利用接收函數(shù)H-k-c疊加方法研究新源地震臺下方地殼厚度和泊松比

鄭雪剛　馬學(xué)軍　趙鵬畢

摘要：以新源地震臺2016—2020年記錄的震中距在30°～90°的遠震波形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用時間域迭代反褶積方法提取遠震P波接收函數(shù)，采用一種具有諧波校正的廣義接收函數(shù)H-k疊加方法H-k-c 計算臺站下方的地殼厚度及泊松比。結(jié)果表明H-k-c方法明顯改善地殼厚度和泊松比的估計，新源地震臺下方地殼平均厚度約56.3 km，泊松比約0.25。

關(guān)鍵詞：? 接收函數(shù)； 地殼厚度； 泊松比； H-k-c

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.007

地震波數(shù)據(jù)常常被用來研究地球的內(nèi)部構(gòu)造，為獲得更加接近實際的地殼厚度，國內(nèi)外學(xué)者們發(fā)展了各種方法，如走時層析成像方法、人工震源探測和接收函數(shù)方法。與前2種方法相比，接收函數(shù)方法在地殼深部結(jié)構(gòu)的分辨率和觀測資料獲取成本上具有較為顯著的優(yōu)勢［1］。接收函數(shù)是地震臺站下方的地球結(jié)構(gòu)對入射遠震波的響應(yīng)，由在結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生的一次轉(zhuǎn)換波和多次反射波組成，通常用于對地球的主要界面進行成像［2-4］。來自入射P波的接收函數(shù)中Moho面轉(zhuǎn)換的Ps震相長期以來一直用于確定地震臺站下方的地殼厚度，這是了解區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造演化的重要參數(shù)，但與平均地殼波速比存在很強的權(quán)衡，通過在計算中加入Ps的地殼多次反射/轉(zhuǎn)換波，可以減少權(quán)衡。Zhu和Kanamori發(fā)展的H-k方法已被廣泛用于通過H和k值的網(wǎng)格搜索來估計地殼的厚度和平均波速比［4］。對于給定的地殼厚度和波速比值，在Ps及其地殼多次波（PpPs和PpSs+PsPs）的預(yù)測到時疊加接收函數(shù)的振幅。但是，該方法在計算地殼結(jié)構(gòu)時往往存在對研究區(qū)域地殼各向同性及莫霍面平坦的假設(shè)，然而在地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)樣本有限的情況下，H-k結(jié)果可能存在偏差。Li［5］等人合成測試表明，當(dāng)存在方位各向異性或莫霍面傾斜的情況下，復(fù)雜地殼結(jié)構(gòu)對地殼多次波到時的變化影響可以是Ps的5～6倍，這會使H-k的估計產(chǎn)生偏差。2019 年李江濤等［6］在傳統(tǒng)H-k疊加的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種校正地殼各向異性和傾斜界面對P波接收函數(shù)H-k疊加影響的方法H-k-c，該方法可以更可靠地估算地殼厚度和地殼波速比，尤其是校正了地殼各向異性對波速比的影響，使地殼波速比的誤差更小。李江濤等人采用H-k-c方法計算中國大陸40個不同地質(zhì)環(huán)境的觀測臺站的地殼厚度及波速比，驗證了其可行性，結(jié)果表明，諧波校正后，地殼多次波更清晰，疊加能量更強，H-k值更可靠。新方法與傳統(tǒng)的H-k疊加所計算的地殼厚度（最大約5.0 km）和地殼波速比（最高約為0.09）在山區(qū)存在較大差異，而山區(qū)地殼結(jié)構(gòu)往往更加復(fù)雜。

新源地震臺位于新疆天山褶皺系西部的伊犁地塊河谷東段。伊犁地塊，北以伊犁盆地北緣斷裂為界，南以那拉提斷裂為界，包括伊犁盆地及周邊山地，為三角形地帶。區(qū)域內(nèi)地形、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣（圖1）。已有研究表明，北天山區(qū)域地下存在復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu)［7］，而各向異性會造成H-k疊加方法結(jié)果的偏差。本文中選取新源地震臺2016—2020年記錄的三分量地震波形，應(yīng)用接收函數(shù)H-k-c方法研究新源地震臺下方的地殼厚度及泊松比，并分析討論H-k-c方法對疊加結(jié)果的改進，同時也能為深入認識新疆天山地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和采用相同方法研究新疆其他區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)提供必要參考。

