華北克拉通巖石圈有效彈性厚度及其各向異性

鄭 勇，李永東，熊 熊

大地測量與地球動力學國家重點實驗室，中國科學院測量與地球物理研究所，武漢 430077

1 引 言

巖石圈的強度控制著大陸巖石圈對長期載荷的響應及其演化過程和空間構型，其分布特征對板內的隆升和沉降以及板塊邊界構造型式的演化具有重要的控制作用[1］.大陸巖石圈對地質時間尺度內的長期載荷響應主要通過撓曲剛度（D）或有效彈性厚度（Te）[2-12］來體現.其中 Te與 D 的關系為：Te=E為楊氏模量，σ為泊松比.因此，巖石圈有效彈性厚度是表征巖石圈力學強度的參數之一.巖石圈有效彈性厚度（Te）定義為一假想的、上覆于非黏性流體的、在相同載荷作用下產生與真實巖石圈相同彎曲的彈性板的厚度，表征了巖石圈在長期載荷（＞105年）作用下抵抗變形的能力.因此，巖石圈的Te大小和分布狀態對于了解大陸巖石圈的長期形變和流變結構，以及克拉通巖石圈在長期地質作用下的破壞的機制有重要的參考作用.

近幾十年來，學者們對巖石圈的Te進行了大量的研究[2，12-14］.期間，為了解決巖石圈Te偏小的問題，Forsyth[3］分析了巖石圈內部的密度異常對巖石圈載荷的影響，認為巖石圈撓曲均衡模型必須考慮內、外部載荷對巖石圈載荷的貢獻才能得到精確的巖石圈Te值.所謂的外部載荷可以是來自外部的冰川、火山、沉積層；而來自內部的構造侵位、巖漿侵入、地幔對流或者諸如上下層運動速率不一致而產生的內部邊界拉力和洋脊向外的推力等構造邊界載荷則屬于內部載荷.另外，不同方法獲得的克拉通區域Te相差很大[2，12］.McKenzie[9，15］強調侵蝕和沉積作用可以產生與地形不相關的載荷，建議使用自由空氣異常數據，基于響應函數法求解Te.由于McKenzie的方法計算得到的大陸巖石圈包括古老的克拉通Te值普遍小于25km，由此引發的爭論不僅局限于不同研究方法得到的Te值不同，并且進而促使學者們對巖石圈結構及運動學模型提出新的見解[16］.Pérez等[10-11］和 Kirby和Swain[8，17］對自由空氣響應函數法和布格相關性法的模型和公式進行統一和改進，分別在歐洲大陸和北美大陸采用這兩種方法都取得了較為一致的結果.基于這一改進方法，學者們對加拿大地盾[5-6］、澳大利亞克拉通[18］和南美大陸克拉通[19-20］Te的研究也都獲得了一致的結果.

雖然對于巖石圈Te的研究取得了顯著的成果，并且對巖石圈的性質和演化過程提出了重要的約束，但其研究結果大都假設Te是各向同性的.事實上，大陸巖石圈具有多層流變性，其物質組成的不均勻性能導致力學強度沿不同方位角和深度存在差異.再者，巖石圈在構造演化歷史中具有一定的“繼承性”，受先存構造、溫度、組分以及構造應力等影響，使其晶格排列在空間上有優勢取向，使巖石圈抵抗變形的能力沿不同方向而存在差異，即在同樣載荷作用下，巖石圈的變形有優勢取向，Te存在各向異性.近年來不少學者通過不同的方法已經證實，在很多區域巖石圈Te存在著明顯的各向異性分布特征，如澳大利亞中部Te具有明顯的NW—SE弱向分布特征[21］，東喜馬拉雅—青藏高原的巖石圈Te具有南北弱的特征[22］，加拿大地盾Te存在普遍的各向異性等[5］.另外，在殼幔變形、巖石圈運動機制以及巖石圈的“繼承性”等問題上也得到了深入的認識.因此，對巖石圈強度各向異性的研究，可以進一步加強對巖石圈的變形機制、動力學過程的了解.

華北克拉通地處歐亞大陸的東南部，是全球最古老的克拉通地塊之一，其演化過程和空間構型一直是地球科學界關注的焦點.華北克拉通在中生代和新生代經歷了大規模的巖石圈活化過程，即所謂的 “華北克拉通破壞”過程，引起了國內外學者的廣泛關注和爭論[23-27］.其獨特的巖石圈應力場及構造運動格局，是世界上研究古老巖石圈減薄、改造、置換的最佳場所[28］.目前，國內外對華北克拉通的大地構造、地殼、上地幔結構以及深部物質的動力過程主要從地球化學過程[29-30］、地震波速度結構、層析成像[31-33］等方面進行了大量的研究.基于這些研究，人們對于華北克拉通的破壞過程提出了多種模式，主要有兩類模式，即熱、化學侵蝕模式[34-36］和拆沉模式[37］.然而，這些模式雖然各自能解釋一部分現象，但也都存在一些難以解釋的問題.

