利用接收函數(shù)研究邯鄲及周邊地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)

張麗曉閆俊崗宮 猛

1）中國(guó)河北056001邯鄲中心地震臺(tái)

2）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

利用接收函數(shù)研究邯鄲及周邊地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)

張麗曉1）閆俊崗1）宮 猛2）

1）中國(guó)河北056001邯鄲中心地震臺(tái)

2）中國(guó)石家莊050021河北省地震局

選取邯鄲地震臺(tái)網(wǎng)記錄的高質(zhì)量遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)資料，利用H—Kappa疊加搜索方法得到晉冀魯豫交界地區(qū)（35.0°—38.0°N，112.5°—116.5°E）地震臺(tái)站下方接收函數(shù)、地殼厚度和泊松比分布特征。結(jié)果顯示：晉冀魯豫交界地區(qū)地殼厚度變化具有明顯區(qū)域分布特征，以太行山脈為界，以西附近地區(qū)地殼厚度約38—41 km，以東的邯鄲、邢臺(tái)、河南地區(qū)地殼厚度約31—34 km，而山東地區(qū)地殼厚度略有增加，范圍約32—35 km，總體呈現(xiàn)自西向東逐漸減薄的規(guī)律；泊松比均值約0.251，與以往研究結(jié)果相當(dāng)。

接收函數(shù)；H—κ疊加；泊松比；地殼厚度

0 引言

1979年Langston提出長(zhǎng)周期遠(yuǎn)震P波等效震源及接收函數(shù)概念，1984年Owens等將此方法擴(kuò)展到寬頻帶記錄，相應(yīng)發(fā)展了遠(yuǎn)震體波接收函數(shù)的線性波形反演方法，1995年Zandt等提出利用接收函數(shù)中轉(zhuǎn)換震相及多次反射轉(zhuǎn)換震相研究地殼厚度及平均波速比的方法，2000年Zhu 和Kanamori進(jìn)一步改進(jìn)該方法，使其獲得廣泛應(yīng)用，即為接收函數(shù)疊加搜索方法。中國(guó)很多學(xué)者利用接收函數(shù)反演不同地殼結(jié)構(gòu)，并取得一些成果，使該方法日益成熟，主要分為P波接收函數(shù)和S波接收函數(shù)。P波接收函數(shù)主要反演S波速度結(jié)構(gòu)及地殼厚度和波速比，探索地幔過(guò)渡帶厚度變化，研究接收函數(shù)偏移成像等；S波接收函數(shù)方法是，按照Sp震相穿透點(diǎn)的地理位置，疊加S波接收函數(shù)，以分辨率較高的體波確定巖石圈和軟流層邊界（LAB）（劉啟元等，1996；王椿鏞等，1997；吳慶舉等，1998；史大年等，1999；李永華等，2008；賈麗華等2010；郭欣等，2013；黃海波等，2014；范軍等，2015；陳睿等，2015；宮猛等，2015）。

邯鄲地處河北省南部，晉、冀、魯、豫4省交界，是華北地塊一級(jí)構(gòu)造單元，包括太行山山前斷裂、晉獲斷裂、盤(pán)古寺斷裂、林縣斷裂、邯鄲斷裂、磁縣—大名斷裂、滄東斷裂、聊蘭斷裂、安陽(yáng)斷裂、新河斷裂、臨清斷裂、井陘—左權(quán)斷裂、長(zhǎng)垣斷裂、巨野斷裂等(商宏寬等，1985)，歷史上發(fā)生1830年磁縣7.5級(jí)地震、1889年大名5級(jí)地震、1937年菏澤7.0級(jí)地震、1966年邢臺(tái)7.2級(jí)地震，地震活動(dòng)相對(duì)活躍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的地震發(fā)生在地殼內(nèi)，因此研究該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)邯鄲地震臺(tái)網(wǎng)記錄的遠(yuǎn)震P波信號(hào)，利用頻率域反卷積計(jì)算得到相應(yīng)的接收函數(shù)，采用能量掃描和波形疊加方法（H—κ），反演臺(tái)站下方地殼厚度H和縱橫波速比κ，分析地殼厚度與波速比的橫向變化特征及區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)差異，探討邯鄲及周邊地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)變化特征。

1 資料選取及處理

邯鄲地震臺(tái)網(wǎng)始建于1981年，是河北省第一個(gè)遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)，位于晉、冀、魯、豫4省交界地區(qū)（35.0°—38.0°N，112.5°—116.5°E），地理位置較為重要。邯鄲地震臺(tái)網(wǎng)包括26個(gè)地震臺(tái)站，其中大部分臺(tái)站位于斷裂帶及附近地區(qū)，臺(tái)站及斷裂分布見(jiàn)圖1。地震臺(tái)站多配備BBVS-60頻帶地震計(jì)（頻帶為60 s的地震計(jì)）、CMG-3ESP-60寬頻帶地震計(jì)（頻帶為60 s）、CST-1甚寬頻帶地震計(jì)，F(xiàn)XT（肥鄉(xiāng)臺(tái)）、LZT（臨漳臺(tái)）等臺(tái)站配備FSS-3DBH井下擺，地震波形不參與此次反演計(jì)算，故選取19個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算。

