魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域地殼厚度、泊松比分析

申金超　張斌　蘇道磊　劉晨

摘要：利用遠震接收函數方法得到魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域30個寬頻帶地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值。結果顯示：該區域地殼厚度和泊松比呈現不均一、變化大的特征，其中泰山地區、沂沭斷裂帶郯城一莒縣段及RZH臺下方地殼厚度值小、泊松比值高。經分析認為，魯西隆起地殼厚度薄、泊松比值高的區域與底部地幔物質上涌及熱侵蝕作用相關；沂沭斷裂帶地殼厚度和泊松比具有明顯分段的特征，體現在斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度薄、泊松比高：莒縣-安丘段與斷裂兩側的地殼厚度、泊松比值相近，說明其殼幔相互作用主要體現在郯城一莒縣段：膠南隆起地區僅RZH臺站下方地殼厚度值低、泊松比值高，結合該區域重力異常梯度帶特征，推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。

關鍵詞：遠震接收函數；地殼厚度；泊松比；魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區

中圖分類號：P315.7 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0246-09

0 引言

魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域位于華北板塊和揚子板塊碰撞拼合地帶，構造環境復雜，以沂沭斷裂帶為界，魯西隆起和膠南隆起分別位于斷裂帶西側和東側，其中魯西隆起為華北板塊內部伸展作用的結果，沂沭斷裂帶為大型走滑剪切構造帶，膠南隆起屬于碰撞造山的產物，多種類型的構造作用導致該區域地殼變形強烈。目前魯西隆起伸展構造的成因模式還存在多種觀點：（1）受郯廬斷裂剪切和后期南北向拉張作用，形成的以掀斜斷塊為特征的伸展構造（李萬程，1998）；（2）受地幔作用影響而形成的伸展隆起構造（牛樹銀等，2004；燕守勛，1994）；（3）類變質核雜巖模式（王桂梁等，1992；張自恒，1995）等。無論哪種觀點，均需要從整個地殼尺度來判斷。沂沭斷裂帶為大型走滑斷裂，其深度已切割至地幔，底部地幔活動必然會對斷裂構造產生影響，地殼深部構造特征便成為分析沂沭斷裂帶殼幔相互作用不可或缺的要素，前人對沂沭斷裂帶的地殼結構研究成果較為豐富、研究方法多樣（張碧秀，湯永安，1988；魏夢華等，1980；劉昌銓等，1983），但缺乏關于沿斷裂帶方向的地殼結構差異和地幔活動影響范圍的表述；膠南隆起的深部構造特征，目前還未引起足夠關注，相關研究也較少。

地殼厚度可以直接體現地殼形態特征，而泊松比是研究地球內部物質的重要參數，它與巖石二氧化硅含量成反比關系（Christensen，1996）。在不同的構造環境中，由于地殼自身的應力或殼幔相互作用等，可引起地殼產生變形、物質交換等，從而造成地殼厚度、泊松比的分布差異，所以地殼厚度和泊松比是分析深部構造及殼幔相互作用十分有效的工具。本文通過搜集魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域30個寬頻帶地震臺站所記錄的遠震資料，利用遠震接受函數方法獲得了各地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值，進而分析寬頻帶地震臺覆蓋區的魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域的地殼結構特征，并探討各構造單元可能存在的地質構造作用。

1 地質構造概況

魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域處于華北板塊和蘇魯大別造山帶在東側交匯的部位，內部構造環境差別很大，沂沭斷裂帶作為魯西隆起和膠南隆起邊界，斷裂帶西側的魯西隆起位于華北板塊內部，東側的膠南隆起為蘇魯大別造山帶的東延區域（圖1）。魯西隆起屬于板內的伸展隆起構造（燕守勛，1994；時秀朋，李理，2007；張寶政，李雙林，1990；王桂梁等，1992），東西夾于聊考斷裂和沂沭斷裂之間，包含前寒武基底、古生代海相沉積地層及中一新生代陸相火山沉積地層。沂沭斷裂帶為大型剪切斷裂帶，由四條NNE向主干斷裂組成，自西向東分別為鄌部-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂，在地貌上構成兩塹夾-壘的構造格局，中間為汞丹山隆起、東西兩側分別為安丘-莒縣地塹和馬站-蘇村地塹。膠南隆起西以沂沭斷裂帶為界，北以五蓮-威海斷裂為界，出露的基底地層為中-新元古代云臺群與新元古代朋石河組，膠南隆起具有典型造山帶特征，為華北板塊和揚子板塊碰撞拼合的結果，構造以斷裂為主，呈NNE向分布，隆起區有兩期韌性剪切帶，早期韌性剪切帶呈網格狀分布，后期韌性剪切帶呈北東東向分布，剪切帶內分布有榴輝巖等超高壓、高壓巖類。

