郭廣瑞， 李娟,3*， 陳思丹， Walter D.Mooney

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 漠河地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站， 北京 100029 4 美國地質(zhì)調(diào)查局， CA 94025

0 引言

地震各向異性提供了有關(guān)地幔形變方向和強度的基本信息(如，Silver and Chan, 1991; Savage, 1999).各向異性介質(zhì)中地震波的傳播速度取決于其傳播方向和極化方向. 通常認為上地幔中各向異性礦物的晶格優(yōu)勢取向(Lattice Preferred Orientation，LPO)是地震各向異性的成因機制(如，McKenzie, 1979; Montagner and Tanimoto, 1990; Zhang and Karato, 1995; Karato et al., 2008).由于應(yīng)變與地震各向異性的密切關(guān)系，各向異性可以揭示地幔的形變特征，并有助于區(qū)分歷史構(gòu)造運動引起的各向異性與現(xiàn)今地幔流動造成的各向異性(Silver and Chan，1991).在俯沖地區(qū)，前人進行了大量各向異性研究，在弧前和俯沖板片下方區(qū)域均觀測到了與俯沖方向平行或垂直的各向異性快波方向(如，Long and Silver, 2008; Lynner and Long, 2014, 2015).各向異性快波方向與不同地幔條件下(包括應(yīng)力狀態(tài)、溫壓條件和含水量等)橄欖石礦物的不同形變模式相關(guān)(如，Jung and Karato, 2001; Jung et al., 2009).同時，地幔楔中的繞流和俯沖板片邊緣的3D回流等均能夠造成各向異性快波方向的差異(Long and Silver, 2008).

在中國東北地區(qū)，俯沖的西北太平洋板片停滯在地幔過渡帶上形成了“大地幔楔”構(gòu)造(Maruyama et al., 2009; Zhao et al., 2009).為揭示具有特殊大地幔楔結(jié)構(gòu)的地幔流動特征，在我國東北區(qū)域開展了大量基于固定和流動臺站數(shù)據(jù)的各向異性研究，提出了不同的各向異性模式特征(如，鄭斯華和高原, 1994; Sandvol and Ni, 1997; Iidaka and Niu, 2001; 羅艷等, 2004; Liu et al., 2008; Li and Niu, 2010; 強正陽和吳慶舉, 2015; Chen et al., 2017; Li et al.,2017).尤其是針對有大量高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的MDJ臺站，研究結(jié)果頗多，但結(jié)果的差異性也較大.Huang等(2011)觀測得到大量的NULL值結(jié)果，認為MDJ臺站下方存在很弱的各向異性；但同時得到的非NULL結(jié)果中卻也存在最大慢波延遲時間1.3 s的結(jié)果.利用XKS(SKKS、SKS)震相和單層各向異性假設(shè)得到的MDJ臺站下方介質(zhì)的快波方向可以在64°～160°之間變化，慢波延遲時間則在0.5～2 s之間變化.使得我們無法較為準確地認識地幔流動、俯沖板片的俯沖行為和復(fù)雜俯沖系統(tǒng)內(nèi)的地幔形變等相關(guān)問題.

MDJ臺站(44.617°N，129.591°E)位于日本俯沖帶海溝以西約1300 km處，是全球地震臺網(wǎng)(Global Seismic Network，GSN)布設(shè)在東北地區(qū)運行時間較長的臺站，且數(shù)據(jù)全球共享.MDJ臺站地理位置特殊，位于郯廬斷裂帶的兩支——依蘭—伊通斷裂和敦化—密山斷裂之間；且在西北太平洋板片在地幔過渡帶中停滯形成 “大地幔楔”的折曲位置略西處.MDJ臺站近旁有板片俯沖作用產(chǎn)生的深源地震事件，為采用多種震相聯(lián)合研究臺站下方各向異性結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)支持.前人的研究表明，高質(zhì)量長期運行的地震臺站數(shù)據(jù)可以更加有效、詳細地確定臺站下方的地震各向異性，特別是其在深度上的分布特征，在復(fù)雜的俯沖系統(tǒng)中尤為有效(Fouch and Fischer, 1998; Marson-Pidgeon and Savage, 1997, 2004; Eakin and Long, 2013).本研究中，我們針對MDJ臺站這一具有長期觀測數(shù)據(jù)的臺站開展了詳細的剪切波分裂各向異性研究，試圖探究各向異性結(jié)果存在較大離散性的原因及其背后的地球動力學(xué)成因和機制.

1 數(shù)據(jù)和方法

我們從IRIS DMC(Incorporated Research Institutions for Seismology Data Management Center)收集并處理了MDJ臺站1996—2019年的遠震SKS和區(qū)域/近場深源地震的直達S震相(簡稱S震相)波形，采用SplitLab(Version 1.0.4, Wüstefeld et al., 2008)進行各向異性剪切波分裂研究.

1.1 數(shù)據(jù)和剪切波分裂分析

對于SKS數(shù)據(jù)，我們選取了震中距85°～150°，震級MW大于5.5級的遠震事件，濾波范圍0.05～0.5 Hz；對于區(qū)域深源地震事件，震中距選取為0°～10°，震級大于4.5級，震源深度大于300 km.由于S震相射線路徑較短，高頻成分豐富，濾波頻段選取為 0.05～1 Hz(圖1).首先根據(jù)擬研究震相的信噪比(SNR>3)對數(shù)據(jù)自動篩選，然后手動挑選出高質(zhì)量的波形數(shù)據(jù).對S震相的篩選同時要求射線出射角度小于35°，S和sPn波的到時差大于10 s，以排除其他震相的干擾(Liu et al., 2008).

