2016年門源M_S6.4地震震區地殼厚度及波速比研究

楊志高 張雪梅

摘要：收集2015年寧夏、甘肅和青海地震臺網63個三分量地震臺站觀測到的遠震波形數據，使用H-k掃描法研究了區域地殼厚度和平均波速比。地殼厚度分布清晰地展示出自東向西地殼厚度不斷增加的趨勢，并伴隨著2個地殼深度梯度帶。研究區域平均地殼厚度為50.8 km，顯著高于大陸地殼平均厚度；平均波速比為1.73，對應泊松比為0.25，略低于大陸平均泊松比（0.265）。分析認為研究區域中東部地殼增厚主要發生在上地殼，長英質巖石含量增加使整體泊松比下降。某些區域表現出超高的泊松比，推測這些區域可能存在巖石部分熔融現象。古浪大地震、海原大地震和這次門源地震都發生在泊松比梯度帶和地殼厚度梯度帶泊松比較低的一側。

關鍵詞：接收函數；泊松比；地殼厚度；門源地震

中圖分類號：T315.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0566-08

0 引言

2016年1月21日，青海省門源縣發生MS6.4地震。此次地震是1986年門源6.5級地震以來，該地區發生的又一次6.0級以上地震，2次地震震中相距約10 km。距離該區域最近的一次大地震是1927年5月23日古浪8.0級地震（馬玉虎等，2014），與本次地震震中相距約60 km。

門源MS6.5地震位于地震活動性強的青藏高原東北緣地區，該區域大的構造背景較復雜，是中國大陸一級塊體結合部位。中國大陸西部受到印度板塊—歐亞板塊的碰撞及印度板塊持續擠入作用的影響，形成了青藏高原及其周緣地殼縮短增厚和強烈的地表變形。青藏高原塊體的運動在東部被穩定地塊所阻擋，使地表出現劇烈變化的地形梯度帶（沈旭章等，2013），形成龍門山褶皺系、祁連山褶皺系和昆侖—西秦嶺褶皺系。從大震震源機制和GPS觀測結果來看，青藏高原塊體推動中國大陸向東和向北運動，整體為順時針方向。

從小的構造背景來看，本文研究區域是青藏高原、鄂爾多斯和阿拉善3個塊體的結合部位。該區域構造環境特殊，區域地震活動性較強，1920年曾發生海原8.5級大地震，近幾十年來一直受到學術界的關注，是研究地下物質遷移和速度結構不均勻性的理想區域。研究區是青藏高原塊體向大陸內部擴展的前沿部位，存在多個活動斷層和斷裂，地殼內部速度結構橫向變化顯著，普遍存在殼內低速層結構（陳九輝等，2005；李永華等，2006；嘉世旭，張先康，2008）。總體上該區域地殼厚度從北東方向到南西方向逐漸增厚（趙金仁等，2005），從靠近青藏高原的60 km逐漸減少到40 km（劉啟民等，2014）。研究區域西部以北東向地殼縮短為主，東部以順時針旋轉為主，東部的隆升速度高于西部（崔篤信等，2009）。

門源MS6.4地震的孕震環境復雜，孕震區物質組成和地殼增厚的研究對揭示地震孕育環境特征是有益的。巖石的泊松比在一定的條件下與構成巖石的物質組成有關，可以用來研究深部物質組成情況。地下深部物質的泊松比難以取得，但可以通過計算巖石波速比間接獲取。對于遠震P波接收函數，利用H-k掃描法可以獲得地震臺站下方的平均波速比和Moho面深度。研究區域內關于Moho面的地殼震相（Pn和PmP）通常能量較小，可以使用的資料數量較少，因此利用遠震波形研究Moho面深度是一種切實可靠的方法。該區域已經有研究人員利用接收函數研究地下速度結構的成果，但隨著我國數字地震臺網資料質量不斷提升，地震臺網密度逐漸增加，有必要使用大量新的觀測數據來開展研究。

1 資料選取與研究方法

本文收集了寧夏、甘肅和青海地震臺網的2015年遠震波形數據，研究區域大體空間分布展示在圖1a上，地震臺站分布如圖1b所示。選取地震震中距范圍30°～95°，M≥6.0的地震，其分布情況見圖2。對每個臺站的波形數據，截取P波前10 s和后60 s的數據并重采樣為10 Hz，經過去平均、帶通濾波和扣除儀器響應后，由ZNE分量旋轉到ZRT分量。地震臺站接收到的遠震P波包含了震源、傳播路徑和臺站下方附近介質的信息。為了能夠排除震源和傳播路徑的影響，Langston（1979）提出利用遠震P波提取接收函數的方法。該方法使用遠震波形數據，即使在缺乏地震的區域也可以發揮作用，通過疊加多個地震的接收函數能增加信噪比并獲得關于臺站下方介質的可靠信息。接收函數尤其對速度間斷面敏感，因此該方法得到廣泛應用，并成為研究地下圈層結構的獨立手段（Cassidy，1992；Ligorría，Ammon，1999；Ryberg，Weber，2000）。接收函數可以通過頻率域反褶積法或時間域迭代反褶積法獲得，本文采用的是時間域迭代反褶積方法（Ligorría，Ammon，1999；Ammon et al，1990）。得到接收函數后需要應用低通高斯濾波器來降低高斯噪音干擾。高斯濾波器由常數α來控制：較大的α值對應高頻，但會引入高頻的噪音干擾；較小α值對應更長的周期，但減少了細節信息。選擇α值要在壓制高頻噪音和保留細節信息之間折中，這里選擇的α值是1.0。我們對單個地震事件的接收函數采取了半人工篩選的質量控制方式，編寫了簡單的腳本程序來完成數據質量控制。對于大多數記錄來說滿足一定的條件后會被程序自動采用，數據篩選方法如下：（1）t=0時刻附近有一個正最大值，正最大值對應的時間范圍在0～0.5 s之間，因為臺站下方如果有巨厚沉積層會使直達波到時滯后；（2）4～9 s時間段內存在局部最大值，這個是考慮Ps轉換波。不符合上述判據的接收函數會采用人機交互的方式決定是否采用。上述方法在可以保證大部分接收函數的可靠性，同時也保證了效率。