2 計算方法與結果

2.1 遠震接收函數方法原理

遠震的體波波形包含震源、傳播路徑、接收區介質性質等信息，遠震接收函數方法可有效地分析莫霍面結構，并且能有效去除遠震震源、傳播路徑及儀器的影響。該方法主要采用時間域迭代反褶積算法實現接收函數的反褶積計算（Owenset al，1984；Langston，1977；查小惠，雷建設，2013），可得到P波在莫霍面產生的轉換波和多次波信息。由于P波和S波在地殼中傳播性質不同，在假定地殼平均P波速度的情況下，可通過在厚度域和波速比域搜索轉換波及多次波震相的疊加振幅最大值，并同時可約束地殼厚度和波速比值（黃海波等，2012）。另外波速比對P波速度變化的敏感性較差，P波在地殼傳播的速度從6.0km/s變到6.75km/s，其波速比變化僅有0.05（葛粲等，2011）。若莫霍面深度為H，t_Ps、t_PsPs、t_PsPs+PpPs分別表示轉換波Ps、多次波PpPs及PsPs+PpSs震相與初至P波的到時差，則：

可構建疊加函數為

（4）式中，V_P和V_S分別為地殼的P波、S波的平均速度，p為射線參數，γ（t）是徑向接受函數，ω_i是權重系數，其中ω₁+ω₂+ω₃=1。掃描H，k域，當H，k對應真實地殼厚度和波速比時，S（H，k）達到最大值，可避免對轉換波、多次波等震相的人工逐個識別。根據波速比值可以換算出泊松比，其關系式為

（5）式中，σ為泊松比。

2.2 選取數據及計算結果

筆者挑選出位于魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域30個固定寬頻帶地震臺站記錄的2010～2013年M_S>6.0、震中距在30°～90°之間、具有清晰的初至P波和高信噪比的遠震波形，最終各臺站接收函數波形數為30～70，地震臺站及地震震中分布見圖2，計算過程將V_P設置為6.2km/s，轉換波Ps、多次波PpPs和PsPs+PpSs的權重分別設置為0.6、0.3和0.1。利用遠震接收函數方法，我們得到各地震臺站下方的地殼厚度和泊松比值，具體見表1。圖3～4給出了QXT、TIA、ZCH、JUX、TCH、XIT、RZH、WUL地震臺站的接收函數波形和H-k疊加結果，從圖中可以看出，接收函數波形清晰，轉換波和多次波可較好地識別，獲取了各臺站準確的地殼厚度和波速比值。

從圖5a中可以看出，魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區區域寬頻帶地震臺覆蓋地區地殼厚度呈現明顯的不均勻分布。魯西隆起地區北部的泰山及周邊地區下方地殼厚度值最小，其中TIA臺下方地殼厚度值為29.9km，其它地區地殼厚度值均大于32km，魯西隆起南部地殼厚度值相對較大；沂沭斷裂帶的計算范圍局限在寬頻帶地震臺覆蓋區域，其計算結果顯示莒縣一郯城段地殼厚度均小于31km，而斷裂帶莒縣一安丘段地殼厚度值明顯偏高，同斷裂帶兩側地殼厚度值相近：對于膠南隆起地塊，除RZH臺下方地殼厚度較小，其余各地震臺站下方地殼厚度一般均大于33km。魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域寬頻帶地震臺覆蓋地區的泊松比值同樣分布不均勻，并且泊松比同地殼厚度存在明顯的負相關性，在泰山及周邊地區、沂沭斷裂帶南段及RZH臺下方地殼的泊松比值明顯較高，可達到0.29，而地殼厚度較大的地區，其泊松比值反而較小（圖5b）。

3 地殼厚度、泊松比分析與討論

不同構造環境的區域，其地殼厚度和總體巖性組成必然存在差異，構造活動導致地殼介質的物理化學變化可在地殼厚度和泊松比上得以體現，地殼厚度可直接反映出地殼結構特征，而泊松比是分析地球內部物性的重要參數，不同巖性的地殼會反映出不同的泊松比值，地殼泊松比值大于0.30時，存在部分熔融區或破碎帶，地殼泊松比值在0.28～0.30之間為基性鐵鎂質地殼，小于0.26為長英質地殼，0.26～0.28之間屬于介于鐵鎂質和長英質之間的過渡性質的地殼（嵇少丞等，2009）。

3.1 魯西隆起地區

魯西隆起作為華北板塊重要的伸展隆起構造，其地殼結構總體表現為南厚北薄，泰山及周邊地區地殼厚度最薄，而該地區地勢最高，因此泰山及周邊地區下方莫霍面應呈向上的凸起狀（圖6），指示了該地區存在地幔物質上涌。一般花崗巖陸殼內鐵鎂質成分的增加不會使泊松比值超過0.29，但部分熔融程度為5%的花崗巖的泊松比超過0.30（葛粲等，2011），因此具有高泊松比值的泰山地區下方應存在明顯的部分熔融。根據Owens和Zandt（1997）的研究，地幔熱侵蝕作用可以引起地殼部分熔融，并使泊松比值超過0.30。結合泰山地區呈現的明顯地殼厚度小且呈上隆狀的地殼結構特征，我們可以推斷該區域存在地幔物質上涌及熱侵蝕作用，并造成泰山地區地殼向上隆起、減薄和高泊松比值。魯西隆起南部地區地殼厚度相對較大，地殼泊松比值基本上均小于0.26，其中，ZCH臺下方地殼厚度為35.3km、泊松比為0.22，從泊松比值上判定誤區為典型的大陸長英質地殼，同泰山地區存在明顯差異，該區域構造環境相對穩定，地殼未發生明顯部分熔融，受到的殼幔相互作用相對較弱，說明地幔物質上涌及熱侵蝕作用應主要集中在泰山地區。