圖1 地震事件分布以及MDJ臺站下方的SKS和直達S震相射線(a) 圖給出了SKS事件和區(qū)域深源地震事件的位置分布，不同顏色表示不同的深度.紅色五角星代表之后用到的SIMW方法對應(yīng)的事件位置; (b) MDJ臺站位置及臺站下方的SKS和區(qū)域深源事件直達S波的射線路徑，圖中還在地表投影給出了俯沖板片等深線、郯廬斷裂帶和兩種震相在410界面的穿透點位置.俯沖板片等深線135°E以東數(shù)據(jù)來自Slab 1.0(Hayes et al., 2012)，135°E以西來自GAP_P4模型(取δVp>4%)(Fukao and Obayashi, 2013).圖(b)中的插圖給出了MDJ臺站周圍的斷層結(jié)構(gòu)，以及SKS和直達 S射線的410穿透點位置，該地區(qū)分布有北東向的依蘭—伊通斷裂和敦化—密山斷裂，西南方有鏡泊湖火山、龍崗火山和長白山火山.其中帶有藍色五角星的紅色短棒表示Lynner和Long(2015)通過事件2003-08-31得到的震源下方的各向異性結(jié)果φ=-70.9°，δt=0.7 s.APM表示西北太平洋俯沖板片的俯沖方向NW65°(-65°).Fig.1 Event locations, SKS and local S seismic rays beneath station MDJ(a) The distribution map of epicenters of SKS and local S events, different colors indicate different focal depths. SIMW events in wide frequency case (0.05～0.5 Hz) are shown as red pentagrams. (b) The location of the MDJ station, SKS wave ray path and direct S wave ray path of regional deep source events below the station. Piercing points on the 410-km discontinuity are plotted as inset. The outline of the slab to the east of 135°E is from Slab 1.0 (Hayes et al., 2012), while data to the west of 135°E is from GAP_P4 model with δVp>4% (Fukao and Obayashi, 2013). The small figure insert in (b) shows fault structures and piercing points at depth of 410 km around the station, with NE-striking Yilan-Yitong and Dunhua-Mishan faults, Jingpohu volcano, Longgang volcano and Changbaishan volcano in the southwest of MDJ station. The red line with a blue pentagram in the middle indicates the result of the anisotropy of φ=-70.9°,δt=0.7 s below the source (event 2003-08-31) given by Lynner and Long (2015). APM indicates the subduction direction of the western Pacific plate with value of NW65°(-65°).

我們利用SplitLab軟件分析剪切波分裂各向異性參數(shù)(Wüstefeld et al., 2008).SplitLab 采用網(wǎng)格搜索的方式，通過三種方法來全局搜索各向異性參數(shù)(快波極化方向φ和慢波延遲時間δt)：旋轉(zhuǎn)互相關(guān)方法(rotation-correlation method，RC)；最小能量法(minimum energy method，SC)和特征值方法(eigenvalue method，EV).對于XKS各向異性分析，SC方法具有較好的穩(wěn)定性和準確性(Wüstefeld and Bokelmann, 2007)，因此最終采用SC方法的結(jié)果(圖2a)，并結(jié)合RC和EV方法的分析對結(jié)果質(zhì)量進行判斷.但對S震相，由于其未經(jīng)過液態(tài)外核，射線自震源出發(fā)時，在切向上便具有一定的能量.因此，采用RC方法給出的結(jié)果作為最終結(jié)果，同時結(jié)合EV方法對結(jié)果質(zhì)量給出判斷.

我們設(shè)定了如下標(biāo)準判定“有效”的剪切波分裂結(jié)果(non-Null)：(1)對于SKS震相，SC給出的結(jié)果與RC或EV方法的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)相近；對于S震相，RC和EV方法結(jié)果相近.(2)校正之前質(zhì)點表現(xiàn)出明顯的橢圓運動軌跡，校正之后表現(xiàn)出較好的線性.(3)校正之后旋轉(zhuǎn)至快慢波方向并且歸一化之后的快慢波具有較高的互相關(guān)系數(shù)(CorrSC)，本研究中取閾值為0.85.(4)SKS震相校正后的信噪比較高，這里設(shè)定為大于4 (Restivo and Helffrich, 1999).(5)對于SKS震相，采用SC方法校正之后T分量能量明顯減弱.(6)φ值誤差范圍小于25°，δt的誤差范圍小于1 s.

對NULL值結(jié)果的判斷標(biāo)準為：(1)對于SKS震相，若T分量各向異性校正之前能量便非常弱，質(zhì)點運動表現(xiàn)為較好的線性；對于S震相，射線自震源出發(fā)時T分量便具有一定的能量，因此僅通過質(zhì)點運動判斷.(2)對于SKS震相，RC方法和SC方法得到的慢波延遲時間δt相差較大，并且Δφ=φSC-φRC≈n*45°，n為整數(shù).

此外，我們將各向異性快波極化方向φ和后方位角方向近似平行或垂直(相差小于15°)的結(jié)果定義為“Node”(Li and Niu, 2010；Li et al., 2011)，其對應(yīng)的慢波延遲時間不夠準確，在分析時不予考慮.

1.2 寬頻帶結(jié)果

我們首先在前人研究常用的寬頻帶(SKS：0.05～0.5 Hz， S：0.05～1 Hz)范圍下進行剪切波分裂分析，去掉無法得到較好有效剪切波分裂結(jié)果(non-NULL)或NULL值結(jié)果的數(shù)據(jù)，初步獲得139個SKS震相、11個S震相結(jié)果.

對于SKS震相，初始極化方向與后方位角方向一致或相近，其差值均小于5°；對于S震相，其初始極化方向與事件的震源機制有關(guān).我們根據(jù)Eakin和Long(2013)方法計算了理論S震相的初始極化方向，并與實際數(shù)據(jù)的初始極化方向進行比較，去除差值大于25°的結(jié)果.在得到的11個S震相結(jié)果中，僅有1個事件的實際初始極化方向和理論值相差約40°，其余均小于10°，另外存在2個事件的各向異性結(jié)果RC方法校正之后的快慢波的互相關(guān)系數(shù)較低(小于0.85)，去除這3個事件對應(yīng)的結(jié)果，在寬頻段下共保留了8個S震相結(jié)果.