通常，大陸形變和動力學過程是地球構造動力學的直接體現，其變形過程必然與地下的驅動力以及地殼和巖石圈的強度有直接的關系.因此，對華北克拉通的巖石圈有效彈性厚度的研究將有助于了解華北克拉通的構造性質和破壞機理.目前的大多數研究雖然獲得了一部分克拉通破壞的數據和構造信息，但是關于Te的研究，特別是Te各向異性的研究還比較少，難以對巖石圈的變形過程提供動力學上的定量約束，這在一定程度上阻礙了我們對于華北克拉通破壞機理的認識.此外，不同的克拉通破壞機理在巖石圈的物質運動和變形上存在著很大的差異，而這些運動狀態和變形機制往往與地下巖石力學性質的各向異性有關.因此，研究華北巖石層的力學強度和其各向異性特征對于了解華北克拉通的變形和破壞機制有著極為重要的意義.

本文基于小波分析方法來確定重力與地形間的相關性，計算獲得華北克拉通巖石圈有效彈性厚度及其各向異性的二維精細結構，為理解大陸變形、克拉通的形成和破壞機制等提供重要的參考依據.

2 方法及數據

2.1 小波相關性方法

巖石圈力學強度及其各向異性傳統上通過多窗口譜分析技術[10，38-39］進行計算的.然而，多窗口譜分析技術存在窗口大小和分辨率相互制約的問題：如果窗口太小，不足以解析轉換波長信息，Te就會被低估；相反，如果窗口過大，則不能反映研究區域Te的變化，降低空間分辨率.并且該方法局限于求取某一空間尺度內的平均Te，并不能得到二維Te的詳細分布信息.為了解決這一矛盾，Stark等[40］提出使用小波分析法研究Te，其能對每一波數或尺度內的信號使用最佳窗口進行分析，使得計算二維Te的空間分布成為可能.Kirby和 Swain[7，17，41］使用既能解析各向同性信息又能解析各向異性信息的Fan小波分析技術，成功地計算了澳大利亞巖石圈Te的各向異性，發現在克拉通地區殼幔強烈耦合，并且Te的各向異性和地震波偏振方向存在很強的相關性，表明前寒武時期，地震波速各向異性和巖石圈Te的各向異性是同源的.Tassara等[42］用該方法得到了南美大陸Te的詳細分布信息，Audet等[6，43］基于該方法計算了加拿大地盾及全球主要板塊Te的分布特征及其各向異性，結果表明Te各向異性與構造分區、地震波各向異性都有較好的相關性，證實了小波分析方法的有效性和可靠性.

因此，本文使用基于小波分析的布格相關性法求解Te及其各向異性.選取能同時解析地形和重力信號的振幅和相位信息的復Morlet小波對空間域的地形h（x）和布格重力異常b（x）作小波變換，分別得到在尺度s，空間坐標x和方位角θ上兩個信號的小波系數~h（s，x，θ）和~b（s，x，θ）.數值結果[8，17］表明，板的初始載荷間的相互關系以及重力噪聲均可能影響最終結果的可靠性.因此，我們只取對內、外初始載荷的相互關系和重力噪聲相對不敏感的小波相關性的實部進行計算，其表達形式如下：

式中，Re〈Wbh（s，x，θ）〉θ是取~b~h＊平均后的實部.Wbh是b（x）與h（x）的互功率譜，Wbb、Whh分別是b（x）、h（x）的自功率譜.〈〉θ表示按角度平均，而不是小波系數本身的平均，即

式中，Nθ=int（Δθ／δθ）是用于構建 Fan小波的Morlet小波個數，Δθ是Fan小波方位角范圍，δθ是鄰近的 Morlet小波方位角采樣間隔.當Δθ=180°時，Fan小波是準各向同性的；當滿足2δθ≤Δθ＜180°時，則是各向異性的.因此，我們只需控制Fan小波的方位角疊加范圍，便可有效解析Te各向同性和各向異性信息.

2.2 模型及反演

本文依照Forsyth[3］理論將巖石圈載荷分解為外部載荷和內部載荷，內部載荷加載于Moho面，假設各個方向撓曲剛度相同，即可計算得到Te各向同性的預測相關性.對于各向異性情況，我們采用正交各向異性薄板模型進行分析[39］，假設巖石圈抵抗形變能力強軸與弱軸相互垂直.若已知薄板模型各向異性參數 [Tex，Tey，β］，這里Tex⊥Tey，由負載反卷積計算預測相關性.將觀測相關性與預測相關性用阻尼最小二乘法迭代擬合，擬合誤差如下：

2.3 數 據

無論正演法還是反演法求解Te，均以地形和重力異常作為輸入信號，本文基于布格重力異常和地形的相關性法計算Te，地形數據來自SRTM30＿PLUS V7.0[44］（圖1a）.研究區域為100°E—125°E，30°N—45°N.用到的地殼分層模型、地殼密度、地幔密度均由Crust2.0模型[61］計算所得.來自V19.1重力模型[45］的自由空氣異常經布格板校正到簡單布格異常，再使用SRTM30＿PLUS V7.0高程數字化模型做局部地形改正，最后得到完全布格異常（圖1b）.為了不損失角度信息，所有以上數據經過插值，使用 Mercator投影到10km×10km的標準網格用于計算.

