利用接收函數(shù)研究河南及鄰區(qū)的地殼深部構(gòu)造特征

陳睿 閆俊崗 郁軍建

1）河南省地震局，鄭州市鄭東新區(qū)正光路10號 450016

2）邯鄲中心地震臺，河北邯鄲 056006

0 引言

河南省處于華北斷塊、太行山斷塊、秦嶺斷塊和大別山斷塊的交接部位。燕山運動第三和第四兩個構(gòu)造幕，使中朝中地臺蓋層發(fā)生褶皺和斷裂，形成臺褶斷陷和菱形斷塊構(gòu)造格局（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。燕山運動還造成本省大規(guī)模的酸性巖漿上侵和噴溢，形成一定規(guī)模的中酸性火山巖系和大量的各種花崗巖體的金屬礦產(chǎn)，致使原先穩(wěn)定的中朝準地臺開始轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^活動的構(gòu)造單元，而比較活動的秦嶺褶皺系則趨于穩(wěn)定。自燕山運動第四幕以后，本省地殼活動出現(xiàn)了新的變化，即開始發(fā)生東西分異：西部和南部邊緣急劇隆起，東部大幅度陷落，華北坳陷及西部山間斷（坳）陷盆地開始形成。

這種近SN向展布的西隆東坳構(gòu)造格局和西高東低的現(xiàn)代地貌形態(tài)與地殼的深部結(jié)構(gòu)引起了很多學者的關(guān)注，并利用人工地震、重、磁資料的反演結(jié)果進行了地殼深度的研究，取得了豐富的研究成果，但重力資料的解釋結(jié)果與人工地震資料對比，在某些局部起伏較大的地段，深度誤差較大（鄒雪雁等，1995）。與其它地球物理學方法相比，接收函數(shù)方法具有較高的橫向分辨率，因此成為地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個非常重要的手段。它不僅可以用于殼幔分層速度反演（Langston，1979；吳慶舉等，1998；Ai et al，2005；李永華等，2009）、泊松比估算（張洪雙等，2009；樓海等2010；Wang，2010），還可以用于殼幔結(jié)構(gòu)成像研究（Wu et al，1998；Tian et al，2005）。

地殼厚度和泊松比是描述地殼結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的2個重要參數(shù)，研究地幔過渡帶的厚度變化可以為地震的孕震機制研究和揭示地殼深處的地質(zhì)演化提供深部動力過程約束（徐強等，2009）。地殼陡變帶的深部大多存在成束的斷裂或多條近平行斷裂，頻繁的地震活動也與此密切相關(guān)；地殼厚度及泊松比梯度帶的分布位置和兩者之間的正、負相關(guān)性特征，反映出區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造類型是逆沖推覆、正斷或拆離滑脫構(gòu)造。這對于研究太行山地塊和大別山地塊內(nèi)的板塊運動、斷裂帶的構(gòu)造性質(zhì)及地震活動特征具有重要意義。

本文利用接收函數(shù)對河南及鄰區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)的26個寬頻帶地震臺站記錄的遠震資料，采用Zhu等（2000）的接收函數(shù)H-κ方法計算每個臺站下方地殼厚度和泊松比，結(jié)合前人的研究成果分析和探討河南及鄰區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)及各主要塊體的活動關(guān)系。

1 方法和原理

接收函數(shù)方法最早由 Phinney（1964）提出，目的是用遠震體波來研究臺站下方的地殼及上地幔結(jié)構(gòu)。其方法為在頻率域?qū)⑦h震記錄的垂向分量與水平分量進行反疊積，從而提取遠震P波在速度間斷面上的轉(zhuǎn)換S波及其多次波信息。由于波速比κ對于地殼縱波速度變化不敏感，因此在假設(shè)臺站下方P波速度情況下，理論上可以根據(jù)P波和S波的到時差來計算地殼平均厚度與橫波速度，以獲得縱橫波速比，Zhu等（2000）等對頻率域內(nèi)提取接收函數(shù)的方法進行了改進，其通過在地殼厚度域和波速比域搜索轉(zhuǎn)換S波（Ps）及多次地震震相轉(zhuǎn)換波（PpPs、PpPp＋PpPs）的疊加振幅最大值，同時獲得 2個參數(shù)的估計平均值（H-κ疊加法），頻率域內(nèi)提取接收函數(shù)的方法可表示為