最終得到了53個有效SKS剪切波分裂結(jié)果，23個NULL和12個Nodal結(jié)果，以及8個質(zhì)量較好的S波分裂結(jié)果，如圖3所示(詳細結(jié)果見電子附件).將極化方向180°～360°范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換到0°～180°范圍內(nèi)，從圖3所示寬頻帶結(jié)果可見，事件主要來自后方位角130°～170°之間，多對應(yīng)湯加地區(qū)的地震事件.從參數(shù)結(jié)果分布圖可見，各向異性參數(shù)具有明顯的離散性，即來自相近后方位角的數(shù)據(jù)結(jié)果表現(xiàn)出明顯差異；同時也存在隨后方位角變化的特征.

1.3 SIMW方法

為減弱數(shù)據(jù)離散性，得到更加準確、穩(wěn)定的各向異性結(jié)果，我們采用了多波形同時反演的方法(Simultaneous Inversion of Multiple Waveforms，SIMW)(Roy et al., 2017).SIMW方法將一定后方位角范圍內(nèi)得到有效剪切波分裂結(jié)果對應(yīng)的SKS震相波形進行串聯(lián)拼接，組成新的波形，對新波形進行剪切波分裂計算，如圖2所示.這樣能夠在不減少數(shù)據(jù)后方位角覆蓋范圍的基礎(chǔ)上，得到較精確穩(wěn)定的各向異性結(jié)果，即一定后方位角范圍內(nèi)僅對應(yīng)一個結(jié)果，既減少了結(jié)果的數(shù)量，又削弱了離散性，從而可以突顯各向異性參數(shù)隨后方位角的變化趨勢.

2 各向異性結(jié)果分析

2.1 寬頻帶單事件結(jié)果及SIMW分析結(jié)果

圖2給出了后方位角138°附近的SIMW分析結(jié)果，對寬頻帶結(jié)果進行窗口滑動，可以得到所有后方位角范圍內(nèi)的SIMW結(jié)果.部分后方位角范圍內(nèi)僅有一個結(jié)果，則將該值直接作為SIMW方法分析后的結(jié)果.得到的寬頻帶SIMW結(jié)果如圖3所示.

圖3給出了按初始極化方向排列的53個寬頻帶有效剪切波分裂結(jié)果、對應(yīng)的25個SIMW方法分析結(jié)果和8個S震相結(jié)果.在初始極化方向135°～160°范圍內(nèi)，可明顯觀測到各向異性參數(shù)(φ、δt)隨初始極化方向增加而增大.S震相結(jié)果對SKS震相后方位角覆蓋較差的50°～80°起到了很好的補充作用.這種隨初始極化方向變化的各向異性觀測表明，臺站下方具有較復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu)特征，通常的單層模型已不能解釋記錄時間較長、后方位角較為完備的各向異性觀測.

圖2 單事件剪切波分裂結(jié)果和SIMW方法結(jié)果對比(a)湯加地區(qū)單事件2016-02-01(Evla = 37.5°S,Evlo=179.95°W, Evdp=391 km, MW=6.3)剪切波分裂SC方法結(jié)果，對應(yīng)的后方位角為138.47°、震中距為88.26°; (b) 18個地震事件SKS震相在2°后方位角范圍內(nèi)(137°

圖3 寬頻帶各向異性結(jié)果隨極化方向變化圖其中黑色小圓圈表示單事件的SKS震相結(jié)果；黑色菱形表示采用SIMW方法后得到的SKS剪切波分裂結(jié)果；五角星表示深源地震直達S波的各向異性結(jié)果；這些計算結(jié)果包含了53個單事件SKS震相的剪切波分裂結(jié)果、8個區(qū)域S波結(jié)果和25個通過SIMW方法得到的結(jié)果.虛線表示采用SIMW數(shù)據(jù)擬合得到的最佳單層各向異性模型(φ=-82°(或98°),δt=1.0 s)；黑色線表示選取的擬合最佳的雙層各向異性模型理論曲線，其各向異性參數(shù)為：主周期為8 s，下層φ=-68°,δt=2.2 s，上層φ=32°,δt=1.0 s；灰色線和淺灰色線分別表示進行誤差分析時采樣的31個第一類和第二類模型的理論曲線.Fig.3 Shear wave splitting results for wide frequency analysis vary with polarizationThe small black circle represents the SKS phase result of a single event. The black diamond represents the SKS shear wave splitting result obtained after using the SIMW method. The pentagram represents the anisotropy result of direct S waves from deep earthquakes. These calculations include 53 single event SKS SWS results, 8 local S results and 25 SIMW results. Our preferred models are obtained from the results of SIMW. The dashed line shows the best one-layer model with the parameters: φ=-82° (or 98°), δt=1.0 s. The black line shows the best matching model with dominant period T=8 s,φ=-68°,δt=2.2 s in the lower layer, and φ=32°,δt=1.0 s in the upper layer. The gray (first class) and light gray (second class) lines show the ensemble of 31 acceptable models.

圖4 剪切波分裂結(jié)果的頻率依賴性分析相同事件(2014-02-02)數(shù)據(jù)在不同濾波頻段下的各向異性SC方法結(jié)果.(a)、(b)、(c)、(d)分別對應(yīng)寬頻帶(濾波頻段0.05～0.5 Hz)、低頻段(濾波頻段0.01～0.1 Hz)、中頻段(濾波頻段0.1～0.2 Hz)和高頻段(濾波頻段0.2～1.0 Hz)結(jié)果.Fig.4 Frequency dependence of shear wave splitting resultsThe shear wave splitting result of the same event (2014-02-02), but in different frequency bands. Here we only show the results obtained by SC (minimum energy) method. (a) is the result in wide frequency band (0.05～0.5 Hz). (b) is the result in low frequency band (0.01～0.1 Hz). (c) is the result in medium frequency band (0.1～0.2 Hz). (d) is the result in high frequency band (0.2～1.0 Hz).

