利用遠震接收函數(shù)探測襄樊臺下方地殼厚度及泊松比＊

劉 遷 趙 瑞 栗 寧

1)中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢 430071

2)湖北省地震局，武漢 430071

引言

地殼厚度作為地殼結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，指示了所在區(qū)域的大地構(gòu)造特征，波速比、泊松比也反映了地下物質(zhì)組分、介質(zhì)特性的變化。接收函數(shù)作為研究地殼結(jié)構(gòu)的方法之一，對速度梯度較為敏感[1]。遠震P波在穿過臺站下方速度間斷面時產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換波及多次轉(zhuǎn)換波（PpPs、PpSs）能夠在接收函數(shù)上明顯顯示[2-4]。通過分析遠震接收函數(shù)可獲得精細的地殼結(jié)構(gòu)，物質(zhì)組分、演化等信息[5-7]。

襄樊地震臺地處南秦嶺造山帶南襄斷陷盆地與上揚子臺緣褶帶過渡部位，NW-SE走向的襄樊—廣濟斷裂帶由臺站西南方向通過，距離該斷裂約6 km；南面則分布NNW向南漳、鐘祥斷裂，周邊斷層構(gòu)造分布廣泛（圖1）。2018年9月8日17時35分湖北襄陽發(fā)生M2.5地震，該地震震中距襄樊地震臺僅4 km，該地震發(fā)生后，陸續(xù)又發(fā)生過多次余震，地震活動趨于活躍。本文利用襄樊地震臺2015—2018年間記錄的112個高信噪比遠震波形，提取了P波接收函數(shù)，用H-k疊加方法獲得了臺站下方地殼厚度、波速比及泊松比，為該地區(qū)精細的地殼結(jié)構(gòu)探測奠定了基礎(chǔ)。

圖1 臺站周邊斷層分布圖Fig.1 Distribution of faults around Xiangfan seismic station

1 數(shù)據(jù)資料處理

本文收集了2015—2018年襄樊地震臺記錄的112個遠震波形事件，這些地震事件震中距30°—90°，震級5.5級以上（含5.5級），三分量齊全，震相清晰，信噪比較高（圖2）。在提取接收函數(shù)之前，對波形數(shù)據(jù)進行了以下預(yù)處理：①截取P波到時前50 s，后100 s地震波形數(shù)據(jù)；②對截取的數(shù)據(jù)進行去儀器響應(yīng)、去傾斜、去均值、重采樣、0.05—2 Hz帶通濾波；③將三分量記錄ENZ旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標系下；④用垂直分量分別對徑向分量和切向分量在時間域作最大熵譜反褶積，得到了消除路徑和震源影響后的垂向和徑向接收函數(shù)。

2 H-k疊加原理

由反褶積獲得的徑向接收函數(shù)有直達P波，Ps波，多次反射波PpPs，PsPs+PpSs等震相，這些震相的到時與莫霍面的深度H，P波和S波的速度vP,vS是相關(guān)聯(lián)的，采用公式（1）來計算地殼厚度H[8]。tPs、tPpPs、tPsPs分別為Ps、PpPs、PsPs（PpSs）震相與P波的到時差。

式中，vP,vS分別為P、S波的平均速度，p為射線參數(shù)，遠震P波到達接收區(qū)以近乎垂直入射。在已知地球半徑及地殼平均P波速度的前提下，根據(jù)p=r·sinλ/V可以求得射線參數(shù)p。然后就可以求出莫霍面深度H，波速比k=vP/vS。

圖2 遠震事件分布圖Fig.2 Locations of the teleseismic events

在進行H-k疊加時，每個H和k都會對應(yīng)一個到時，根據(jù)到時可以獲得其在接收函數(shù)中對應(yīng)的振幅，這些振幅按照公式（2）進行疊加，對在一定范圍內(nèi)的H和k進行掃描，得到最大振幅的位置，即是求得的地殼厚度和波速比，這種方法便是H-k疊加。

其中，r表示不同震相到時下的振幅，ωi(i=1,2,3)為權(quán)重系數(shù)且滿足ω1+ω2+ω3=1。然后，用式（3）根據(jù)波速比k可得到地殼平均泊松比

3 結(jié)果分析

圖3顯示了襄樊臺接收函數(shù)及H-k疊加掃描結(jié)果。由圖可以看出，有效遠震事件主要分布在反方位角30°—60°、120°—210°和285°—300°之間，不同方位角的Ps轉(zhuǎn)換波清晰，Ps震相幾乎在一條線上，疊加清晰。Ps后續(xù)震相如PpPs等顯得略微模糊，主要與波形噪聲干擾有關(guān)。研究結(jié)果顯示，襄樊臺下方地殼厚度為35 km、波速比為1.66、泊松比為0.22。其地殼厚度低于十堰臺44.8 km及房縣臺42.5 km，高于荊門臺34.5 km及鐘祥臺34.6 km[9]，由此可知，襄樊臺處于西部山區(qū)厚地殼與中東部薄地殼的過渡地帶，周邊臺站地殼厚度變化較大。波速比略低于大陸地殼平均波速比1.76[10]。高泊松比往往對應(yīng)地殼內(nèi)部鐵鎂質(zhì)含量增多或者殼幔物質(zhì)上涌造成地殼部分熔融，而低泊松比多對應(yīng)于脆性石英質(zhì)介質(zhì)，這意味著在外力作用下，殼內(nèi)應(yīng)力積累會更多地集中于低泊松比區(qū)[11]。襄樊臺泊松比略微偏低，存在因區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力積累發(fā)生微小地震的可能性。

圖3 疊加后的接收函數(shù)以及H-k掃描疊加結(jié)果Fig.3 Receiver functions after stacking and the H-k stackingresult

4 結(jié)論

本文利用遠震接收函數(shù)的方法得到了襄樊臺下方地殼結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，經(jīng)分析獲得以下認識：

（1）襄樊臺地殼結(jié)構(gòu)探測中有效遠震事件主要集中于環(huán)太平洋地震帶、地中?！柴R拉雅地震帶。這些地震往往震級較大、信噪比高，直達P波，Ps轉(zhuǎn)換波，多次反射波PpPs，PsPs+PpSs等震相較為清晰，準確率高。

（2）襄樊臺下方地殼厚度為35 km，略高于大陸地殼平均厚度33 km，處于西部山區(qū)厚地殼與中東部薄地殼的過渡地帶，周邊臺站地殼厚度變化較大。

（3）泊松比為0.22，數(shù)值略微偏低，存在因區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力積累發(fā)生微小地震的可能性。

致謝

感謝朱露培老師提供了理論接收函數(shù)的程序，數(shù)據(jù)處理與繪圖中使用了SAC（Seismic Analysis Code）和GMT5軟件，在此一并表示感謝。