1研究方法

接收函數(shù)Ps及其地殼多次波的諧波校正的廣義H-k方法（H-k-c），主要是通過在疊加徑向接收函數(shù)之前校正傾角和各向異性效應(yīng)來改進地殼厚度和波速比的估計。該方法包括4個主要步驟：（1） 應(yīng)用傳統(tǒng)的H-k疊加得到Ps和地殼多次波的參考到達時間；（2） 對所有接收函數(shù)執(zhí)行入射時差校正；（3） 獲得莫霍面一次轉(zhuǎn)換波Ps和地殼多次波反方位角變化的諧波擬合；（4） 執(zhí)行H-k-c，使用（3）中的參數(shù)來校正Ps和多次波的徑向接收函數(shù)，并使用校正后的徑向接收函數(shù)重新進行H-k疊加計算地殼厚度和地殼波速比。

1.1提取接收函數(shù)

1.2接收函數(shù)的H-k疊加搜索方法

1.3事件時差校正和反方位角分檔

在對徑向接收函數(shù)進行諧波擬合之前，先對接收函數(shù)事件進行時差校正［12］和反方位角分檔，隨著射線參數(shù)p的增加（由于震中距的減小導(dǎo)致入射角的增加）將導(dǎo)致徑向接收函數(shù)中莫霍面Ps到時的增加和M1、M2多次波到時的減小，這也意味著Ps的正時差和M1、M2的負時差［12-13］。如果不進行校正，那么不同射線參數(shù)引起的到時變化會被錯誤的映射為傾斜界面和地殼各向異性的反方位角變化。使用一維速度模型IASP91分別計算Ps、M1和M2的到時差，并將其分別校正為0.06 s/km的參考射線參數(shù)［12］。隨后，為了均衡各個方位角的權(quán)重，獲得相對均勻的反方位角覆蓋，同時避免徑向接收函數(shù)在反方位角密集區(qū)過度加權(quán)，將校正后的徑向接收函數(shù)按每5°的反方位角進行分檔疊加［13］。

1.4諧波擬合和H-k-c疊加

2數(shù)據(jù)選取與計算

選取新疆地震臺網(wǎng)中心新源地震臺2016—2020年的遠震波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選取原則為P波清晰，震中距30°～90°，震級5.5以上（圖2）。對各個地震事件截取P波到時前10 s之后60 s的三分向波形，去除儀器響應(yīng)，去除波形數(shù)據(jù)中的均值和線性趨勢并將其減采樣至10 Hz，應(yīng)用0.05～2 Hz的帶通濾波器，然后利用反方位角把原始地震記錄旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標系（垂向、徑向和切向），采用時間域迭代反褶積算法計算臺站下方的接收函數(shù)。在計算中采用高斯系數(shù)為2.5的濾波器對P波接收函數(shù)作低通濾波進而消除1.2 Hz以上的高頻噪聲。最后，挑選接收函數(shù)波形干擾較小的地震事件做H-k-c掃描與疊加，計算出新源臺下方平均地殼厚度、波速比和泊松比。其中新源臺下方的地殼P波平均速度參照肖序常等［17］、董連慧等［18］結(jié)果給定6.2 km/s，Ps、M1、M2的相對權(quán)重分別0.7、0.2、0.1，平均地殼厚度搜索范圍為40～70 km，波速比的搜索范圍為1.5～2.0。

3分析與討論

對所有的徑向接收函數(shù)按反方位角分類并進行檢查以識別和去除接收函數(shù)中波形不一致或者是負振幅的直達P波，最終得到了119條徑向接收函數(shù)用于H-k-c疊加計算。圖3為新源臺徑向接收函數(shù)中Ps（a）、M1（b）和M2（c）到時的諧波擬合以及諧波校正前（d）后（e）的H-k疊加結(jié)果。由圖3可以看出，新源臺下方具有非常清晰的Ps相位，而地殼多次波M1和M2相對較弱，表明新源臺下方地殼多次波較為復(fù)雜，同時所有相位都顯示出明顯的反方位角變化，但M1和M2的變化幅度明顯大于Ps。圖3d和3e顯示了諧波校正前后的地殼厚度和地殼波速比的差異，可以看出諧波校正明顯改善了H-k疊加圖，校正后的結(jié)果誤差橢圓小得多。