圖7 按照擬合標(biāo)準排序后，前2456個雙層各向異性模型的參數(shù)分布情況(a)、(b)、(c)、(d)分別展示了具有不同參數(shù)組合的模型投影到不同2D平面上的模型個數(shù)分布情況；右側(cè)的灰度標(biāo)度表示不同的模型數(shù)量，灰色越深表示具有這對參數(shù)的模型個數(shù)越多；紅點表示我們選取的26個一類模型的參數(shù)投影；藍點表示我們選取的5個二類模型的參數(shù)投影；黑色五角星表示采用26個一類模型得到的平均各向異性參數(shù)位置.Fig.7 Characteristics of the top 2456 (2456 out of 246016) two-layer models in terms of data fit(a), (b), (c) and (d) show the distribution of the number of models when the models with different parameters are projected onto different 2D planes. The scale bar to the right of each plot indicates the number of models for each shade of gray, with darker colors indicating more models with those properties. The red dots represent the 26 first-class models that we selected. The blue dots represent the other 5 second-class models. And the black pentagram represents the average anisotropy parameter value obtained by using 26 first-class models.

2.2 剪切波分裂結(jié)果的頻率依賴性

在剪切波分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)濾波頻段對各向異性結(jié)果存在較明顯的影響.結(jié)合前人開展的各向異性頻率依賴性研究，選取了以下3個頻段開展頻率相關(guān)性研究：低頻段(0.01～0.1 Hz)、中頻段(0.1～0.2 Hz)和高頻段(0.2～1 Hz)(Eakin and Long, 2013).

圖4展示了事件2014-02-02在四個不同頻段下SC方法分析得到的各向異性結(jié)果.事件位于湯加地區(qū)(緯度-32.91°、經(jīng)度-177.88°、震源深度44.3 km)，對應(yīng)的后方位角為138.2°，震中距為91.0°.波形在不同頻段下均具有較高的信噪比；各向異性校正之后T分量能量均明顯減弱.結(jié)合RC和EV方法判斷低頻段下的結(jié)果為NULL(圖4b).盡管寬、高、中三個頻段均有高質(zhì)量的有效剪切波分裂結(jié)果，但得到的結(jié)果在考慮不確定性后仍存在較明顯的差異，表明各向異性結(jié)果具有一定的頻率依賴性.

對初步保留的139個寬頻帶SKS震相和11個S震相波形數(shù)據(jù)在三個分頻段內(nèi)均進行了剪切波分裂分析.在高頻段得到了47個有效的剪切波分裂結(jié)果，中頻段64個(圖5).低頻段震相波形各向異性校正之前便具有較好的線性，得到的結(jié)果多為NULL.測量統(tǒng)計得到的低頻段波形的主周期約為16.7 s，遠大于2倍的各向異性慢波延遲時間，分裂到T分量的能量原本就弱(Gao and Liu, 2009)，圖5中未做展示.中頻段和高頻段單事件的各向異性結(jié)果(圖5a、c)同樣存在離散性，因此也進行了SIMW方法分析，得到了較精確的各向異性結(jié)果，如圖5b、d所示.圖6展示了不同頻段下所有結(jié)果的分布情況(詳細結(jié)果見電子附件)，再次可以看出SIMW方法較好的減弱了結(jié)果的離散性，且不同頻段結(jié)果存在明顯的差異.

在結(jié)果較多的后方位角130°～170°范圍內(nèi)，存在明顯的各向異性參數(shù)隨極化方向增大而增大的趨勢，并且顯示出一定的頻率依賴性，具體表現(xiàn)為：高頻段的快波極化方向相對于中頻段發(fā)生了順時針旋轉(zhuǎn)；中頻段的慢波延遲時間大于高頻段.這進一步說明臺站下方存在復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu).

2.3 雙層各向異性模型擬合

單事件和SIMW方法得到的各向異性參數(shù)均具有隨后方位角變化的特征，并表現(xiàn)出明顯的頻率依賴性.由于雙層各向異性模型的各向異性參數(shù)具有隨后方位角變化的特征和頻率依賴性，考慮到研究區(qū)域的俯沖構(gòu)造背景，研究中采用雙層各向異性假設(shè)，對多個頻段的剪切波分裂參數(shù)進行了模擬.

我們采用Rümpker和Silver(1998)方法計算雙層各向異性模型的理論各向異性參數(shù)曲線.由于其與各層各向異性參數(shù)和信號的主頻率有關(guān)，因此，對實際數(shù)據(jù)波形的主頻進行了分析.測量并統(tǒng)計了不同頻段下信號的波峰/波谷時間差作為信號的半周期，進而得到主周期和主頻.寬頻帶SKS震相的主頻約為0.125 Hz(8 s)，低頻段約為0.06 Hz(16.7 s)，中頻段約為0.15 Hz(6.67 s)，高頻段約為0.25 Hz(4 s).低頻段得到的結(jié)果多為NULL值，因此我們僅對寬頻帶、中頻段和高頻段進行了雙層各向異性擬合，信號的主頻率分別對應(yīng)為8 s、6.67 s和4 s.

首先通過網(wǎng)格搜索的方式對寬頻帶數(shù)據(jù)進行雙層各向異性模型擬合，用以約束不同深度各向異性模型參數(shù)的范圍.我們從以下兩個方面評估雙層各向異性模型的理論預(yù)測與觀測結(jié)果之間的擬合度：(1)理論模型擬合上的實測數(shù)據(jù)點數(shù).考慮到實測結(jié)果包含誤差上下限，如果理論曲線位于誤差上下限范圍內(nèi)，則認為理論模型擬合上了該點(Eakin and Long, 2013)，用FitNum_φ和FitNum_δt分別表示擬合上的快波偏振方向點數(shù)和慢波延遲時間點數(shù).(2)理論預(yù)測的分裂結(jié)果與實測結(jié)果之間的差異.由于SIMW分析方法減少了各向異性參數(shù)個數(shù)，使得在一定后方位角范圍內(nèi)僅有一個各向異性結(jié)果，提高了結(jié)果的穩(wěn)定性.因此，在進行雙層各向異性模型擬合時，僅采用SIMW方法的分析結(jié)果.研究中采用一階范數(shù)來計算SIMW方法結(jié)果和理論結(jié)果之間的差異.公式如下：

(1)

(2)

公式(1)、(2)分別給出了各向異性參數(shù)快波方向φ、慢波延遲時間δt的理論參數(shù)和實測參數(shù)差異的計算方式.“N”表示觀測結(jié)果的個數(shù)；φi_pred、φi_obs分別表示快波極化方向的理論值和SIMW方法實測值；δti_pred、δti_obs為慢波延遲時間的理論值和SIMW方法的實測值.

