基于接收函數的華南及鄰區地殼結構研究

查小惠 呂 堅 江春亮 湯蘭榮 董非非 鮑志誠 童 瓊

1 江西省地震局，南昌市昌東大道6929號，330096 2 湖南省地震局，長沙市中意一路326號，410004

華南塊體(圖1)位居太平洋西緣，北隔秦嶺-大別造山帶與華北塊體相望，西以龍門山-橫斷山斷裂與特緹斯構造域青藏高原相連，南西側以昌寧-馬江斷裂與東南亞塊體接觸，南東側為西太平洋構造區[1]。這些復雜的構造特征，可能與印度板塊和太平洋板塊深俯沖形成的“大地幔楔”結構與動力學相關[2]。華南地塊具有漫長而復雜的演化過程，經歷了多次構造-巖漿-熱事件，造成了現今地殼物質成分的復雜性和區域構造的多樣性。目前，關于華南地區的構造演化仍然存在很多問題，如揚子塊體和華夏塊體縫合帶的西線位置、早古生代陸內造山的驅動力源等，而關于華南大陸的地殼上地幔速度結構、巖石圈形成演化過程和大陸再造的動力學機制也一直是地球科學研究的熱點問題[3-5]。這些問題的解決需要地質學、地球化學和地球物理學等多學科的交叉融合推進，而目前接收函數方法是地球物理學中用來研究地殼上地幔結構的有力工具。

藍色粗線表示華南地塊邊界[5]，紅色線條為揚子地塊與華夏地塊邊界[6]，黑色線條為各次級塊體邊界(華南地塊內部據文獻[6]，其余地塊內部據文獻[5])圖1 研究區域構造Fig.1 Main tectonic units

接收函數是通過去除遠震體波中的震源影響、傳播路徑影響和儀器影響后，得到反映臺站下方地殼上地幔結構的時間序列[6]。接收函數對速度間斷面比較敏感，可以通過分析接收函數的波列形態了解地殼的結構特征。利用接收函數H-κ方法還可以進一步獲取地震臺站下方的地殼厚度和波速比[7]。近年來，對華南塊體各個省份的地殼厚度和泊松比的研究較多[8-9]，但對整個華南地區的系統研究較少。本文利用華南及鄰區609個臺站的接收函數和H-κ搜索結果，分析華南地塊及鄰區的地殼結構特征，并探討其可能包含的地質構造和地球動力學意義。

1 資料和數據處理

本次研究應用了2007-08～2012-10華南塊體及鄰區數字地震臺網共609個地震臺站記錄的遠震波形資料，臺站的波形資料由中國地震局地球物理研究所數據備份中心提供。使用約900個5.7級以上的遠震事件，每個臺站由于原始數據記錄的差異導致截取到的地震數目并不嚴格一致。使用SAC軟件從波形資料中截取初至前20 s～后80 s的波形資料進行后續接收函數處理。

對遠震接收函數采用0.1～2 Hz的帶通濾波，高斯參數設為2.5，縱波搜索速度設為6.3 km/s，H-κ疊加搜索中Ps、PpPs和PpSs+PsPs震相的權重分別設為0.7、0.2和0.1。本次處理在接收函數求取挑選結束后，對每個地震臺站的每條接收函數的震中距控制在30°～95°之間。接收函數數量最多的臺站達到467條，只有約100個臺站的接收函數數量在60條以下，其余基本上都在200條以上，接收函數的數量保證了結果的可靠性。對于多極值情況和結果異常變化的臺站，本文在單獨分析接收函數形態的基礎上識別不合理的搜索結果，并進一步進行手動處理，保證處理結果的可靠性。

接收函數形態可以反映臺站下方的地殼結構，對速度間斷面比較敏感，具有很好的垂向分辨能力，而在部分沒有布設臺站的地區則存在觀測空區，此時一般可以通過鄰近臺站的插值獲取近似結果。最終本文獲取了華南及鄰區的地殼厚度平面圖，同時在緯度和經度方向分別繪制3條地殼厚度剖面，對華南及鄰區的地殼厚度進行分析。

2 結果和討論

2.1 接收函數形態與地殼結構分析

本文研究區域地殼結構差異性較大，這一點可以從區域臺站下方的接收函數形態得到驗證，相關典型臺站和測線剖面位置見圖2。華南沿海地區地殼結構穩定，地殼厚度變化不大，以廣東龍川臺(GDLCH)(圖3)為例，接收函數能量主要集中在來自莫霍面的轉換波震相和轉換波的多次反射震相，其他時間接收函數的振幅相對較小、能量較弱，表明這一區域的地殼結構可以用單層均勻地殼結構模型很好地近似，體現了該區地殼結構的穩定性。該類型臺站的接收函數使用H-κ方法可以得到穩定可靠的地殼厚度和波速比結果。

