張家口—渤海地震活動帶及其鄰區(qū)的地殼厚度與泊松比分布

張瑩瑩 高 原, 石玉濤 Kelly Liu

1） 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所 2） Missouri University of Science and Technology， Rolla， MO 65409， USA

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張家口—渤海地震活動帶及其鄰區(qū)的地殼厚度與泊松比分布

1） 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所 2） Missouri University of Science and Technology， Rolla， MO 65409， USA

利用山東、 河北、 遼寧、 北京、 天津等區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄的遠震資料， 采用接收函數(shù)H-k疊加搜索方法, 得到了張家口—渤海地震活動帶及其鄰區(qū)99個臺站下方的地殼厚度和平均泊松比估計． 研究結(jié)果顯示: 研究區(qū)地殼厚度在30—46 km之間顯著變化， 地殼厚度與地表地形相關(guān)性很好， 呈現(xiàn)出從隆起區(qū)到盆地區(qū)逐漸減薄的變化趨勢; 研究區(qū)地殼泊松比具有明顯的分區(qū)特點, 燕山地區(qū)泊松比偏低可能與該地區(qū)克拉通破壞方式以拆沉為主有關(guān), 郯城—廬江斷裂帶山東段出現(xiàn)的泊松比高低混雜現(xiàn)象可能與該地區(qū)火山活動有關(guān), 張家口—渤海地震活動帶西段與隆起的交匯地帶， 部分臺站下方地殼的泊松比值偏高， 可能是斷裂帶附近巖石比較破碎與巖石部分熔融共同作用的結(jié)果． 此外， 位于渤海灣中間島鏈上的北隍城臺下方地殼較厚， 泊松比較低， 其原因尚待查明．

張家口—渤海地震活動帶 郯城—廬江斷裂帶 華北克拉通東部 地殼厚度 泊松比 接收函數(shù)

引言

張家口—渤海地震活動帶（以下簡稱為張渤地震帶）穿北京、 天津延至渤海， 大致走向為WNW， 長約600 km， 寬十幾至數(shù)十千米， 是我國東部的一條重要的地震活動帶, 曾發(fā)生1976年唐山MS7.8、 1975年海城MS7.3大地震和大量中小地震（圖1）． 其東段與郯城—廬江斷裂帶（以下簡稱為郯廬斷裂帶）的北段相交． 本文研究區(qū)范圍為113°E—126°E、 34°N—44°N， 地處華北， 是我國經(jīng)濟文化最發(fā)達、 人口最密集的地區(qū)之一. 對張渤地震帶及其鄰區(qū)的地震特性研究可為該地區(qū)的地震預(yù)測提供深部地球物理依據(jù)， 同時為該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供參考．

張渤地震帶及其鄰區(qū)位于華北克拉通中東部地區(qū)（圖1）． 華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一（Wildeetal， 2001； 翟明國， 2010）， 古生代以前保持著典型克拉通的性質(zhì)（趙國春等， 2002； Menziesetal， 2007）， 之后其東部的巖石圈地幔經(jīng)歷了物理和化學(xué)性質(zhì)的根本改變. 相關(guān)研究認為華北克拉通東部已經(jīng)被改造, 甚至發(fā)生了破壞（鄧晉福等， 2006； Zhengetal， 2007； 嵇少丞等， 2008； Anetal， 2009； 朱日祥， 鄭天愉， 2009）． 諸多研究人員對該區(qū)域的構(gòu)造開展了大量的研究工作， 包括利用人工地震測深方法對殼幔結(jié)構(gòu)的研究（王夫運等， 2005； 熊小松等， 2011）、 體波和面波的層析成像研究（朱介壽等， 2002； Huangetal， 2003； Liangetal， 2004； Sun， Toks?z， 2006）、 利用接收函數(shù)對間斷面的研究（Ai， Zheng， 2003; Lietal， 2008; Chen， Ai， 2009; Gaoetal， 2010）等， 對揭示該區(qū)域的構(gòu)造演化具有非常重要的意義， 同時也為后續(xù)研究提供參考．

地球內(nèi)部的間斷面是探討地球結(jié)構(gòu)、 界定深部構(gòu)造性質(zhì)的基礎(chǔ)（高原， 周蕙蘭， 1998）． 莫霍面是地球最重要的界面之一， 表征著地震波速度和巖石物性參數(shù)的改變， 其深度是地殼結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)． 地殼平均泊松比可以揭示巖石組分的變化（Jietal， 2009）． 對莫霍面起伏特征和地殼平均泊松比變化的研究， 可為揭示該地區(qū)地殼形變和深部構(gòu)造提供重要信息．