綜合考慮以上兩個判斷條件，F(xiàn)itNum_φ和FitNum_δt值越大以及Dist_φ和Dist_δt值越小，則落在觀測范圍內(nèi)的點越多，與觀測值的差異越小.對兩類各向異性參數(shù)(φ、δt)采用相同的權(quán)重，并定義最終的判定標(biāo)準為：

C=(Dist_φ/FitNum_φ)*(Dist_δt/FitNum_δt).

(3)

搜索時我們采用了先粗網(wǎng)格再細網(wǎng)格的兩步搜索方法.首先對寬頻帶的SIMW方法各向異性結(jié)果在-90°～90°，0～4 s的范圍內(nèi)進行較粗略的網(wǎng)格搜索，以確定最佳各向異性參數(shù)的大致范圍，搜索步長分別取為10°和0.5 s.對每個搜索的雙層各向異性模型計算擬合標(biāo)準“C”，由此得到的最佳模型參數(shù)為：上層各向異性參數(shù)φ=30°， δt=1.0 s；下層φ=-70°，δt=2.0 s.之后在該參數(shù)附近，即上層0°～60°，0～3.0 s；下層-90°～-30°，1.0～4.0 s范圍內(nèi)進行以2°和0.2 s為步長的精細網(wǎng)格搜索.

共測試了246016個雙層各向異性模型參數(shù)組合，并根據(jù)模型擬合標(biāo)準“C”對模型進行排序.在最小“C”值15%范圍內(nèi)浮動的模型共有31個(如，Bodin et al., 2012)，我們注意到這些擬合結(jié)果較好的“可接受”模型可以分為兩類:第一類，模型的上層各向異性參數(shù)在φ～32°，δt～1.0 s附近, 下層各向異性參數(shù)在φ～-68°，δt～2.2 s附近；第二類模型的上層各向異性參數(shù)在φ～50°，δt～1.4 s附近，下層參數(shù)在φ～-52°，δt～2.8 s附近.兩類模型均可擬合50個(25對)各向異性參數(shù)觀測點中的33～34個點，擬合點數(shù)超過2/3，且兩類模型的擬合標(biāo)準值“C”值相近.其中第一類模型26個，第二類模型5個，圖3中分別用灰色和淺灰色曲線表示(詳細結(jié)果見電子附件).兩類模型在后方位角130°～170°范圍內(nèi)均能夠較好的擬合實際數(shù)據(jù)隨后方位角增大而增大的趨勢.由于第一類模型在該標(biāo)準下占比較高 (26/31)，且對快波極化方向的擬合優(yōu)于第二類模型，我們最終選取這一類模型的參數(shù)代表擬合觀測最佳的模型群組，并通過它們的分布獲得最佳的各向異性參數(shù)離散度估計.最終得到的上層各向異性參數(shù)為φ=35°±12°，δt=1.3±0.7 s；下層各向異性參數(shù)為φ=-68°±4°，δt=2.4±0.7 s.

為進一步探索模型參數(shù)變化對實際結(jié)果擬合情況的影響，選取了“C”最小值Cmin的2倍范圍內(nèi)的2456個模型，這些模型至少能夠擬合一半的數(shù)據(jù)點數(shù).將這些模型的各向異性參數(shù)投影到不同的二維平面中(圖7)，可以看出雖然快波偏振方向和慢波延遲時間有所不同，但具有相似的特征：下層快波偏振方向大致為WNW，而上層為NE；下層的慢波延遲時間較大.圖7展示了對觀測數(shù)據(jù)擬合較好的雙層各向異性模型參數(shù)的分布情況，并對前文提到的31個雙層各向異性模型參數(shù)進行了突顯.

在擬合過程中，也獲得了對SIMW分析結(jié)果擬合最好的單層各向異性模型.該模型可視為雙層各向異性模型的特例，即上層各向異性參數(shù)中的慢波延遲時間δt=0 s，對應(yīng)的最佳單層各向異性模型為φ=-82°，δt=1.0 s，如圖3虛線所示.盡管可以擬合30個數(shù)據(jù)點，但無法再現(xiàn)出各向異性參數(shù)隨初始極化方向的變化趨勢.該單層模型的擬合程度C值約為最小值的1.6倍，位列1000多位.對比可見，雙層各向異性模型能夠比單層模型更好地擬合實際觀測結(jié)果.

2.4 中、高頻段擬合及誤差

在寬頻帶分析的基礎(chǔ)上，對中頻段和高頻段的SIMW分析結(jié)果進行了同樣的雙層各向異性模型擬合.基于寬頻帶的結(jié)果，選取較窄的各向異性參數(shù)范圍：上層φ=10∶2∶60，δt=0.6∶0.2∶2.0；下層φ=-80∶2∶-50，δt=1.4∶0.2∶3.2，主周期分別為6.67 s和4 s.為得到統(tǒng)一的雙層各向異性模型，將中頻和高頻段數(shù)據(jù)結(jié)合起來進行模型的判斷.中頻段的有效觀測數(shù)據(jù)有28對，高頻段有18對，根據(jù)公式(1)—(3)計算各不同頻段的擬合判斷值，并相加獲得最終的判斷標(biāo)準“C”.

