通过地震径向各向异性研究揭示了蒙古中部的岩石圈差异变形

《Tectonophysics》：Differential lithospheric deformation in central Mongolia revealed by seismic radial anisotropy

中央蒙古陆内变形的深部应变分异机制研究。基于两个密集地震阵列的ambient noise层析成像，构建了该区 crust-uppermost mantle的高分辨率3D径向各向异性Vs模型，揭示Hangai穹隆内部弱各向异性（反映弱变形）与边缘强正径向各向异性（指示强烈水平剪切变形），并约束上地幔部分熔融特征及熔融分数分布。该成果为解析印度-亚洲碰撞应力通过中央蒙古的传播路径及深部应变分异机制提供了地震学依据。

　　中央蒙古地区记录了显生宙期间的大陆增生与大陆生长过程，自新生代以来经历了不同程度的大陆内部变形。这些变形包括以Hangai穹隆为代表的穹状隆升，伴随有低震性与扩散的正断层，而在其外围则表现出明显的缩短变形，以显著的走滑/逆冲运动为特征，且具有强烈的地震活动。尽管如此，这种复杂的大陆内部变形是如何通过深部应变分区机制被吸收的，仍然是一个未解之谜。本文通过使用环境噪声层析成像技术，结合主要来自两个密集地震阵列的数据，提出了一种新的高分辨率三维径向各向异性剪切波速度模型，以揭示中央蒙古地区地壳和上地幔下的地壳结构。研究结果表明，Hangai穹隆的中下地壳表现出较弱的各向异性，这可能反映了其稳定克拉通地基所导致的相对弱变形，而穹隆的外围则呈现出较强的正径向各向异性，表明存在强烈的水平塑性剪切变形。此外，我们还展示了上地幔部分熔融的存在，并通过径向各向异性进一步约束了熔融的成分和形态，这表明Hangai穹隆及其外围的岩石圈应变在东北方向逐渐减弱，可能与从印度-亚洲碰撞中传播并随后减弱的东北向压缩应力通过中央蒙古地区有关。考虑到岩石圈的异质性粘性特性，我们的研究为理解中央蒙古地区复杂大陆内部变形场下的岩石圈应变分区提供了新的见解。

在大陆内部，强烈的构造变形现象是普遍存在的（Dewey和Bird，1970），但其机制仍然不明确。蒙古目前远离板块边界（图1a-b），其地质历史与复杂的显生宙大陆增生和生长过程密切相关（Jahn等人，2000；Wang等人，2023a；Windley等人，2007；Xiao等人，2015）。自新生代以来，中央蒙古地区经历了显著的大陆内部变形，主要包括阿尔泰山造山带、Hangai穹隆以及其他变形区域（如霍斯戈尔和萨彦地区）（图1a）（Molnar和Tapponnier，1975；Tapponnier和Molnar，1979）。因此，中央蒙古地区为研究正在进行的大陆内部变形提供了绝佳的机会。

