南襄盆地及鄰區(qū)地殼厚度與泊松比研究

余尚江 成萬里 陳波 盧亞 陳賢 黃恩賢

河南省地震局，鄭州 450000

0 引言

秦嶺-大別構(gòu)造帶橫貫中國大陸中部，分割著華北與華南2大地震帶，與活躍的龍門山斷裂帶和郯廬斷裂帶緊密相連，地震活動具有頻繁、震級小、震源較淺的特點，位于該構(gòu)造帶中部的南襄盆地，便具有這種特點。由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景，南襄盆地在震相發(fā)育上有獨特之處：當(dāng)盆地內(nèi)的淅川、西峽等地發(fā)生地震時，在相隔30km的南陽臺（NY）的記錄中，出現(xiàn)直達(dá)P波、S波的反射波，震相特征非常明顯，而從震源往東，在南襄盆地內(nèi)部的內(nèi)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)平、南陽、唐河等地震相正常，均未出現(xiàn)反射波震相（王林昌等，2011）。需要說明的是，這2個區(qū)域地震的震中距均為30～100km。在鄰近臺站，如盧氏臺（LS）、平頂山臺（PDS）等，記錄到的南襄盆地震震相也存在這種現(xiàn)象。由震相基本理論可知，是否出現(xiàn)反射波應(yīng)與發(fā)震區(qū)的地殼介質(zhì)相關(guān)。若能探尋上述地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成信息，即可對解釋南襄盆地發(fā)育特殊震相提供重要幫助。

在地震學(xué)研究中，可以利用地震P波和S波來推斷地震波速度比vP／vS，進(jìn)而能夠測定出泊松比σ和地殼厚度，而泊松比和地殼厚度的給出就可以對研究區(qū)的物質(zhì)組成及殼幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的約束（許衛(wèi)衛(wèi)等，2005）。泊松比是了解地球內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成的一個非常重要的參數(shù)，其變化范圍介于-1.0～0.5之間。泊松比與巖石組分之間有著密切的關(guān)系，絕大多數(shù)巖石的泊松比為0～0.5，低泊松比可能預(yù)示著地殼物質(zhì)組成以長英質(zhì)成分為主，高泊松比則表明富含鐵鎂質(zhì)成分（嵇少丞等，2009）。若物質(zhì)中存在流體或熔體則會提高巖石的泊松比，并且溫度、壓力等因素對泊松比的影響很小（Zandt et al，1995；Christensen，1996；Ji et al，2002）。另外，地殼厚度的給出可以大致反映該區(qū)域的殼幔結(jié)構(gòu)。一般而言，同一地區(qū)地殼厚度基本恒定。若某個小區(qū)域地殼厚度增加，則可認(rèn)為是地幔物質(zhì)侵入了地殼，造成了地殼物質(zhì)的增生；反之，地殼厚度變薄，則意味著該區(qū)域地殼發(fā)生了后期改造。

目前，使用遠(yuǎn)震波形的接收函數(shù)計算泊松比和地殼厚度的研究結(jié)果較多（吳慶舉等，1998；Salah et al，2008；Yang et al，2011；Tugume et al，2012；Jo et al，2013；黃海波等，2014；高延光等，2014；齊剛等，2015；宮猛等，2015；Wei et al，2016），這些結(jié)果主要是利用泊松比去反演地殼物質(zhì)組成，同時利用地殼厚度去指示研究區(qū)地殼是否發(fā)生增生或拆沉作用。另外，也有部分結(jié)果（Salah et al，2011；鄭勇等，2013；沈玉松等，2013；錢輝等，2015；龔辰等，2016；鄧嘉美等，2016）使用泊松比和地殼厚度的橫向變化去追尋活動斷裂和大地震孕育環(huán)境等，一般來說，泊松比或地殼厚度急劇變化區(qū)域很有可能成為孕育大地震和活動斷裂的位置。

因此，本文旨在利用H-k疊加搜索的方法計算南襄盆地及鄰區(qū)的泊松比和地殼厚度，進(jìn)而試圖對南襄盆地地殼結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成等信息進(jìn)行約束，以期為南襄盆地發(fā)育特殊震相尋找可靠證據(jù)。

1 方法原理

基于寬頻帶地震計記錄到的遠(yuǎn)震P波波形（包含殼-幔速度間斷面的Ps轉(zhuǎn)換波等信息），為有效地提取臺站下方殼、幔結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息，消除震源時間函數(shù)和傳播路徑的影響，在對數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)、傾斜、均值及帶通濾波之后，需用遠(yuǎn)震P波的垂直分量對其徑向分量和切向分量作反褶積后得到時間序列，即P波接收函數(shù)。