王濤等（2007）認為華北克拉通內部的以穹窿為代表的伸展構造為華北巖石圈減薄過程中的地殼響應，魯西隆起區位于華北克拉通東部，屬于典型的板內隆起構造，魯西隆起的形成始于中晚侏羅紀（燕守勛，1994；時秀朋，李理，2007；王桂梁等，1992），而這與華北巖石圈減薄事件（吳福元，孫德有，1999；鄧晉福等，1994）在時間上相對應，因此現今魯西隆起泰山地區的地殼結構及物性特征應是中生代華北巖石圈減薄過程中殼幔相互作用的結果。

3.2 沂沭斷裂帶

本文計算了寬頻帶地震臺所覆蓋的沂沭斷裂帶范圍，即安丘-郯城一帶，從計算結果上來看，沂沭斷裂帶內部存在明顯地殼減薄區域和高泊松比值區域，均集中在郯城一莒縣段，莒縣一安丘段地殼厚度和泊松比值同周邊地殼相近，地殼厚度和泊松比值分布特征體現出沂沭斷裂帶具有明顯的分段性。根據蘇道磊（2015）對沂沭斷裂帶速度結構的研究表明，郯城-莒縣段地殼中存在明顯的低速體，而莒縣-安丘段低速體消失（圖7），斷裂帶速度結構也同樣顯示出分段特征，與本文結論一致。從牛漫蘭等（2000）和曹洋（2009）的火山巖地球化學研究結果可以發現，郯廬斷裂帶山東段存在明顯的地幔物質上涌底侵、幔源巖漿活動等一系列殼幔相互作用，并且郯廬斷裂帶為整個巖石圈內的強減薄帶，這應是造成沂沭斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度減薄、泊松比增大的主要原因，莒縣-安丘段可能就沒有如此強烈的殼幔相互作用。

3.3 膠南隆起區

膠南隆起區只有RZH臺下方地殼表現出低地殼厚度值和高泊松比值的特征，顯示出RZH臺站下方地殼具有特殊的物性特征，從重力異常圖（圖8）上可以看出，RZH臺站及周邊地殼同整個沂沭斷裂帶一樣，存在明顯的重力異常梯度帶，它主要反映構造斷裂的升降或大規模的不同密度巖石的接觸帶，而同樣具有低地殼厚度值和高泊松比值的泰山地區不存在明顯的重力異常梯度帶，說明RZH臺站下方的地殼結構特征同沂沭斷裂帶相近，且不同于泰山地區，因此我們推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。此外，WUL和LAS臺相比周圍地殼厚度較大，整體來看，膠南隆起區地殼結構差異較大，說明該區域構造作用同樣強烈，應為深大斷裂主導的結果，膠南隆起區其它臺站下方地殼泊松比值在0.24～0.27之間，為鐵鎂質和長英質過渡性質的地殼。

4 結論

通過對魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域30個寬頻帶地震臺站所記錄的遠震資料，利用H-k疊加掃描獲得了該地區各地震臺站下方的地殼厚度、泊松比值，得出以下結論：

（1）整個魯西隆起、沂沭斷裂帶及膠南隆起區域地殼厚度值大致為29.9～35.7km，地殼泊松比值在0.22～0.31之間，地殼厚度和泊松比值分布不均一，其中泰山地區、沂沭斷裂帶郯城-莒縣段及RZH臺下方地殼厚度值小、泊松比值大，地殼厚度和泊松比值呈現明顯的負相關關系。

（2）魯西隆起在泰山及其周邊地區顯示出地殼厚度薄、泊松比值高的特征，這與華北巖石圈減薄背景下泰山地區底部地幔物質上涌及熱侵蝕作用密切相關。

（3）沂沭斷裂帶地殼厚度和泊松比具有明顯分段的特征，主要體現在沂沭斷裂帶郯城-莒縣段地殼厚度薄、泊松比大，莒縣-安丘段與斷裂兩側的地殼厚度、泊松比值相近，說明沂沭斷裂帶作為巖石圈的強減薄帶，其殼幔相互作用主要體現在郯城-莒縣段。

（4）膠南隆起地區僅在RZH臺站下方地殼厚度值低、泊松比值高，結合該地區存在重力異常梯度帶，推測大型的北北東向斷裂帶可能是造成RZH臺站下方低地殼厚度值和高泊松比值的原因。