圖2 本文展示的相關典型臺站和測線剖面位置Fig.2 The position maps of typical stations and surveying lines shown in this paper

湖北竹溪臺(HBZUX)(圖3)位于秦嶺造山帶區域，地殼結構相對復雜，接收函數形態不僅存在莫霍面一次和多次震相，還有明顯的殼內間斷面震相。基于何凱等[9]的研究結果認為，該臺莫霍面的一次震相到時約為7 s，殼內間斷面的震相到時約為2.5 s，表明該區隨著地殼厚度的明顯增加，整個地殼顯示出上下分層的二層結構。但殼內間斷面和莫霍面震相均較清晰，接收函數的能量主要集中在這兩個強間斷面的一次和多次反射波列上，其他時間波列能量較弱，表明地殼雖然分層但仍較為均勻，上下地殼內沒有其他的次級強反射界面。該類型臺站使用H-κ方法時，要避免搜索到殼內間斷面這一極值，需限定該區地殼厚度在30 km以上。

圖3 廣東龍川臺、湖北竹溪臺、陜西勉縣臺的接收函數波形Fig.3 Receiver functions of GDLCH，HBZUX and SNMIAX stations

陜西境內的勉縣臺(SNMIAX)(圖3)是復雜地殼結構的代表。該地震臺站的接收函數形態復雜，能量較強，可以認為該區地殼結構復雜，不均勻性強烈，間斷面多而且不尖銳，導致地震波能量在地殼內多次反射、混合，一次震相和多次震相能量疊加，難以區分。這種情況表明，該臺下方不適合使用簡單的單層均勻地殼結構模型進行近似，甚至也不是簡單的上下二層地殼結構可以解釋的。地殼結構復雜表明，該區的地質構造活動活躍，地質作用強烈，多期次的構造活動使得該區原始的單層均勻地殼結構基本消失，呈現出現在的復雜地殼結構。這種情況下使用簡單的H-κ方法難以得到可信的地殼厚度和波速比結果，需要使用其他方法進行研究[10-11]。

基于以上分析，可以將華南及鄰區的臺站下方的接收函數定性地分為3種類型：Ⅰ類(標準型)、Ⅱ類(過渡型)、Ⅲ類(復雜型)，當然實際情況比3種類型更加復雜。了解各個臺站的接收函數類型，有助于對臺站下方的地殼結構進行認識，可進一步為地質作用過程的解釋提供約束。基于以上認識，本文進一步分析華南及鄰區609個地震臺站接收函數的形態和地殼結構特征。

東南沿海華夏塊體地殼結構較為穩定，包括廣東、福建、浙江、上海、江西、安徽、廣西等省的大部分地震臺站接收函數基本都屬于Ⅰ類，接近單層均勻地殼結構模型。在這些地區中也有部分臺站的接收函數相對復雜，接近Ⅱ類，如浙江溫州臺(ZJWEZ)、福建福州城門臺(FJFZCM)、廣東豐順臺(GDFES)(圖4)和江西的宜春臺(JXYIC)、井岡山臺(JXJGS)、九江臺(JXJIJ)(圖5)。這些臺站的接收函數特征表現為來自莫霍面的轉換波震相和轉換波的多次反射震相均清晰可見，莫霍面一次震相以后的波形時間序列簡單清晰，但是在莫霍面一次震相前的時間序列上存在一些能量較弱的次級震相。這些相對復雜的接收函數形態是在Ⅰ類臺站區域背景上存在的，本文認為，這些臺站的地殼結構變化應該是來源于局部的地質構造作用，反映的是臺站區域的局部構造特征。如袁麗文等[12]使用接收函數反演福建地區臺站下方的速度結構時發現，福州城門臺(FJFZCM)淺層S波速度偏低，不同于其他臺站，認為和福州的沉積盆地地貌有關。

圖4 浙江溫州臺、福建福州城門臺、廣東豐順臺的接收函數波形Fig.4 Receiver functions of ZJWEZ，FJFZCM and GDFES stations

圖5 江西井岡山臺、九江臺、宜春臺的接收函數波形Fig.5 Receiver functions of JXJGS，JXJIJ and JXYIC stations

