內(nèi)蒙古中西部地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究

張 帆，韓曉明，魏建民

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，中國呼和浩特 010051）

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究

張 帆，韓曉明，魏建民

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，中國呼和浩特 010051）

使用接收函數(shù)方法和縱波走時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)蒙古中西部的地殼厚度和波速比。接收函數(shù)結(jié)果顯示地殼厚度范圍42.2 km到54.9 km，平均值45.7 km，波速比范圍1.58到1.77，平均值1.69。將接收函數(shù)結(jié)果、走時(shí)計(jì)算結(jié)果和全球地殼模型crust 1.0數(shù)據(jù)對(duì)比，三種結(jié)果相近，接收函數(shù)和走時(shí)計(jì)算獲得的地殼厚度值略高于crust 1.0數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古中西部地殼厚度由東向西逐漸增厚。

地震臺(tái)網(wǎng)；內(nèi)蒙古中西部；地殼厚度；接收函數(shù)

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)地形狹長，是東北、華北、南北地震帶北段等重要構(gòu)造區(qū)的毗鄰區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈[1]。從西至東主要活動(dòng)斷裂帶包括狼山山前斷裂、色爾騰山山前斷裂、大青山山前斷裂等。多年來，數(shù)位研究者開展了大量的不同區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)研究工作，如我國西北區(qū)地殼中的高速夾層的研究[2]、天山東北部地震的重新定位和一維地殼速度模型的改善[3]、新疆全區(qū)和分區(qū)地殼速度模型的分析[4-5]、格爾木地區(qū)近震波速及地殼厚度的研究[6]等。還有一些學(xué)者進(jìn)行了內(nèi)蒙古局部地殼結(jié)構(gòu)的研究，如：內(nèi)蒙古中部地區(qū)的殼-幔介質(zhì)分層結(jié)構(gòu)[7]、內(nèi)蒙古滿都拉地學(xué)斷面地震折射測深結(jié)果[8]、在對(duì)北京-懷來-豐鎮(zhèn)剖面地殼上地幔構(gòu)造與速度結(jié)構(gòu)中也得到了內(nèi)蒙古地區(qū)的結(jié)果[9]、鄂爾多斯地塊東南地帶Moho深度變化特征的研究[10]、在研究首都圈上地殼高精度三維P波速度模型時(shí)，也涉及到了內(nèi)蒙的燕山隆起區(qū)[11]等。

遠(yuǎn)震P波波形數(shù)據(jù)中包含了大量地震臺(tái)站下方地殼和上地幔速度間斷面所產(chǎn)生的PS轉(zhuǎn)換波及其多次反射波的信息，接收函數(shù)方法是反演臺(tái)站下方地殼結(jié)構(gòu)的有效手段。接收函數(shù)最早由Phinney提出[12]，目的是用遠(yuǎn)震體波來研究臺(tái)站下方的地殼及上地幔的結(jié)構(gòu)。Langston給出了源等效假定[13-14]，從長周期遠(yuǎn)震體波中分離出接收函數(shù)。Owens等[15]將此方法擴(kuò)展到寬頻帶地震數(shù)據(jù)的處理，并發(fā)展了接收函數(shù)的線性反演方法。近年來，隨著數(shù)字化觀測臺(tái)站和流動(dòng)觀測臺(tái)站的出現(xiàn)和增多，用接收函數(shù)計(jì)算地殼厚度的方法日趨成熟和完善。Zhu等[16]提出在H-Kappa域內(nèi)對(duì)多個(gè)接收函數(shù)進(jìn)行疊加的方法，并計(jì)算得到了中國青藏高原地區(qū)及美國洛杉磯盆地的地殼厚度和泊松比，接收函數(shù)及其反演方法獲得廣泛的應(yīng)用與不斷的改進(jìn)[17-26]。