地震圖中遠震P波通過莫霍面時產(chǎn)生的P--S轉(zhuǎn)換波非常微弱而難以辨識， 而接收函數(shù)對于突出這一轉(zhuǎn)換波非常有效， 故成為研究地殼結(jié)構(gòu)的理想方法（吳慶舉， 曾融生， 1998； 張瑩瑩， 高原， 2012）． Zandt和Ammon （1995）首先利用接收函數(shù)中的轉(zhuǎn)換震相及多次反射轉(zhuǎn)換震相估計了全球地殼厚度和泊松比； Zhu和Kanamori（2000）對該方法作了進一步約束， 使其更加穩(wěn)定． 之后該方法在地球物理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（李永華等， 2006； 張洪雙等， 2009； Wangetal， 2010； 張廣成等， 2013）， 也被稱為接收函數(shù)的H-k疊加搜索方法．

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造背景以及臺站和1970年以來M>4.5地震震中分布

本研究采用接收函數(shù)的H-k疊加搜索方法， 計算張渤地震帶及其鄰區(qū)臺站下方的地殼厚度和泊松比． 由于接收函數(shù)方法的穩(wěn)定性依賴于地震事件的反方位角分布， 本研究采用較羅艷等（2008）及葛粲等（2011）更長時間的波形記錄， 以期獲得更多的遠震事件和更為豐富的方位角分布， 從而保證本文結(jié)果的穩(wěn)定性， 有助于進一步了解華北地區(qū)及張渤地震帶和郯廬斷裂帶北段的深部結(jié)構(gòu)．

2 數(shù)據(jù)及方法

本文采用位于山東、 河北、 遼寧、 北京和天津等地區(qū)的103個寬頻帶固定臺站（圖1）于2007年8月1日—2011年12月31日（共4年零4個月）記錄到的波形資料， 選取震中距為30°—90°、M>5.5的地震事件1000余個（圖2）． 在此基礎(chǔ)上， 采用帶寬為0.02—0.5 Hz的頻率域反褶積方法計算接收函數(shù)， 從中篩選出轉(zhuǎn)換震相清晰且信噪比高的接收函數(shù)， 用于接收函數(shù)的H-k疊加搜索方法計算．

圖2 本文所用的地震事件分布

接收函數(shù)的H-k疊加搜索方法利用了接收函數(shù)的時間和振幅屬性． 在臺站下方莫霍面起伏和速度橫向變化不大的情況下， 莫霍面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波Ps以及多次波PpPs和PpSs+PsPs的走時僅與臺站下方的莫霍面深度、 P波與S波速度比有關(guān)． 當?shù)貧て骄鵓波速度（vP）、 波速比（k=vP/vS）和地殼厚度（H）的取值與實際地殼情況相符時， 轉(zhuǎn)換波和多次波的到時所對應(yīng)的振幅加權(quán)疊加值最大． 在給定地殼平均P波速度的情況下， 對每個臺站的接收函數(shù)進行掃描疊加， 可以得到每個臺站下方的地殼厚度和平均速度比． 掃描疊加振幅由震相Ps， PpPs和PpSs+PsPs的振幅加權(quán)值給出， 權(quán)值和為1． 在Zhu和 Kanamori（2000）的研究中， Ps， PpPs和PpSs+PsPs振幅的權(quán)值通常分別采用0.7， 0.2和0.1， 本文通過多次試算比較認為這樣的權(quán)值比較合理． 根據(jù)人工測深結(jié)果（劉昌銓， 楊健， 1982； 嘉世旭等， 2005）， 計算中我們?nèi)〉貧て骄鵓波速度為6.3 km/s， 并設(shè)定H和k的掃描范圍分別為30—50 km和1.6—1.9， 相應(yīng)掃描間隔分別為1 km和0.005， 掃描結(jié)果的誤差根據(jù)疊加函數(shù)的方差給定．

3 結(jié)果及分析

通過對遠震事件波形處理， 得到了各個臺站的接收函數(shù)， 并對其中Ps及多次反射震相清晰、 信噪比高的99個臺站的接收函數(shù)進行了地殼厚度和波速比掃描， 圖3給出了DSA， BXI， XIT等3個臺站的H-k掃描分析結(jié)果． 利用泊松比與波速比之間的換算關(guān)系σ=0.5[1-（k2-1）-1]， 將疊加結(jié)果中的波速比換算為泊松比， 結(jié)果列于表1．