3.1地殼厚度

使用H-k-c疊加方法得到新源臺下方平均地殼厚度為56.3±2.3 km，此結(jié)果與劉文學(xué)、唐明帥等人采用接收函數(shù)方法得到新源臺地殼厚度約59.1 km［19］、53.7 km［20］，林關(guān)玲林關(guān)玲，劉春涌.新疆銅礦成礦預(yù)測研究課題研究報告.新疆地礦局地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，1995.采用布格重力異常資料得到的新源鄰區(qū)地殼平均厚度54 km基本相一致。

由于采用的研究數(shù)據(jù)、使用的計算方法和速度模型等的不同，所得到的地殼厚度也有不同程度的差異，布格重力異常資料得到的是研究區(qū)域的地殼平均厚度，而接收函數(shù)方法得到的是一個站點下方的地殼厚度。相對來說，針對某一站點下方的地殼厚度，接收函數(shù)方法比布格重力異常資料得到的地區(qū)地殼平均厚度更準確。使用接收函數(shù)H-k-c疊加方法得到的地殼厚度與上述2位學(xué)者使用接收函數(shù)方法得到結(jié)果也略有差異，這可能是由選取的事件信噪比、反方位角覆蓋范圍和地殼P波平均速度等原因造成，但本次得到的地殼厚度在誤差范圍內(nèi)與前2位學(xué)者得到的結(jié)果較為一致，這也驗證了本次結(jié)果的準確性。

近年來，隨著觀測和研究的深入，傾斜界面和各向異性地層對接收函數(shù)H-k疊加方法的影響也受到重視。已有研究表明，復(fù)雜地殼結(jié)構(gòu)往往會造成不同震中距和方位角接收函數(shù)的轉(zhuǎn)換波和多次波震相的到時存在差異［21］，進而影響H-k疊加的可靠性，如存在下傾方向的傾斜界面會使地殼厚度估計偏小，波速比估計偏大，且偏離程度與界面傾斜角度正相關(guān)，而上傾方向的傾斜界面對地殼厚度和波速比影響不大。各向異性地層在水平對稱軸時會使所有方位角的地殼厚度估計偏大，與快軸夾角較小方位角的波速比嚴重偏小，并且偏離程度與各向異性地層厚度及大小成正比，而在傾斜對稱軸時會使不同方位角的地殼厚度估計可能偏大或偏小，而波速比的估計隨方位角的變化與水平軸各向異性地層基本一致。

地球的本性是各向異性的，從地震學(xué)角度來說， 地震各向異性是地球介質(zhì)的基本特征，廣泛存在于地球內(nèi)部。如Burlini和Fountain的研究表明［22］，在地殼和上地幔巖石中的普遍存在高達10%的速度各向異性，有些巖石，如變質(zhì)泥巖甚至高于15%。從圖3a、b和c中能夠清晰看到諧波擬合后徑向接收函數(shù)中莫霍面轉(zhuǎn)換波Ps、M1和M2呈現(xiàn)明顯的隨反方位角的周期變化，且M1和M2的振幅變化幅度明顯大于Ps，這也表明新源地震臺下方存在傾斜界面或各向異性地層。而當(dāng)?shù)卣鹋_站下方地殼存在較高的各向異性值時，那么使用傳統(tǒng)的H-k疊加方法時就需要考慮地殼各向異性地層對莫霍面一次轉(zhuǎn)換波Ps及地殼多次波到時的影響［23］。接收函數(shù)H-k-c疊加方法的一個顯著優(yōu)點是在對徑向接收函數(shù)進行諧波擬合前，先對接收函數(shù)事件進行時差校正，并通過諧波函數(shù)對每個相位移動到其參考到時A0來校正徑向接收函數(shù)，這里的時差校正并不是相位走時的移動，而是對波形的拉張，該方法減少了因莫霍面傾斜或地殼各向異性帶來的莫霍面轉(zhuǎn)換波Ps及地殼多次波走時的偏差，使得校正后的Ps及地殼多次波走時更加近似于H-k疊加方法所使用的地殼各向同性及莫霍面平坦假設(shè)，這也有效減小了接收函數(shù)H-k疊加方法估計地殼厚度及波速比的誤差。

