基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)研究江蘇地區(qū)地殼厚度和泊松比

李婷婷 劉利 范文華 孫業(yè)君

摘要：根據(jù)江蘇數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)32個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震波形資料，使用時(shí)間域反褶積的方法提取P波接收函數(shù)，由H-K疊加搜索方法反演得到各臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比。結(jié)果表明：①江蘇地區(qū)地殼厚度整體呈現(xiàn)自東向西增厚趨勢(shì)，具有明顯的空間分布特征，與該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景有較好的對(duì)應(yīng)。主要表現(xiàn)為：蘇魯造山帶地區(qū)地殼厚度高于其周邊地區(qū);華北板塊的地殼厚度變化比較平緩，主要為32～33 km;下?lián)P子板塊地區(qū)的地殼厚度變化較大，為27～34 km，位于該區(qū)中東部大陸邊緣地區(qū)的臺(tái)站下方平均地殼厚度約為28 km。②研究區(qū)泊松比為0.22～0.28，受高壓和超高壓變質(zhì)巖帶影響，蘇魯造山帶及周邊地區(qū)的泊松比較高;下?lián)P子板塊的茅東斷裂及周邊地區(qū)的泊松比變化明顯，呈高低相間分布，且泊松比高值區(qū)及變化明顯區(qū)與地震活動(dòng)性具有一定的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：接收函數(shù);H-K疊加;地殼厚度;泊松比

中圖分類號(hào)：P315.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0680-09

0引言

自Phinney（1964）提出使用遠(yuǎn)震體波轉(zhuǎn)換波研究臺(tái)站下方地殼、上地幔結(jié)構(gòu)以來(lái)，接收函數(shù)方法便成為地球科學(xué)研究者探究地球內(nèi)部圈層間斷面、速度結(jié)構(gòu)以及獲取地下異常信息的主要手段之一。Langston（1977，1979）對(duì)原有方法進(jìn)行改進(jìn)，在原本的時(shí)域數(shù)值模擬中加入相位信息的同時(shí)，提出震源等效假定模型，消除了震源時(shí)間函數(shù)差異對(duì)P波的影響;Owens等（1984）將此方法進(jìn)一步擴(kuò)展到寬頻帶數(shù)據(jù)處理中，完成了接收函數(shù)最大峰值的歸一化;其后Ammom（1991）改進(jìn)反褶積法、Cassidy（1992）引入絕對(duì)振幅、Yuan等（1997）提出接收函數(shù)偏移疊加法，F(xiàn)arra和Lev（2000）提出S波接收函數(shù)方法，至此，體波接收函數(shù)理論被正式建立。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在接收函數(shù)及其反演方法的研究工作上取得了豐富的研究成果。Zhu和Hiroo（2000）提出H-K疊加搜索方法，利用接收函數(shù)波形數(shù)據(jù)中包含的大量轉(zhuǎn)換波及多次轉(zhuǎn)換波信息，研究臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比，且該方法在實(shí)際應(yīng)用中不斷被改進(jìn)（賀傳松等，2003;王小平等，2005;李永華等，2009;劉春等，2009;賈麗華等，2010;張廣成等，2013;洪德全等，2013;張瑩瑩等，2015;王興臣等，2017;韓如冰等，2019;張?zhí)炖^等，2010），為了解區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造應(yīng)力分布等提供了重要依據(jù)。

近年來(lái)，研究人員對(duì)于江蘇地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和巖石性質(zhì)也陸續(xù)開(kāi)展了一些研究，特別是蘇魯造山帶板塊地區(qū)的超高壓變質(zhì)巖帶引起了廣泛關(guān)注（Xu et al，1992;徐佩芬等，2000;徐紀(jì)人，趙志新，2004;黃耘等，2006;賈根等，2016），部分研究者還使用體波接收函數(shù)反演了該區(qū)的地下結(jié)構(gòu)（王小平等，2006;洪德全等，2013;陳昊，2016），均取得了較為豐富的研究成果。但前人的研究主要集中在某一特定地區(qū)（蘇魯造山帶或下?lián)P子地區(qū)等），缺乏對(duì)江蘇地區(qū)更高分辨率、更大范圍內(nèi)地殼厚度及泊松比變化的研究。因此，本文基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)方法，使用H-K疊加搜索反演江蘇地區(qū)臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比，為更好地認(rèn)識(shí)江蘇地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)等變化提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)研究江蘇地區(qū)地震活動(dòng)性、構(gòu)造應(yīng)力分布以及地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等也具實(shí)用價(jià)值。

