八五三地震臺地殼結(jié)構(gòu)與泊松比淺析

李大偉，教智浡，胡寶慧

（鶴崗地震臺，黑龍江 鶴崗 154100）

0 引言

了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一直是地學研究的重要目標之一。除了地質(zhì)學方面研究外，國內(nèi)外很多地震學專家學者根據(jù)地震計所能記錄到的地震波，獲取更深的地球內(nèi)結(jié)構(gòu)信息。接收函數(shù)方法是研究地殼和上地幔結(jié)構(gòu)有效手段之一，隨著幾十年的發(fā)展完善，已得到學術(shù)界廣泛認可。在此基礎上，Zhu 等[1]提出了確定臺站下方莫霍面深度和地殼內(nèi)橫縱波速度比（以下簡稱速度比） 的H-Kappa 疊加方法。該方法不需要人工識別震相到時等特點，目前已成為研究地殼結(jié)構(gòu)最常用的方法之一，得到了廣泛應用。

2016 年八五三地震臺依托“深井”項目建立的無人值守臺站，地處黑龍江省東北部三江盆地西緣，佳木斯地塊與那丹哈達塊體交接處；走向近乎南北，而且傾向向東的逆沖壓性大和鎮(zhèn)斷裂為地塊縫合帶。大和鎮(zhèn)斷裂（也叫做躍進山斷裂） 是否是獨立存在的斷裂帶一直存在爭議，有學者認為敦化—密山斷裂在滑移過程中發(fā)展出了大和鎮(zhèn)斷裂，也有學者認為大和鎮(zhèn)斷裂的形成早于敦化—密山斷裂，后與敦化—密山斷裂交錯疊加?？傊宋迦卣鹋_地理位置在黑龍江省地震臺網(wǎng)布局中具有特殊意義[2-3]。

1 觀測資料的選取

八五三地震臺（BWS） 所使用的是北京港震機電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的三分量（一個垂直向，南北、東西兩個水平向） 力平衡電子反饋式寬頻帶地震計，具體型號為GL-S60B，其響應頻率范圍為60s～80Hz，響應曲線平坦，采樣率為100 次/秒，與其配套的是型號為EDAS-24GN 數(shù)據(jù)采集器。自2016 年建立以來，儀器運行穩(wěn)定，資料連續(xù)可靠，記錄了大量地震觀測數(shù)據(jù)波形。從中整理收集2017 年1 月—2018年9 月八五三地震臺記錄到的面波震級大于5.5，震中距30°～90°的遠震地震事件，再人工篩選出P 波初動清晰，信噪比較高的事件261個，具體事件分布如圖1 所示?？梢钥闯?，本文所用的遠震事件震中位置在臺站各個方位較好地覆蓋，相對集中在反方位角120°～230°之間，集中在西南太平洋板塊與澳大利亞板塊交界地區(qū)。

圖1 本文所用的地震事件分布圖Fig.1 The distribution of the earthquake events used in this paper

2 數(shù)據(jù)處理與接收函數(shù)提取

我們對所篩選出來SEED 數(shù)據(jù)格式的遠震事件波形數(shù)據(jù)， 利用 IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology） 提 供 的rdseed 程序做數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為SAC 格式。再使用SAC 地震數(shù)據(jù)處理軟件做如下處理：首先從事件波形記錄截取P 波到時前10s到后80s 共90s 的數(shù)據(jù)；然后去除儀器響應、去尖刺、去均值、去傾斜，分量旋轉(zhuǎn)到RTZ（徑向、切向和垂向） 坐標系下；最后利用Zhu等[1]改進的頻率域反卷積計算程序?qū) 分量和T分量進行反卷積計算，完成提取遠震P 波徑向和切向接收函數(shù)工作。計算過程中，在設定高斯濾波因子α 和水準量（water level） C 方面，根據(jù)前人的經(jīng)驗，對比不同參數(shù)下的接收函數(shù)波形。依據(jù)接收函數(shù)的信噪比水平和分辨率，高斯濾波因子α 選取1.5，水準量C 選取0.01，作為本文研究中計算提取接收函數(shù)的參數(shù)值。

