基于遠震P波接收函數研究江蘇地區地殼厚度和泊松比

李婷婷 劉利 范文華 孫業君

摘要：根據江蘇數字地震臺網32個寬頻帶地震臺站記錄的遠震波形資料，使用時間域反褶積的方法提取P波接收函數，由H-K疊加搜索方法反演得到各臺站下方的地殼厚度和泊松比。結果表明：①江蘇地區地殼厚度整體呈現自東向西增厚趨勢，具有明顯的空間分布特征，與該區地質構造背景有較好的對應。主要表現為：蘇魯造山帶地區地殼厚度高于其周邊地區;華北板塊的地殼厚度變化比較平緩，主要為32～33 km;下揚子板塊地區的地殼厚度變化較大，為27～34 km，位于該區中東部大陸邊緣地區的臺站下方平均地殼厚度約為28 km。②研究區泊松比為0.22～0.28，受高壓和超高壓變質巖帶影響，蘇魯造山帶及周邊地區的泊松比較高;下揚子板塊的茅東斷裂及周邊地區的泊松比變化明顯，呈高低相間分布，且泊松比高值區及變化明顯區與地震活動性具有一定的關系。

關鍵詞：接收函數;H-K疊加;地殼厚度;泊松比

中圖分類號：P315.2文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0680-09

0引言

自Phinney（1964）提出使用遠震體波轉換波研究臺站下方地殼、上地幔結構以來，接收函數方法便成為地球科學研究者探究地球內部圈層間斷面、速度結構以及獲取地下異常信息的主要手段之一。Langston（1977，1979）對原有方法進行改進，在原本的時域數值模擬中加入相位信息的同時，提出震源等效假定模型，消除了震源時間函數差異對P波的影響;Owens等（1984）將此方法進一步擴展到寬頻帶數據處理中，完成了接收函數最大峰值的歸一化;其后Ammom（1991）改進反褶積法、Cassidy（1992）引入絕對振幅、Yuan等（1997）提出接收函數偏移疊加法，Farra和Lev（2000）提出S波接收函數方法，至此，體波接收函數理論被正式建立。進入21世紀以來，隨著數字化觀測技術的發展，國內學者也在接收函數及其反演方法的研究工作上取得了豐富的研究成果。Zhu和Hiroo（2000）提出H-K疊加搜索方法，利用接收函數波形數據中包含的大量轉換波及多次轉換波信息，研究臺站下方的地殼厚度和泊松比，且該方法在實際應用中不斷被改進（賀傳松等，2003;王小平等，2005;李永華等，2009;劉春等，2009;賈麗華等，2010;張廣成等，2013;洪德全等，2013;張瑩瑩等，2015;王興臣等，2017;韓如冰等，2019;張天繼等，2010），為了解區域地殼結構以及構造應力分布等提供了重要依據。

近年來，研究人員對于江蘇地區的地殼結構和巖石性質也陸續開展了一些研究，特別是蘇魯造山帶板塊地區的超高壓變質巖帶引起了廣泛關注（Xu et al，1992;徐佩芬等，2000;徐紀人，趙志新，2004;黃耘等，2006;賈根等，2016），部分研究者還使用體波接收函數反演了該區的地下結構（王小平等，2006;洪德全等，2013;陳昊，2016），均取得了較為豐富的研究成果。但前人的研究主要集中在某一特定地區（蘇魯造山帶或下揚子地區等），缺乏對江蘇地區更高分辨率、更大范圍內地殼厚度及泊松比變化的研究。因此，本文基于遠震P波接收函數方法，使用H-K疊加搜索反演江蘇地區臺站下方的地殼厚度和泊松比，為更好地認識江蘇地區的地殼結構、巖石性質等變化提供依據，同時對研究江蘇地區地震活動性、構造應力分布以及地震監測預報等也具實用價值。

1研究方法與數據選取

在時間域，地震計記錄的三分量遠震P波信號可以表示成震源時間函數、介質結構響應以及儀器響應的褶積。遠震P波接收函數反映了臺站下方的速度結構響應，其主要計算原理是在震源等效性假設下，使用原始記錄波形的垂直分量對水平分量進行反褶積運算，可以很大程度上消除震源和傳播路徑的影響，進而提取到接收區介質響應的徑向和切向分量，即為P波接收函數，具體計算方法與公式可參見Langston（1979）以及Owens等（1984）的研究。本文采用時間域反褶積方法進行接收函數的計算與提取，接收函數波形包含了在各臺站下方不同速度間斷面所產生的大量轉換波和多次轉換波震相，主要有Ps，PpPs和PpSs+PsPs震相。

H-K疊加搜索方法可以批量處理大量的波形數據，利用接收函數的時間和振幅，將不同震中距、不同方位角的接收函數進行疊加來提高信噪比，從而有效壓制地殼結構的橫向不均勻性，求得平均地殼模型。本文采用Zhu和Hiroo（2000）改進后的H-K疊加搜索方法反演研究區臺站下方地殼厚度與波速比，在給定平均P波速度的前提下，對每個臺站的接收函數進行H和K掃描，得到最大振幅的位置，即是該臺站下方的平均地殼厚度和波速比。

地震研究43卷第4期李婷婷等：基于遠震P波接收函數研究江蘇地區地殼厚度和泊松比自2007年10月“十五”項目完成后，江蘇數字地震臺網共有38個數字化臺站，其中蘇南、蘇北地區臺站布設相對密集，多為地表觀測;蘇中及沿海地區臺站因松散沉積層較厚，多為井下觀測，臺站布設相對稀疏。臺站觀測地震計多為寬頻帶地震計，主要型號有Guralp CMG-3ESPC，Guralp CMG-3T以及JDF-2 seismometer，數采型號主要有CMG-DM24和EDAS-24IP，采樣率均為100 Hz。前山島、陽光島、興化以及漣水等6個臺站因儀器類型不合適或觀測儀器故障導致波形質量較差，故舍去這幾個臺站數據。