2 研究結果

從本文的結果（表1）與已有的研究成果（表2）（陳九輝等，2005；李永華等，2006，劉啟民等，2014）對比來看，大體是一致的。劉啟民等（2014）利用接收函數方法研究了青藏高原東北緣的地殼結構，與本文研究區域有重疊但小于本研

究區域。筆者使用劉啟民等（2014）所得到的81個臺站數據得到的地殼厚度（Pan，Niu，2011），和本文研究得到的17個臺站下方的速度結構，給出了研究區域的Moho面深度圖（劉啟民，2014）。以上研究結果顯示了Moho面深度有自東向西增加的趨勢。值得注意的是，本文的研究對研究區域的地震臺站使用了相同的參數，整體結果的一致性較好。圖4給出了Moho面深度分布情況，圖4 研究區域臺站數量Moho面特征波速比特征來源

大體是（100°E，34.5°N）和（110°E，38°N）的連線47自東向西由40 km增加到64 km左右采用接收函數非線性反演法，沒有給出波速比結果陳九輝等（2005）

與本研究區域相似16由北向南Moho 界面呈中央下凹的準對稱狀波速比推斷的泊松比范圍0.215～0.294，接近或低于全球平均李永華等（2006）

大于本研究區域（主要增加了松潘甘孜地塊）18變化范圍40～60 km，自西向東逐漸變淺波速比推斷的平均泊松比0.258 5，小于全球平均劉啟民等（2016）

顯示東部存在一個Moho深度梯度較大的區域（大體是103°E，33°N和104°E，40°N的連線），筆者稱它為“東邊界”，這個邊界的走向是北北東方向，1920年海原8.5級地震震中位于“東邊界”附近。中部也存在一個Moho深度梯度帶，大體沿著101°E，走向大體是南北向，筆者稱其為“西邊界”，“西邊界”的附近曾發生1927年古浪地震和近期的門源6.4級地震。

盡管研究區域內有多個構造塊體（圖2、4、5），但Moho面深度梯度帶與各個塊體邊界沒有強相關性，所以可根據已定義的“東邊界”和“西邊界”將研究區域劃分成3個小區域，自西向東分別為I、II、III區域。海原大地震和古浪地震均位于“邊界”上，分析這3個小區域的Moho面和平均波速比特征與差異對了解研究區域地震孕育環境更直觀。筆者根據“東、西邊界”選擇了相應區域的地震臺站（圖4中不同顏色的圓圈），區域I的Moho面深度變化范圍42.0～62.5 km，平均值為56.3 km，波速比變化范圍1.65～1.88，平均值為1.75；區域II Moho面深度變化范圍45.5～61.8 km，平均值為53.1 km，波速比變化范圍1.61～1.83，平均值為1.73；III區域平均Moho面深度變化范圍35～54 km，平均值為45.3 km，波速比變化范圍1.64～1.84，平均值為1.73；整個區域的平均Moho面深度50.8 km，平均波速比為1.73。從統計結果來看，I、II、III區域的Moho面深度，尤其是II、III區域的Moho面深度存在很大差別，3個區域的平均波速比變化不大，但區域內部波速比不均勻性較強。Moho界面南北向變化不明顯，這與姚志祥等（2014）的研究結果一致。門源6.4級地震位于波速比較低的區域附近，與劉文邦等（2014）得到的多臺波速比結果較為相符。

比在靠近區域II的位置表現出低值，區域II、III的邊界與波速比分布的梯度帶有對應關系。海原大地震和古浪大地震震中都位于波速比強梯度帶上。

3 討論

地殼物質的泊松比是研究地殼結構和性質的重要參數，地殼巖石的泊松比可以通過波速比計算出來，它們的關系是：σ=0.5。影響巖石泊松比的因素很多，包括溫度、壓力、空隙和物質狀態等。Christensen（1996）認為大部分巖石處在壓力大于100～200 MPa的壓力時，巖石裂隙開始閉合。因此當巖石壓力大于200 MPa時，巖石泊松比主要與組成巖石的礦物成分有關。當巖石二氧化硅含量在55%～75%時，隨著二氧化硅含量減少，泊松比有線性增加的趨勢。鎂、鐵含量高的巖石泊松比較大，例如Zandt等（1995）在科羅拉多高原開展的研究。大陸和海洋地殼的泊松比含量分別是0.265和0.30，高泊松比的區域可能伴隨著巖石部分熔融的現象。