3 各向同性Te結果及討論

本文使用復小波變換代替傅里葉變換分析地形與重力在頻率域的振幅及相位關系，利用公式（1）和相關理論計算華北克拉通及鄰近區域的各向同性Te.在二維頻率域，選取Fan小波方位角范圍Δθ=180°時，不同中心角的Fan小波解析同一信號信息一致，在此情況下，Fan小波是各向同性的[7］，滿足各向同性Te研究的需要.我們首先使用該Fan小波變換得到地形和布格重力信號的小波頻譜，依照（1）式得到二者的相關性，經數值計算獲得了華北克拉通地區Te的分布特征.

圖1 計算華北克拉通地區有效彈性厚度所用的數據：（a）地形；（b）布格重力異常圖中黑色虛線為華北克拉通不同區域的構造分界線，白色虛線為南北重力梯度帶.Fig.1 Data used for the computation of the North China Craton effective elastic thickness：（a）Topography；（b）Bouguer anomaly The dashed white line shows the North-South Gravity Lineament（NSGL）.The major provinces are bounded with the black dashed lines.

3.1 剖面及不同區域Te反映的巖石圈特征

為了分析Te結果的可靠性，我們選取了橫穿幾個典型區域的兩條剖線，通過剖面逐點算例來分析其結果的穩定性和特征（圖2）.兩條剖面分別為：沿東西向的39°N剖線和沿南北向的116°E剖線.從圖中可以看出，鄂爾多斯盆地、河淮盆地的巖石圈均衡轉換波長＞500km，趨于區域補償，表明這些地區巖石圈能抵抗長波長的構造變形，不可能受小尺度的構造變形而使其組構發生改變.這與現今觀測到的這些地區巖石圈厚度大、地震活動少、熱流值低等特征都有較好的一致性.然而，太行山、渤海灣盆地均衡轉換波長＜500km，并且其在均衡波長＞100km便發生均衡補償效應，到500km波長以上則能達到完全均衡.這些地區趨于局部補償，容易受小尺度構造變形而引起巖石圈組構的變化，也是地震頻發、熱流值高的地區.從Te各向同性分布（圖3）來看，華北克拉通不同塊體Te存在明顯的差異，表現出各自典型的分布特征.

圖2 沿39°N（左列）和116°E（右列）的兩條剖面（c，f）為預測相關性，（b，e）為觀測相關性，（a，d）為剖線所對應的高程和反演獲得的Te.圖中縮寫意義為：HHB，河淮盆地；BB，渤海灣盆地；YS，燕山；SSR，陜西—山西地塹.Fig.2 Cross sections along the 39°N （left panels）and 116°E（right panels）（c，f）The best fitting predicted squared real coherency；（b，e）The observed Bouguer Coherency；（a，d）The Terecovered by Bouguer coherence method（blue line），together with the topography across the transect（green line）.Abbreviations are as follows：HHB，Hehuai Basin；BB，Bohai Bay Basin；YS，Yan Shan；SSR，Shaanxi-Shanxi Rift.

3.1.1 華北克拉通西部

華北克拉通西部的鄂爾多斯盆地Te較高（30～65km），巖石圈穩定，強度較大.塊體內部南北向存在差異，其中南北兩端Te較高，中南部略低.這與地震波結果有良好的對應性：從地震波P波和S波波速比來看，南部的波速比和典型的前寒武紀地盾（～1.77）的波速比具有一致的特征[46］，因此，鄂爾多斯南部屬于古老克拉通塊體，保留了較高的力學強度.西華北克拉通西側的北祁連至甘肅地陷、海原斷裂一線Te值均較低，且低值有向鄂爾多斯塊體內部延伸的趨勢，推測該區域受印度—歐亞板塊碰撞和青藏高原隆升影響，斷裂構造活躍、地震活動頻繁，巖石圈整體強度較弱.鄂爾多斯塊體北部與阿拉善塊體相連的一側具有明顯的高值，而西華北克拉通東北端陰山周邊則表現為一低值帶，Te約10～20km，地震學也揭示陰山地殼具有較低的波速比[47］，表明西華北克拉通北部兩側存在著明顯的差異.在南部地區，各向同性Te結果顯示在秦嶺中部存在Te的高值區（Te～30km），從地震學結果來看，背景噪聲成像研究結果[48］顯示在秦嶺造山帶下地殼和上地幔頂部沒有明顯的低波速帶，因此，我們認為秦嶺造山帶下地殼和上地幔頂部區域不可能存在物質向東流動的通道，如果存在物質流動通道的話，應該位于巖石圈底部或者軟流圈深度上.

