利用遠震接收函數反演山西地區(qū)臺站下方的地殼厚度及泊松比

呂　睿， 宮　猛， 孟小琴， 董春麗， 劉素珍

(1.山西省地震局，太原　030021； 2.河北省地震局，石家莊　050021；

3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原　030025)

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利用遠震接收函數反演山西地區(qū)臺站下方的地殼厚度及泊松比

呂睿1，3， 宮猛2*， 孟小琴1，3， 董春麗1，3， 劉素珍1，3

(1.山西省地震局，太原030021； 2.河北省地震局，石家莊050021；

3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原030025)

摘要：利用2008—2013年山西數字地震臺網遠震寬頻帶記錄波形資料，運用H-Kappa疊加方法得到各臺站下方的地殼厚度和波速比。研究結果表明，山西地區(qū)地殼厚度存在明顯的差異。研究區(qū)內地殼平均厚度約39 km，南北地殼厚度變化幅度較大，其中SHZ(上皇莊臺)地殼厚度最大為43 km，ANZ(安澤臺)地殼厚度最小為36 km，南北兩端差異達7 km。泊松比值在0.24～0.31之間變化，與全球的泊松比估計值相當。山西的地殼厚度與地表地形存在著明顯正相關，而地殼厚度和泊松比則呈現負相關的關系。

關鍵詞：山西地區(qū)；接收函數；地殼厚度；泊松比

0引言

山西省位于鄂爾多斯斷塊東緣與南緣斷裂帶，夾峙于鄂爾多斯斷塊東部呂梁山隆起與太行山斷塊隆起之間，東有太行山屹立，中間大同、忻定、太原、臨汾、運城等一系列斷陷盆地呈“S”形NS展布。山西地震帶也是我國重要的一個地震活動帶，在歷史上曾發(fā)生過強烈地震，如(512年5月21日)原平—代縣間發(fā)生7.5級地震；(1303年9月17日)洪洞—趙城一帶發(fā)生8級地震；(1695年5月18日)臨汾發(fā)生8級強烈地震。該區(qū)域地震活動活躍，是研究大陸地殼演化和強震發(fā)生機理的理想場所之一。近年來，許多學者對山西地區(qū)殼幔結構方面的研究做了大量工作并取得了一系列的研究成果，如深地震測深[1-4]、傾斜疊加和臺陣偏移成像[5]。相比這些方法，遠震接收函數方法能夠更為準確地獲得地殼厚度和波速比的信息。因此，在研究地殼和上地幔結構中獲得了廣泛的應用。隨著國家臺網建設的發(fā)展，布設在山西的寬頻帶地震儀的逐漸增多，區(qū)域臺網日漸加密，觀測技術也得到迅速發(fā)展，這些都為山西地區(qū)接收函數的研究工作提供了很好的前提條件。本文利用山西地震臺網記錄到的遠震P波波形數據，采用接收函數H-K疊加搜索方法，反演該區(qū)地殼厚度和泊松比分布特征，并對其變化規(guī)律進行了初步的分析。與前人的研究相比，本文使用了更多的遠震事件，進一步提高了研究結果的精確度和可靠性。

1資料和方法

1.1數據資料

使用山西省地震局數字地震臺網56個寬頻帶記錄儀記錄到的遠震波形資料，經人工逐一挑選，刪去震相不清晰的、接收函數擬合率小于90%以上的數據，確保地殼厚度和波速比的結果穩(wěn)定可靠；由2008—2013年的地震波形記錄中選取高信噪比、高質量的30個臺站(圖1a)的地震數據(圖1b)。收集的資料具備以下條件：①震中距，一般選擇震中距在30°～90°之間高質量的地震事件數據。因為，震中距小于30°的遠震事件不能對地殼形成很好的穿透，而震中距大于90°的遠震波形將受到地核影區(qū)和繞射波的影響[6-7]；②震級，一般選擇5.5≤MS≤6.5，因為震級太小，記錄遠震波形能力太弱，震級太大，則震源破裂過程會很復雜；③方位角，選取的地震要有很好的臺站分布，方位角0°～360°最好分布比較均勻；④選擇寬頻帶、高信噪比的地震儀，短周期的儀器可能會由于信噪比或其他原因，得到的接收函數波形不清晰。

a　所用臺站分布 　　　　　　　　　　　　　 b　選用遠震事件分布 圖1　研究區(qū)所用臺站分布及遠震事件分布圖

1.2研究方法

本文采用H-Kappa疊加方法來計算接收函數[8]，得到研究區(qū)的地殼厚度和波速比值。震中距大于30°的地震波，其直達P波近似認為是平面波。水平速度間斷面的轉換波PS震相與直達P波之間的到時差為