收集2010年1月到2014年12月邯鄲地震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震波形資料，選取M≥6.0、震中距30°—90°的84個(gè)遠(yuǎn)震事件（圖2），從中選出信噪比較高、震相清晰的遠(yuǎn)震事件，截取P波到時(shí)前30 s至后80 s的波形數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為SAC格式，統(tǒng)計(jì)同一臺(tái)站記錄的所有事件，經(jīng)寬頻濾波、去均值、儀器響應(yīng)后，將北南向旋轉(zhuǎn)到徑向和切向，使用Zhu和Kanamor（i2000）改進(jìn)后的H—κ疊加搜索方法提取接收函數(shù)，采用不同高斯濾波因子（1.5、2.5、5）進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步分析對(duì)比，選定數(shù)值2.5作為高斯濾波因子，反演得到該區(qū)地殼厚度和波速比。

圖1 臺(tái)站及主要斷裂帶分布Fig.1 The distribution of seismic stations and border main fault zone

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

2 研究方法

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，接收函數(shù)已經(jīng)成為研究地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)較為成熟的方法。該方法將遠(yuǎn)震觀測(cè)資料的垂直分量對(duì)水平分量在頻率域進(jìn)行反卷積，從頻率域反變換到時(shí)間域，從而得到反映接收介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的接收函數(shù)。遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)中包含大量地震臺(tái)站下方地殼上地幔間斷面產(chǎn)生的多次Ps轉(zhuǎn)換波及反射波和折射波信息，主要是Ps、PpPs、PpSs(PsPs)震相。本文采用Zhu 和 Kanamori（2000）改進(jìn)的H—κ疊加搜索方法進(jìn)行接收函數(shù)提取。

對(duì)于水平層狀介質(zhì)，采用下列公式計(jì)算Ps、PpPs、PpSs(PsPs)震相相對(duì)于初至P波到時(shí)。

其中，H為地殼厚度，VS為S波平均速度，k為P波和S波的波速比，p為水平度。在H—k域搜索疊加方法中定義函數(shù)

其中，r(t)為徑向接收函數(shù)振幅；tPs、tPpPs、tPpSs+PsPs分別表示Ps、PpPs、PpSs+PsPs震相到時(shí)；ωi為震相權(quán)重系數(shù)，滿足∑ωi=1，參考前人的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換波及多次波Ps、PpPs、PpSs+PsPs的權(quán)重，給定數(shù)值為0.5、0.3、0.2。利用網(wǎng)格搜索方法，確定函數(shù)s(H，κ)的最大值及相應(yīng)地殼厚度H和地殼介質(zhì)平均波速比κ。通過(guò)公式σ=0.5(κ2-2)(κ2-1)，可獲得相應(yīng)地殼介質(zhì)平均泊松比σ。

3 結(jié)果分析

地震臺(tái)站處于相同板塊（華北板塊），莫霍面相對(duì)平坦，地殼結(jié)構(gòu)相對(duì)變化不大，不同的震中距和方位角地震射線在此入射后，轉(zhuǎn)換波形態(tài)大致相同；如果地殼結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，莫霍面變化起伏較大，不同的震中距和方位角入射后，轉(zhuǎn)換波形態(tài)可能會(huì)變化相對(duì)較大。然而，H—κ方法克服了震中距和入射角引起的接收函數(shù)變化，得到一個(gè)平均地殼厚度（Zhuand Kanamori，2000）。19個(gè)地震臺(tái)站（寬頻帶）記錄的地震事件不完全一致，但震中分布相對(duì)較好。在此選擇單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收函數(shù)疊加，以使各地震臺(tái)互不影響。選取不同地區(qū)的4個(gè)典型地震臺(tái)SXLIC、CXT、XX、LSH記錄的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算地殼厚度和波速比數(shù)值，并繪制臺(tái)站下方接收函數(shù)圖，見(jiàn)圖3。各地震臺(tái)站接收函數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)站下方地殼厚度和波速比（泊松比值）Table 1 The crustal thickness and wave velocity ratio (poisson’s ratio) underneath the calculated stations

圖3 臺(tái)站下方接收函數(shù)及H—Kappa反演結(jié)果(a) SXLIC臺(tái)； (b) CXT臺(tái)； (c) XX臺(tái)； (d) LSH臺(tái)Fig.3 The receiver function and the inversion results of the stations

3.1 地殼厚度分布

對(duì)選取的19個(gè)地震臺(tái)站反演結(jié)果（表1）可知：①邯鄲地區(qū)QSP臺(tái)地殼厚度最大，為36.1 km，CXT臺(tái)地殼厚度最小，為31.7 km，平均地殼厚度約33.3 km。而邢臺(tái)地區(qū)平均地殼厚度約32.4 km；②山西地區(qū)地殼厚度總體偏高，其中XAY臺(tái)最大，厚約40.4 km，XIY臺(tái)最小，厚約36.2 km，平均地殼厚度為38.1 km；③河南省平均地殼厚度為33.4 km；④山東地區(qū)相對(duì)變化不大，地殼平均厚度為34.4 km。