3.1.2 華北克拉通中部

華北克拉通中部表現為沿太行山重力梯度帶（即中國大陸南北重力梯度帶一部分）走向的低值帶，Te約5～25km，且Te的低值近乎與太行山重力梯度帶相重合.Te分布特征由西克拉通到中克拉通有明顯的漸變.地質學家認為中克拉通的形成與西部地塊和東部地塊在元古代的碰撞拼合有關[49］.新生代以來活躍的巖漿活動、強烈的地震活動性、廣泛分布的伸展構造表明該區域屬于華北克拉通內部主要的分界帶.地震層析成像結果表明地幔過渡帶內太平洋俯沖板塊的前緣位置大致與中克拉通的太行山重力梯度帶相對應[50］，地殼和上地幔的地震波速度分布[31］也顯示出山西裂谷帶的低速帶狀分布特征.因此，綜合巖石圈有效彈性厚度、地震層析成像以及地質學結果等，我們認為該區域是華北克拉通破壞的主要分界線和起始區域，古太平洋板塊俯沖的前緣及其激發的熱物質上升流等構成了該地區構造活躍的深部動力背景，這與地質學上猜測的華北克拉通破壞機制有良好的一致性[51-52］.

3.1.3 華北克拉通東部

華北克拉通東部Te的橫向差異顯著.郯廬斷裂帶兩側Te差異尤其明顯，西側的Te明顯小于東側.郯廬斷裂帶西側南部的河淮盆地Te約30～50km，北部魯西隆起位于渤海灣盆地和河淮盆地之間，Te明顯偏?。?0km左右），由于該區域處于地震波速度的低速區域[31］，因此，可能與地幔軟流圈物質上涌有關.渤海灣盆地Te相對鄂爾多斯盆地、河淮盆地較低，約20～30km，與該區域地殼的下沉和減薄有較好的對應關系[53］.而郯廬斷裂的東側則相對較高，蘇北地區和山東南部區域巖石圈有效彈性厚度在70km以上.從地震層析成像的結果來看[31］，該區域和周邊的海域上地幔速度較高，因此有一定的對應性.汪洋等[54］給出的以1100℃等溫面定義的中國大陸克拉通熱巖石圈厚度、巖石圈總強度以及Moho面的溫度也都反映出郯廬斷裂南端的東西兩側分布特征具有明顯的差別.華北平原和魯西隆起及向北與渤海灣盆地間的過渡帶為一東西向展布的低值帶（Te＜20km），這可能與該地區廣泛的中、新生代伸展構造有關[55］.

值得注意的是，從蘇北等區域的面波的群速度和相速度成像結果顯示該區域面波速度很低[31］，因此該區域存在著速度較低、厚度較大的低速沉積層.由于較厚沉積層的存在，特別是海域地區沉積層的存在，可能導致地形和重力異常的相關性與重力均衡有非常大的差異，導致巖石圈有效彈性厚度存在著較大的偏差.因此，郯廬斷裂帶以東區域的Te偏高的現象可能與沉積層或重力噪聲產生的干擾有關，可靠性相對較低.但無論怎樣，郯廬斷裂帶兩側的Te存在著明顯差異這一現象是可靠的，我們將對其與華北克拉通的破壞機制之間的關系做一定的探討和分析.

3.2 華北克拉通Te與構造的關系討論

華北克拉通巖石圈Te值高的陸核（鄂爾多斯盆地、河淮盆地）被Te值低的構造活躍區、巖石圈強度薄弱區（太行山重力梯度帶、秦嶺—大別造山帶）分割包圍.華北巖石圈減薄時空不均一性主要反映在以南北重力梯度帶為界的東西部的差異[28，56-58］，而巖石圈減薄的中心地區對應于渤海灣盆地、冀中盆地等，這些地區均對應于Te低值區、地表熱流高值區[54］.巖石圈在過去的構造事件中捕獲、繼承的力學強度會影響后來的巖石圈減薄、克拉通破壞的空間分布.通常，巖石圈有效彈性厚度低的地區成為巖石圈后期演化過程中的構造薄弱區，當巖石圈受到熱侵蝕、拆沉[29，59］、熱對流[28］或者機械拉張[56］等破壞機制作用時，必然使力學強度薄弱區成為優先破壞或者破壞程度明顯的中心區域.雖然對于具有多層流變學性質的大陸巖石圈，Te的影響主要來自于殼幔耦合程度，但對華北克拉通東部而言，則可能很大程度上受控于地溫梯度和古構造狀態.華北克拉通力學強度結構明顯的不均勻分布不僅反映了顯生宙不同區域的構造差異，還為穩定的大陸巖石圈的長期力學的繼承性提供了證據.