3 反演結(jié)果分析與討論

經(jīng)過上述處理過程，為了保證質(zhì)量，再進行人工挑選，最終獲得97 條高信噪比的P 波徑向函數(shù)（圖2）。根據(jù)每個事件的發(fā)震時刻和震中距計算出其射線參數(shù)；分別選取不同的地殼內(nèi)P 波平均速度（Vp）進行測試，觀察選擇不同Vp 時，地殼厚度和速度比反演結(jié)果如何變化；結(jié)果表明，地殼厚度H 與Vp 為正比關系，而波速比κ 與Vp 卻是反比關系[4-5]。結(jié)合分析整個東北地區(qū)人工地震剖面測深以及地球化學的結(jié)果，得出給定地殼內(nèi)P 波平均速度為6.3km/s 最為合理[6-7]。地殼厚度H 和波速比κ 搜索范圍分別設定為 20～60km 和 1.5～2.0 之間，且 H 和 κ的搜索步長分別為0.1km 和0.01。利用HKappa 疊加方法在設定范圍內(nèi)搜索振幅疊加值最大的點，也就是能量最強的格點，確定臺站下方的地殼厚度與速度比，再根據(jù)速度比與泊松比關系公式，得出：

從而獲得泊松比（σ）。反演得到八五三臺下方的地殼厚度為34.6km，波速比為1.684（圖2）；泊松比為0.226。本次研究地殼厚度結(jié)果與周穩(wěn)生等[8]利用重力布格異常和航磁數(shù)據(jù)反演三江盆地莫霍面平均深度要厚4km；與Kai等[9]利用國際合作項目NECESS-Array 數(shù)據(jù)得到的三江盆地平均地殼厚度為34.0km 結(jié)果更接近。

圖2 八五三臺接收函數(shù)及H-Kappa 疊加反演結(jié)果Fig.2 The receiver function results and H-Kappa stacking inversion of Bawusan Seismic Station

在實驗室中，對一個圓柱形巖石沿軸方向加載壓力或者張力，在彈性形變階段內(nèi)，它的橫截面直徑（d） 發(fā)生伸長或者收縮變化，同時垂直于截面的長度（l） 也會發(fā)生收縮或者伸長變化，將截面直徑的變化率（Δd/d） 與長度的變化率（Δl/l） 之比的負值定義為泊松比（σ）。泊松比對巖石組成成分非常敏感，所以泊松比的大小及變化，常常用來推斷地殼物質(zhì)成分組成及運動演變過程。對于一般常見的巖石，泊松比的變化范圍在0.20 到0.35 之間[10]。低泊松比（σ＜0.26） 表示地殼中長英質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)居多，中間值（0.26≤σ≤0.28） 表示地殼物質(zhì)中，長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)礦物含量相當，高泊松比（σ＞0.28） 則代表鐵鎂質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)構(gòu)造[11]。一般來說，當巖石的二氧化硅的含量大于55%時，巖石的泊松比大小與巖石中的二氧化硅含量成反比[12]。由此可知，八五三臺（BWS） 的泊松比屬于低泊松比值，地殼物質(zhì)巖性屬于二氧化硅含量較高，熔融度低的長英質(zhì)巖。

將八五三臺本次研究得到的地殼厚度（H）、波速比（κ） 以及泊松比（σ） 結(jié)果與位于三江盆地西緣，依舒斷裂帶北段上的佳木斯臺（JMS）、蘿北臺（LBE） 以及三江盆地南緣與張廣才嶺山區(qū)交界處寶清臺（BAQ）、雙鴨山臺（SYS） 四個臺站下方的地殼厚度、速度比以及泊松比進行比較[13]，如表1、圖3 所示。