本文中我們使用內(nèi)蒙古中西部8個(gè)臺(tái)站的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，采用頻率域反褶積方法獲得各臺(tái)站的接收函數(shù)，采用了Zhu等[15]2000年提出的綜合利用一次轉(zhuǎn)換震相 Ps及多次轉(zhuǎn)換震相 PpPs、PsPs、PpSs疊加搜索能量最大值的方法同時(shí)限定地殼厚度H、縱橫波速比（Kappa）等物理量。同時(shí)，我們使用內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)的觀測報(bào)告提取的縱波走時(shí)數(shù)據(jù)，使用走時(shí)公式計(jì)算地殼厚度，并將接受函數(shù)和走時(shí)計(jì)算的兩種計(jì)算結(jié)果和全球地殼模型crust1.0對(duì)比，評(píng)估結(jié)果和方法的一致性，分析內(nèi)蒙古中西部地殼厚度的分布特征。

1 方法和原理

1.1 接收函數(shù)方法計(jì)算地殼厚度和波速比

接收函數(shù)是某一深度上的介質(zhì)響應(yīng)，可以帶來臺(tái)站下方地下界面結(jié)構(gòu)和介質(zhì)性質(zhì)的信息。遠(yuǎn)震P波波形含有關(guān)于震源時(shí)間函數(shù)、源區(qū)介質(zhì)結(jié)構(gòu)、上地幔傳播路徑以及接收區(qū)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富信息。Langston[14]提出用震源等效化方法來消除有效震源時(shí)間函數(shù)對(duì)遠(yuǎn)震P波波形的影響，得到了接收函數(shù)。他認(rèn)為從一系列水平分層或傾斜分層介質(zhì)底部入射的平面P波產(chǎn)生的地表位移響應(yīng)在時(shí)間域可表示為：

式（1）中，S（t）代表入射平面波的有效震源時(shí)間函數(shù)，I（t）代表儀器的脈沖響應(yīng)，EV（t）、ER（t）、E（t）分別代表接收區(qū)介質(zhì)結(jié)構(gòu)脈沖響應(yīng)的垂直分量、徑向分量和切向分量。頻率域表示為：

理論計(jì)算與實(shí)際觀測表明，震中距在30°～95°的遠(yuǎn)震P波到達(dá)地震臺(tái)站下方時(shí)，可近似為垂直入射的平面波，臺(tái)站下方介質(zhì)響應(yīng)的垂直分量可近似為脈沖函數(shù)，可做如下近似：

于是，地震P波記錄的垂直分量可以近似為：

徑向和切向的介質(zhì)結(jié)構(gòu)相應(yīng)可表示為：

再將ER（ω）和ET（ω）分別反變換到時(shí)間域，即可得到介質(zhì)結(jié)構(gòu)的徑向接收函數(shù)ER（t）和ET（t）切向接收函數(shù)。

H-Kappa方法[15]是對(duì)于某一對(duì)確定的地殼厚度H和波速比к，對(duì)于不同P波射線參數(shù)p的接收函數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)換波和多次波的到時(shí)，再根據(jù)到時(shí)取出該接收函數(shù)的振幅值，按照一定比例權(quán)重累加在一起，如果H和к取值很合適，得到的振幅值的累加應(yīng)該是最大的,在深度和波速比張成的空間中進(jìn)行掃描搜索，從而得到最優(yōu)的H和к的值。轉(zhuǎn)換波的走時(shí)：

式中h為地殼厚度，p為入射波的射線參數(shù)。

1.2 使用縱波走時(shí)計(jì)算地殼厚度

地殼中直達(dá)波和莫霍面折射波的走時(shí)為：

tpg為地殼內(nèi)直達(dá)波走時(shí)， tpn為莫霍面折射波走時(shí)， Vg為地殼內(nèi)縱波波速，Vn為莫霍面縱波速度，H為地殼厚度，h為震源深度，Δ為震中距。從地震觀測報(bào)告中提取走時(shí)數(shù)據(jù)，將已知變量和未知變量分離，使用LSQR方法求解方程組，由（4）式求出地殼平均波速，由式（5）求出地殼厚度和莫霍面波速。

2 數(shù)據(jù)