在P波接收函數(shù)反映的遠(yuǎn)震記錄中，經(jīng)過一個速度間斷面到達(dá)地表的初至波有多個研究所需要的后續(xù)震相，它們分別為Ps、PpPs、PpSs+PsPs震相。這幾個續(xù)至波與初至P波之間的到時差分別為（Zhu et al，2000）

其中，H為地表到間斷面之間的厚度；vp、vS分別為該介質(zhì)層的平均P波、S波速度；p為射線參數(shù)（對于遠(yuǎn)震，P波在接收區(qū)近垂直入射和地球半徑已知的前提下，根據(jù)p＝r·sinλ／v可求射線參數(shù)p）。

給定地殼平均速度vP，在厚度H-波速比（k＝vP／vS）平面上，上述2組曲線是2條斜率不同、相交于一點的曲線。該交點給出了這一介質(zhì)層的厚度和波速比。由此可以在H-k平面上搜索2個震相疊加后的能量最大值，并得到間斷面埋深厚度及波速比。由波速比與泊松比的關(guān)系即可求得測定臺站下方區(qū)域內(nèi)地殼的泊松比

2 數(shù)據(jù)處理計算

此次共收集了27個數(shù)字地震臺站（圖1）的觀測數(shù)據(jù)，其中，河南臺網(wǎng)12個，湖北臺網(wǎng)14個，陜西臺網(wǎng)1個，覆蓋面積達(dá)3.2萬km2。我們從2014～2016年臺站記錄到的大量地震事件中挑選出震中距為30°～90°、具有清晰P波初動和高信噪比的遠(yuǎn)震波形。根據(jù)上述要求，共選出了145個地震事件，它們主要分布在環(huán)太平洋地震帶上（圖1）；然后根據(jù)地震發(fā)生時間對原始波形進(jìn)行截取，截取過程中利用PREM模型計算理論到時以協(xié)助直達(dá)P波的識別，截取的時間區(qū)間為直達(dá)P波到時的前20s和后100s；使用SAC軟件對截取的數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)、去傾斜、去均值，后使用頻率為0.05～2.00Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波；在檢查射線參數(shù)和各分量方位角后，將波形旋轉(zhuǎn)至R、T、Z方位；利用時間反褶積法提取各遠(yuǎn)震事件的接收函數(shù)波形（Owens et al，1984；Langston，1979）；對提取結(jié)果做人工檢查，剔除信噪比低、波形異常的接收函數(shù)，最終獲得2577條有效記錄，除河南許昌臺（XC）有效接收函數(shù)記錄數(shù)為35條外，其他臺站均大于80條。

圖1 測震臺站分布（a）及接收函數(shù)計算所用到的遠(yuǎn)震事件震中分布（b）

利用H-k疊加搜索法對這些臺站下方的地殼厚度和波速比進(jìn)行搜索，地殼平均P波速度設(shè)為6.3km／s（楊冬等，2008）；疊加過程中轉(zhuǎn)換S波震相Ps及其多次波PpPs、PpPs+Pp Ss的加權(quán)系數(shù)分別為0.7、0.2、0.1，地殼厚度控制在20～60km（王椿鏞等，2017），波速比為1.5～2.0（Ji et al，2008）（圖2）。

除竹溪臺未得到有效的接收函數(shù)外，此次通過H-k疊加搜索軟件下的子程序iter_decon計算共獲得了26個臺站下方的地殼厚度H、波速比k及其相應(yīng)的誤差 δH、δk（表1）。由表1可見，地殼厚度H高值區(qū)域主要集中在興山-竹山-商南區(qū)域，厚度為38～41km；低值區(qū)域分布在平頂山-駐馬店-南陽地區(qū)，厚度為30～32km。南襄盆地內(nèi)部的南陽、唐河、丹江、襄樊分別為31.4、34.1、35.4、33.5km，厚度差為±2km，整體呈現(xiàn)東北薄、西南厚的特征，其誤差δH均小于1.5km，反映數(shù)據(jù)基本真實可靠。

圖2 部分臺站接收函數(shù)疊加（a）及相應(yīng)臺站H／k疊加值（b）

從波速比k來看，高值區(qū)域位于房縣、興山一帶，其值為1.9～2.0；低值區(qū)位于商南附近，其值為1.60，差異較大，誤差δk均小于0.07，數(shù)據(jù)基本可靠。