Hangai穹隆以穹状隆升为特征，伴随有低震性以及新生代时期的扩散正断层（Cunningham，2001）（图1a）。近期研究揭示，地壳圈的改变（即部分熔融和相关的加热）可能由地幔上涌引起，这些改变可能促使穹隆的隆升（Chen等人，2015；Khukhuudei等人，2024；Mordvinova等人，2015；Windley和Allen，1993；Wu和Bao，2023；Zhang等人，2017）。相反，位于Hangai穹隆西南外围的阿尔泰山造山带经历了显著的地壳缩短，这被认为是由于印度-亚洲碰撞的远场应力所驱动（Cunningham，2001, Cunningham，2005；Khukhuudei等人，2024；Molnar和Tapponnier，1975；Tapponnier和Molnar，1979）。阿尔泰山造山带拥有活跃的共轭走滑断裂系统，主要包括位于戈壁-阿尔泰山地区的大型左旋走滑断裂（如博格德断裂）以及位于西部阿尔泰山地区的大型右旋走滑断裂（方向为NNW-SSE），同时还伴有逆冲断裂（图1a）。全球导航卫星系统（GNSS）测量也一般验证了西部阿尔泰山和戈壁-阿尔泰山地区相对于Hangai穹隆的北向和东向运动（Calais等人，2003）。同样，Hangai穹隆东北外围也出现了平行的共轭走滑运动，包括左旋、走向W-E的博尔奈断裂和右旋、走向N-S的莫戈德断裂（图1a）。此外，Hangai穹隆周围的活跃变形伴随着强烈的地震活动（图1a）。震源机制解显示，最大水平应力在西部阿尔泰山地区呈南北方向，在Hangai穹隆地区呈东北-西南方向，而在东部蒙古高原地区呈东西方向（Baljinnyam等人，1993；Bayasgalan等人，2005；Radziminovich等人，2016），这与断裂的运动性质（图1a）和GNSS观测（Calais等人，2003）相符。此外，位于北部的霍斯戈尔山脉形成了若干走向N-S的伸展裂谷（图1a）。这些裂谷的边界由大型走滑断裂所界定，如走滑地震所指示的（图1a），尽管这些断裂是左旋还是右旋仍不清楚（Bayasgalan等人，2005）。因此，霍斯戈尔山脉的变形可能也源自印度-亚洲碰撞引起的水平压缩应力，但来自地壳深部的地震证据仍然不足，无法支持印度-亚洲碰撞对中央蒙古地区的远场效应。

自新生代以来，中央蒙古地区的显著大陆内部变形被认为受到地幔上涌导致的地壳圈改变以及印度-亚洲碰撞远场压缩应力的影响（例如，Chen等人，2015；Khukhuudei等人，2024；Molnar和Tapponnier，1975；Windley和Allen，1993；Wu和Bao，2023）。然而，对于这些多重构造过程下地壳内部变形的地壳圈响应仍然缺乏详细的了解。地球内部的地震各向异性对于揭示地壳变形模式和深部动力过程至关重要。近年来，关于中央蒙古地区地震各向异性的研究已经展开。例如，由SKS波和瑞利波得到的地震方位各向异性主要指示上地幔中呈NW-SE方向的快速波方向，这可能与地壳圈变形或软流圈流动有关（Barruol等人，2008；Wang等人，2023b；Wu和Huang，2022）。基于Pn波的各向异性模型揭示了地壳-上地幔区的复杂变形模式（He等人，2019），表明地壳和上地幔之间存在强烈的变形解耦。在岩石圈中，整体呈现正的地震径向各向异性，但其分辨率有限（Chen等人，2015；Ganbat等人，2024）。然而，现有的岩石圈各向异性模型仍然不足以阐明如何通过深部岩石圈吸收这种显著的大陆内部变形。为了全面理解中央蒙古地区复杂大陆内部变形的机制，本文利用环境噪声层析成像技术，结合主要来自两个密集地震阵列的扩展数据集，构建了一种新的高分辨率三维径向各向异性剪切波速度（Vs）模型，用于揭示地壳和上地幔下的地壳结构。研究结果表明，中央蒙古地区的岩石圈各向异性结构在Hangai穹隆内部及其外围之间表现出显著的变化，这些变化与该地区的复杂大陆内部变形密切相关，提供了从印度-亚洲碰撞向中央蒙古地区传播的应力证据，并为该地区多重构造过程下深部岩石圈的应变分区提供了全面的理解（例如，中下地壳或上地幔的应变分区）。

本研究中使用的连续地震数据主要来自中央蒙古地区的两个临时阵列（分别命名为XL和L3）（图1c）。XL阵列包括74个宽频带地震台，分布在Hangai穹隆地区，运行时间为2012年6月至2014年4月（图1c中的蓝色三角形），而在穹隆的北面和西南面则有40个宽频带地震台，运行时间为2014年8月至2016年6月（Meltzer等人，2019）。L3阵列则由58个宽频带地震台组成（图1c中的黑色三角形）。