此外，郯廬斷裂帶兩側的巖石圈有效彈性厚度有明顯差異這一現象可能為華北克拉通破壞提供一定的判定依據.從地震學層析成像上看，郯廬斷裂帶上地幔下部存在著低速異常區，存在著強度小的可能，這可能為軟流圈物質的上升提供了一個可能的通道，這些熱物質在上升后，逐漸地通過熱和化學侵蝕作用對華北克拉通巖石圈進行剝蝕，從而導致了華北克拉通巖石圈的減薄和拉伸[23］.而郯廬斷裂帶作為華北和華南兩大塊體碰撞形成的深大斷裂帶，自中生代以來，已經發生了近500km的左旋走滑運動[60］，從而造成東西兩側的物質性質和地質構造上存在很大差異.西側的河淮盆地和華北平原、渤海灣盆地由于受到巖石圈的減薄和拉伸作用，其巖石圈厚度較小[33］，從而Te比較低；東側膠東區域屬于大別塊體的構造部分[60］，受華北克拉通減薄和拉伸的影響很小，主要受到南北向的擠壓作用[61］，因此巖石圈可能相對較厚；在蘇北區域，Li[61］推測該區域可能發生了地殼的拆沉，華南的地殼覆蓋在華北的巖石圈之上，一定程度上保留了古華南板塊地殼強度大的特征，再加上受華北克拉通活化造成的巖石圈拉伸影響小，從而造成了膠東、黃海和蘇北等區域相對較高的Te分布特征.

圖3 華北克拉通各向同性有效彈性厚度Fig.3 The isotropic effective elastic thickness of the North China Craton

圖4 Te各向異性單點算例二維觀測相關性（左）與預測相關性（右）極坐標示意圖，波長沿徑向方向遞增，黑色同心圓為波長等值線，紅色等值線為轉換波長等值線.Fig.4 Example of Teanisotropy Observed 2DBouguer coherency（left）and predicted 2Dcoherency（right）shown as stereographic polar plots.Black contours show wavelengths，wavelengths increase radially.Red contour shows Bouguer coherency transition wavelength.

4 各向異性結果及討論

各向同性的巖石圈有效彈性厚度提供了華北克拉通及周邊區域整體的強度分布特征.同時，在巖石圈長期的變形和演化過程中，由于一些礦物本身（如斜方輝石、云母等）存在著地震波各向異性的特征，如果出現定向的排列，就能夠產生明顯的各向異性，即晶格擇優取向（LPO）；另外，具有某種不同波速的單一各向同性礦物由于熔融、流動、變形等，也會體現出各向異性特征，即形態擇優取向（SPO）.這些巖石礦物的定向排列或者流動不僅會導致地震波的各向異性，也會導致地下物質在抵抗形變的能力上呈現各向異性的特性，從而存在Te的各向異性.雖然這些復雜的機制可能導致我們并不能完全區分各向異性是源自于各向同性礦物質的不均勻性還是巖石礦物質的各向異性，但可以肯定的是，形變過程與各向異性間的聯系，使了解巖石圈各向異性結構成為研究地球內部動力學過程最有效的路徑.本文利用前文所述的小波分析方法來確定重力與地形間的相關性，計算了華北克拉通巖石圈有效彈性厚度及其各向異性的二維精細結構.基于該各向異性結構，進一步探討華北克拉通巖石圈力學各向異性與巖石圈的融合、變形、再活化間的關系，以及多幕式構造運動的空間復雜性及其深部動力學機制.

4.1 單點各向異性特征

為了驗證Te各向異性的特征，我們取北京點（116.5°E，39.9°N）進行分析，計算和分析了理論與觀測的二維各向異性相關性.結果如圖4所示.由圖可見，隨角度和波長的變化，相關性分布特征存在差異，轉換波長也存在差異，意味著Te在不同方向上分布是不同的，即巖石圈抵抗變形的能力在不同方向上存在差異.基于這一特征，我們取Te最小軸為該點的各向異性方向（圖4中灰色虛線），依次逐點反演研究區內的各個數據點，從而得到華北克拉通地區Te的各向異性分布圖（圖5）.

4.2 華北克拉通Te各向異性及其可能的構造涵義

圖5 華北克拉通有效彈性厚度各向異性圖中黑色軸線所指方向為Tmin方向，長度為各向異性比率（Tmax-Tmin）／Tmax的 大 小.地 名 縮 寫：CAOB- 中 亞 造 山 帶；WNCC、CNCC、ENCC分別為西華北克拉通、中華北克拉通和東華北克拉通，HHB-河淮盆地.Fig.5 Map of the mechanical anisotropy of the elastic lithosphere in the North China Craton The direction is along shows the weak axis（Tmin），the length is scaled as （Tmax-Tmin）／Tmax.Abbreviations are as follows：CAOB-Central Asian Orogenic Belt；WNCC，CNCC，ENCCWestern North China Craton，Central North China Craton and East North China Craton respectively；HHB-Huanghe-Huaihe Basin.

和各向同性強度分布類似，東、中、西華北克拉通Te各向異性分布存在著明顯差異（圖5）.以中部克拉通為分界，西部克拉通內部Te弱軸以近西北—東南方向為主，在鄂爾多斯內部較強，西部的阿拉善較小，而西緣地區則轉向近南北方向.中部克拉通各向異性呈現明顯的平行于裂谷走向的特征，只有在北部的陰山、大同一帶方向發生變化，由南北向逐漸轉向近西北—東南方向；東部克拉通沒有整體的特征，在渤海灣、河淮盆地有明顯的差異.下面分別對其進行介紹和分析.

