魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域地殼厚度、泊松比分析

申金超　張斌　蘇道磊　劉晨

摘要：利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法得到魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域30個寬頻帶地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值。結(jié)果顯示：該區(qū)域地殼厚度和泊松比呈現(xiàn)不均一、變化大的特征，其中泰山地區(qū)、沂沭斷裂帶郯城一莒縣段及RZH臺下方地殼厚度值小、泊松比值高。經(jīng)分析認(rèn)為，魯西隆起地殼厚度薄、泊松比值高的區(qū)域與底部地幔物質(zhì)上涌及熱侵蝕作用相關(guān)；沂沭斷裂帶地殼厚度和泊松比具有明顯分段的特征，體現(xiàn)在斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度薄、泊松比高：莒縣-安丘段與斷裂兩側(cè)的地殼厚度、泊松比值相近，說明其殼幔相互作用主要體現(xiàn)在郯城一莒縣段：膠南隆起地區(qū)僅RZH臺站下方地殼厚度值低、泊松比值高，結(jié)合該區(qū)域重力異常梯度帶特征，推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)震接收函數(shù)；地殼厚度；泊松比；魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)

中圖分類號：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0246-09

0 引言

魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域位于華北板塊和揚(yáng)子板塊碰撞拼合地帶，構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，以沂沭斷裂帶為界，魯西隆起和膠南隆起分別位于斷裂帶西側(cè)和東側(cè)，其中魯西隆起為華北板塊內(nèi)部伸展作用的結(jié)果，沂沭斷裂帶為大型走滑剪切構(gòu)造帶，膠南隆起屬于碰撞造山的產(chǎn)物，多種類型的構(gòu)造作用導(dǎo)致該區(qū)域地殼變形強(qiáng)烈。目前魯西隆起伸展構(gòu)造的成因模式還存在多種觀點(diǎn)：（1）受郯廬斷裂剪切和后期南北向拉張作用，形成的以掀斜斷塊為特征的伸展構(gòu)造（李萬程，1998）；（2）受地幔作用影響而形成的伸展隆起構(gòu)造（牛樹銀等，2004；燕守勛，1994）；（3）類變質(zhì)核雜巖模式（王桂梁等，1992；張自恒，1995）等。無論哪種觀點(diǎn)，均需要從整個地殼尺度來判斷。沂沭斷裂帶為大型走滑斷裂，其深度已切割至地幔，底部地幔活動必然會對斷裂構(gòu)造產(chǎn)生影響，地殼深部構(gòu)造特征便成為分析沂沭斷裂帶殼幔相互作用不可或缺的要素，前人對沂沭斷裂帶的地殼結(jié)構(gòu)研究成果較為豐富、研究方法多樣（張碧秀，湯永安，1988；魏夢華等，1980；劉昌銓等，1983），但缺乏關(guān)于沿斷裂帶方向的地殼結(jié)構(gòu)差異和地?；顒佑绊懛秶谋硎?；膠南隆起的深部構(gòu)造特征，目前還未引起足夠關(guān)注，相關(guān)研究也較少。

地殼厚度可以直接體現(xiàn)地殼形態(tài)特征，而泊松比是研究地球內(nèi)部物質(zhì)的重要參數(shù)，它與巖石二氧化硅含量成反比關(guān)系（Christensen，1996）。在不同的構(gòu)造環(huán)境中，由于地殼自身的應(yīng)力或殼幔相互作用等，可引起地殼產(chǎn)生變形、物質(zhì)交換等，從而造成地殼厚度、泊松比的分布差異，所以地殼厚度和泊松比是分析深部構(gòu)造及殼幔相互作用十分有效的工具。本文通過搜集魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域30個寬頻帶地震臺站所記錄的遠(yuǎn)震資料，利用遠(yuǎn)震接受函數(shù)方法獲得了各地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值，進(jìn)而分析寬頻帶地震臺覆蓋區(qū)的魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)特征，并探討各構(gòu)造單元可能存在的地質(zhì)構(gòu)造作用。