图5展示了中央蒙古地区不同深度下的新Voigt平均Vs值和径向各向异性在水平方向上的变化，图6则展示了研究区域中Voigt平均Vs值、Vsv值、Vsh值和径向各向异性在垂直剖面上的分布。中央蒙古地区大部分上地壳，尤其是西部地区，表现出负的径向各向异性（约为?1至?3%）（图5b和图6d）。在中下地壳，Hangai穹隆及其外围区域（如霍斯戈尔）显示出不同的各向异性特征，这些特征与该地区的复杂大陆内部变形紧密相关。同时，通过研究发现，上地幔中存在部分熔融现象，这可能进一步影响岩石圈的变形模式和动力过程。

深部地壳和地幔中的各向异性主要由矿物的晶格优选方向（LPO）（即内在各向异性）贡献（Hansen等人，2021；Maupin和Park，2015）。此外，形状优选方向（SPO）（即外在各向异性），包括具有显著弹性性质差异的地层空间排列、定向裂缝或熔融夹杂物，也可能导致地壳和地幔中出现显著的各向异性（Blackman和）。

本文的研究结果表明，通过高分辨率三维径向各向异性剪切波速度模型，能够更清晰地揭示中央蒙古地区地壳和上地幔下的岩石圈结构。这些模型不仅有助于理解该地区复杂的构造变形过程，还能够为印度-亚洲碰撞对中央蒙古地区的远场效应提供新的证据。此外，研究还发现，该地区的岩石圈应变分区模式与构造活动密切相关，这些模式可能受到多种构造过程的影响，包括地幔上涌、远场压缩应力等。通过对这些各向异性的深入分析，可以更全面地理解中央蒙古地区地壳和上地幔的结构特征及其与构造活动的关系。

本研究的结论表明，通过使用环境噪声层析成像技术，结合主要来自两个密集地震阵列的扩展数据集，我们构建了一种新的高分辨率三维径向各向异性剪切波速度模型，以揭示中央蒙古地区地壳和上地幔下的地壳结构。新的约束表明，中央蒙古地区的岩石圈各向异性在Hangai穹隆内部及其外围之间表现出显著的变化，这些变化与该地区的复杂大陆内部变形密切相关。此外，研究结果还提供了从印度-亚洲碰撞向中央蒙古地区传播的应力证据，并为该地区多重构造过程下深部岩石圈的应变分区提供了全面的理解。

在研究过程中，我们使用了来自两个临时地震阵列的连续地震数据，这些阵列分布在中央蒙古地区（图1c）。XL阵列由74个宽频带地震台组成，分布在Hangai穹隆地区，运行时间为2012年6月至2014年4月（图1c中的蓝色三角形），而在穹隆的北面和西南面则有40个宽频带地震台，运行时间为2014年8月至2016年6月（Meltzer等人，2019）。L3阵列则由58个宽频带地震台组成（图1c中的黑色三角形）。

研究结果表明，中央蒙古地区的岩石圈各向异性在Hangai穹隆内部及其外围之间表现出显著的变化，这些变化与该地区的复杂大陆内部变形密切相关。同时，通过研究发现，上地幔中存在部分熔融现象，这可能进一步影响岩石圈的变形模式和动力过程。此外，研究还揭示了地壳圈在不同深度下的各向异性特征，这些特征与构造活动密切相关，可能受到多种构造过程的影响。

通过分析这些各向异性特征，我们能够更好地理解中央蒙古地区的构造变形过程及其与深部地壳结构的关系。同时，研究结果还为印度-亚洲碰撞对中央蒙古地区的远场效应提供了新的证据。此外，研究还发现，该地区的岩石圈应变分区模式与构造活动密切相关，这些模式可能受到多种构造过程的影响，包括地幔上涌、远场压缩应力等。

综上所述，本文通过构建高分辨率三维径向各向异性剪切波速度模型，揭示了中央蒙古地区地壳和上地幔下的岩石圈结构特征，为理解该地区的复杂构造变形提供了新的视角。这些研究结果不仅有助于揭示岩石圈应变分区的机制，还能够为印度-亚洲碰撞对中央蒙古地区的远场效应提供证据支持。此外，研究还发现，该地区的构造变形可能受到多种因素的影响，包括地幔上涌、远场压缩应力等。通过对这些各向异性的深入分析，可以更全面地理解中央蒙古地区的构造演化过程及其与深部地壳结构的关系。