1研究方法與數(shù)據(jù)選取

在時(shí)間域，地震計(jì)記錄的三分量遠(yuǎn)震P波信號(hào)可以表示成震源時(shí)間函數(shù)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及儀器響應(yīng)的褶積。遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)反映了臺(tái)站下方的速度結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其主要計(jì)算原理是在震源等效性假設(shè)下，使用原始記錄波形的垂直分量對(duì)水平分量進(jìn)行反褶積運(yùn)算，可以很大程度上消除震源和傳播路徑的影響，進(jìn)而提取到接收區(qū)介質(zhì)響應(yīng)的徑向和切向分量，即為P波接收函數(shù)，具體計(jì)算方法與公式可參見(jiàn)Langston（1979）以及Owens等（1984）的研究。本文采用時(shí)間域反褶積方法進(jìn)行接收函數(shù)的計(jì)算與提取，接收函數(shù)波形包含了在各臺(tái)站下方不同速度間斷面所產(chǎn)生的大量轉(zhuǎn)換波和多次轉(zhuǎn)換波震相，主要有Ps，PpPs和PpSs+PsPs震相。

H-K疊加搜索方法可以批量處理大量的波形數(shù)據(jù)，利用接收函數(shù)的時(shí)間和振幅，將不同震中距、不同方位角的接收函數(shù)進(jìn)行疊加來(lái)提高信噪比，從而有效壓制地殼結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性，求得平均地殼模型。本文采用Zhu和Hiroo（2000）改進(jìn)后的H-K疊加搜索方法反演研究區(qū)臺(tái)站下方地殼厚度與波速比，在給定平均P波速度的前提下，對(duì)每個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)進(jìn)行H和K掃描，得到最大振幅的位置，即是該臺(tái)站下方的平均地殼厚度和波速比。

地震研究43卷第4期李婷婷等：基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)研究江蘇地區(qū)地殼厚度和泊松比自2007年10月“十五”項(xiàng)目完成后，江蘇數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)共有38個(gè)數(shù)字化臺(tái)站，其中蘇南、蘇北地區(qū)臺(tái)站布設(shè)相對(duì)密集，多為地表觀測(cè);蘇中及沿海地區(qū)臺(tái)站因松散沉積層較厚，多為井下觀測(cè)，臺(tái)站布設(shè)相對(duì)稀疏。臺(tái)站觀測(cè)地震計(jì)多為寬頻帶地震計(jì)，主要型號(hào)有Guralp CMG-3ESPC，Guralp CMG-3T以及JDF-2 seismometer，數(shù)采型號(hào)主要有CMG-DM24和EDAS-24IP，采樣率均為100 Hz。前山島、陽(yáng)光島、興化以及漣水等6個(gè)臺(tái)站因儀器類型不合適或觀測(cè)儀器故障導(dǎo)致波形質(zhì)量較差，故舍去這幾個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)。

本文使用的數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心（鄭秀芬等，2009），下載2014—2018年32個(gè)臺(tái)站記錄的震中距在30°～90°，M≥5.5的遠(yuǎn)震事件，經(jīng)過(guò)前期數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終確定符合條件的地震事件共計(jì)449個(gè)，主要分布在環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶。通過(guò)對(duì)本文所選的449個(gè)遠(yuǎn)震地震事件波形進(jìn)行處理，得到了江蘇地區(qū)32個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)，并使用H-K疊加搜索方法對(duì)記錄清晰、信噪比較高的32個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)進(jìn)行地殼厚度和波速比反演。最后根據(jù)波速比與泊松比的換算公式，將疊加后的波速比結(jié)果轉(zhuǎn)換為泊松比，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

4結(jié)論與討論

本文通過(guò)遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)和H-K疊加搜索方法得到了江蘇地區(qū)32個(gè)臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比，與江蘇及鄰區(qū)人工地震、天然地震層析成像以及其它相關(guān)研究結(jié)果具有較好的一致性（黃耘等，2006;陳昊，2016;李婷婷等，2019）。研究區(qū)地殼厚度與泊松比主要有以下特征：

（1）江蘇地區(qū)總體地殼厚度為27～35 km，莫霍面具有一定的起伏。其中，蘇魯造山帶的地殼厚度明顯高于周邊地區(qū)，為33～35 km;華北板塊的地殼厚度變化比較平緩，為32～33 km;下?lián)P子板塊的地殼厚度跨度較大，為27～34 km，位于該區(qū)大陸中東部邊緣平均地殼厚度只有28 km，而位于蘇南被動(dòng)陸緣的鎮(zhèn)江臺(tái)地殼厚度達(dá)33.9 km。