表1 研究區(qū)臺站下方的地殼厚度H、波速比k及泊松比σ

3 分析討論

3.1 地殼厚度分布

由于中國大陸演化復(fù)雜，有關(guān)大陸地殼結(jié)構(gòu)、厚度的研究一直是地學(xué)界的焦點。馮銳（1985）利用Parker-Oldenburg位場反演方法對中國大陸重力、沉積及地震測深等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重力反演，得到中國地殼厚度分布結(jié)果，其中，位于太行-雪峰與秦嶺-大別交界位置的南襄盆及鄰區(qū)的地殼厚度為32～40km；隨著中國大陸人工地震工作的持續(xù)開展，眾多人工測深結(jié)果陸續(xù)問世，滕吉文等（2002）基于大量的人工地震數(shù)據(jù)計算出了東亞大陸及周邊海域的地殼厚度，南襄盆地及鄰區(qū)的厚度為32～42km，分布規(guī)律上展現(xiàn)出與地形起伏一致的東低西高的特點。與此同時，隨著中國大陸數(shù)字地震臺網(wǎng)的觀測運行，使用天然地震記錄反演地殼結(jié)構(gòu)成為可能。Li等（2014）、He等（2014）和Wei（2016）使用接收函數(shù)方法對分布在中國大陸的寬頻帶地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加搜索，得到了中國大陸地殼厚度分布，從其結(jié)果可知南襄盆地及鄰區(qū)的地殼厚度為30～42km，呈現(xiàn)東北薄、西南厚的特征。王椿鏞等（2017）利用接收函數(shù)方法計算出了大華北地區(qū)的地殼厚度與泊松比，其中，從黃淮地區(qū)、南襄盆地到鄂西地區(qū)地殼厚度由30km逐漸增加到42km。

根據(jù)本文計算結(jié)果，通過插值得到南襄盆地及鄰區(qū)的地殼厚度分布（圖3（a））。結(jié)果顯示，南襄盆地及鄰區(qū)的地殼厚度與地形變化間呈正相關(guān)，總體呈現(xiàn)出由NE向SW方向增厚的趨勢，這與研究區(qū)處于中國大陸二、三級階梯有密切的聯(lián)系。根據(jù)厚度分布，大致可分為3個梯度區(qū)，其中，第1梯度區(qū)（Ⅰ區(qū)）為藍(lán)色區(qū)域，主要對應(yīng)黃淮平原和南襄盆地部分地區(qū)，其地殼相對較薄，基本為30～33km，橫向變化不大，顯示地殼最薄處為平頂山臺所在的下方地殼，厚度為30.0km，這與王椿鏞等（2017）的計算結(jié)果“河淮地區(qū)為華北平原地殼厚度最薄的地區(qū)，僅為30km”一致；第2梯度區(qū)（Ⅱ區(qū)）為米黃色區(qū)域，主要對應(yīng)華北平原向東秦嶺-大別構(gòu)造帶過渡區(qū)域，地殼逐漸增厚，厚度為33～36km，鑲嵌在東秦嶺山脈中間的南襄盆地厚度基本屬于這一范圍；第3梯度區(qū)（Ⅲ區(qū)）為紅黃區(qū)域，主要對應(yīng)鄂西北、陜南等東秦嶺山脈地區(qū)，地殼相對最厚，厚度為36～41km。其中，興山臺所在區(qū)域的地殼為全區(qū)最厚，達(dá)到41.0km，接近第二級階梯地殼厚度42～44km的范圍。

圖3 南襄盆地及鄰區(qū)地殼厚度分布（a）及泊松比分布（b）①淅川-西峽震群：2008～2018年發(fā)生在淅川、西峽等地ML≥2.0地震，共16次

3.2 泊松比分布

一般而言，泊松比作為巖石的彈性力學(xué)參數(shù)，是探索地球內(nèi)部物質(zhì)成分和物理狀態(tài)的直接依據(jù)。Ji（2008）基于各種巖石密度和P波、S波速度隨圍壓變化的波速數(shù)據(jù)，計算了巖石圈中主要種類巖性的泊松比，他認(rèn)為：①在長英質(zhì)巖石，如花崗巖、花崗閃長巖以及閃長巖中，石英含量的增加會使巖石的泊松比減小，而長石含量的增加會使巖石的泊松比增加；②鐵鎂質(zhì)巖如輝長巖、輝綠巖以及基性片麻巖具有較高的泊松比，主要原因就是這些巖石不含石英，而含大量基性斜長石；③新鮮的橄欖巖較之輝長巖、輝綠巖和基性片麻巖具有較低的泊松比，但橄欖巖的泊松比實際上隨其蛇紋石化程度的增加而明顯地增加，原因是蛇紋石具有特別高的泊松比。