本文使用的數據均來自國家測震臺網數據備份中心（鄭秀芬等，2009），下載2014—2018年32個臺站記錄的震中距在30°～90°，M≥5.5的遠震事件，經過前期數據預處理，最終確定符合條件的地震事件共計449個，主要分布在環太平洋地震帶和歐亞地震帶。通過對本文所選的449個遠震地震事件波形進行處理，得到了江蘇地區32個臺站的接收函數，并使用H-K疊加搜索方法對記錄清晰、信噪比較高的32個臺站的接收函數進行地殼厚度和波速比反演。最后根據波速比與泊松比的換算公式，將疊加后的波速比結果轉換為泊松比，結果見圖1和表1。

4結論與討論

本文通過遠震P波接收函數和H-K疊加搜索方法得到了江蘇地區32個臺站下方的地殼厚度和泊松比，與江蘇及鄰區人工地震、天然地震層析成像以及其它相關研究結果具有較好的一致性（黃耘等，2006;陳昊，2016;李婷婷等，2019）。研究區地殼厚度與泊松比主要有以下特征：

（1）江蘇地區總體地殼厚度為27～35 km，莫霍面具有一定的起伏。其中，蘇魯造山帶的地殼厚度明顯高于周邊地區，為33～35 km;華北板塊的地殼厚度變化比較平緩，為32～33 km;下揚子板塊的地殼厚度跨度較大，為27～34 km，位于該區大陸中東部邊緣平均地殼厚度只有28 km，而位于蘇南被動陸緣的鎮江臺地殼厚度達33.9 km。

（2）江蘇地區地殼厚度整體表現為自東向西增厚趨勢，且與區域地表地形構造背景基本一致，即位于蘇魯造山帶和揚子板塊山脈隆起區域的臺站地殼厚度較厚，如連云港、徐州及鎮江臺等;位于蘇北—南黃海盆地斷坳區域的臺站地殼厚度較薄，如射陽、淮安以及海安臺等。

（3）研究區泊松比為0.22～0.28，與該區的地殼厚度沒有明顯的對應關系，但局部區域的分布特征較為明顯。其中，蘇魯造山帶及周邊地區泊松比較高，主要受元古代變質巖的變質作用與印支運動期超高壓變質作用的疊加影響，蘇魯造山帶地區含有大量的高壓、超高壓變質巖片，這些變質巖經過沉積形成了大量的基性巖和超基性巖，具有較高的泊松比;下揚子板塊的茅東斷裂及其周邊地區泊松比為0.23～0.27，區域內泊松比變化劇烈，如溧水臺高達0.269，而距其很近的溧陽臺低至0.235，這可能與該區復雜的地質構造有關。

（4）研究區地震活動性與泊松比具有一定的對應關系，泊松比高值區或變化明顯區可能是中強地震活躍地區。江蘇陸地地區歷史中強震主要分布在蘇北徐州地區、郯廬斷裂帶及周邊地區和蘇南茅山斷裂帶附近區域，而泊松比分別表現出了高值異常和變化劇烈的現象。受地下結構力學性質和區域應力的綜合影響，造成了研究區地震活動分布的差異性。

本文研究獲得的地殼厚度和泊松比結果對于認識江蘇地區的地殼結構、巖石性質以及構造應力分布具有意義，結果基本可靠，對該區的地震活動性與孕震構造的關聯性問題提供了基本參考信息。但受研究區臺站分布、臺站數量以及接收函數質量的影響，只獲得了32個臺站下方的地殼厚度和泊松比信息，還不能詳盡地描述江蘇地區的地殼結構。后期會利用更多的資料和面波頻散以及接收函數聯合反演等其它方法對研究區的地殼結構進行更詳細的研究。

感謝中國科學院地質與地球物理研究所的王旭博士給予的支持與幫助。

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Crustal Thickness and Ratio of Poisson in Jiangsu Area

by Teleseismic Receiver Function

LI Tingting，LIU Li，FAN Wenhua，SUN Yejun

（Jiangsu Earthquake Agency，Nanjing 210014，Jiangsu，China）

Abstract

In this paper，we calculate P-wave receiver functions by time domain deconvolution method under the 32 stations in Jiangsu Province from threecomponent digital waveform data of teleseismic earthquake events and obtain the thickness and average poissons ratio in the crust of this area by H-K stacking.The results show that：①The crustal thickness in Jiangsu area has a thickening trend from east to west and obvious spatial distribution characteristics，which has a good correspondence with the geological tectonic setting，The first one is the crustal thickness in the Sulu orogenic belt area is higher than that in the surrounding area;the second one is the crustal thickness in the North China plate is relatively flat，mainly between 32 km and 33 km;and the last one is the crustal thickness in the Lower Yangtze plate area varies greatly between 27 km and 34 km and the average crust thickness in the central and eastern continental margins of this area is about 28 km.②The poissons ratio in the study area is between 0.22 and 0.28.Because of the high-pressure and ultra-high-pressure metamorphic rocks，the poissons ratio located below the Sulu orogenic belt and the surrounding area is higher.The poissons ratio changes significantly and shows a high and low phase distribution in the Maodong fault and its surrounding area which is located in the lower Yangtze block，and the higher poissons ratio area and the changing poissons ratio area have a certain relationship with the seismic activity.

Keywords：receiver function;H-K stacking;crustal thickness;poissons ratio