3.1 地殼厚度

由表1可以看出， 張渤地震帶及其鄰區(qū)地殼厚度為30—46 km， 變化跨度很大， 與王峻等（2009）以及許衛(wèi)衛(wèi)和鄭天愉（2005）的研究結(jié)果在空間分布上基本一致． 圖4和圖5分別給出了用插值和按臺站位置兩種方式展示的地殼厚度和泊松比分布情況． 從整體來看（圖4）， 研究區(qū)地殼厚度與地表地形有很好的對應(yīng)性， 山脈隆起區(qū)地殼厚度較大， 盆地和平原地區(qū)地殼厚度較小， 這與艾利均衡假說一致， 可能暗示了研究區(qū)的地殼經(jīng)歷了破壞與均衡共同作用的過程． 由于華北平原缺少寬頻帶地震臺， 本研究在該地區(qū)無法給出計算結(jié)果， 故該地區(qū)的差值結(jié)果可靠性不佳. 相關(guān)研究（葛粲等， 2011； 劉瓊林等， 2011）在該地區(qū)也未得到可靠結(jié)果． 從圖4可以看出， 華北平原北部的山脈隆起地區(qū)的地殼厚度介于36—43 km之間， 具有從造山帶到平原或盆地逐漸減薄的變化趨勢， 這與趙金仁等（2006）的人工源反射剖面研究結(jié)果一致．

圖3 利用H-k方法計算臺站下方的地殼厚度（H）和平均波速比（vP/vS）

從局部來看（圖5）， 燕山隆起區(qū)地殼較厚， 最厚處位于康保臺（KAB）和張北臺（ZHB）, 其下方地殼厚度為40 km左右， 地殼厚度從張渤地震帶的NW--SE方向逐漸減?。▓D4）， 這與嘉世旭等（2005）、 許衛(wèi)衛(wèi)和鄭天愉（2005）和王峻等（2009）的研究結(jié)果一致． 從圖4可以看出: 研究區(qū)內(nèi)的華北克拉通中、 西部地區(qū)平均地殼厚度大于40 km; 燕山隆起區(qū)地殼整體較厚， 并且西北部地區(qū)較東南部地區(qū)略厚． 本文結(jié)果顯示， 北京地區(qū)出現(xiàn)了莫霍面局部高低起伏的現(xiàn)象， 這可能與北京地區(qū)位于燕山隆起與太行山隆起交匯處的復(fù)雜構(gòu)造有關(guān). 該現(xiàn)象在羅艷等（2008）、 王峻等（2009）、 葛粲等（2011）及劉瓊林等（2011）的研究結(jié)果中并未顯示． 在華北平原向太行山隆起的過渡地區(qū)出現(xiàn)了莫霍面陡變， 最厚處井陘臺（JNX）下方地殼厚度高達37 km， 最薄處永年臺（YON）僅為30 km． 結(jié)果還顯示， 分布在太行山山前斷裂兩側(cè)的鄰近臺站地殼厚度表現(xiàn)出劇烈的變化， 例如井陘臺（JNX）和鹿泉臺（LUQ）對應(yīng)的莫霍面深度分別為37和33 km， 這暗示著太行山山前斷裂局部可能深達莫霍面． 郯廬斷裂帶南段的山東地區(qū)地殼厚度較厚， 而該斷裂帶北端的遼寧地區(qū)地殼較薄且變化不大， 平均厚度為32.3 km， 這與葛粲等（2011）的研究結(jié)果一致． 故整體來看: 郯廬斷裂帶下方地殼呈南厚北薄的特點； 遼東隆起地區(qū)山脊處地殼厚度較兩側(cè)略厚； 魯西和魯東隆起部分地區(qū)地殼厚度略厚， 若此處的克拉通破壞方式以底侵作用為主（翟明國等， 2005）， 則在地幔巖漿底侵作用下， 地殼和軟流圈地幔的巖石發(fā)生混存而使該地區(qū)地殼變厚； 位于渤海中間島嶼上的北隍城臺（BHC）， 其下方地殼厚度較大， 約35 km．

表1 各臺站H-k掃描結(jié)果Table 1 H-k searching results for all stations used in this study