該方法有效地避免了因震相識別和走時拾取所產(chǎn)生的人為誤差，具有較高的可信度。

Zhu等（2000）綜合利用莫霍面一次轉(zhuǎn)換震相 PS及多次轉(zhuǎn)換震相（PpSs，PsSs＋PpSs）疊加搜索能量最大值的方法確定地殼厚度（H）和縱橫波速比（κ），具體公式為

其中，r（t）為徑向接收函數(shù)的振幅，t1、t2、t3分別表示 Ps、PpSs、PsSs＋PpSs震相在預(yù)測地殼厚度條件下對應(yīng)的到時。ωt為Ps、PpSs、PsSs＋PpSs震相的權(quán)重系數(shù)，且有利用網(wǎng)格搜索方法可以確定函數(shù)r（H，κ）的最大值以及相應(yīng)的地殼厚度H和平均的地殼介質(zhì)的波速比κ，通過下式，可獲得相應(yīng)的平均地殼介質(zhì)泊松比σ

H-κ搜索法的誤差可以用

估計，這里，σH和σκ分別為地殼厚度H和波速比k的估計均方差，σS為疊加函數(shù)S的均方。

大部分臺站的接收函數(shù)顯示出比較清晰的多次波，地殼厚度疊加過程中，地殼厚度H的范圍取 25～45km，κ的范圍取 1.5～3.0。

2 數(shù)據(jù)的選取和處理

河南省數(shù)字地震臺網(wǎng)于2008年正式運行，全省數(shù)字化臺站有23個，其中安裝寬頻帶數(shù)字地震儀的臺站有13個。為了更詳細地反映河南省地殼結(jié)構(gòu)的全貌，我們補充了鄰近的河北、山西、安徽、山東、湖北、陜西等省13個臺站的資料，本文共用河南省及鄰區(qū)26個臺站的寬頻帶地震儀記錄的地震資料（圖1，表1），數(shù)字地震儀的頻帶寬度 60s，采樣率 100次/s。從河南省數(shù)字地震臺網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)中選取了2009年1月～2012年9月、震中距在30°～90°、M≥5.5、P波初動清晰的地震事件695件，然后篩選出均勻分布于研究區(qū)方位0°～360°的地震事件95個（圖2），進行反演計算，大量的不同方位均勻分布的地震事件為獲得穩(wěn)定、可靠的分析結(jié)果提供了保證。

圖1 地震臺站分布圖

根據(jù)以上資料進行接收函數(shù)提取，首先對原始波形記錄做去均值、去斜坡和去除儀器響應(yīng)等處理，再進行時間域迭代反疊積（Ammon，1990；吳慶舉等，2003）得到徑向接收函數(shù)，使用系數(shù)為2.5的高斯濾波器對接收函數(shù)作低通濾波，然后挑選出相關(guān)性好、轉(zhuǎn)換波和多次波清晰的接收函數(shù)用于下一步的接收函數(shù)H-κ分析，共得到接收函數(shù)2367個。

表1 地震臺下方地殼厚度和波速比結(jié)果

圖2 地震事件分布圖

3 反演結(jié)果

用H-κ疊加方法所獲得26個地震臺站下方的地殼厚度H及波速比κ結(jié)果（表1）。圖3為臺站接收函數(shù)波形及H-κ疊加結(jié)果，疊加的振幅為正振幅，信噪比高的地震記錄可以清楚的識別出直達波震相、莫霍面的轉(zhuǎn)換S波震相Ps和多次波震相PpPs，其對應(yīng)的疊加振幅譜形態(tài)簡單、Ps和PpPs震相疊加振幅的線性趨勢明顯，所獲得的地殼厚度和波速比值比較可靠。

圖3 CHZ、HST地震臺下方的接收函數(shù)

