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中国大陆位于欧亚大陆东南侧,主要受印度板块、西太平洋板块和菲律宾板块的作用,陆内构造变形复杂,是大陆构造与大陆动力学研究的良好地区。对青藏高原隆升、华北克拉通岩石圈活化、中国东部火山活动频繁、岩浆发育等地质事件的形成,演化和动力学机制尚无定论。许多学者提出了不同的动力学模型解释其构造成因。深部地球物理观测是检验这些模型的关键,地震各向异性是研究大陆深部结构和演化以及大陆下方地幔变形方面的重要方法。
过去几十年来,许多学者使用不同方法对整个大陆或部分地区的上地幔各向异性进行研究,宥于方法不同、资料使用数量不同,得到的结果存在较大差异。在前人研究基础上,本文结合最新的研究进展,增加更多的台站和地震资料,更加全面了解中国大陆及邻区上地幔各向异性特征,检验不同分析人员,分析软件得到的分裂结果。
首先,使用远震S波震相(SKS、SKKS和PKS)分裂研究了青藏高原南部(东经85~91°,北纬27~31°)上地幔各向异性,获得在板块碰撞区深部变形特征。研究结果表明,各向异性分布特征以北纬29°为界,此纬度以南区域表现为N-S向的各向异性;此纬度以北到印度河-雅鲁藏布江缝合带附近的区域表现为各向同性。N-S向的各向异性大致位于俯冲的印度岩石圈的水平部分,可能是由软流圈物质北向流动及其与上覆印度岩石圈的剪切摩擦共同引起。印度河-雅鲁藏布江缝合带附近的横波分裂空解区可能是由软流圈物质的垂向流动引起,该垂向流主要是由印度岩石圈的垂直下沉产生。
其次,本文将研究区扩大到整个中国大陆及其邻区(东经70~136°,北纬15~55°),采用同样的横波分裂分析方法,得到整个中国大陆地区上地幔变形特征。总体上看,研究区内各向异性的快波方向变化较大,不仅南北向存在变化,东西向也呈现明显差异,表明上地幔内存在复杂的各向异性。位于不同构造单元的台站快波方向变化明显,但在同一构造地体内快波方向和大小趋向一致。我们认为单一的软流圈流动或岩石圈变形均不能合理解释各向异性分布特征,观测结果很可能是大陆岩石圈中的各向异性和软流圈中的各向异性的合成效应。在印度北部和特提斯喜马拉雅地区,NNE向的快波方向与印度板块的绝对运动方向(N20°E)一致,说明各向异性主要由板块运动产生的软流圈变形引起。在青藏高原地区,快波方向与主要构造断裂走向基本一致,各向异性可能来源于岩石圈的变形。华南和华北地区,NWW和EW向的快波方向与中国东部运动方向(N72°W)一致,与区域内的大型构造走向接近垂直,表明各向异性主要由西太平洋板块和菲律宾板块俯冲产生的软流圈物质流动引起。本文将得到的上地幔各向异性分布特征与由GPS测量得到的地表形变特征进行对比,结果表明,在西部地区(青藏高原和天山),快波方向与地壳运动方向存在一定交角;在东部地区(华南,华北和东北),快波方向与地壳运动方向近一致。这反映了中国大陆及邻区在西南部受到印度板块,东部受到西太平洋板块和菲律宾板块的共同作用下,在天山和青藏高原地区,地壳和地幔运动处于解耦状态;在青藏高原东南部地区和整个中国大陆东部地区,地壳和上地幔物质运动方式相似,上地幔变形和上覆地壳变形可能存在垂直连贯变形特征。
最后,利用双平面波层析成像方法分析覆盖青藏高原东南部(东经90~100°,北纬27~34°)的Rayleigh面波资料,计算了周期30~143s内的面波相速度频散,对研究区内部区域划分0.5°×0.5°,外部区域划分0.750°×0.75°的速度网格节点,采用模拟退火非线性反演方法获得相速度分布,进而反演相速度得到壳幔S波速度分布和方位各向异性。研究结果表明,在拉萨地体北部下地壳出现东西向低速异常,可能由地壳物质部分熔融引起。下地壳可能存在东西向的塑性流动,与前人提出的下地壳韧性流动结果一致。在拉萨地体南部,在40-210km深度范围内我们都观测到S波高速异常,推断可能与东构造节的印度岩石圈相关。该区平均方位各向异性较弱,不超过2%。下地壳物质的E-W向塑性流动产生地壳部分的N-S向各向异性;由印度板块俯冲产生的上地幔物质的NW-SE向流动导致地幔部分NW-SE向的快波方向。对比本文在该区的横波分裂结果和面波平均方位各向异性结果,推测上地幔物质NW-SE向流动产生的各向异性起主导作用,致使大部分台站横波分裂的快波方向为NW-SE向。