采用與寬頻帶計算模型誤差同樣的策略，考慮到數(shù)據(jù)點屬于不同頻段，略微放寬可接受模型的標(biāo)準，即認為“C”最小值浮動20%范圍內(nèi)的模型符合觀測.根據(jù)該范圍內(nèi)的25個模型，計算得到了雙層各向異性模型的參數(shù)為：上層φ=32°±12°，δt=1.4±0.4 s；下層φ=-71°±6°，δt=2.4±0.4 s.該模型參數(shù)與寬頻帶各向異性參數(shù)相近，上層近NE-SW向，下層為WNW-ESE向，近似平行于板片俯沖方向，且下層慢波延遲時間遠大于上層.由于同時考慮的中頻段和高頻段數(shù)據(jù)點數(shù)(92個)遠大于寬頻帶SIMW分析方法得到的觀測點數(shù)(50個)，后文將主要以同時考慮高頻段和中頻段結(jié)果得到的各向異性參數(shù)作為最終的模型參數(shù).

3 討論

3.1 橫向速度結(jié)構(gòu)差異對各向異性的影響

橫向和垂向的非均勻各向異性結(jié)構(gòu)均能夠造成各向異性參數(shù)隨初始極化方向的變化.寬頻帶地震數(shù)據(jù)的主周期為 8 s，對應(yīng)的菲涅耳帶在200 km深度處約為120 km，在400 km深度處增加到160 km (Rümpker and Ryberg, 2000).該深度處的不均勻體若要產(chǎn)生各向異性的頻率依賴性，其尺度要小于該深度處頻率所對應(yīng)的菲涅爾帶半徑.觀測結(jié)果中，來自NE和SE方向的各向異性結(jié)果表現(xiàn)出不同的變化趨勢.SE象限中，即后方位角135°附近觀測結(jié)果表現(xiàn)為：高頻段各向異性快波偏振方向相對于中頻段發(fā)生了順時針旋轉(zhuǎn)，高頻段慢波延遲時間略小；而NE象限內(nèi)對應(yīng)后方位角～50°的數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)變化趨勢相反.中頻段來自NE向的各向異性快波偏振方向較來自SE向的出現(xiàn)順時針10°～20°偏轉(zhuǎn)(圖5).SKS震相射線雖然近垂直入射，但采樣的地幔結(jié)構(gòu)在深部仍存在明顯差異.圖1b中插圖給出了SKS震相和S震相在410 km間斷面的穿透點位置，來自NE和SE的射線穿透點相距約1°(～120 km)，考慮到400 km深度處的菲涅爾帶半徑約為160 km，因此這一系統(tǒng)性的差異應(yīng)來自于400 km深度之下的速度結(jié)構(gòu)差異.

圖8給出了后方位角48°和138°兩條剖面的S波速度圖像(Tao et al., 2018)，并疊加了射線在660 km 不連續(xù)面處的穿透點位置.來自于NE和SE方向的射線穿透點位置相距～250 km；地幔過渡帶中的速度結(jié)構(gòu)明顯不同，兩象限內(nèi)的射線穿過了不同的速度異常結(jié)構(gòu).因此研究區(qū)域各向異性結(jié)構(gòu)的橫向變化，很可能是來自不同方位角的剪切波各向異性參數(shù)隨初始極性以及頻率相依性變化趨勢不同的原因.

另外，傾斜莫霍面或斜向的侵入層以及俯沖板片等均能造成各向異性參數(shù)隨后方位角的180°周期變化.但在實際觀測中沒有發(fā)現(xiàn)該一階變化特征.雙層各向異性模型較好擬合了觀測結(jié)果的頻率依賴性和大部分觀測數(shù)據(jù)點隨極化方向的變化趨勢，特別是來自于東南方向地震波的觀測結(jié)果.考慮到研究區(qū)域的俯沖背景，即處于由上層巖石圈、中間地幔部分以及下方停滯的俯沖板片構(gòu)成的“大地幔楔”系統(tǒng)中，我們認為在東南方位角范圍內(nèi)各向異性參數(shù)表現(xiàn)出的頻率依賴性、隨后方位角的變化特征主要由各向異性結(jié)構(gòu)的深度變化造成，即研究區(qū)域存在各向異性結(jié)構(gòu)的垂向變化.

圖8 MDJ臺站周圍的S波速度結(jié)構(gòu)及660 km深度處的穿透點位置我們在兩個數(shù)據(jù)集中的后方位角范圍內(nèi)截取了S波速度剖面.剖面A對應(yīng)的后方位角為138°，B對應(yīng)的為48°.層析成像數(shù)據(jù)來自FWEA18(Tao et al., 2018)；紅色倒三角表示MDJ臺站位置；黑色圓點表示SKS射線在660 km處穿透點位置投影；小白點表示沿測線分布的地震事件；紅色五角星表示我們用到的區(qū)域深源地震投影位置.(b)和(c)分別為A、B剖面的速度成像結(jié)果.Fig.8 The velocity structure of S-wave tomography and the locations of piercing points at a depth of 660 km around MDJ stationWe took two profiles along two back-azimuths, where our results are mainly distributed. The back-azimuth of profile A is 138° and 48° for profile B. The tomography data is taken from FWEA18 (Tao et al., 2018). The red inverted triangle is the MDJ station. Black dots are the piercing points of SKS rays at the depth of 660 km. Small white dots are earthquake events located along profiles. The red pentagram represents the projection of the local S event we used. (b) and (c) show velocity structure along profiles A and B respectively.

3.2 上層各向異性

長周期面波各向異性研究表明(Montagner and Tanimoto,1990; Nataf et al.,1984)，在上地幔中存在方位各向異性和SH/SV極化各向異性，尤其是在上地幔頂部的200 km范圍內(nèi).基于面波和體波的全球各向異性層析成像揭示出大陸下方的地幔中存在較強的各向異性，并且在全球的上地幔中均存在一定程度的各向異性，但在較深的區(qū)域各向異性明顯減弱(Beghein et al., 2006; Panning and Romanowicz, 2006).區(qū)域地震P波和S波各向異性層析成像研究也都表明巖石圈中存在明顯的各向異性結(jié)構(gòu)(Wei et al.,2015,2016;Zhao et al., 2016).因此上地幔巖石圈中的各向異性對研究給出的上層各向異性特征有重要影響.