反演結(jié)果顯示，河南省地殼厚度的分布具有明顯的塊體特征，總體上東薄西厚。華北平原地塊地殼厚度為30～33km，橫向變化不大；太行山地塊地殼由東向西逐漸變厚，地殼厚度為33～40km；秦嶺地塊的地殼厚度為33～38km；東南部的大別山地塊的地殼厚度為32～35km。泊松比數(shù)值范圍為0.23～0.29，太行山地塊的泊松比為0.25～0.27，華北平原地塊泊松比為0.23～0.25，秦嶺-大別山地塊的泊松比變化較大，為0.24～0.29。其中在隨州臺附近出現(xiàn)局部高值，達0.29左右，在金寨臺、盧氏臺附近出現(xiàn)局部低值（0.24左右）（圖5）。

4 分析與討論

河南省地殼厚度及泊松比分布與地質(zhì)構(gòu)造存在密切關(guān)系。主要分為4個區(qū)域進行闡述：

圖4 CHZ/HST地震臺站 H-κ反演結(jié)果

圖5 地殼厚度與泊松比分布

（1）太行山斷塊位于河南省北部，該地區(qū)地殼厚度分布總體趨勢是西部較厚，東部較薄，莫霍面總體呈小角度向西傾斜，與地表地貌互為鏡像（劉堯興等，2000）。西部長治盆地地殼最厚為40.2km，東部平原地區(qū)地殼較薄為31.8km，地殼變化落差約9km。根據(jù)接受函數(shù)反演地殼深度的結(jié)果顯示，林州盆地底部地殼厚度相對較?。?3.1km），盆地邊緣地殼逐漸變厚，東部邊緣地殼深度變化較小（34.3km），向西莫霍面快速變陡；區(qū)域內(nèi)泊松比值變化不大，σ＝0.23～0.27，表明這一地區(qū)主要由中酸性巖組成。區(qū)域東北部永年臺（YON）及多數(shù)臺站的σ＝0.23～0.25，與較大范圍的花崗巖分布有關(guān)，主要是石英、長石含量高。焦作臺（JZ）、涉縣臺（SXT）、?？h臺（XX）的σ＝0.26～0.27，表明長英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)成分含量相當。

（2）東部黃淮海平原地塊，包括黃淮海凹陷南部。該區(qū)域安裝寬頻帶地震儀的臺站主要分布在黃淮海平原的北、西、南面的平原與丘陵過渡區(qū)，如駐馬店臺、尖山臺和浚縣臺，其地殼厚度分別為30.5km、34.9km和31.8km。平原中部及東部為第四沉積層，放置的是短周期的井下擺，由于利用其波形資料反演的結(jié)果不太準確，在分析討論時暫時不予采用。根據(jù)前人在黃淮海平原使用重、磁等方法的研究資料，結(jié)合本文的研究成果，綜合認為該區(qū)域地殼厚度為28～34km，開封凹陷是地殼最薄的區(qū)域為28km；該地區(qū)的泊松比變化比較穩(wěn)定，泊松比為0.24～0.25。華北平原地區(qū)的地殼較薄主要是由于軟流圈物質(zhì)的上涌激活了華北地區(qū)巖石圈，穩(wěn)定的克拉通地殼發(fā)生了褶皺變形，地殼變薄、巖漿活動活躍、地面發(fā)生沉降等（袁學成，2007）。該區(qū)域最近的一次破壞性地震是2010年10月24日的河南太康M4.7地震，其發(fā)生在周口凹陷的北部，周口凹陷在新近紀前后發(fā)生了多次地質(zhì)作用，形成了隆起與凹陷交替出現(xiàn)，以凹陷為主的地貌特征。

（3）秦嶺地塊位于河南省的西南部，南鄰揚子地塊，東接大別山地塊，強烈的晉寧運動使秦嶺地槽再次全面褶皺，北秦嶺、桐柏-大別地區(qū)變?yōu)轳薨檸∑?，南秦嶺地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槊暗夭郏捎跀嗔鸦顒訌娏?，形成了?guī)模較大的斷陷盆地（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。伏牛隆起區(qū)地殼中有大量侵入巖體，主要包括王屋山期中酸性、晉寧期基巖、酸性正長斑巖-粗面巖、加里東期和燕山期中酸性的侵入巖，其中花崗巖的含量占80%（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989），反演盧氏臺下方的地殼厚度為38.4km、泊松比為0.23，反映出燕山運動使該地區(qū)地殼蓋層產(chǎn)生了褶皺臺隆和地幔酸性巖漿的侵入活動。