從東南沿海逐步到西北內陸，中國大陸地殼結構開始變化，但是地殼變化的邊界目前仍不清楚，地殼的主要變形區域的變形范圍也有待研究。下面基于接收函數的形態分析地殼結構的變化，基于臺站的空間分布判斷地殼結構變化的分布范圍。

在華南塊體北部，湖北地區是地殼結構變形的過渡區域，湖北東中部地殼結構都近似于Ⅰ類單層結構，但是在湖北西北的臺站，如位于秦嶺-大別造山帶內的竹溪臺(HBZUX)、竹山臺(HBZSH)、十堰臺(HBSYA)及鄖西臺(HBYXI)(圖6)，接收函數主要表現為Ⅱ類特征。這些臺站接收函數暗示該區存在地殼結構變化，應該是地殼變形的轉換地帶，也是地質作用的過渡地帶。該區往南有重慶巫溪臺(CQWUX)、重慶萬州臺(CQWAZ)和湖北利川臺(HBLCH)(圖7)，3個臺站地理位置較為接近，但是地殼結構差異較大。巫溪臺莫霍面一次震相明顯，地殼結構簡單均勻，接收函數形態為Ⅰ類；而重慶萬州臺和湖北利川臺接收函數的形態比巫溪臺復雜，接近Ⅱ類，表明該區地質作用較強，存在差異性的地殼變形特征。

圖6 湖北竹山臺、十堰臺、鄖西臺的接收函數波形Fig.6 Receiver functions of HBZSH，HBSYA and HBYXI stations

圖7 重慶萬州臺、湖北利川臺及重慶巫溪臺的接收函數波形Fig.7 Receiver functions of CQWAZ，HBLCH and CQWUX stations

在華南地塊的西北區域，從湖北往西，位于陜西、甘肅、重慶和四川地區的臺站接收函數形態更加復雜，大部分臺站接收函數形態介于Ⅱ類和Ⅲ類之間，甚至存在相當一部分Ⅲ類的復雜接收函數形態，Ⅰ類接收函數極少，表明該區地質作用更加強烈，地殼結構更加復雜。

華南塊體中部區域，即湖南中西部是地殼結構變形的過渡區域。湖南中西部的張家界臺(HNZJJ)、邵陽臺(HNSHY)、洪江臺(HNHOJ)表現出明顯的Ⅱ類接收函數特征，與湖南東部大部分臺站的Ⅰ類接收函數相比存在較大差異。同樣位于湖南西部的吉首臺(HNJIS)的接收函數類型則介于Ⅰ類和Ⅱ類之間，主要是一次莫霍震相清晰，但在莫霍震相后續出現多個強反射振幅。本文認為，在地殼結構變化的過渡區域有些臺站接收函數形態復雜，但同一地區附近臺站有時又表現出不一致的地殼結構，表明這些區域的變形結構特征復雜，而地質結構差異、斷層的控制以及地質作用的差異都會導致更小范圍的區域地殼結構差異。

華南地塊南西區域，即廣西的大部分臺站表現出Ⅰ類的接收函數形態，但是位于廣西西北區域的天娥臺(GXTE)、忻城臺(GXXCT)、巖灘臺(GXYCT)、平果臺(GXPGX)接收函數形態相對復雜，這種復雜延伸到貴州的羅甸臺(GZLDT)，主要是源于殼內間斷界面的發育。在廣西西部和云南貴州西南角的交界區域地殼結構也表現為Ⅰ類簡單接收函數形態，包括廣西百色臺(GXBSS)、云南富寧臺(YNFUN)、云南文山臺(YNWES)、云南羅平臺(YNLOP)、貴州興義臺(GZXYT)、貴州貞豐臺(GZZFT) 。這些臺站在地殼厚度上卻表現出明顯的從東往西增厚，這種不改變地殼接收函數形態的地殼增厚可能表明，該區地殼增厚方式單一，作用力源穩定。在該區往北，在云南和貴州、四川的交界區域，臺站接收函數的形態開始變復雜，基本為Ⅱ類，地殼結構發生了變化，包括云南宣威臺(YNXUW)、貴州威寧臺(GZWNT)、四川石門坎臺(SCSMK)等。位于云南省內的臺站在較小的空間范圍內會發生相對較大的地殼結構變化，表明該區地質作用強烈。