符合接收函數(shù)H-Kappa方法的數(shù)據(jù)為震中距在30°～95°的遠(yuǎn)震，我們搜集了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)8個(gè)臺(tái)站的記錄的24個(gè)遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)，圖1為以（100°E， 40°N）為中心繪制的24個(gè)遠(yuǎn)震的極坐標(biāo)分布圖。首先對(duì)三分量的原始記錄作均值處理,去掉直流成分及去除儀器響應(yīng)的基礎(chǔ)上，取直達(dá)P波前10 s作為起始點(diǎn)，在100 s的時(shí)間窗內(nèi)截取P波波形，將水平分量旋轉(zhuǎn)到徑向和切向兩個(gè)方向；;然后用垂直分量分別對(duì)徑向分量和切向分量作反褶積,得到基本消除了路徑和震源影響的垂向和徑向接收函數(shù)，再用系數(shù)為2.5的高斯濾波對(duì)接收函數(shù)進(jìn)行低通濾波，在消除1 Hz以上高頻信號(hào)同時(shí)，保留遠(yuǎn)震波形的有效成分。

圖1 24個(gè)遠(yuǎn)震的分布圖Fig.1 The distribution map of 24 teleseisms

使用內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)2009年至2015年數(shù)據(jù)，地震2 651條，直達(dá)波（Pg）走時(shí)13 684條，莫霍面折射波（Pn）走時(shí)1 742條，計(jì)算地殼厚度。圖2是用于走時(shí)計(jì)算地殼厚度的地震分布圖。

3 結(jié)果和分析

圖3是8個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)結(jié)果，內(nèi)蒙古中西部8個(gè)臺(tái)站的地殼厚度范圍為39.7 km到54.9 km，平均地殼厚度45.7 km，波速比范圍1.58～1.83，平均值1.69，臺(tái)站結(jié)果的分布特征顯示西部地區(qū)的地殼厚度大于中部地區(qū)。圖4是8個(gè)臺(tái)站接收函數(shù)結(jié)果的空間分布。

全球地殼模型Crust 1.0[27]包含豐富的地球內(nèi)部信息，該模型將地殼結(jié)構(gòu)分為8層，地形和水層參考了ETOPO1模型，沉積層參考了沉積層模型，地殼厚度數(shù)據(jù)來自最新的主動(dòng)源方法和接收函數(shù)方法研究成果，無法使用上述方法的地區(qū)（如南極洲地區(qū)）的地殼厚度由重力方法獲得，上中下地殼的厚度和密度數(shù)據(jù)主要來自于地震資料,模型還經(jīng)過全球最新地震面波數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和修正。

圖2 提取走時(shí)的地震和臺(tái)站分布圖Fig.2 The distribution map of earthquakes and stations for p-wave travel time calculation

圖3 8個(gè)臺(tái)站接收函數(shù)結(jié)果圖Fig.3 Receiver function results of 8 stations

將縱波走時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算的地殼厚度，接收函數(shù)結(jié)果和crust 1.0對(duì)比，表1列出三者在8個(gè)臺(tái)站的地殼厚度值和接收函數(shù)的誤差，圖5給出三種結(jié)果的對(duì)比折線圖。其中走時(shí)計(jì)算所使用數(shù)據(jù)為臺(tái)站附近半徑2°范圍內(nèi)的地震事件的縱波走時(shí)?？梢?，三者基本一致，相對(duì)趨勢一致，接收函數(shù)和走時(shí)計(jì)算結(jié)果更加接近，均高與crust 1.0數(shù)據(jù)。

用觀測報(bào)告提取走時(shí)數(shù)據(jù)，以0.5°為步長，使用半徑為2°范圍內(nèi)的縱波走時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的地殼厚度，和crust 1.0數(shù)據(jù)對(duì)比。圖6為使用走時(shí)計(jì)算的結(jié)果和crust 1.0數(shù)據(jù)繪制的內(nèi)蒙古中西部地殼厚度分布對(duì)比圖，圖中顯示出走時(shí)計(jì)算結(jié)果和crust 1.0接近，相對(duì)趨勢一致，厚度值略高于crust 1.0。使用P波走時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算地殼厚度時(shí)，震相到時(shí)讀取誤差和深度測定誤差會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，同時(shí)地震數(shù)據(jù)的分布的不均勻也會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生影響，地震較少的區(qū)域結(jié)果穩(wěn)定性較差。