1 地質(zhì)構(gòu)造概況

魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域處于華北板塊和蘇魯大別造山帶在東側(cè)交匯的部位，內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境差別很大，沂沭斷裂帶作為魯西隆起和膠南隆起邊界，斷裂帶西側(cè)的魯西隆起位于華北板塊內(nèi)部，東側(cè)的膠南隆起為蘇魯大別造山帶的東延區(qū)域（圖1）。魯西隆起屬于板內(nèi)的伸展隆起構(gòu)造（燕守勛，1994；時秀朋，李理，2007；張寶政，李雙林，1990；王桂梁等，1992），東西夾于聊考斷裂和沂沭斷裂之間，包含前寒武基底、古生代海相沉積地層及中一新生代陸相火山沉積地層。沂沭斷裂帶為大型剪切斷裂帶，由四條NNE向主干斷裂組成，自西向東分別為鄌部-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂，在地貌上構(gòu)成兩塹夾-壘的構(gòu)造格局，中間為汞丹山隆起、東西兩側(cè)分別為安丘-莒縣地塹和馬站-蘇村地塹。膠南隆起西以沂沭斷裂帶為界，北以五蓮-威海斷裂為界，出露的基底地層為中-新元古代云臺群與新元古代朋石河組，膠南隆起具有典型造山帶特征，為華北板塊和揚(yáng)子板塊碰撞拼合的結(jié)果，構(gòu)造以斷裂為主，呈NNE向分布，隆起區(qū)有兩期韌性剪切帶，早期韌性剪切帶呈網(wǎng)格狀分布，后期韌性剪切帶呈北東東向分布，剪切帶內(nèi)分布有榴輝巖等超高壓、高壓巖類。

2 計算方法與結(jié)果

2.1 遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法原理

遠(yuǎn)震的體波波形包含震源、傳播路徑、接收區(qū)介質(zhì)性質(zhì)等信息，遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法可有效地分析莫霍面結(jié)構(gòu)，并且能有效去除遠(yuǎn)震震源、傳播路徑及儀器的影響。該方法主要采用時間域迭代反褶積算法實現(xiàn)接收函數(shù)的反褶積計算（Owenset al，1984；Langston，1977；查小惠，雷建設(shè)，2013），可得到P波在莫霍面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波和多次波信息。由于P波和S波在地殼中傳播性質(zhì)不同，在假定地殼平均P波速度的情況下，可通過在厚度域和波速比域搜索轉(zhuǎn)換波及多次波震相的疊加振幅最大值，并同時可約束地殼厚度和波速比值（黃海波等，2012）。另外波速比對P波速度變化的敏感性較差，P波在地殼傳播的速度從6.0km/s變到6.75km/s，其波速比變化僅有0.05（葛粲等，2011）。若莫霍面深度為H，t_Ps、t_PsPs、t_PsPs+PpPs分別表示轉(zhuǎn)換波Ps、多次波PpPs及PsPs+PpSs震相與初至P波的到時差，則：

可構(gòu)建疊加函數(shù)為

（4）式中，V_P和V_S分別為地殼的P波、S波的平均速度，p為射線參數(shù)，γ（t）是徑向接受函數(shù)，ω_i是權(quán)重系數(shù)，其中ω₁+ω₂+ω₃=1。掃描H，k域，當(dāng)H，k對應(yīng)真實地殼厚度和波速比時，S（H，k）達(dá)到最大值，可避免對轉(zhuǎn)換波、多次波等震相的人工逐個識別。根據(jù)波速比值可以換算出泊松比，其關(guān)系式為

（5）式中，σ為泊松比。

2.2 選取數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

筆者挑選出位于魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域30個固定寬頻帶地震臺站記錄的2010～2013年M_S>6.0、震中距在30°～90°之間、具有清晰的初至P波和高信噪比的遠(yuǎn)震波形，最終各臺站接收函數(shù)波形數(shù)為30～70，地震臺站及地震震中分布見圖2，計算過程將V_P設(shè)置為6.2km/s，轉(zhuǎn)換波Ps、多次波PpPs和PsPs+PpSs的權(quán)重分別設(shè)置為0.6、0.3和0.1。利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法，我們得到各地震臺站下方的地殼厚度和泊松比值，具體見表1。圖3～4給出了QXT、TIA、ZCH、JUX、TCH、XIT、RZH、WUL地震臺站的接收函數(shù)波形和H-k疊加結(jié)果，從圖中可以看出，接收函數(shù)波形清晰，轉(zhuǎn)換波和多次波可較好地識別，獲取了各臺站準(zhǔn)確的地殼厚度和波速比值。