通過對高頻段和中頻段數(shù)據(jù)的同時擬合，獲得的上層各向異性參數(shù)為φ=32°±12°，δt=1.4±0.4 s，近NE-SW向的各向異性快軸方向與俯沖板塊運動方向NW65°(-65°，295°)(Gripp and Gordon, 2002)相差較大，表明上層的各向異性并非板塊運動引起的軟流圈地幔流動所導(dǎo)致.該快軸方向與淺表最主要的地質(zhì)構(gòu)造——郯廬斷裂帶走向相一致.中國東北地區(qū)從中生代晚期開始就經(jīng)歷了多階段的裂陷作用(Ren et al., 2002)，引起了新生代板塊內(nèi)廣泛的火山作用和變形.實驗室研究和地質(zhì)觀測表明，在伸展或裂谷環(huán)境中，礦物的葉理面趨于水平，伸展線理方向多與伸展方向平行(如，Savage, 1999).我們得到的上層快波偏振方向與伸展方向并不一致.由于西北太平洋板片的俯沖以及印度洋板塊和歐亞大陸板塊的碰撞，郯廬斷裂帶在古近紀經(jīng)過一系列復(fù)雜的演化過程發(fā)育為右旋走滑斷裂(Lu et al., 1983; Xu et al., 1993).因此，我們認為與郯廬斷裂帶滑移相關(guān)的橫向推覆形變對觀測到的剪切波分裂產(chǎn)生了重要貢獻.

假設(shè)MDJ臺站下方巖石圈內(nèi)的平均各向異性強度為4%，則1.4 s的慢波時間延遲對應(yīng)～140 km厚的各向異性層，與該區(qū)域的巖石圈厚度(～120-160 km)相對應(yīng)(An and Shi, 2006)，也表明臺站下方為正常巖石圈，未經(jīng)歷明顯減薄(Zhu et al., 2012).我們也進而推斷郯廬斷裂帶引起的形變貫穿整個巖石圈，與前人觀測認為的郯廬斷裂帶是巖石圈尺度的構(gòu)造變形帶相一致(Lu et al., 1983;盧造勛和夏懷寬, 1993; Xu et al., 1993).近期Pn波各向異性結(jié)果同樣認為MDJ臺站周圍的快波極化方向為近NE向(Du and Lei, 2019; Lü et al., 2019)，與我們的結(jié)果一致.因此，結(jié)果給出的上層各向異性體現(xiàn)了受郯廬斷裂帶影響的巖石圈中 “固化”的各向異性.

3.3 下層各向異性

雙層各向異性模型中的下層各向異性參數(shù)為：φ=-71°±6°，δt=2.4±0.4 s.快波偏振方向與歐亞板塊運動的絕對方向(NW65°，-65°)相近，指示了與巖石圈下方的軟流圈流動相關(guān)的各向異性特征.區(qū)域各向異性層析成像結(jié)果顯示，在約150～220 km深度處存在明顯的地幔流動(Wei et al., 2015, 2016; Zhao et al., 2016).研究中擬合得到的較大的慢波延遲時間則意味著該各向異性不僅僅存在于軟流圈頂部，在上地幔的深部同樣存在.區(qū)域深源地震事件的直達s波(這里用s代替了S，強調(diào)是深源地震的上行波)各向異性結(jié)果給出了額外的證據(jù).

我們在每個頻段均得到了8個具有較好質(zhì)量的近場/區(qū)域s波各向異性結(jié)果.與Liu等(2008)的研究對比可以發(fā)現(xiàn)：他們采用了2007年之前發(fā)生的5個震源深度大于450 km的數(shù)據(jù).我們同樣選取了Liu采用的地震事件，采用了不同的處理方法和質(zhì)量控制條件，得到了幾乎一致的各向異性結(jié)果，僅有一個事件的結(jié)果由于不滿足本研究中苛刻的質(zhì)量控制條件而被刪除.更多的S波分裂結(jié)果沒有表現(xiàn)出Liu等 (2008)提到的慢波延遲時間與震源深度的線性關(guān)系.但各向異性參數(shù)卻與初始極化方向之間存在一定的關(guān)聯(lián)(圖3，5).這再次表明MDJ臺站下方存在復(fù)雜的垂向各向異性結(jié)構(gòu).

在寬頻段S震相的各向異性結(jié)果中，事件1999-04-08和2002-06-28發(fā)生在相同的區(qū)域，具有相近的震源深度(～566 km)和初始極化方向(72°)，得到的各向異性參數(shù)幾乎相同(φ=-89.7°，δt=1.2 s).在高頻段S波分裂分析中用到了兩個事件2000-02-13和2013-10-29，具有相近的初始極化方向和后方位角，但震源深度分別為513 km和554 km，所得到的各向異性慢波延遲時間分別為0.5 s和0.8 s.兩事件震源深度不同，地震射線經(jīng)過了不同的各向異性結(jié)構(gòu)，造成了慢波延遲時間的差異.射線在淺部經(jīng)過的結(jié)構(gòu)相近，因此可以斷定在513 km深度之下必定存在各向異性，即地幔過渡帶中存在各向異性.若慢波延遲時間的差異只由兩事件震源深度之間的介質(zhì)造成，則可以估算出500 km以深的地幔過渡帶內(nèi)的平均各向異性強度約為3.7%.

俯沖的西北太平洋板片及其相關(guān)的地幔流動能夠造成地幔楔中橄欖石晶格的定向排列.我們給出的S波分裂結(jié)果則表明各向異性的深度至少達到了地幔過渡帶.地球動力學(xué)模擬表明與俯沖板片相關(guān)的地幔楔中主要為與海溝垂直或與板片俯沖方向平行的各向異性(Faccenda and Capitanio, 2012).礦物物理實驗表明瓦茲利石晶體具有16.5%的各向異性強度(Zha et al., 1997; Mao et al., 2008)，在地幔流動的作用下能夠發(fā)生晶格優(yōu)勢排列，從而產(chǎn)生各向異性(Kawazoe et al., 2013).相比之下，林伍德石晶體的各向異性強度在3%～8%之間(Mainprice et al., 2007)，其礦物集合體的各向異性強度則小于1% (Wenk et al., 2005).考慮到多種礦物晶體不同程度的定向排列及組分的復(fù)雜性，假定由地幔礦物共同作用產(chǎn)生的地幔具有平均約2%～3%的各向異性強度，則對應(yīng)的各向異性層的厚度為360～540 km，表明各向異性層的深度可能延伸到下地幔頂部.