圖4 臺(tái)站地殼厚度分布圖Fig.4 The distribution map of station crustal thickness

表1 8個(gè)臺(tái)站位置接收函數(shù)、縱波走時(shí)計(jì)算結(jié)果和crust 1.0數(shù)據(jù)Table1 Results of receiver function，p-wave travel time calculation and crust 1.0

接收函數(shù)結(jié)果、縱波走時(shí)計(jì)算的結(jié)果和crust 1.0的moho面深度分布特征一致性較好，結(jié)果顯示內(nèi)蒙古中西部地殼厚度呈現(xiàn)由東向西逐漸增厚的分布特征，西南的鄂爾多斯塊體北緣地帶地殼厚度較大，東南的晉冀蒙交界地區(qū)地殼厚度值較低。

4 結(jié)語

使用接收函數(shù)H-Kappa方法，對(duì)內(nèi)蒙古中西部8個(gè)臺(tái)站的地殼厚度和波速比，內(nèi)蒙古中西部8個(gè)臺(tái)站的地殼厚度范圍為39.7 km到54.9 km，平均地殼厚度45.7 km，波速比范圍1.58～1.81，平均值1.69，臺(tái)站結(jié)果的分布特征顯示西部地區(qū)的地殼厚度大于中部地區(qū)。

使用由內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)觀測報(bào)告提取的縱波走時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用走時(shí)公式和LSQR算法計(jì)算內(nèi)蒙古中西部的地殼厚度，將結(jié)果和crust 1.0對(duì)比，結(jié)果顯示走時(shí)計(jì)算結(jié)果和crust 1.0接近，相對(duì)趨勢一致，厚度值略高于crust 1.0。

對(duì)比使用走時(shí)計(jì)算結(jié)果、接收函數(shù)結(jié)果和crust 1.0數(shù)據(jù)在8個(gè)臺(tái)站位置的地殼厚度，三種者基本接近，相對(duì)趨勢一致，接收函數(shù)和走時(shí)計(jì)算結(jié)果均高與crust 1.0數(shù)據(jù)。

經(jīng)過比較，接收函數(shù)結(jié)果、縱波走時(shí)計(jì)算的結(jié)果和crust 1.0的一致性較好，結(jié)果顯示，內(nèi)蒙古中西部地殼厚度由東向西逐漸增厚。

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Study on Crust Structure in the Midwestern Inner Mongolia Region

ZHANG Fan，HAN Xiaoming，WEI Jianming

（Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous，Huhhot 050051，China）

Receive function method and the data of p-wave travel time is used to calculate the thickness of the crust and wave velocity ratio in Midwest Inner Mongolia.Receive function results show that the crustal thickness range from 42.2 to 42.2，with the mean value of 45.7，and the wave velocity ratio range range from1.62 to 1.77，with the mean value of 1.70.Receive function result，p-wave travel time result and the crust 1.0 are similar,yet the first to is higher.Calculation results show that the crust thickness of Inner Mongolia Midwest gradually increase from east to west.

Seismic Network；Midwestern Inner Mongolia；Crustal thickness；Receiver function

P313

：A

：1001-8662（2017）01-0105-06

10.13512/j.hndz.2017.01.016

張 帆，韓曉明，魏建民.內(nèi)蒙古中西部地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究[J].華南地震，2017，37（1）：105-110.[ZHANG Fan，HAN Xiaoming，WEI Jianming.Study on Crust Structure in the Midwestern Inner Mongolia Region[J].South china journal of seismology，2017，37（1）：105-110.]

2016-11-25

張 帆（19-），男，。

E-mail：spacelessness@163.com.