Ji等（2009）提出利用泊松比與地殼厚度的關系來研究地殼縮短增厚過程。如果大陸地殼地表到Moho面由相同的物質構成，地殼變厚或者變薄不會影響波速比。如果地殼厚度和物質構成存在強烈的橫向不均勻性，那么泊松比和地殼厚度之間就沒有簡單的關系。地殼增厚發生在上地殼會引起泊松比降低，反之則會引起泊松比升高。李永華等（2006）用相似的方法計算了研究區域16個臺站的地殼厚度和波速比，認為祁連地塊的波速比與地殼厚度存在反相關關系。依照本文劃分的3個研究區域，我們給出每個研究區域Moho面深度和波速比（泊松比）的關系圖（圖6）。從圖6來看，區域I的H-k關系相關性不明顯，區域II和區域III的H和k表現出反相關性。這說明地殼增厚使得長英礦物含量增加，意味著這2個區域地殼縮短增厚過程主要發生在長英礦物較多的地殼上部，Pan和Niu（2011）的研究也支持這個觀點。

海原地震和古浪地震都處在地殼高梯度帶附近，也就是說區域I、II和III的邊界上，地殼厚度在該區域有較大的變化，容易造成應力在邊界帶上集中，在一定的條件下引起大地震。海原地震和古浪地震作為特大地震，斷裂帶長達幾百千米，孕育地震的范圍會更大。既然地震孕育的區域很大，為何大地震沒有發生在邊界帶的其他位置，應力為何不在“邊界帶”的其他地點釋放，也就是說文中“邊界帶”的哪些位置更容易發生大地震。由于本文觀測密度有限，目前還不能討論這個問題，需要改善觀測條件和進一步的數據積累。

4 結論

本文利用青藏高原東北緣三分量寬頻帶數字遠震波形記錄，使用H-k掃描法計算了臺站下方波速比和地殼厚度。青藏高原東緣受到鄂爾多斯塊體和揚子塊體等穩定塊體的阻擋作用，導致地殼底面的劇烈變化，在研究區域形成了2個近乎南北走向的地殼深度梯度帶。由2個深度梯度帶劃分出3個研究區域，3個研究區域的波速比分別為1.75、1.73和1.73，對應的泊松比為0.26、0.25和0.25，地殼厚度分別為56.27 km、53.08 km和45.32 km。全球大陸地區平均泊松比為0.27，顯示出研究區域泊松比接近和略小于平均波速比，推測區域內二氧化硅的含量較高，長英質酸性巖含量較高。區域II和III的波速比（泊松比）與地殼厚度有負相關性，初步認為區域II和III的地殼增厚主要發生在上地殼，長英質的上地殼巖石增厚也使得區域平均泊松比下降。古浪大地震和門源地震都發生在泊松比變化較強烈且偏向于低泊松比的區域。研究區域存在高泊松比區域（波速比大于1.85，對應泊松比大于0.295），有可能存在巖石的部分熔融。

本文使用了Lupei Zhu教授的H-k疊加程序，圖件主要使用GMT繪圖軟件制作，審稿專家也對本文給出了很多建設性意見，在此表示誠摯的感謝。

參考文獻：

陳九輝，劉啟元，李順成等.2005.青藏高原東北緣—鄂爾多斯地塊地殼上地幔S波速度結構.地球物理學報，48（2）：333-342.

崔篤信，王慶良，胡亞軒等.2009.青藏高原東北緣巖石圈變形及其機理.地球物理學報，52（6）：1490-1499.

嘉世旭，張先康.2008.青藏高原東北緣深地震測深震相研究與地殼細結構.地球物理學報，51（5）：1431-1443.

李永華，吳慶舉，安張輝.2006.青藏高原東北緣地殼S波速度結構與泊松比及其意義.地球物理學報，45（9）：1359-1368.

劉啟民，俊猛，盧芳等.2014.用接收函數方法反演青藏高原東北緣地殼結構.中國科學：地球科學，44（4）：668-679.

劉文邦，網培玲，馬玉虎.2014.青海東北部地區多臺波速比研究.地震研究，37（增刊1）：45-49.

馬玉虎，殷翔，蘇有錦.2014.西北地區MS≥7強震前地震活特征和近期強震趨勢研究.地震研究，37（增刊1）：8-15.

沈旭章，周元澤，張元生等.2013.青藏高原東北緣地殼結構變化的地球動力學意義.地球物理學進展，28（5）：2273-2282.

姚志祥，王椿鏞，曾融生等.2014.利用接收函數方法研究西秦嶺構造帶及其鄰區地殼結構.地震學報，36（1）：1-19.

趙金仁，李松林，張先康等.2005.青藏高原東北緣莫霍界面的三維空間構造特征.地球物理學報，48（1）：78-85.