圖4 張家口—渤海地震帶及其鄰區(qū)的莫霍面深度插值圖

圖5 張家口—渤海地震帶及其鄰區(qū)的莫霍面深度

3.2 泊松比

研究區(qū)的泊松比與地形和地殼厚度雖沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系， 卻呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分布特征． 大陸地殼的泊松比一般為0.25—0.27 （Zandt， Ammon， 1995; 童蔚蔚等， 2007）， 而位于張渤地震帶西北段斷層密集區(qū)域的臺站下方地殼泊松比值均較高（圖6）. 例如張家口臺（ZJK）、 十三陵臺（SSL）、 八寶山臺（BBS）、 ?？谟_（NKY）和大灰場臺（DHC）, 其下方泊松比均大于0.27． 一般來說較高泊松比意味著巖石破碎、 多空裂隙， 而低泊松比則說明巖石相對完整、 強度大． 斷層密集區(qū)域附近的臺站下方地殼出現(xiàn)高泊松比， 其原因一是由于斷裂帶附近巖石比較破碎， 二是在巖石的破碎過程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致局部應(yīng)力變低， 從而造成地殼巖石的部分熔融所致． 太行山山前地區(qū)泊松比變化劇烈， 這可能是由于太行山山前地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 地殼物質(zhì)非均勻分布所致． 根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果（張瑾等， 2005； 張錫明等， 2007）， 魯西地區(qū)廣泛發(fā)育典型的幔源巖漿巖， 其中中生代侵入巖分布十分廣泛且類型多樣， 這些幔源巖漿巖大多屬于基性、 超基性巖， 具有較高的泊松比． 本文認為魯西隆起地區(qū)出現(xiàn)泊松比高低復(fù)雜分布的現(xiàn)象， 可能是由于地幔物質(zhì)的底侵作用所引起. 底侵作用伴隨著局部的火山活動， 將高泊松比的地幔物質(zhì)帶入地殼， 導(dǎo)致局部地殼泊松比增大． 魯西隆起南部的蒼山臺（CSH）下方地殼泊松比值高達0.29， 東部的泰安臺（TIA）和濟南臺（JIN）泊松比值也分別高達0.29和0.28. 臧紹先等（2002）的大地?zé)崃鹘Y(jié)果表明這些臺站位于大地?zé)崃鞲咧祬^(qū)， 故本文認為該地區(qū)地殼可能有局部熔融的現(xiàn)象． 郯城臺（TCH）下方地殼泊松比值高達0.28， 這是由于該臺站位于郯廬斷裂帶起始位置， 斷層處巖石較破碎所致； 而遠離該斷層的鄒城臺（ZCH）和獨山島臺（DSD）下方地殼泊松比值分別為0.22和0.24， 巖石完整強度較大， 所以泊松比值較低； 臨沭臺（LIS）下方地殼泊松比值為0.21. 魯東地區(qū)地表廣泛出露榴輝巖和超基性巖（凌賢長等， 1996）， 本文認為魯東隆起的高泊松比與地殼巖性有關(guān)． 由圖7可看出， 位于渤海中間島嶼上的北隍城臺（BHC）下方地殼泊松比值較低， 為0.19. 楊婷等（2012）的成像結(jié)果顯示該區(qū)域45 km深度處為低速（但該處為研究區(qū)邊緣, 結(jié)果可靠性不佳）， 據(jù)此分析該區(qū)泊松比較低可能是熱物質(zhì)上涌所致．