根據(jù)波速比計算結(jié)果進(jìn)行2次計算，得到了研究區(qū)的泊松比，通過插值得到泊松比的空間分布（圖3（b））。如圖3（b）所示，泊松比高值集中在房縣-興山附近，其中，房縣臺所在地區(qū)的泊松比為0.34，為研究區(qū)最高，同時在房縣周邊的興山、十堰等地也顯示出高泊松比，指示該地區(qū)地殼物質(zhì)廣泛存在鐵鎂質(zhì)巖體，這與該區(qū)大量出露的寒武-奧陶系的輝長巖、蘇長巖等鐵鎂質(zhì)基性巖恰好吻合。低值區(qū)主要位于商南-西峽-淅川一帶，最低值區(qū)位于商南地區(qū)，其值為0.18，與其鄰近的內(nèi)鄉(xiāng)、丹江、盧氏等地泊松比也為0.18～0.24，表明該區(qū)的商南-西峽-淅川一帶地殼中包含了較多的石英成分，即說明以花崗巖、花崗閃長巖等為代表的長英質(zhì)巖體在該區(qū)大量存在。這一推斷得到了野外地質(zhì)證據(jù)的驗證（王曉霞等，2015）：在商丹斷裂（F3）以南的劉嶺群中出現(xiàn)絹云母石英片巖、石英巖等，以及更靠南側(cè)的陡嶺群中出露新元古代混合片麻巖、混合花崗質(zhì)片麻巖等，基本處于泊松比低值區(qū)內(nèi)；處于朱夏斷裂（F2）和商丹斷裂（F3）之間的秦嶺雜巖群在商南-西峽出露的花崗巖以古生代Ⅰ型為主，巖石類型為片麻狀花崗閃長巖、黑云母花崗閃長巖和石英閃長巖等，也在計算得到的泊松比低值區(qū)內(nèi)；位于欒川-南召斷裂（F1）和朱夏斷裂（F2）之間的二郎坪群規(guī)模較大，包含了古生代黑云母花崗閃長巖，部分位于泊松比低值區(qū)內(nèi)。

值得注意的是，上述低值區(qū)揭示著長英質(zhì)巖體自商南經(jīng)西峽一直向東至少延伸到淅川境內(nèi)，這一點可從南陽凹陷的鉆探記錄中得到驗證：在盆地西側(cè)的鎮(zhèn)平淺1井中鉆取到陡嶺群巖芯，在鎮(zhèn)平淺2井中鉆到劉嶺群的巖石芯樣，它們均富含長英質(zhì)巖石（劉紹龍等，1998）。另外，基于各構(gòu)造巖相帶均受到商丹、朱夏等NW向斷裂圍限的事實，以及對盆地兩側(cè)構(gòu)造巖相鉛同位素的研究表明，盆地東南側(cè)的桐柏地區(qū)是秦嶺造山帶的構(gòu)造東延部分，桐柏斷裂為商丹斷裂在盆地東側(cè)的延續(xù)（Zhang et al，1997；張宏飛等，1999）。由此可推斷，西側(cè)的二郎坪群、秦嶺群、陡嶺群和劉嶺群等構(gòu)造巖相可能沿斷裂向東延伸到盆地內(nèi)部，在淅川、西峽一帶與盆地的沉積地層形成某種接觸關(guān)系，因介質(zhì)的較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致地震射線在傳播過程中出現(xiàn)反射。

4 結(jié)論

（1）南襄盆地及鄰區(qū)的地殼厚度與地形變化關(guān)聯(lián)緊密，呈現(xiàn)出由NE向SW方向增厚的趨勢，地殼厚度為30～41km。

（2）泊松比高值區(qū)集中在房縣-興山附近，其值為0.31～0.34，可能與區(qū)域內(nèi)大量出露寒武-奧陶系的輝長巖、蘇長巖等鐵鎂質(zhì)基性巖相關(guān)；低值為0.18～0.24，分布在商南-西峽-淅川一帶，與區(qū)域內(nèi)存在大量的長英質(zhì)巖有關(guān)，它們與南襄盆地內(nèi)的新生代沉積地層形成整合接觸關(guān)系。由此可推斷，在淅川、西峽一帶存在因介質(zhì)的較大差異而導(dǎo)致地震射線在傳播過程中出現(xiàn)反射的可能。

考慮到地震反射的物理機制，我們認(rèn)為應(yīng)該存在一個規(guī)模較大的巖層帶，并且?guī)r層帶與盆地沉積形成某種接觸關(guān)系。然而，僅通過本文的泊松比數(shù)據(jù)無法進(jìn)一步驗證，需要搜集此區(qū)域的地球物理勘探、地質(zhì)等證據(jù)，以進(jìn)一步證實上述推斷。

致謝：衷心感謝審稿人對本文的熱心指導(dǎo)；感謝中國科學(xué)院南海海洋研究所黃海波博士在波形數(shù)據(jù)處理方面的耐心指導(dǎo)；感謝廣東省地震局沈玉松博士對本文GMT繪圖提供幫助。