從圖5a中可以看出，魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)區(qū)域?qū)掝l帶地震臺覆蓋地區(qū)地殼厚度呈現(xiàn)明顯的不均勻分布。魯西隆起地區(qū)北部的泰山及周邊地區(qū)下方地殼厚度值最小，其中TIA臺下方地殼厚度值為29.9km，其它地區(qū)地殼厚度值均大于32km，魯西隆起南部地殼厚度值相對較大；沂沭斷裂帶的計算范圍局限在寬頻帶地震臺覆蓋區(qū)域，其計算結(jié)果顯示莒縣一郯城段地殼厚度均小于31km，而斷裂帶莒縣一安丘段地殼厚度值明顯偏高，同斷裂帶兩側(cè)地殼厚度值相近：對于膠南隆起地塊，除RZH臺下方地殼厚度較小，其余各地震臺站下方地殼厚度一般均大于33km。魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域?qū)掝l帶地震臺覆蓋地區(qū)的泊松比值同樣分布不均勻，并且泊松比同地殼厚度存在明顯的負(fù)相關(guān)性，在泰山及周邊地區(qū)、沂沭斷裂帶南段及RZH臺下方地殼的泊松比值明顯較高，可達(dá)到0.29，而地殼厚度較大的地區(qū)，其泊松比值反而較?。▓D5b）。

3 地殼厚度、泊松比分析與討論

不同構(gòu)造環(huán)境的區(qū)域，其地殼厚度和總體巖性組成必然存在差異，構(gòu)造活動導(dǎo)致地殼介質(zhì)的物理化學(xué)變化可在地殼厚度和泊松比上得以體現(xiàn)，地殼厚度可直接反映出地殼結(jié)構(gòu)特征，而泊松比是分析地球內(nèi)部物性的重要參數(shù)，不同巖性的地殼會反映出不同的泊松比值，地殼泊松比值大于0.30時，存在部分熔融區(qū)或破碎帶，地殼泊松比值在0.28～0.30之間為基性鐵鎂質(zhì)地殼，小于0.26為長英質(zhì)地殼，0.26～0.28之間屬于介于鐵鎂質(zhì)和長英質(zhì)之間的過渡性質(zhì)的地殼（嵇少丞等，2009）。

3.1 魯西隆起地區(qū)

魯西隆起作為華北板塊重要的伸展隆起構(gòu)造，其地殼結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為南厚北薄，泰山及周邊地區(qū)地殼厚度最薄，而該地區(qū)地勢最高，因此泰山及周邊地區(qū)下方莫霍面應(yīng)呈向上的凸起狀（圖6），指示了該地區(qū)存在地幔物質(zhì)上涌。一般花崗巖陸殼內(nèi)鐵鎂質(zhì)成分的增加不會使泊松比值超過0.29，但部分熔融程度為5%的花崗巖的泊松比超過0.30（葛粲等，2011），因此具有高泊松比值的泰山地區(qū)下方應(yīng)存在明顯的部分熔融。根據(jù)Owens和Zandt（1997）的研究，地幔熱侵蝕作用可以引起地殼部分熔融，并使泊松比值超過0.30。結(jié)合泰山地區(qū)呈現(xiàn)的明顯地殼厚度小且呈上隆狀的地殼結(jié)構(gòu)特征，我們可以推斷該區(qū)域存在地幔物質(zhì)上涌及熱侵蝕作用，并造成泰山地區(qū)地殼向上隆起、減薄和高泊松比值。魯西隆起南部地區(qū)地殼厚度相對較大，地殼泊松比值基本上均小于0.26，其中，ZCH臺下方地殼厚度為35.3km、泊松比為0.22，從泊松比值上判定誤區(qū)為典型的大陸長英質(zhì)地殼，同泰山地區(qū)存在明顯差異，該區(qū)域構(gòu)造環(huán)境相對穩(wěn)定，地殼未發(fā)生明顯部分熔融，受到的殼幔相互作用相對較弱，說明地幔物質(zhì)上涌及熱侵蝕作用應(yīng)主要集中在泰山地區(qū)。

王濤等（2007）認(rèn)為華北克拉通內(nèi)部的以穹窿為代表的伸展構(gòu)造為華北巖石圈減薄過程中的地殼響應(yīng)，魯西隆起區(qū)位于華北克拉通東部，屬于典型的板內(nèi)隆起構(gòu)造，魯西隆起的形成始于中晚侏羅紀(jì)（燕守勛，1994；時秀朋，李理，2007；王桂梁等，1992），而這與華北巖石圈減薄事件（吳福元，孫德有，1999；鄧晉福等，1994）在時間上相對應(yīng)，因此現(xiàn)今魯西隆起泰山地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)及物性特征應(yīng)是中生代華北巖石圈減薄過程中殼幔相互作用的結(jié)果。