Lynner采用了距離MDJ臺站～250 km的事件2003-08-31(132.37°E，43.37°N，深度481 km)得到震源下方的各向異性參數(shù)為φ=-71°(109°)，δt=0.7 s，并且認為造成各向異性的原因與布里奇曼石礦物各向異性有關(guān).該方向與我們得到的接收臺站下方SKS結(jié)果以及區(qū)域S波分裂結(jié)果給出的下層快波方向一致.但由于采樣取自不同的深部空間范圍，時間延遲不同.這正體現(xiàn)了研究區(qū)域下方從軟流圈頂部到地幔過渡帶，甚至直抵下地幔頂部的各向異性的分布特征.受俯沖板片影響，MDJ臺下方有復(fù)雜的上地幔結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)雙660-km結(jié)構(gòu)(Niu and Kawakatsu, 1996; Gao et al., 2010).其中，上界面“660-km”深度約664 km，下界面“720-km”深度約700 km，影響范圍達到了下地幔頂部.動力學(xué)模擬表明(Faccenda，2014)俯沖板片的高差應(yīng)力能夠使俯沖板片周圍下地幔頂部地幔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位錯蠕變，進而產(chǎn)生各向異性.第一性原理計算也表明布里奇曼石能夠產(chǎn)生晶格各向異性(Mainprice et al., 2008)，并且各向異性的快波偏振方向與剪切位移方向平行.

圖9 西北太平洋俯沖帶和各向異性成因的三維卡通圖顯示了西北太平洋俯沖區(qū)域大陸巖石圈、大地幔楔、地幔過渡帶等主要構(gòu)造特征.其中的APM方向為NW65°(-65°，295°).上部的灰色區(qū)域表示大陸巖石圈，并將海岸線投影其上.黑色三角形表示MDJ臺站位置.標(biāo)記為YL-YT(依蘭—伊通)斷層和DH-MS(敦化—密山)斷層的紅色線條表示分叉的郯廬斷裂.“MDJ”下方的黃色箭頭表示大陸巖石圈中的各向異性方向(～NE35°或者35°). 停滯俯沖板片之上的上地幔中，大的黃色箭頭指示了可能的地幔流動形式，形成了下層中的快波方向(～NW68°、-68°或292°).地幔過渡帶中的綠色斷線指示了地幔水平流動引起的瓦茲利石(部分可能為林伍德石)晶格優(yōu)勢取向排列模式.淺層地幔中的軟流圈流和與板片俯沖及停滯有關(guān)的地幔流對觀測到的地震各向異性均有貢獻.Fig.9 3D cartoon map of the Northwest Pacific subduction zone and the cause of anisotropy3D cartoon showing main features of the anisotropic structures in the continental lithosphere, Big Mantle Wedge and mantle transition zone of the Northwest Pacific subduction zone. The APM direction is NW65°(-65° or 295°). The upper gray layer indicates the continental lithosphere with the coastlines projected. The black triangle indicates the location of the station MDJ. The red lines labeled YL-YT and DH-MS indicate the bifurcated Tan-Lu fault. The yellow arrow below the “MDJ” indicates the anisotropy direction in the continental lithosphere (～NE35° or 35°). The large yellow arrow in the upper mantle above the stagnant slab indicates a pattern of mantle flow, which results in the fast axis of direction in the lower layer (～NW68°,-68° or 292°). The short green bars in the MTZ indicate the LPO of wadsleyite (and maybe partly ringwoodite) caused by the lateral mantle flow. Both the asthenosphere flow in the shallow mantle and the lateral mantle flow associated with the stagnation of the slab contribute to the observed seismic anisotropy.

結(jié)合上述結(jié)果，我們認為觀測到的下層各向異性主要受西北太平洋俯沖的影響，板塊的俯沖特別是在660-km間斷面上的停滯產(chǎn)生了和俯沖方向近乎平行的地幔流動，與上地幔淺部軟流圈范圍內(nèi)的各向異性疊加，造成了較大的慢波時間延遲，該各向異性不僅存在于軟流圈中，同時存在于地幔過渡帶內(nèi)，并很有可能抵達下地幔頂部～800 km的深度，這和大尺度地震層析成像給出的觀測一致(Wei et al., 2015, 2016; Zhao et al., 2016).

4 結(jié)論

以擁有長時間穩(wěn)定記錄的MDJ臺站為例，探究了該臺站下方的各向異性特征，發(fā)現(xiàn)SKS和S波各向異性結(jié)果表現(xiàn)出隨極化方向變化的特性和頻率依賴性.采用SIMW方法得到了更加精確、穩(wěn)定的各向異性結(jié)果，并對該結(jié)果進行了雙層各向異性模型擬合，得到雙層各向異性模型參數(shù)為：上層φ=32°±12°，δt=1.4±0.4 s；下層φ=-71°±6°，δt=2.4±0.4 s.上層表現(xiàn)為受郯廬斷裂帶影響的巖石圈尺度的“固化”各向異性；下層受俯沖板片及其引起的地幔流動的影響，地幔主要礦物出現(xiàn)晶格優(yōu)勢排列，從而產(chǎn)生下層觀測到的各向異性.這種各向異性存在于大地幔楔和地幔過渡帶內(nèi)，西北太平洋板片的俯沖以及在地幔過渡帶中的停滯是產(chǎn)生這種垂向各向異性一階特征的主要原因.

致謝感謝IRIS DMC提供的數(shù)據(jù)支持；Sac2000和GMT軟件在數(shù)據(jù)處理和繪圖中起到了重要作用.