4.2.1 華北克拉通西部地區

克拉通西端的阿拉善塊體Te各向異性方向以北東—南西向為主.鄂爾多斯地塊各向異性方向轉向北西—南東向，其內部各向異性特征顯著，并且各向異性具有整體一致性.地震學研究表明鄂爾多斯地塊地殼結構簡單和地殼平均速度較高[62］，反映了鄂爾多斯地塊內部變形弱的穩定構造特征.另外，較低的地表熱流[63］和整體剛性特征[64］都意味著鄂爾多斯地區Te各向異性不可能由現今構造運動產生.我們推測穩定的西克拉通強烈的各向異性特征是繼承了最后一次大規模構造運動遺留在巖石圈中的“化石”的各向異性所致[65］，巖石圈優先沿Te弱軸方向進行均衡補償，這與青藏高原東北緣物質運移方向一致.鄂爾多斯東南緣以北西西—南東東為主，到達陜西—山西地塹逐漸轉向北東—南西向，這與鄂爾多斯周緣的剪切變形方向一致，有可能預示著鄂爾多斯的逆時針旋轉與除河套裂谷帶之外的周邊裂谷帶有效彈性厚度的弱軸相關.由鄂爾多斯地塊內部Te各向異性的一致性及其周緣構造域各向異性的逐漸轉變可以推測，在中新生代以來中國大陸的構造運動中，鄂爾多斯地塊不是這些運動的主要動力源，但卻對這些運動及該區域的地震活動性影響很大[66］.

4.2.2 華北克拉通中部地區

中部克拉通Te各向異性整體分布特征與西克拉通完全不同，呈北東—南西向，與陜西—山西地塹、太行山、呂梁山的走向大致一致，低阻的電性結構[66］、低的地震波速度結構[31］均說明該地區的變形可能與滑脫剪切變形有關.另外，由西克拉通到中克拉通各向異性分布特征的轉變可以說明克拉通巖石圈的再活化范圍不可能延伸至西邊的鄂爾多斯地塊，Zhao[67］基于剪切波分裂研究結果也表明巖石圈再活化的范圍局限于中克拉通及其以東地區.Te各向異性在中克拉通的北部轉向北西—南東向.由于北部區域有大同火山群，Te各向異性方向的突變可能與該地區的深部動力學機制相關.

4.2.3 華北克拉通東部地區

東克拉通地區各向異性方向與中部和西部明顯不同.河淮盆地Te各向異性特征與周緣地區完全不同，表現為北西—南東向的整體各向異性特征，各向同性Te也顯示為輪廓分明的剛性塊體，說明河淮盆地整體一致的各向異性特征源于巖石圈中的“化石”各向異性.毗鄰河淮盆地的郯廬斷裂帶南段的兩側，Te各向異性方向存在明顯差異，西側河淮盆地呈北西—南東向，東側由南北向向東逐漸轉向北東—南西向.郯廬斷裂兩側各向同性Te整體呈西弱東強態勢，而其南段兩側的各向同性與各向異性不同的分布特征說明郯廬斷裂東西兩側的不同塊體在華北華南塊體碰撞的過程中保留了大尺度的各向同性和各向異性信息.另外，Tommasi和Vauchez[68］認為郯廬斷裂的伸展可能繼承和利用了華北克拉通巖石圈內部先存的薄弱帶，而從我們的結果看，郯廬斷裂是不同構造塊體的拼合帶.沿斷裂走向向北，西側的華北平原和魯西隆起巖石圈強度明顯降低，各向異性特征展現為北東—南西向，向北延續至渤海灣盆地，向東到膠東半島各向異性方向并沒有明顯的轉變.郯廬斷裂是形成于華北—揚子板塊碰撞（245—200Ma）過程中重要的巖石圈規模的剪切帶[69］，而嵇少丞等[28］通過山東膠東半島、河北涿鹿等地發現225—205Ma的堿性巖體推斷構造伸展作用于晚三疊紀在這些地區已經開始.因此，我們推斷這些地區的一致的Te各向異性特征可能主要來自于晚三疊紀以來的構造伸展作用.郯廬斷裂帶再向北至渤海灣盆地，Te各向異性方向主要以北東—南西向為主，向西和向北逐漸偏向北西—南東向.因此，郯廬斷裂力學強度及其各向異性明顯的分段性可能反映華北—揚子板塊碰撞、太平洋板塊俯沖等動力學背景、機制的不一致.郯廬斷裂南端東西兩側明顯的不同力學強度特征可能暗示揚子板塊和華北克拉通在碰撞前經歷了不同的構造、熱事件，在后來的演化過程中，大尺度的力學屬性得以保留.