表1 與其他臺站H-κ 反演結(jié)果對比

結(jié)合表1 和圖3 可知，位于斷裂帶上的佳木斯臺、蘿北臺、八五三臺地殼厚度約在35km左右；但在泊松比值上，八五三臺與佳木斯、蘿北臺差別較大，根據(jù)上述不同泊松比值范圍所反映的巖石不同礦物組成，佳木斯臺、蘿北臺下方的地殼巖石中，長英質(zhì)礦物與銑鎂質(zhì)礦物含量相當，而八五三臺下方，長英質(zhì)礦物含量較高。在地質(zhì)學方面，袁桂林[14]在研究分析泛三江地區(qū)盆地群構(gòu)造演化時，發(fā)現(xiàn)大和鎮(zhèn)斷裂與其相鄰的那丹哈達塊體上廣泛發(fā)育具有典型代表長英質(zhì)礦物的云母花崗巖；反觀三江盆地西緣，依舒斷裂帶北段發(fā)育有蛇綠巖為代表的構(gòu)造混雜巖[15]，而蛇綠巖為鐵鎂-超鐵鎂質(zhì)礦物為主的巖體，這也是火山活動的重要標志。

圖3 所述臺站在地形圖上的位置Fig.3 The location of involved seismic stations on the topographic map

前人的研究表明，一般情況下，如果泊松比變化趨勢與地殼厚度變化趨勢相同，說明整個地殼的增厚原因是下地殼增厚引起的；相反，如果泊松比變化趨勢與地殼厚度變化趨勢相反，整個地殼的增厚原因是由上地殼增厚引起的[16]。綜合上述推斷，三江盆地西緣伊舒斷裂帶北段的佳木斯臺、蘿北臺臺站下方，是由于含有鐵鎂質(zhì)礦物的地幔物質(zhì)上涌到下地殼中，導致地殼厚度增厚，且高泊松比（σ＞0.28）情況的發(fā)生，這與前人研究得到的伊舒斷裂帶為深切地殼斷裂帶的結(jié)果一致[17]；而三江盆地東緣大和鎮(zhèn)斷裂上的八五三臺下方可能出現(xiàn)了上地殼物質(zhì)沉降作用，導致地殼厚度較厚，泊松比值較小的情況。而位于三江盆地南緣與張廣才嶺交界處的雙鴨山臺與寶清臺地殼厚度較薄，均小于30km；泊松比值較高，表明臺站下方殼物質(zhì)長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)礦物含量較多。綜合來看，三江盆地周緣地殼厚度，大體呈“東西邊厚，南邊薄”的對稱關系，這也再一次說明了，西北太平洋板塊向歐亞板塊下持續(xù)俯沖的地球動力學機制，在地殼構(gòu)造特征和物質(zhì)成分變化過程中起到關鍵的作用。

4 結(jié)論

本文通過八五三地震臺記錄到的震中距30°～90°之間，面波震級大于5.5 的遠震地震事件，提取的P 波徑向接收函數(shù)；再采用HKappa 疊加方法計算臺站下方地殼厚度和泊松比。分析得到如下結(jié)論：

（1）八五三地震臺接收函數(shù)信噪比高，關鍵震相清晰，反演得到的莫霍面深度及泊松比結(jié)果精確可靠。

（2）八五三地震臺下方的地殼厚度為34.6km，波速比為1.684，泊松比為0.226。泊松比值較低，反映了臺站下方地殼物質(zhì)巖性屬于二氧化硅含量較高，熔融度低的長英質(zhì)巖。

（3）通過上述地殼厚度與泊松比值的特點，推測八五三地震臺地殼增厚是由地殼沉降作用引起的。

（4）三江盆地周緣地殼厚度，大體呈“東西邊厚，南邊薄”的對稱關系，這是西北太平洋板塊向歐亞板塊下持續(xù)俯沖擠壓的結(jié)果。

本研究尚為初步結(jié)果，有待于更深入的研究及實踐檢驗。