利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)探測(cè)襄樊臺(tái)下方地殼厚度及泊松比＊

劉 遷 趙 瑞 栗 寧

1)中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

引言

地殼厚度作為地殼結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，指示了所在區(qū)域的大地構(gòu)造特征，波速比、泊松比也反映了地下物質(zhì)組分、介質(zhì)特性的變化。接收函數(shù)作為研究地殼結(jié)構(gòu)的方法之一，對(duì)速度梯度較為敏感[1]。遠(yuǎn)震P波在穿過(guò)臺(tái)站下方速度間斷面時(shí)產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換波及多次轉(zhuǎn)換波（PpPs、PpSs）能夠在接收函數(shù)上明顯顯示[2-4]。通過(guò)分析遠(yuǎn)震接收函數(shù)可獲得精細(xì)的地殼結(jié)構(gòu)，物質(zhì)組分、演化等信息[5-7]。

襄樊地震臺(tái)地處南秦嶺造山帶南襄斷陷盆地與上揚(yáng)子臺(tái)緣褶帶過(guò)渡部位，NW-SE走向的襄樊—廣濟(jì)斷裂帶由臺(tái)站西南方向通過(guò)，距離該斷裂約6 km；南面則分布NNW向南漳、鐘祥斷裂，周邊斷層構(gòu)造分布廣泛（圖1）。2018年9月8日17時(shí)35分湖北襄陽(yáng)發(fā)生M2.5地震，該地震震中距襄樊地震臺(tái)僅4 km，該地震發(fā)生后，陸續(xù)又發(fā)生過(guò)多次余震，地震活動(dòng)趨于活躍。本文利用襄樊地震臺(tái)2015—2018年間記錄的112個(gè)高信噪比遠(yuǎn)震波形，提取了P波接收函數(shù)，用H-k疊加方法獲得了臺(tái)站下方地殼厚度、波速比及泊松比，為該地區(qū)精細(xì)的地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 臺(tái)站周邊斷層分布圖Fig.1 Distribution of faults around Xiangfan seismic station

1 數(shù)據(jù)資料處理

本文收集了2015—2018年襄樊地震臺(tái)記錄的112個(gè)遠(yuǎn)震波形事件，這些地震事件震中距30°—90°，震級(jí)5.5級(jí)以上（含5.5級(jí)），三分量齊全，震相清晰，信噪比較高（圖2）。在提取接收函數(shù)之前，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下預(yù)處理：①截取P波到時(shí)前50 s，后100 s地震波形數(shù)據(jù)；②對(duì)截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去儀器響應(yīng)、去傾斜、去均值、重采樣、0.05—2 Hz帶通濾波；③將三分量記錄ENZ旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標(biāo)系下；④用垂直分量分別對(duì)徑向分量和切向分量在時(shí)間域作最大熵譜反褶積，得到了消除路徑和震源影響后的垂向和徑向接收函數(shù)。

2 H-k疊加原理

由反褶積獲得的徑向接收函數(shù)有直達(dá)P波，Ps波，多次反射波PpPs，PsPs+PpSs等震相，這些震相的到時(shí)與莫霍面的深度H，P波和S波的速度vP,vS是相關(guān)聯(lián)的，采用公式（1）來(lái)計(jì)算地殼厚度H[8]。tPs、tPpPs、tPsPs分別為Ps、PpPs、PsPs（PpSs）震相與P波的到時(shí)差。

式中，vP,vS分別為P、S波的平均速度，p為射線參數(shù)，遠(yuǎn)震P波到達(dá)接收區(qū)以近乎垂直入射。在已知地球半徑及地殼平均P波速度的前提下，根據(jù)p=r·sinλ/V可以求得射線參數(shù)p。然后就可以求出莫霍面深度H，波速比k=vP/vS。

圖2 遠(yuǎn)震事件分布圖Fig.2 Locations of the teleseismic events

在進(jìn)行H-k疊加時(shí)，每個(gè)H和k都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)到時(shí)，根據(jù)到時(shí)可以獲得其在接收函數(shù)中對(duì)應(yīng)的振幅，這些振幅按照公式（2）進(jìn)行疊加，對(duì)在一定范圍內(nèi)的H和k進(jìn)行掃描，得到最大振幅的位置，即是求得的地殼厚度和波速比，這種方法便是H-k疊加。

其中，r表示不同震相到時(shí)下的振幅，ωi(i=1,2,3)為權(quán)重系數(shù)且滿足ω1+ω2+ω3=1。然后，用式（3）根據(jù)波速比k可得到地殼平均泊松比

3 結(jié)果分析

圖3顯示了襄樊臺(tái)接收函數(shù)及H-k疊加掃描結(jié)果。由圖可以看出，有效遠(yuǎn)震事件主要分布在反方位角30°—60°、120°—210°和285°—300°之間，不同方位角的Ps轉(zhuǎn)換波清晰，Ps震相幾乎在一條線上，疊加清晰。Ps后續(xù)震相如PpPs等顯得略微模糊，主要與波形噪聲干擾有關(guān)。研究結(jié)果顯示，襄樊臺(tái)下方地殼厚度為35 km、波速比為1.66、泊松比為0.22。其地殼厚度低于十堰臺(tái)44.8 km及房縣臺(tái)42.5 km，高于荊門臺(tái)34.5 km及鐘祥臺(tái)34.6 km[9]，由此可知，襄樊臺(tái)處于西部山區(qū)厚地殼與中東部薄地殼的過(guò)渡地帶，周邊臺(tái)站地殼厚度變化較大。波速比略低于大陸地殼平均波速比1.76[10]。高泊松比往往對(duì)應(yīng)地殼內(nèi)部鐵鎂質(zhì)含量增多或者殼幔物質(zhì)上涌造成地殼部分熔融，而低泊松比多對(duì)應(yīng)于脆性石英質(zhì)介質(zhì)，這意味著在外力作用下，殼內(nèi)應(yīng)力積累會(huì)更多地集中于低泊松比區(qū)[11]。襄樊臺(tái)泊松比略微偏低，存在因區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力積累發(fā)生微小地震的可能性。

圖3 疊加后的接收函數(shù)以及H-k掃描疊加結(jié)果Fig.3 Receiver functions after stacking and the H-k stackingresult

4 結(jié)論

本文利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)的方法得到了襄樊臺(tái)下方地殼結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，經(jīng)分析獲得以下認(rèn)識(shí)：

（1）襄樊臺(tái)地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)中有效遠(yuǎn)震事件主要集中于環(huán)太平洋地震帶、地中海—喜馬拉雅地震帶。這些地震往往震級(jí)較大、信噪比高，直達(dá)P波，Ps轉(zhuǎn)換波，多次反射波PpPs，PsPs+PpSs等震相較為清晰，準(zhǔn)確率高。

（2）襄樊臺(tái)下方地殼厚度為35 km，略高于大陸地殼平均厚度33 km，處于西部山區(qū)厚地殼與中東部薄地殼的過(guò)渡地帶，周邊臺(tái)站地殼厚度變化較大。

（3）泊松比為0.22，數(shù)值略微偏低，存在因區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力積累發(fā)生微小地震的可能性。

致謝

感謝朱露培老師提供了理論接收函數(shù)的程序，數(shù)據(jù)處理與繪圖中使用了SAC（Seismic Analysis Code）和GMT5軟件，在此一并表示感謝。