圖6 張家口—渤海地震帶及其鄰區(qū)的泊松比（σ）分布插值圖

圖7 張家口—渤海地震帶及其鄰區(qū)的泊松比（σ）分布（按臺站位置顯示）

4 討論與結(jié)論

通過對99個臺站的接收函數(shù)H-k疊加搜索計算， 結(jié)果表明張渤地震帶及其鄰區(qū)的地殼厚度在30—46 km之間變化， 跨度很大， 且地殼厚度與地表地形相關(guān)性很好， 即山脈隆起區(qū)地殼厚度大， 盆地區(qū)地殼厚度小, 地殼厚度在魯西和魯東隆起處較大， 地殼從燕山、 太行山地區(qū)到華北平原逐漸變薄； 遼東隆起地區(qū)地殼厚度則由山脊向兩側(cè)山坡逐漸減?。?太行山隆起的東緣附近， 地殼厚度變化劇烈， 暗示太行山山前斷裂很可能是一條深達莫霍面的斷裂構(gòu)造． 位于郯廬斷裂帶北段渤海灣北部的遼寧地區(qū)地殼較薄， 平均厚度為32.3 km； 郯廬斷裂帶南段的山東地區(qū)， 地殼厚度較厚. 整體來看， 位于研究區(qū)內(nèi)的郯廬斷裂帶下方地殼厚度呈現(xiàn)南厚北薄的特點， 這是由于郯廬斷裂帶恰好在此處穿過地殼較厚的魯西隆起地區(qū)， 而地殼厚度在郯廬斷裂帶兩側(cè)沒有明顯變化， 可能暗示該區(qū)域地殼在縱向上沒有經(jīng)歷明顯的壓縮和拉伸作用．

本文得到的研究區(qū)泊松比值處于0.18—0.31范圍內(nèi)， 其分布具有分區(qū)特點． 在張渤地震帶西北段斷層比較密集的區(qū)域， 部分臺站下方地殼泊松比值大于0.27， 表現(xiàn)為高值異常， 可能是地震活動造成巖石比較破碎所致； 而應(yīng)力釋放導(dǎo)致的地殼巖石部分熔融也可能是引起高泊松比的另一個重要原因． 在郯廬帶東側(cè)的魯西隆起出現(xiàn)了高低泊松比復(fù)雜分布的現(xiàn)象. 泊松比高值異常出現(xiàn)在火山活動區(qū)， 對應(yīng)的地表有大面積侵入巖出露， 其原因可能是局部的火山活動將高泊松比的地幔物質(zhì)帶入地殼， 從而導(dǎo)致地殼泊松比的增大； 泊松比低值異常出現(xiàn)在遠離斷層的地區(qū)， 推測巖石較為完整， 強度較大． 太行山山前地區(qū)泊松比變化劇烈， 可能是由于該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 地殼物質(zhì)非均勻分布所致． 位于渤海中間島嶼上的北隍城臺（BHC）地殼厚度較大， 為35 km， 泊松比較低， 為0.19， 其原因尚不清楚， 有待于今后綜合更多的觀測資料和借助多種分析技術(shù)對該地區(qū)開展更為精細的研究．

中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)， 鄭秀芬研究員在資料的收集和處理過程中提供了幫助， 鈕鳳林教授和張洪雙博士在數(shù)據(jù)處理過程中給予了指導(dǎo)， 作者在此一并表示衷心的感謝．

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Crustal thickness and Poisson’s ratio beneath Zhangjiakou-Bohai seismic active belt and its neighboring regions

1）InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China

2）MissouriUniversityofScienceandTechnology，Rolla，MO65409，USA

Based on the teleseismic events recorded by seismic stations of Shandong， Hebei， Liaoning， Beijing， Tianjin regional seismograph networks， this paper investigates the crustal thickness and average Poisson’s ratios beneath the stations by means ofH-kreceiver function stacking method. The results show that the crustal thickness in the studied region varies from 30 km to 46 km， and is thinning gradually from mountain to basin， suggesting a good correlation with surface terrain. On the other hand， distribution of the Poisson’s ratio over the studied region is characterized by an obvious region segmentation. The low Poisson’s ratios beneath the east part of Yanshan might relate to the delamination of North China craton. The region beneath east part of Tancheng-Lujiang fault zone exhibits a complex distribution of low Poisson’s ratios mixed with high ones， which might be related to volcanic activity. The convergence zone of the western segment of Zhangjiakou-Bohai seismic active belt and the lift exhibits a little higher Poisson’s ratios， which might be caused by both broken rocks and the partial fusion of rocks near the seismic active belt. The station Beihuangcheng located on the island chain in the Bohai Sea shows a thick crustal thickness and a low Poisson’s ratio， but the reason behind the phenomenon waits for further investigation.

Zhangjiakou-Bohai seismic active belt; Tancheng-Lujiang fault zone; eastern part of North China craton; crustal thickness; Poisson’s ratio; receiver function

10.11939/jass.2015.04.002.

科技部國際科技合作與交流專項重點項目（2010DFB20190）和地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項共同資助.

2014-09-18收到初稿， 2015-03-12決定采用修改稿.

e-mail: gaoyuan@seis.ac.cn

4.002

P315.3+1

A

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doi:10.11939/jass.2015.04.002.