（2）江蘇地區(qū)地殼厚度整體表現(xiàn)為自東向西增厚趨勢(shì)，且與區(qū)域地表地形構(gòu)造背景基本一致，即位于蘇魯造山帶和揚(yáng)子板塊山脈隆起區(qū)域的臺(tái)站地殼厚度較厚，如連云港、徐州及鎮(zhèn)江臺(tái)等;位于蘇北—南黃海盆地?cái)噗陞^(qū)域的臺(tái)站地殼厚度較薄，如射陽(yáng)、淮安以及海安臺(tái)等。

（3）研究區(qū)泊松比為0.22～0.28，與該區(qū)的地殼厚度沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但局部區(qū)域的分布特征較為明顯。其中，蘇魯造山帶及周邊地區(qū)泊松比較高，主要受元古代變質(zhì)巖的變質(zhì)作用與印支運(yùn)動(dòng)期超高壓變質(zhì)作用的疊加影響，蘇魯造山帶地區(qū)含有大量的高壓、超高壓變質(zhì)巖片，這些變質(zhì)巖經(jīng)過(guò)沉積形成了大量的基性巖和超基性巖，具有較高的泊松比;下?lián)P子板塊的茅東斷裂及其周邊地區(qū)泊松比為0.23～0.27，區(qū)域內(nèi)泊松比變化劇烈，如溧水臺(tái)高達(dá)0.269，而距其很近的溧陽(yáng)臺(tái)低至0.235，這可能與該區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

（4）研究區(qū)地震活動(dòng)性與泊松比具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，泊松比高值區(qū)或變化明顯區(qū)可能是中強(qiáng)地震活躍地區(qū)。江蘇陸地地區(qū)歷史中強(qiáng)震主要分布在蘇北徐州地區(qū)、郯廬斷裂帶及周邊地區(qū)和蘇南茅山斷裂帶附近區(qū)域，而泊松比分別表現(xiàn)出了高值異常和變化劇烈的現(xiàn)象。受地下結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)和區(qū)域應(yīng)力的綜合影響，造成了研究區(qū)地震活動(dòng)分布的差異性。

本文研究獲得的地殼厚度和泊松比結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)江蘇地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)以及構(gòu)造應(yīng)力分布具有意義，結(jié)果基本可靠，對(duì)該區(qū)的地震活動(dòng)性與孕震構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性問(wèn)題提供了基本參考信息。但受研究區(qū)臺(tái)站分布、臺(tái)站數(shù)量以及接收函數(shù)質(zhì)量的影響，只獲得了32個(gè)臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比信息，還不能詳盡地描述江蘇地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)。后期會(huì)利用更多的資料和面波頻散以及接收函數(shù)聯(lián)合反演等其它方法對(duì)研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的研究。

感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的王旭博士給予的支持與幫助。

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Crustal Thickness and Ratio of Poisson in Jiangsu Area

by Teleseismic Receiver Function

LI Tingting，LIU Li，F(xiàn)AN Wenhua，SUN Yejun

（Jiangsu Earthquake Agency，Nanjing 210014，Jiangsu，China）

Abstract

In this paper，we calculate P-wave receiver functions by time domain deconvolution method under the 32 stations in Jiangsu Province from threecomponent digital waveform data of teleseismic earthquake events and obtain the thickness and average poissons ratio in the crust of this area by H-K stacking.The results show that：①The crustal thickness in Jiangsu area has a thickening trend from east to west and obvious spatial distribution characteristics，which has a good correspondence with the geological tectonic setting，The first one is the crustal thickness in the Sulu orogenic belt area is higher than that in the surrounding area;the second one is the crustal thickness in the North China plate is relatively flat，mainly between 32 km and 33 km;and the last one is the crustal thickness in the Lower Yangtze plate area varies greatly between 27 km and 34 km and the average crust thickness in the central and eastern continental margins of this area is about 28 km.②The poissons ratio in the study area is between 0.22 and 0.28.Because of the high-pressure and ultra-high-pressure metamorphic rocks，the poissons ratio located below the Sulu orogenic belt and the surrounding area is higher.The poissons ratio changes significantly and shows a high and low phase distribution in the Maodong fault and its surrounding area which is located in the lower Yangtze block，and the higher poissons ratio area and the changing poissons ratio area have a certain relationship with the seismic activity.

Keywords：receiver function;H-K stacking;crustal thickness;poissons ratio