(1)

其中：p為直達P波的射線參數(水平慢度)，H為間斷面的深度，VP、VS分別代表P波和S波的平均速度。

水平速度間斷面的多次轉換波PpPs、PpSs/PsPs震相與直達P波的到時差為

(2)

(3)

Zhu等[8]提出了簡單獲得地殼厚度和波速比的方法，即通過H-k域網格搜索和疊加方法，在時間域內對P波附近到時波形進行疊加，得到以下的式子：

S(H,K)=ω1r(t1)+ω2r(t2)-ω3r(t3)

(4)

其中：r(t)是徑向接收函數；t1，t2，t3分別是多次轉換波震相Ps，PpPs和PpSs/PsPs對應地殼厚度H和波速比(K=Vp/Vs)的到時；ωi是轉換波震相Ps、多次轉換波震相PpPs和PpSs/PsPs的權重系數滿足Σωi=1。當上述3個多次轉換波震相一致相交時，疊加振幅S(H,K)將達到最大值[8]，所對應的H和K即是臺站下方Moho面厚度和Vp/Vs值。

計算P波和S波速度比

(5)

再由式(5)得到的波速比，計算出泊松比

(6)

2數據處理過程

數據處理過程如下：首先，截取P波之前10s至P波之后60s的地震波形數據，對所選高信噪比臺站記錄的遠震體波三分量的原始波形做去均值、去傾斜和去儀器響應預處理；然后，將NS、EW向分別旋轉到徑向、切向方向，并運用時間域迭代反卷積方法得到接收函數；最后，通過H-Kappa疊加搜索方法計算研究區(qū)的地殼厚度和平均波速比。在計算過程中，高斯濾波系數及水準量分別取2.5和0.01，然后對所有的結果逐一人工檢查，最終得到具有較高可信度的25個臺站下方的接收函數。

3結果與分析

通過提取優(yōu)選臺站的接收函數，采用H-Kappa疊加反演方法，根據式(1)～式(3)，計算得到了該臺站下方的接收函數以及所對應的地殼厚度(H)和波速比(K)。圖2給出了4個典型臺站ANZ(安澤)、NIW(寧武)、LIC(陵川)、ZOQ(左權)下方的接收函數及對應的地殼厚度—泊松比(H-K)長的關系。

從圖2可以看出，4個臺站的接收函數都能看到較清晰的震相，自左向右分別是轉換波Ps、多次轉換波PpPs和PpSs/PsPs；并且還發(fā)現，不同構造塊體的接收函數存在一定的差異。LIC臺站處在秦嶺構造帶，地殼結構變化較均勻，莫霍面也比較平坦，所以不會因為入射地點的不同，而引起轉換波的形態(tài)和走時發(fā)生變化。

我們分別將海拔高度和泊松比作為X軸，地殼厚度作為Y軸，投影到直角坐標系(圖3)，發(fā)現山西地區(qū)的海拔高程和泊松比值與地殼厚度之間存在一定相關性，地殼厚度隨著地形高程的增加而增厚，而泊松比值則隨著地殼厚度的增加而變小。

注：H和K的估計值由疊加函數灰度圖中誤差橢圓的中性點給出；誤差橢圓的大小表示估計值的離散程度。 圖2　山西臺網研究區(qū)的4個臺站接收函數及H-K反演結果

圖3　研究區(qū)內臺站海拔高程和泊松比分別與下方地殼厚度關系

對研究區(qū)域30個寬頻帶地震臺站進行H-Kappa疊加反演，最終獲得可信度較高的25個臺站下方的地殼厚度分布(圖4)。結果顯示，山西地區(qū)地殼厚度整體趨勢呈南薄北厚的形態(tài)，這個結果與郭震等[9]研究的華北地區(qū)地殼厚度分布特征基本一致。其中，山西北部地殼最厚為43 km，這與它特殊的地質構造有關系。山西北段接近華北北緣，被燕山一陰山構造帶所擋，尤其大同火山群是我國第四紀火山群之一，是在上新世末、晚更新世馬蘭黃土堆積之初多次活動的產物，主要由玄武巖組成；山西中段東依太行山，西接呂梁山，北起黃寨的石嶺關，南至靈石韓信嶺，隔霍山口與臨汾盆地相接，東西兩側以斷層崖與山地相接，盆地呈NE-SW向分布，地殼厚度在38 km左右；山西南段連接華北南緣秦嶺構造帶，其地殼最薄為36 km。本文研究結果顯示，山西地區(qū)的地殼厚度在36～43 km范圍分布，結果與黃建平等[10]提到“中國中部地區(qū)的地殼厚度在38～45 km之間”的結果相吻合。值得一提的是，山西研究區(qū)內的地殼厚度存在明顯的差異，南北兩端相差7 km，這與該區(qū)地質構造復雜和地震活動性強烈的特點一致。

