摘要 利用横波分裂方法, 对北京大学、南方科技大学及桂林理工大学在广东和广西布设的宽频带流动台阵以及国家地震台网在广东、广西和海南的固定台站记录的 XKS 震相进行计算, 得到海南及邻近地区的上地幔各向异性参数, 分裂延迟时间在 0.35～1.90s 之间。综合研究区域内前人发表的和本文的横波分裂结果, 认为自新生代以来, 伴随东部太平洋板块俯冲带后撤, 华南地区西部软流圈物质向东流动进行补充, 导致广东及广西的中部和北部大部分地区上地幔橄榄石晶格大体上沿 E-W 方向定向排列。受控于海岸线处大陆岩石圈迅速减薄, 广东沿海地区横波分裂多数沿 NE-SW 方向, 与海岸线近似平行。特别是, 海南岛附近沿海地区分布若干显著不具有横波分裂的台站; 海南岛东北角的分裂方向很乱, 且横波分裂快慢波到时差(δt)很小。这些观测结果都支持海南地幔柱可能存在于雷州半岛的东南方向, 大致位于 20.5°N, 111.5°E。
关键词 横波分裂; 海南地幔柱; 各向异性; 地幔流
海南及邻近地区位于欧亚板块、印度‒澳大利亚板块和太平洋板块的交界处, 该区域经历了一系列以裂陷、俯冲、地体碰撞和大规模走滑断裂为特征的构造过程。印度板块与欧亚板块碰撞、印度‒澳大利亚板块北移以及太平洋板块西向俯冲, 都对该地区的构造演化产生重大影响[1]。晚新生代以来的玄武岩岩浆活动分布于海南岛北部和位于南海海盆北缘的雷州半岛[2], 其形成原因众说纷纭。Flower等[3]和 Ho 等[4]认为是由沿着中国华南板块东南部伸展的岩石圈俯冲聚集形成, Liu 等[5]则认为是由于印度板块与欧亚板块碰撞, 在亚洲大陆下方产生显著的侧向地幔流, 使得岩石圈增厚, 软流圈地幔受到挤压, 从而形成新生代火山活动。
Morgan[6]提出的地幔柱假说是解释板块内热点火山成因的经典理论之一。Lebedev 等[7]利用层析成像方法, 发现南海北缘的海南岛周围存在低速带, 把它定义为“海南地幔柱”。近年来, 许多岩石学、地球化学和地球物理学证据显示, 海南和雷州半岛地区的岩浆作用可能来源于地幔转换带, 甚至是核幔边界[2,8‒10]。P 波和 S 波层析成像结果显示这一区域地下存在连续的低速异常体[5,11‒13], Huang[14]发现这些低速异常扩展到地幔转换带以下, 并且不完全是柱状结构, 而是向东北方向倾斜。赵建忠等[15]通过面波联合反演, 得到南海及周边地区细致的三维S 波速度结构, 显示上地幔速度存在明显的横向不均匀性, 认为是地幔热物质上涌过程中不断向北东方向侵蚀导致。远震接收函数研究结果证明海南及邻近地区存在地幔岩浆活动, 导致该地区地壳明显增厚, 地幔过渡带减薄[16‒17]。上述研究都为海南地幔柱的存在提供了证据。
横波分裂方法是通过对台站接收的远震 XKS (包括 SKS, SKKS 和 PKS)震相进行计算, 得到地壳及上地幔介质的各向异性结果, 能很好地反映地幔物质的流动状态。罗艳等[18]利用横波分裂方法, 得到中国大陆及周边地区 80 多个地震观测台站下方上地幔各向异性参数。常利军等[19‒21]利用横波分裂方法, 分别对中国东部、鄂尔多斯块体以及华南克拉通区域的国家固定台网和宽频带流动地震观测台站记录的远震波形资料进行偏振分析。Gao 等[22]通过 SKS 波分裂研究，构建华北地区地壳和地幔解耦与强耦合融合模型。Zhao 等[23]对华北克拉通进行横波分裂研究，揭示其重新激活的地幔流模式和地球动力学原因。海南及邻近地区的横波分裂研究比较有限, 仅广西和广东北部有零星的研究[24‒29]。
本文利用北京大学、南方科技大学和桂林理工大学在广东和广西地区布设的流动地震台阵以及国家地震台网在广东、广西和海南地区的固定台站的连续观测资料, 通过计算获得海南及邻近地区远震XKS 横波分裂结果, 并综合前人的研究结果, 讨论海南及邻近地区的各向异性特征及其形成的地球动力学机制。
本研究所用地震波形资料包括北京大学和南方科技大学合作在广东地区布设的 20 个宽频带流动地震台站以及 10 个短周期流动台站 2017 年 4 月至2018 年 6 月的数据, 桂林理工大学在广西布设的 20个短周期流动台站 2017 年 1—6 月的数据, 以及国家地震台网在广东、广西和海南三省共 83 个固定台站 2016 年 1 月至 2018 年 12 月的数据。台站分布见图 1(a), 所有地震波形数据均由台站的地震传感器连续记录得到。根据美国地质调查局(USGS)地震信息中心的 PDE地震目录, 本文选取台站记录期间矩震级大于 5.5, 震中距为 80°～140°的远震地震事件(图 1(b)), 使用 2～50s 的带通滤波对信号进行过滤。经过对波形资料进行筛选, 舍去信噪比低和信号记录差的台站, 最终保留 97 个台站的横波分裂数据。
Silver[30]的研究表明, 地球内部的各向异性集中于地壳和上地幔, 地壳的各向异性源自被气体或液体填充的空隙, 对横波分裂快慢波到时差(δt)的贡献为 0.1～0.3s; 上地幔的各向异性主要源自各向异性矿物(主要为 A 型橄榄石)晶体的定向排列[31‒32], 对 δt 的贡献一般在 0.1～2 s 之间。