4.3 Te各向異性與SKS地震波各向異性的比較

SKS地震波各向異性是描述地球介質各向異性的主要工具之一.諸多研究表明SKS波各向異性能為我們提供地幔礦物質的晶格擇優取向和強度各向異性信息[70-72］.而Te的各向異性反映的是巖石圈整體力學強度的各向異性，其方向指示的是巖石圈抵抗形變最弱的方向.兩種不同信息源的各向異性結果均是地幔、巖石圈當今構造格局或過去構造歷史的寫照.因此，Te各向異性與SKS波各向異性的比較對理解不同巖石圈層對巖石圈強度貢獻的比重、巖石圈的變形機制以及構造演化歷史等都非常重要.

本文將Zhao的SKS結果[67，73］與Te各向異性進行了對比（圖6）.比較研究發現華北克拉通西端、東接鄂爾多斯地塊的阿拉善塊體SKS與Te各向異性大致呈垂直相關.依照巖石圈垂直連貫變形模式，地震波快軸方向垂直于巖石圈形變的壓縮方向，而此方向也是單位地形加載所能引起最大變形的方向[21］，是巖石圈力學強度最弱的方向，即Te的弱軸方向.因此，二者的近似垂直關系說明該地區各向異性可能源于垂直連貫變形過程中地幔橄欖石晶格排列的優勢取向.鄂爾多斯地塊Te弱軸與SKS快軸呈近平行關系，由于各向同性Te顯示鄂爾多斯屬于強度高的穩定大陸塊體，當前的應力場分布特征顯示鄂爾多斯Te各向異性與現今構造應力場沒有明確的相關性，因此，其Te各向異性可能來自歷史構造事件殘留的各向異性.

圖6 華北克拉通Te各向異性（黑色條棒）與SKS各向異性[67，73］（灰色條棒）的關系Fig.6 Comparison between the Teanisotropy（black bars）and SKS splitting[67，73］（gray bars）in the North China Craton

在中華北克拉通地區，Te各向異性和SKS結果的關系由南向北變化很大.在燕山和大同火山帶區域，SKS結果和Te各向異性結果都很復雜，既存在相互平行，又存在相互垂直的現象.導致這種分布現象的原因可能是由于該區域新構造運動很活躍，存在著巖漿活動和物質上升流，這些活躍的構造不僅對SKS的波速產生了影響，也對Te的分布有很強的控制作用.其具體的差異和影響的探討超出了本文的范圍，需要進一步的工作進行分析.在山西裂谷帶中部和南部，Te弱軸方向和SKS快波方向有很好的一致性，都是近東北—西南方向；而中華北克拉通南部直到秦嶺—大別造山帶之間，兩者之間相互垂直.根據該區域的地質構造和動力學特征，我們認為兩種各向異性之間的異同體現了如下的動力學背景：由于古太平洋板塊的俯沖作用，其俯沖板片前端已經接近山西裂谷帶地區下部，激發了軟流圈物質的上涌[52］，該上涌物質沿著山西裂谷帶已有的裂隙和破裂帶上升，并沿裂谷帶向南北擴展[23］，熱物質的流動導致了上地幔物質的形態各向異性（SPO），從而導致了SKS快軸的近東北—西南的分布特征.同時，由于裂谷帶的強度比較低，造成了山西裂谷帶和鄰近區域Te的弱軸沿裂谷走向排列的分布態勢.所以在山西裂谷帶中南部SKS快軸和Te的弱軸分布平行.而在秦嶺—大別和山西地塹以南地區（黃河以南），Te弱軸與SKS快軸近似垂直.由于地震學的觀測表明，在秦嶺—大別的巖石圈地區可能不存在物質流動的通道[50］，因此，該區域巖石圈變形模式可能屬于垂直連貫變形模式.結合SKS各向異性和Te各向異性在南北部均存在差異，可能預示中華北克拉通的南北部各向異性源于不同的深部變形機制，克拉通再活化的范圍還沒波及到南部區域.

4.4 Te各向異性與現今構造應力場分布的比較

若保留的重力結構反映的是巖石圈的當前應力狀態，例如在板塊的匯聚帶，Te各向異性方向則與最大壓應力的方向以及剪切變形誘發的地震各向異性方向一致，反映的是巖石圈中應力場分布特征[74］.為了探討華北克拉通地區Te各向異性結構是否與現今地殼形變一致，我們將Te各向異性與現今地殼應力場[75］作比較（圖7）.發現研究區內阿拉善地塊Te各向異性與地殼應力場的最大壓應力方向平行，而除阿拉善地塊以外，其它地區Te各向異性與地殼應力場的最大壓應力方向沒有明顯關系.阿拉善地塊Te各向異性與SKS近似垂直，說明該地區巖石圈變形機制的確為垂直連貫變形模式，殼幔強烈耦合，Te各向異性反映的是現今構造應力場.其它區域沒明顯相關性則可能暗示了這些區域受歷史地質構造活動的影響較大，力學強度的各向異性繼承或有部分繼承了歷史構造事件殘留的各向異性.由于上地幔在巖石圈強度的貢獻中也占有不少比重，地殼應力場與巖石圈整體強度的各向異性呈現出不一致，也可能說明這些區域地殼與地幔存在解耦，各向異性的主要來源可能是上地幔，而非地殼.另外，由圖7中的Te各向異性大小和方向的變化與地震活動性的分布，結合各向同性Te，不同塊體Te各向異性的大小或方向存在差異，并且研究區內地震大多分布在Te各向異性大小或方向發生轉變的區域.這可能說明Te各向異性整體一致的剛性塊體有利于應力的傳輸或轉移，使應力積累到塊體周邊的Te相對較弱、Te各向異性大小或方向發生改變的區域，有助于地震的孕育.當然，若巖石圈的強度過小，巖石圈變形趨于塑性變形，Te各向異性很弱，則不利于應力的積累，發生地震的可能性也較小.