3.2 沂沭斷裂帶

本文計算了寬頻帶地震臺所覆蓋的沂沭斷裂帶范圍，即安丘-郯城一帶，從計算結(jié)果上來看，沂沭斷裂帶內(nèi)部存在明顯地殼減薄區(qū)域和高泊松比值區(qū)域，均集中在郯城一莒縣段，莒縣一安丘段地殼厚度和泊松比值同周邊地殼相近，地殼厚度和泊松比值分布特征體現(xiàn)出沂沭斷裂帶具有明顯的分段性。根據(jù)蘇道磊（2015）對沂沭斷裂帶速度結(jié)構(gòu)的研究表明，郯城-莒縣段地殼中存在明顯的低速體，而莒縣-安丘段低速體消失（圖7），斷裂帶速度結(jié)構(gòu)也同樣顯示出分段特征，與本文結(jié)論一致。從牛漫蘭等（2000）和曹洋（2009）的火山巖地球化學(xué)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，郯廬斷裂帶山東段存在明顯的地幔物質(zhì)上涌底侵、幔源巖漿活動等一系列殼幔相互作用，并且郯廬斷裂帶為整個巖石圈內(nèi)的強(qiáng)減薄帶，這應(yīng)是造成沂沭斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度減薄、泊松比增大的主要原因，莒縣-安丘段可能就沒有如此強(qiáng)烈的殼幔相互作用。

3.3 膠南隆起區(qū)

膠南隆起區(qū)只有RZH臺下方地殼表現(xiàn)出低地殼厚度值和高泊松比值的特征，顯示出RZH臺站下方地殼具有特殊的物性特征，從重力異常圖（圖8）上可以看出，RZH臺站及周邊地殼同整個沂沭斷裂帶一樣，存在明顯的重力異常梯度帶，它主要反映構(gòu)造斷裂的升降或大規(guī)模的不同密度巖石的接觸帶，而同樣具有低地殼厚度值和高泊松比值的泰山地區(qū)不存在明顯的重力異常梯度帶，說明RZH臺站下方的地殼結(jié)構(gòu)特征同沂沭斷裂帶相近，且不同于泰山地區(qū)，因此我們推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。此外，WUL和LAS臺相比周圍地殼厚度較大，整體來看，膠南隆起區(qū)地殼結(jié)構(gòu)差異較大，說明該區(qū)域構(gòu)造作用同樣強(qiáng)烈，應(yīng)為深大斷裂主導(dǎo)的結(jié)果，膠南隆起區(qū)其它臺站下方地殼泊松比值在0.24～0.27之間，為鐵鎂質(zhì)和長英質(zhì)過渡性質(zhì)的地殼。

4 結(jié)論

通過對魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域30個寬頻帶地震臺站所記錄的遠(yuǎn)震資料，利用H-k疊加掃描獲得了該地區(qū)各地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值，得出以下結(jié)論：

（1）整個魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區(qū)域地殼厚度值大致為29.9～35.7km，地殼泊松比值在0.22～0.31之間，地殼厚度和泊松比值分布不均一，其中泰山地區(qū)、沂沭斷裂帶郯城-莒縣段及RZH臺下方地殼厚度值小、泊松比值大，地殼厚度和泊松比值呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）魯西隆起在泰山及其周邊地區(qū)顯示出地殼厚度薄、泊松比值高的特征，這與華北巖石圈減薄背景下泰山地區(qū)底部地幔物質(zhì)上涌及熱侵蝕作用密切相關(guān)。

（3）沂沭斷裂帶地殼厚度和泊松比具有明顯分段的特征，主要體現(xiàn)在沂沭斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度薄、泊松比大，莒縣-安丘段與斷裂兩側(cè)的地殼厚度、泊松比值相近，說明沂沭斷裂帶作為巖石圈的強(qiáng)減薄帶，其殼幔相互作用主要體現(xiàn)在郯城-莒縣段。

（4）膠南隆起地區(qū)僅在RZH臺站下方地殼厚度值低、泊松比值高，結(jié)合該地區(qū)存在重力異常梯度帶，推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。