3.2波速比與泊松比

泊松比是研究地殼介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)和地殼物質(zhì)成分的重要參數(shù)［24］。研究表明，大陸的地殼巖石成分可以分為酸性巖、中性巖和超基性巖以及富含流體的空隙/破裂或者部分熔融，其對應(yīng)的泊松比為［0，0.26）、［0.26，0.28）、［0.28，0.30）、［0.30，∞］［25］。使用H-k-c疊加方法得到的波速比為1.72，其對應(yīng)的泊松比為0.25。此結(jié)果也與劉文學(xué)得到的波速比1.72［18］相一致。一般認為，泊松比與介質(zhì)中所含的石英礦物與鐵鎂質(zhì)礦物的相對含量存在對應(yīng)的聯(lián)系，在含有相對較高石英礦物成分的介質(zhì)中泊松比小于0.25；若大于0.25則表明介質(zhì)中存在較多的鐵鎂質(zhì)成分，同時當(dāng)泊松比值較大時可能表明與上地幔鐵鎂質(zhì)成分侵入有關(guān)，而較小的泊松比則與后期的地殼運動改造有關(guān)［24，26］。本次計算得到新源臺的泊松比為0.25，與中國大陸的地殼的泊松比平均值0.24［10］相當(dāng)，這或許表明該地區(qū)下地殼受上地幔鐵鎂質(zhì)成分侵入影響較小，區(qū)域內(nèi)地殼物質(zhì)成分組成主要是以長英質(zhì)巖石為主。

4結(jié)束語

本文中使用接收函數(shù)H-k-c疊加方法得到的新源地震臺下方的地殼厚度為56.3 km，泊松比約為0.25。從研究結(jié)果看，該方法明顯改善了地殼厚度和泊松比的估計，因研究方法、使用數(shù)據(jù)、參數(shù)選取及速度模型等的不同所得到的結(jié)果也略有差異。新源區(qū)域介質(zhì)泊松比約為0.25，與中國大陸的地殼的泊松比平均值0.24相當(dāng)，結(jié)合新源地震臺下方較厚的地殼厚度推斷，該地區(qū)地殼物質(zhì)組成主要是以長英質(zhì)巖石成分為主，其地殼增厚的方式可能是上地殼的層間疊置所造成。本次研究所使用的H-k-c方法是一種對接收函數(shù)中Ps及其地殼多次波進行諧波校正的廣義H-k疊加方法，該方法校正了地殼各向異性和傾斜界面對P波接收函數(shù)H-k疊加的影響，可以更可靠地估算地殼厚度和地殼波速比。

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RESEARCH ON CRUSTAL THICKNESS AND POISSONS

RATION UNDER XINYUAN SEISMIC STATION

BY RECEIVE FUNCTION H-k-c METHOD

ZHENG Xue-gang， MA Xue-jun， ZHAO Peng-bi

（Xinyuan Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur? Autonomous Region，Xinyuan 835800，Xinjiang，China）

Abstract： Based on the teleseismic waveform data recorded by Xinyuan Seismic Station from 2016 to 2020 with a Epicentral distance of 30°～90°， the teleseismic P-wave receiver function is extracted by time domain iterative deconvolution method， and the crustal thickness and Poissons ratio under the station are calculated by using a generalized receiver function H-k stacking method H-k-c with harmonic correction. The results indicate that the H-k-c method significantly improves the estimation of crustal thickness and Poissons ratio， with an average crustal thickness of about 56.3 km and a Poissons ratio of about 0.25 below Xinyuan Seismic Station.

Key words： Receiver function; Crustal thickness; Poissons ratio; H-k-c Method