data， and the red lines with arrow represent the absolute plate velocity in this area
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图 4 震源分布图
(a)震源随后方位角的分布统计图;(b)震源分布位置
Figure 4. Distribution of hypocenters used in this study
(a)Statistic on distribution of earthquakes with back azimuth； (b)Location of earthquakes
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图 5 地震事件记录示例(记录起始时刻19:31:04)
事件： 2011-09-15，台站： CM50，MW7.3，后方位角： 118.23°，震中距： 93.47°，震源深度： 644 km
Figure 5. Sample of the event records since 19:31:04
Event: 2011-09-15，station: CM50，MW7.3，backazimuth: 118.23°，epicentral distance: 93.47°，focal depth： 644 km
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图 6 利用SplitLab软件得到的可信分裂结果： 以CM50台站2011-09-15地震事件为例
(a)切向与径向波形；(b)分裂结果及后方位角；(c)、(g)快慢波波形拟合；(d)、(h)切向能量； (e)、(i)质点极化前后振动轨迹；(f)快慢波波形相关系数分布； (j)不同分裂参数的切向能量分布
Figure 6. Credible results got by SplitLab: Taking the event on 15 September 2011 recorded by the station CM50 as an example
(a)Tangential and radial waveforms;(b)Splitting result and the back azimuth;(c)-(e)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by RC method;(f)Correlation coefficient of splitting parameters;(g)-(i)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by SC method;(j)Rotated tangential energy of splitting parameters
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图 7 利用SplitLab软件得到的可用分裂结果： 以CM17台站2011-12-11地震事件为例
(a)切向及径向波形；(b)分裂结果及后方位角；(c)、(g)快慢波波形拟合；(d)、(h)切向能量； (e)、(i)质点极化前后振动轨迹；(f)快慢波波形相关系数分布布
Figure 7. Valuable results got by SplitLab: Taking the event on 11 December 2011 recorded by the station CM17 as an example
(a)Tangential and radial waveforms;(b)Splitting result and the back azimuth;(c)-(e)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by RC method;(f)Correlation coefficient of splitting parameters;(g)-(i)Fast-slow waveform fitting，rotated tangential energy and particle polarization by SC method;(j)Rotated tangential energy of splitting parameters
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图 8 用3种方法取得的分裂结果对比图
Red line represents the result by SC method，blue line denotes the result by RC method and yellow line denotes the result by EV method
Figure 8. Comparison of the results from three methods
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图 10 快波方向φ与快慢波延时δt统计结果
Figure 10. Statistical results of the fast-wave direction φ and delay time δt
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图 12 横波分裂结果的比较
Red lines represent the splitting results of CM stations in this study; blue lines denote the results from Gao et al(1994a); yellow lines show the absoulte plate motion direction based on HS3-NUVEL-1A plate model; black lines represent the main tectonic line
Figure 12. Comparison of shear-wave splitting results
表 1 利用最小能量法得到的蒙古中部地区SKS波分裂参数
Table 1 Splitting parameters for SKS phase in central Mongolia region by SC method
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