本文使用横波分裂的计算工具 SplitLab 软件包[33], 计算每个台站所有数据的快轴偏振方向(φ)和快慢波到时差(δt)。为了获得高质量的横波分裂计算结果, 同时使用旋转相关(rotation-correlation method, RC)和最小特征值(eigenvalue method, EV)两种方法, 计算每一条地震数据的 XKS (包括 SKS, SKKS 和 PKS)震相。根据 Long 等[34]提出的判断标准, 一个质量好的横波分裂计算结果应该满足信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)高, 波形清晰; 在误差允许的范围内, 两种方法得到的横波分裂参数相近; 初始质点运动轨迹为椭圆, 修正后为一条直线或近似直线(图 2)。本文最终选择的分裂参数为 0.7≤ρ≤ 1.2, Δφ≤15°, SNR≥5, 其中 ρ = δtRC / δtEV, 是 RC 和EV 两种方法快慢波到时差的比率; Δφ = |φRC − φEV|, 是两种方法计算得到的快轴偏振方向之差。
一个质量好的未分裂(NULL)结果应该满足信噪比高, 波形清晰; 两种方法得到的横波分裂参数相差较大, Δφ约为 45°, δtRC 趋于 0 s, δtEV>3 s; 初始和修正后的质点运动轨迹均为一条直线, 或接近直线(图 3)[35‒36]。我们综合考虑数据的质量和数量, 对每个台站的横波分裂结果进行总结。当一个台站质量好的横波分裂结果大于或等于两个时, 我们认为这个台站的数据存在横波分裂; 当一个台站没有出现质量好的横波分裂结果, 并出现 3 个及以上质量好的 NULL 结果, 且至少两个 NULL 结果的后方位角之差大于 30°时, 我们认为这个台站的数据不存在横波分裂。
(a)台站分布, 蓝色三角形表示北京大学和南方科技大学在广东布设的 30 个流动台站, 绿色三角形表示桂林理工大学在广西布设的 20 个流动台站, 红色三角形表示国家地震台网在广东、广西和海南三省布设的 83 个固定台站, 黄线表示断层; (b)符合要求的地震事件分布, 红色三角形表示研究区域中心位置, 圆点表示本研究中所用地震事件, 其色标按照地震深度分为 3 段(0～60, 60～300和300～700 km), 圆点越大表示地震的震级越大
图1 研究区域台站及地震事件分布
Fig. 1 Distribution of seismic stations and earthquake in study area
根据上述数据处理方法和过程, 共得到 330 条质量好的横波分裂结果, 51 条质量好的 NULL 结果。信号清晰的地震事件的分布如图 4 所示, 可以看到选取的地震事件后方位角分布较均匀(仅在45°～90°之间分布较少), 可以认为得到的各向异性参数与地震事件的后方位角无关。之后, 按照第 1节的分类标准, 得到 88 个具有显著横波分裂的台站和 9 个 NULL 台站(图 5)。最后, 针对每个具有显著横波分裂台站的所有结果, 根据每条结果误差范围的倒数进行加权平均, 得到每个台站的平均结果(表 1 中 φ 和 δt), 并将这个台站所有横波分裂结果的误差范围进行算术平均, 得到每个台站的误差结果(表 1 中 Δφ 和 Δδt)。有 36 个台站无法得到明确的横波分裂结果, 主要是由于这些台站资料的信噪比较差, 难以从资料中分离出明显的 XKS 波震相, 但不能就此得出这些位置不存在上地幔各向异性介质的结论。
如图 6 所示, 本研究获得的各向异性结果主要分为 4 个部分。
1)广东北部和广西中北部, 横波分裂以 E-W 方向为主, 与 Huang 等[27]和 Wang 等[28‒29]在附近台站得到的结果相似, 同为 E-W 方向的快波偏振(部分台站的结果与前人稍有偏差, 但 Δφ 不超过 20°, Δδt不超过 0.2s。鉴于前人选取的数据时段和计算方法与本文不完全一致, 我们认为这里的偏差是随机误差导致)。这是由于华南地区东部的太平洋板块俯冲带后撤, 导致西部软流圈物质补充, 使得广东和广西的北部内陆地区软流圈物质流动方向为近 E-W方向[5]。综合本文与前人的研究结果, 揭示华南地区岩石圈下的上地幔整体流动大致为E-W 方向。
2)广东沿海地区, 横波分裂多为 NE-SW 方向, 即沿着海岸线方向, 与 Zhao 等[24]对深圳地区以及Kuo-Chen 等[26]对汕头地区的研究结果一致。广东沿海地区受地幔柱上涌物质影响, 沿海岸线存在华南大陆岩石圈厚度的梯度差, 华南褶皱带的岩石圈厚度从北向南迅速减薄[36], 导致软流圈物质沿着岩石圈厚度变化大的边界(海岸线)流动, 所以海岸线附近的横波分裂方向与海岸线近似平行。
3)相对于整个华南地区, 广东地区分布若干显著不具有横波分裂的台站(NULL), 且集中在海南岛附近的沿海地区, 越向内陆, 显著不分裂的结果越少。Wei 等[16]通过接收函数分析, 推测海南地幔柱在地幔转换带深度的中心位于 20.5°N, 110.5°E, 直径约为 160km。一种解释是在靠近地幔柱的区域, 地幔物质主要沿垂直方向流动[11‒12,14], 导致广东沿海地区较多台站的结果为 NULL。
(a)原始的径向(黑虚线)和切向(灰实线)地震波形记录, 阴影区为进行横波分裂分析的时间窗; (b)两种方法测量结果的图像信息; (c1)和(c2)RC 校正后的快轴(黑虚线)和慢轴(灰实线)波形; (d1)和(d2)RC 校正后的径向(黑虚线)和切向(灰实线)波形; (e1)和(e2)校正前(黑虚线)和校正后(灰实线)的质点运动轨迹; (f1)和(f2)误差分布, 等值线表示通过格点搜索, 计算得到的全局互相关系数, 灰度越深表示互相关系数值越大。(c1)～(f1)为 RC 方法计算结果, (c2)～(f2)为 EV 方法计算结果。下同