圖4　山西地區(qū)地殼厚度和泊松比分布圖

對于了解地球內部介質，泊松比是一個非常重要的參數。近年來，該方法得到了廣泛的應用[11-12]。本文將接收函數中獲取的波速比值帶入(6)式中，計算出山西地區(qū)的泊松比分布(圖4)。結果顯示，研究區(qū)域泊松變化范圍在0.24～0.31之間，與對全球的泊松比估計值[13]是較一致的。泊松比分布呈現出了塊狀分布特征，其中，ZCH(鎮(zhèn)川)、KEL(岢嵐)、LIF(臨汾)、ANZ(安澤)泊松比值超過0.3，其余臺站泊松比在0.25左右，與大陸中上地殼的平均值相一致[14]。研究表明，泊松比對巖石的成分特別敏感，一定的巖石組成往往對應一定的泊松比，通過泊松比的變化可以揭示巖石的組成的變化。低泊松比(σ<0.26)代表長英質，中間值(0.26≤σ≤0.28)代表過渡型，高泊松比(σ>0.28)代表鐵鎂質的物質構造[15]。因此，泊松比較高的地區(qū),尤其是處在斷裂帶地區(qū)，泊松比較周圍地區(qū)要高，可能意味著地殼中有部分熔融介質存在，而這也反映出地殼內較高的活動性[16]。

4結束語

本文通過收集山西數字地震臺網記錄到的全球范圍內震中距在30°～90°之間、體波震級≥6.0的地震波形記錄，并進行反演計算，得到了山西地區(qū)25個地震臺站下方的接收函數，并進一步計算得到各臺站的地殼厚度及泊松比。結果表明，山西地區(qū)臺站下方的地殼厚度由南向北逐漸加厚；區(qū)域內的泊松比呈現塊狀分布，并與山西地震斷裂帶有著較好的相關性，鎮(zhèn)川、岢嵐和安澤的高泊松比值可能與其中、下地殼的熱物質相關；地殼厚度與地表地形存在著明顯正相關，而與泊松比則呈現負相關的關系。今后，還需要進一步對近年來新增臺站的數據開展研究工作。

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Study of Crustal Thickness and Poisson's Ratio Distribution Beneath Seismic Stations in Shanxi Province by Teleseismic Receiver Function

LYU Rui1,3, GONG Meng2*, MENG Xiao-qin1,3, DONG Chun-li1,3, LIU Su-zhen1,3

(1. Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China;2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;3. State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan 030025, China)

Abstract:Receiver functions are calculated by using teleseismic records of Shanxi Digital Seismic Network and crustal thickness and Poisson's Ratio in Shanxi area are obtained by stacking receiver functions with H-Kappa technique. The result shows that crustal thickness in Shanxi province exists obvious difference. The average crustal thickness in Shanxi is about 39 km. The difference of crustal thickness between south part and north part has a higher value. The crust beneath ANZ(Anze) station is the thinnest (36 km), biggest thickness(43 km) appears beneath SHZ station. Poisson ratio in Shanxi Province is about 0.24-0.31, which is consistent with the Poisson's ratio of the world. The crustal thickness of Shanxi area is positively correlated to the topography. Meanwhile, the crustal thickness of Shanxi area is negatively correlated to Poisson's ratio.

Key words:Shanxi area; receiver function; crustal thickness; Poisson's Ratio

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.010

中圖分類號:P315.2

文獻標志碼:A

文章編號:1003-1375(2016)01-0059-06

作者簡介：呂睿(1979—)，女，山西太原人，工程師，主要從事地震監(jiān)測與分析工作.E-mail：lv_rui2012@126.com*通訊作者：宮猛(1983—)，男，湖北隨州人，工程師，主要從事地震活動性及數字地震等方面研究.E-mail:mrgongm@163.com

基金項目：中國地震局地震監(jiān)測、預測、科研三結合課題(150404)；山西省地震局地震科研基金項目(SBK-1506)

收稿日期:2015-10-23

呂睿，宮猛，孟小琴，等．利用遠震接收函數反演山西地區(qū)臺站下方的地殼厚度及泊松比[J].華北地震科學，2016，34(1):59-64.