圖7 Te各向異性大小及Te各向異性（黑色條棒）與現今構造應力場分布[75］（空心條棒）的關系圖中白色圓圈為1973年以來3級以上地震的震中位置（源自國家地震科學數據共享中心：http：／／data.earthquake.cn）.Fig.7 The magnitude of Teanisotropy defined by（Tmax-Tmin）／Tmaxand correlations between Te anisotropy（black bars）and directions of maximum horizontal compressive stress[75］（white bars）White circles show the M≥3earthquakes occurred since 1973（data are downloaded from website：http：／／data.earthquake.cn）.

5 結 論

我們通過地形和重力的相關性，利用Fan小波方法解算了華北克拉通有效彈性厚度，并首次得到了該區域的Te各向異性分布.研究分析了不同地區Te及其各向異性的分布特征，及其與克拉通破壞的關系，最后比較分析了Te各向異性與地震學SKS各向異性和現今構造應力場之間的關系，得到以下幾點結論：

（1）華北克拉通不同塊體Te存在明顯的差異.鄂爾多斯地塊、河淮盆地的Te值均較高，中克拉通、南北重力梯度帶及魯西隆起Te值較低，約10～25km.從大體上看，Te的低值區對應于地質時期發生過多次構造事件的斷裂帶、裂谷帶以及塊體邊界，Te的高值區對應于冷的、古老的大陸塊體.并且，在鄂爾多斯塊體以南的秦嶺—大別造山帶Te不存在明顯的低值區，暗示該地區巖石圈內不存在可供物質流動的通道.東部華北克拉通Te的橫向差異顯著，特別在郯廬斷裂帶兩側，有非常大的差異，西側的Te明顯小于東側.綜合考慮地震層析成像以及地質學等結果，我們認為郯廬斷裂帶在華北克拉通的再活化過程中，起著非常重要的作用，可能是“熱侵蝕”或者“拆沉”模式中熱物質上升的主要通道.

（2）不同塊體Te各向異性的大小或方向存在差異，并且研究區內地震大多分布在Te各向異性大小或方向轉變的區域.這可能說明Te各向異性整體一致的剛性塊體有利于應力的傳輸或轉移，使應力積累到塊體周邊的Te相對較弱、Te各向異性大小或方向發生改變的區域，有助于地震的孕育.

（3）通過Te各向異性與SKS各向異性比較研究表明，華北克拉通西部阿拉善塊體巖石圈變形趨于垂直連貫變形模式，各向異性源自地幔橄欖石晶格的優勢取向.鄂爾多斯地區各向異性源自歷史構造事件的“化石”各向異性.克拉通東部的Te的各向異性南北向存在差異，河淮盆地Te各向異性具有整體一致性，說明它和鄂爾多斯地塊類似，都屬于穩定的克拉通塊體，各向異性源自歷史構造事件的“化石”各向異性.河淮盆地以北至渤海灣盆地的東克拉通地區Te各向異性呈現大體一致的走向，各向異性可能主要來自于晚三疊紀以來的構造伸展作用.克拉通中部Te各向異性相比東西部有明顯的轉變，各向異性的分布特征可能與太平洋板塊的俯沖導致的中—新生代克拉通的再活化有關.

（4）華北克拉通Te各向異性與現今構造應力場間不存在明顯的相關性.

不過，雖然本文的結果給出了華北克拉通及其附近區域的強度構造和各向異性分布特征，在一定程度上給出了華北克拉通破壞的約束和可能的機制，但由于巖石圈有效彈性厚度是長時間地質構造所展示的一種性質，對時間的敏感度不是太高，因此，無法判斷華北克拉通破壞過程的具體快慢，因此也就難以定量給出判斷華北克拉通破壞是以“熱侵蝕”為主還是以“拆沉”模式為主.回答這些問題還有待于進一步的地球物理和地質學觀測的約束和研究，如近期的一些地球物理學結果[76-78］，將能為我們提供進一步的約束.

致 謝 我們對匿名審稿人表示感謝，他們的意見為本文的改進起了重要作用.在本文的計算和完成過程中，澳大利亞的Swain博士和Kirby博士提供了很多的幫助，并在程序的編制、結果的分析方面提出了很多寶貴的意見；此外，中國科學院測量與地球物理研究所許厚澤院士等對本工作提供了很多指導和意見，在此對他們深表謝意.文中圖件使用GMT[79］繪制.

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