在江蘇蘇北盆地，有5個臺站的接收函數形態出現明顯異常，這5個臺站分別是江蘇鹽城臺(JSYC)、寶應臺(JSBY)、漣水臺(JSLAS)、泰州臺(JSTZ)、興化臺(JSXH)。具體表現為，接收函數初至P波振幅表現為多波峰形態，莫霍面一次震相也出現多波峰甚至缺失情況，其中鹽城、寶應兩個臺站莫霍一次震相清晰，其他3個臺站莫霍一次震相都不清楚。圖8展示了江蘇鹽城(JSYC)臺、寶應臺(JSBY)和漣水臺(JSLAS)的接收函數形態。我們認為這應該和該區存在巨厚沉積層相關。

圖8 江蘇鹽城臺、寶應臺、漣水臺的接收函數波形Fig.8 Receiver functions of JSYC，JSBY and JSLAS stations

2.2 地殼厚度區域分析

從整體來看，華南塊體及鄰區地殼厚度存在自沿海向內陸、自南向北逐漸變厚的趨勢，這種趨勢在接收函數方法獲得的地殼厚度(圖9)結果中清晰可見。但是在塊體內部，不同的區域構造還存在著地殼厚度的差異性變化。

圖9 由接收函數方法獲得的地殼厚度分布Fig.9 The crustal thickness determined by receiver function

靠近沿海的華夏地塊主要包括廣東、福建、浙江3省地區和江西、廣西2省的部分區域，該地塊內地殼厚度變化不大，但存在一定的塊體特征。最薄的地殼位于珠江三角洲、廣東西南角靠海地區，平均地殼厚度約為27 km。從江西、福建兩省來看，地殼厚度自沿海到內陸經歷了變厚、變薄、再變厚的變化過程。福建沿海區域地殼厚度平均約為29 km，閩贛交界的武夷山地區地殼厚度平均約為33 km，在江西中部地區沿贛江NS向地殼厚度平均約為30 km，而在贛西、湘贛交界的羅霄山脈區域地殼平均厚度約為32 km，兩省的地殼厚度和地形高度表現出很好的鏡像關系。

在浙江、安徽兩省交界的天目山區域(浙西褶皺帶)存在一個較為明顯的地殼凹陷區，分布有浙江臨安臺(ZJLIA)、安徽黃山臺(AHHUS)、浙江新安江臺(ZJXAJ)和浙江淳安臺(ZJCHA)，這里地殼厚度變化較為劇烈，最大為浙江臨安臺的37 km，比周邊平均增厚4～5 km。在接收函數獲得的地殼厚度圖像中(圖9)，安徽南部的地殼厚度為33 km左右，分隔了浙西褶皺帶和秦嶺-大別山區域，與洪德全等[8]的地殼結構結論基本一致。郯廬斷裂帶附近莫霍面深度變化明顯，可能與太平洋板塊深俯沖形成的“大地幔楔”中地幔熱物質上涌等動力學過程[2]對地殼結構產生明顯影響密切相關。

秦嶺-大別造山帶作為華南塊體和華北塊體的分界帶，表現出明顯的地殼增厚特征。鄰近大別造山帶的安徽六安臺(AHLA)、金寨臺(AHJAZ)地區地殼厚度明顯增厚4 km左右，湖北黃梅臺(HBHME)也比江西九江臺(JXJIJ)增厚約2 km；在湖北東部和江西西北交界地區，湖北境內相比江西境內地殼明顯增厚，湖北嘉魚臺(HBJAY)和湖北咸寧臺(HBXIN)下方地殼厚度較大。

廣西地殼平均厚度約為30 km，與廣西相鄰的云南、貴州(云貴高原區域)和湖南西部地殼明顯增厚，這些地區在地貌上存在雪峰山隆起。在湖北西南和重慶東北交界處存在明顯的地殼增厚，平均地殼厚度約48 km，比湖北和重慶其他地區增厚約8 km，可能和該區大巴山、巫山等山脈的存在密切相關。

在華南地塊西部和西北部，地殼增厚趨勢更加明顯[13]，四川、陜西、甘肅等區域地殼厚度達到60 km，這些區域地殼增厚的動力來源主要是印度洋和太平洋的擠壓俯沖，物質來源則是青藏高原物質東流[14-15]。在不同構造應力、地質斷層和塊體運動的復雜作用下，該區地殼結構復雜，地殼快速增厚，成為中國大陸的地震多發區域。