图2 使用 SplitLab 的 RC 和 EV 方法得到的质量好的分裂事件(台站 BSS)
Fig. 2 Good quality splitting results by RC and EC methods in SplitLab (Station BSS)
图3 使用SplitLab的RC和EV方法得到的质量好的NULL事件(台站BSH)
Fig. 3 Good quality NULL results by RC and EC methods in SplitLab (Station BSH)
(a)震源到台站的后方位角分布; (b)地震事件的全球分布, 红色三角形表示台站群, 红色圆点表示地震事件, 粉红色线表示板块边界
图4 信号清晰的地震事件分布
Fig. 4 Distribution of all good selected events
4)海南岛东北角的横波分裂结果方向杂乱, 且δt 很小, 与整个岛屿的结果差异很大。同样可以认为, 在靠近海南地幔柱的区域, 垂直方向的地幔流动使得反映其水平流动程度的 δt 很小。
上述计算结果表明, 广西、海南和广东的大部分地区都存在明显的上地幔各向异性介质层。由于横波分裂方法得到的是传播路径上各向异性介质作用的累积效果, 所以本文无法得出各向异性层的具体深度。广东沿海地区出现一些不存在横波分裂的台站, 表明这些地区没有明显的各向异性介质层。
本文采用横波分裂的方法分析广西、广东和海南的宽频带地震数据, 得到如下结论。
每条线段表示该台站记录的XKS波分裂的快波分裂方向和快慢波到时差; 时间延迟: 内圈为1 s, 中间圈为2 s, 外圈为3 s
图5 各台站的XKS波分裂结果
Fig. 5 XKS wave splitting results of each station
表1 各台站XKS波分裂结果
Table 1 XKS wave splitting results of each station
台站事件数φ/(°)Δφ/(°)δt/sΔδt/s台站事件数φ/(°)Δφ/(°)δt/sΔδt/s BHS3−86111.420.51HUD383130.690.28 BSH4−571.270.19HZS3−8921.540.13 BSL2−14110.600.15JFL4−5150.730.27 BSS5−8141.100.10JIX272160.870.27 CHM475110.750.23JUS2−1750.850.18 CZS4−8550.800.16LIG57270.660.16 DAN38270.790.19LIZ1169160.810.36 DBX68741.320.18LNS386110.500.15 DHX58871.650.38LSH4−8550.940.21 DNB38380.690.21LST5181.170.24 DOF7−9051.010.20ME2−75300.500.46 DOG26040.980.12NA12−10100.610.18 DXS2−85140.860.39NNS48560.760.16 DXX78160.790.15PGX3−8851.480.15 FES344100.830.28PNX3−660.880.31 GD001368270.350.30PXS27761.650.24 GD0022−3351.750.25QIH33130.670.20 GD00448850.860.13QSL5−7990.830.17 GD0057470.650.15QX4−84150.570.18 GD0063−1100.670.16QZ6−7571.240.32 GD0073560.830.12QZS2−780.850.19 GD008361100.650.14QZ457100.510.12 GD0092−8440.890.12RA3−14170.670.29 GD0104−8570.570.14SAJ274170.460.17 GD011487110.550.21SAY37480.650.12 GD0123−8360.930.16SHP56640.690.08 GD0132−77130.600.30SLL7−13160.440.15 GD01425850.910.17SZN3−90221.020.61 GD0152−87120.890.21TE47590.770.15 GD0163−28110.960.25TIS469270.800.71 GD01827250.820.13WA2−290.610.13 GD0192−8351.900.20WZ370111.420.13 GD02047930.770.11WZ38281.350.27 GDW013−25120.670.17XCT310110.870.32 GDW033−250.650.08XN364300.800.71 GDW07442220.560.29XY762130.690.28 GDW0920130.650.24YG557220.780.79 GGS5941.210.16YGJ5−83210.900.79 GX082−8270.750.52YLS3−8751.410.25 GX143−6380.640.14YM3−7740.710.13 GZH58641.190.19YTT4−83140.880.33 HCS479131.270.39ZH2−84260.890.71 HEJ688110.720.18ZH379340.580.66 HIWZS4−8970.660.25ZPX27591.120.25 HSK3−18100.750.23