南陽-襄樊坳陷是斷裂強烈活動形成的褶皺坳陷，與秦嶺褶皺系原是統(tǒng)一的整體，自燕山回旋開始，周圍地區(qū)繼續(xù)上升隆起，該區(qū)域繼續(xù)下降，與周圍地區(qū)分開，成為疊置在秦嶺褶皺系上的斷（坳）陷盆地（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。盆地北部的南陽臺反演地殼厚度為28km，泊松比為0.29，說明該地區(qū)地殼主要以中性、基性巖石為主，部分地區(qū)受到地幔物質(zhì)強烈上隆影響，地殼巖石中鐵鎂質(zhì)成分明顯增加導致泊松比升高。其東部的信陽臺位于信陽盆地與桐柏-大別弱隆起的交接部位，接收函數(shù)反演地殼厚度為29.8km，泊松比為0.28，反映出其構(gòu)造形成、地殼巖性與南陽-襄樊坳陷的構(gòu)造特征具有一致性。

（4）大別山地塊位于河南、安徽、湖北的交界部位，揚子板塊和華北地塊的陸陸碰撞形成了大別造山帶，揚子板塊向華北板塊下方俯沖、折返并上隆形成了蘇魯-大別超高壓變質(zhì)帶（王椿鏞等，1997；徐紀人等，2004；徐佩芬等，2000），華北地塊地殼較薄，大別山北部的商城臺地殼厚度為31.8km，向南至大別山地塊內(nèi)的金寨臺地殼厚度迅速到達了35.8km，而泊松比卻從0.27下降到0.24，這是由于陸相褶皺帶內(nèi)的逆沖推覆構(gòu)造作用，使長英質(zhì)的上地殼巖石更容易在擠壓環(huán)境下縮短增厚，造成了地殼泊松比隨地殼厚度增加而明顯降低（黃海波，2014）。隨州臺下地殼的泊松比局部升高，可能是位于地殼深部的震群活動引起的破碎帶和流體作用導致。

5）地殼深部構(gòu)造與近期的地震活動。河南省東部的黃淮海平原地區(qū)由于受到上地幔軟流圈物質(zhì)的上涌，地殼變薄，地震活動趨強，如2010年10月24日在河南太康發(fā)生M4.7地震是河南省近30年來發(fā)生的最大地震；河南省東南部商城-金寨泊松比過渡帶附近，在2014年10月22日～2014年12月5日發(fā)生50次1.1～3.4級震群活動。近期的一系列地震事件的發(fā)生表明河南省東部及南部地震活動的明顯增強，推測可能是巖石圈上地幔的蘑菇云構(gòu)造運動增強了華北地區(qū)的擴張應(yīng)力場及擴張構(gòu)造運動（袁學誠，2007），造成了華北地塊內(nèi)部及邊緣地殼應(yīng)力的中小規(guī)模釋放。

5 結(jié)語

河南省有關(guān)地殼深部結(jié)構(gòu)研究的成果很多，如1∶20萬航磁圖說明書及1∶50萬區(qū)域重力調(diào)查報告。除了在石油和煤田礦區(qū)開展了面上的淺層地震外，河南省還有兩條深大地震大剖面。但重力資料的解釋結(jié)果與人工地震資料對比，在某些局部起伏較大的地段，其深度結(jié)果的誤差較大；接收函數(shù)方法對于橫向介質(zhì)的高度敏感，使其具有其他地球物理方法所不具備的優(yōu)勢，在地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域具有十分重要的作用，利用P波接收函數(shù)反演地殼深部結(jié)構(gòu)不僅是對該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)研究方法的補充，由于其反演結(jié)果的精度較高，還可對已有的研究結(jié)果進行校正。

致謝：作者感謝朱元清教授、王俊斐老師等給予了指導和幫助！