晉冀魯豫交界地區(qū)地殼厚度等值線見(jiàn)圖4，從圖中明顯可見(jiàn)，地殼厚度具有由西向東逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)于邯鄲地區(qū)，秋樹(shù)坪臺(tái)（QSP）地殼厚度最大，為36.1 km，可能該臺(tái)緊鄰山西的緣故；磁縣臺(tái)（CXT）地殼厚度最小，為31.7 km，可能與地表斷層分布及斷裂帶有關(guān)，與李信富等（2015）的研究結(jié)果相近。

3.2 泊松比值分布

對(duì)于所選地震臺(tái)站的泊松比，由表1可知：①邯鄲地區(qū)σ平均值為0.256，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比（0.250）2%。邢臺(tái)地區(qū)平均泊松比為0.240，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比4%；②山西地區(qū)平均波速比是0.259，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比3%；③河南地區(qū)的平均泊松比為0.253，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比1%；④山東地區(qū)平均泊松比為0.249，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比0.4%。

晉冀魯豫交界地區(qū)泊松比等值線見(jiàn)圖5，可見(jiàn)對(duì)于東部和北部地區(qū)，西部地區(qū)泊松比略大，河北的邯鄲、邢臺(tái)及河南、山東地區(qū)泊松比值變化不大，與以往研究結(jié)果相當(dāng)。由表1和圖5可知，邯鄲地區(qū)QSP臺(tái)泊松比最小，σ=0.236，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比6%；CXT臺(tái)最大，σ=0.287，偏離標(biāo)準(zhǔn)泊松比14%。目前很多學(xué)者認(rèn)識(shí)到泊松比對(duì)于研究地殼物質(zhì)組成具有重要作用，研究表明，σ＜ 0.24的介質(zhì)含有相對(duì)較高的石英礦物含量，

0.25 ＜σ＜ 0.3的介質(zhì)有相對(duì)較高的鐵鎂質(zhì)礦物成分，σ＞ 0.3區(qū)域可歸因于發(fā)生了部分熔融，且高泊松比介質(zhì)更容易在外力作用下產(chǎn)生橫向變化（嵇少丞等，2009），磁縣臺(tái)（CXT）下方泊松比值最大，可能與該地區(qū)相對(duì)較高的鐵鎂成分有關(guān)。泊松比值大小可能與地質(zhì)構(gòu)成和地震斷裂帶關(guān)系較大，絕大部分地震發(fā)生在高泊松比區(qū)塊和低泊松比地區(qū)交匯處，且偏于低泊松比一側(cè)。

圖4 晉冀魯豫交界地區(qū)地殼厚度Fig.4 The crust thickness of Shanxi-Hebei-Shandong-Henan border region

4 結(jié)論

本文利用接收函數(shù)疊加搜索方法，研究邯鄲及鄰近地區(qū)地殼厚度和平均泊松比。結(jié)果顯示，晉冀魯豫交界地區(qū)地殼厚度具有由西向東逐漸減少的趨勢(shì)，山西地區(qū)地殼厚度相對(duì)較高，河南及河北的邯鄲和邢臺(tái)地區(qū)地殼厚度相對(duì)變化不大，山東地區(qū)地殼厚度相對(duì)西部地區(qū)略有增加，總體呈現(xiàn)區(qū)域性差異；泊松比在標(biāo)準(zhǔn)值0.25上下變化，總體與全球泊松比估計(jì)值相當(dāng)，其中邢臺(tái)σ＜ 0.25，其他地區(qū)σ＞ 0.25，且磁縣臺(tái)（CXT）下方泊松比值最大，可能與該地區(qū)相對(duì)較高的鐵鎂成分有很大關(guān)系。

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Crustal structures of the Handan and its surrounding areas from receiver functions

Zhang Lixiao1), Yan Jungang1)and Gong Meng2)
1)Handan Central Seismic Station,Hebei Province056001,China
2)Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang050021, China

We collect high quality waveforms of teleseismic events which are recorded by Handan seismic network and useH—κstacking method to calculate the average crustal thickness and Poisson’s ratio in the study area (Hebei-Shanxi-Henan-Shandong border region, 35.0°—38.0°N, 112.5°—116.5°E）．In order to obtain reliable receiver functions, certain conditions are needed to be met; The result is that crust thickness changes have obvious characteristics of regional distribution.The crust thickness is about 38—41km in west of Taihang mountains.The regional crustal thickness is about 31—34 km in east of Taihang mountains (Handan, Xingtai and Henan).And crust thickness increases slightly with range around 32—35 km in Shandong region with a general rule of thinning gradually from west to east.The mean of Poisson's ratio is 0.251, basically consistent with previous research results.

receiver function，H—κstacking，Poissons ratio，crust thickness

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.004

張麗曉，男，工程師，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作

河北省地震星火科技項(xiàng)目“利用爆破和近震校正井下短周期地震計(jì)方位角”（編號(hào)：2013-3-10）

本文收到日期：2015-12-15