说明: 快波偏振方向为与正北方向的夹角, 顺时针方向为正值。
蓝色短线为本研究的横波分裂结果, 红色叉号为本研究的NULL 结果; 粉红色短线为文献[24‒29]的横波分裂结果; 粉红色椭圆形填充区域为 Wei 等[16]推测的海南地幔柱位置; 黄线表示断层
图6 研究区域附近的横波分裂结果
Fig. 6 Shear wave splitting results around the research region
1)在广东和广西的内陆地区, 横波分裂以近E-W 方向为主, 快慢波到时差在 0.8～1.5s 之间, 表明伴随东部太平洋板块俯冲带的后撤, 华南地区西部的软流圈物质向东补充, 使上地幔的橄榄石晶体沿 E-W 方向定向排列。
2)在广东的沿海地区, 横波分裂多数为 NE-SW 方向, 与海岸线近似平行, 快慢波到时差在0.6～1s 之间, 可能是受控于海岸线处的大陆岩石圈厚度迅速减薄。
3)在海南岛附近的沿海地区, 分布若干显著不具有横波分裂的台站。
4)海南岛东北角的分裂结果方向很乱, 快慢波到时差很小, 在 0.4～0.7s 之间。这些观测结果都表明海南地幔柱可能存在于雷州半岛的东南方向, 大致位于20.5°N, 111.5°E。
致谢 感谢北京大学冯永革工程师、南方科技大学邹长桥工程师和桂林理工大学王有学教授在野外台站布设和数据采集工作中给予帮助。
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Study of Hainan Mantle Plume Based on Shear Wave Splitting Method
Abstract The authors use the shear wave splitting method to calculate the XKS seismic phases recorded by the temporary broadband seismic stations of Peking University, Southern University of Science and Technology and Guilin University of Technology in Guangdong and Guangxi Provinces, and the fixed stations of China Earthquake Administration in Guangdong, Guangxi and Hainan Provinces. The authors obtain the anisotropy parameters of the upper mantle in Hainan and its adjacent areas, and the delay time is between 0.35 and 1.90 s. Based on the previous shear wave splitting results around the research region, the authors believe that with the retreat of the subduction zone of eastern Pacific plate, the asthenosphere material in the west flows eastward to fill, making the olivine lattice of the upper mantle aligned along the E-W direction in most areas of central and northern Guangdong and Guangxi. Because the continental lithosphere at the coastline is thinning rapidly, the splitting results in Guangdong coastal areas are mostly NE-SW direction, parallel to the coastline. In particular, there are several NULL stations in the coastal areas near Hainan Island, and the splitting results in the northeast corner of Hainan Island are very disorderly, with small δt. These observations support that Hainan plume may exist on the southeast of Leizhou Peninsula, which is centered at 20.5°N and 111.5°E.
Key words shear wave splitting; Hainan plume; anisotropy; mantle flow
doi: 10.13209/j.0479-8023.2022.014
国家自然科学基金(41890814)和广东省自然科学基金(2018A030310121)资助
收稿日期: 2021-03-16;
修回日期: 2021-05-31