2.3 地殼厚度測線剖面分析

在緯度和經度方向分別繪制3條測線剖面(圖2、圖10)，分析地形高度和地殼厚度的相關關系。

在緯度方向，PQ剖面橫穿廣東、廣西、貴州和云南4省，地殼厚度和地形高度表現出明顯的正相關關系，從東往西逐步變大，表現出線性增加的趨勢。MN剖面穿過福建、江西、湖南、湖北、重慶、四川6省，從地形高度看，從東往西依次穿過武夷山脈、羅霄山脈、巫山山脈和橫斷山脈，地殼厚度與地形高度相對應有兩次劇烈增厚的變化。在東經112°左右，測線到達大巴山脈后，地殼厚度增加約10 km；進入四川盆地后，地殼厚度變化不大；到橫斷山脈后，隨著海拔快速升高，地殼厚度再次劇烈增加。GH剖面穿過浙江、安徽、河南、陜西、甘肅5省，穿越秦嶺進入黃土高原后，從東經約111°開始，地殼增厚趨勢明顯，和地形高度變化正相關，其中在秦嶺的地殼增厚幅度更大。緯向剖面都表現出地殼厚度自東向西逐漸增加的趨勢，和中國大陸的三級地形特征一致。在穿過山脈的過程中，地殼厚度變化劇烈，表明地表的造山運動和地殼的增厚過程是一致的。

在經度方向，EF剖面穿過廣東、江西、安徽、江蘇4省，海拔高度都在700 m以下，地殼厚度變化不大，均在30 km左右，在北緯約30°江西與安徽交界地區存在地殼增厚再減薄的凹陷區。CD測線穿過廣西、湖南、湖北、河南4省，存在海拔變化，但基本都在700 m以內，在湖南、湖北境內穿過了雪峰山脈和武陵山脈，地殼厚度表現出先增加再減薄的變化過程，地殼厚度變化幅度約10 km。相比于地形海拔的變化，地殼增厚的幅度更大，表明該區地殼增厚可能是以下地殼為主。AB測線穿過云南、貴州、四川、重慶、陜西5省，地形表現為從云貴高原進入四川盆地然后穿過秦嶺進入黃土高原。四川盆地海拔最低，對應的地殼厚度最薄，云貴高原、秦嶺、黃土高原對應的地殼厚度較厚。

為了進一步驗證本文求取地殼厚度結果的準確性，將各測線地殼厚度和呂堅等[5]使用瑞雷面波獲取的地殼厚度進行了對比(圖10)，發現6條測線在地殼厚度的變化趨勢上基本是一致的，只存在細節的差異。面波地殼厚度結果較為平滑，接收函數H-κ方法獲取的地殼厚度表現出更多的細節特征。

圖10 各測線地殼厚度和地形高度Fig.10 Crustal thickness and topography of each line

3 結 語

本文基于接收函數方法研究了華南及鄰區的地殼結構。研究認為，該區地殼結構差異性較大，既存在塊體的地殼結構差異，也存在塊體內部的局部地殼結構變化。這與該區經歷過多期次的構造活動演化是相關的。

研究區在地殼結構上表現為從沿海向內陸逐漸復雜的變化，地殼厚度則表現出增加的趨勢。整個研究區的臺站下方的接收函數可分為3種類型：Ⅰ類(標準型)、Ⅱ類(過渡型)、Ⅲ類(復雜型)。3種類型的接收函數對應該區3種類型的地殼結構，Ⅰ類標準型地殼相對穩定，地殼厚度一般在35 km以下，主要包括廣東、福建、浙江、上海、江西、廣西、安徽南部、湖北中東部、湖南中東部和云南東南部地區；Ⅱ類過渡型接收函數對應地殼增厚變形的區域，該區地殼厚度從約35 km逐漸增厚到約45 km，主要為湖北西部、湖南西部、貴州和云南東部及中北部地區；Ⅲ類復雜性接收函數則對應地殼劇烈增厚的區域，地殼厚度從45 km可以增厚到60～70 km，表明地質作用相當強烈復雜，主要包括重慶、四川、陜西南部、甘肅南部和云南北部區域。

在大的構造背景下還存在若干局部變形區域，如安徽與浙江交界的天目山地殼凹陷、江蘇中北部的沉積盆地，這些局部的地殼結構異常特征可能和局部斷層的力學控制、深部地幔物質上涌和局部介質結構等因素密切相關。接收函數特征也為進一步研究局部作用關系提供了地震學基礎。

致謝：感謝鄭勇教授提供剖面繪圖程序。