基于接收函數方法研究廣東地區地殼厚度與泊松比

摘要：選取廣東地區49個固定地震臺站記錄到的遠震資料，采用時間域迭代反褶積法提取P波接收函數，利用Н-к疊加法獲得臺站下方的地殼厚度與泊松比。結果表明：①廣東地區地殼厚度在24.8～31.0 km，平均值為28.3 km，自西北往東南減薄，呈區域性帶狀分布特征，可能與研究區內山脈隆起、平原和山地相間的地質構造相關。②研究區泊松比為0.220～0.287，平均值為0.244，泊松比北部偏高、南部偏低，沿海地區高于內陸地區，具有區域性塊狀分布特征，可能與地殼主要深大斷裂切割的地質塊體有關。③地殼厚度和泊松比分布與斷裂的分布有較好的對應關系，并在斷裂附近變化明顯。④地殼厚度與泊松比呈負相關，可能與古太平洋板塊在地殼演化過程中向廣東大陸方向推進，幔源物質進入地殼，在地殼深部存在部分熔融，從而導致地殼巖石中鎂鐵成分含量上升引起的泊松比升高有關。

關鍵詞：廣東地區；接收函數；地殼厚度；泊松比

中圖分類號：P313 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2024）02-0212-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0020

0 引言

廣東地區位于中國東南沿海，北接南嶺山脈，南臨南海，地勢從北向南遞減，形成北部山地、中部丘陵和南部以平原為主的地貌分布特征。魏柏林等（2001）指出，該地區是歐亞大陸東部邊緣框架重要的組成部分，因受到印度洋板塊、菲律賓板塊和亞歐板塊的碰撞、擠壓、拉伸、俯沖以及臺灣海峽的近期擴張，其演化過程伴隨著深部物質活動，進而形成了一系列切割地殼和上地幔的深大斷裂，這些斷裂帶至今仍有較強的活動性，因此該地區新構造活動強烈、具有獨特的地殼與上地幔運動的演化歷史和地球動力學過程。另外，廣東地區位于揚子地臺和華南褶皺帶的交界處，中強地震活躍，歷史地震多發生在斷裂帶交會的部位。研究地殼厚度與泊松比的分布特征，一方面可以為分析該區地球內部物質組成結構和地殼板塊運動提供參考，進一步了解巖石圈的物理特性及動力學機制，揭示該區深大斷裂的分布及活動規律，另一方面對該地區的地震監測預報、工程地震、地震活動性以及構造應力分布等工作也具有理論意義和實用價值。

接收函數方法是目前研究地球內部圈層精細結構的最有效和較常用方法之一，主要利用遠震波入射到臺站下方界面上產生的Ps或Sp轉換波來探測臺站下方間斷面形態，該方法能有效提取地球圈層界面結構，具有良好的垂向分辨率，沈玉松等（2013）和黃海波等（2014）使用該方法研究了廣東地區的地殼結構。隨著數字化觀測臺站和流動臺站數量的增加與觀測技術的飛速發展，接收函數及其反演方法得到廣泛應用并不斷完善（Langston，1979；Ammon et al，1990；Yuan et al，1997；吳慶舉等，2003，2007a，b；鄒最紅，陳曉非，2003；孫麗等，2008；袁麗文，鄭斯華，2009；楊中書等，2010；許衛衛等，2011）。本文基于遠震P波接收函數方法，利用Н-к疊加方法反演廣東地區49個臺站下方的地殼厚度與泊松比，結合區域地質構造條件、深大斷裂的分布以及巖性等，分析地殼厚度與泊松比的分布特征以及主要斷裂帶和地質構造單元的關系，最后采用bootstrap方法（Johnson，2001）求取研究結果的編差。

1 數據與方法

1.1 數據選取與處理

本文所用遠震波形數據來源于布設在廣東地區地震臺網的49個固定臺站（圖1），臺間距為100～200 km，基本涵蓋了廣東所有的地區。選取2014—2015年震中距在30°～90°、Mgt;5.5、震相清晰且波形記錄信噪比高的地震事件提取接收函數，最終共選取有效地震397個（圖2），這些地震具有較好的方位和震中距覆蓋，為獲得穩定、可靠的研究結果提供了高質量的數據保障。根據地震發震時間截取原始波形，截取過程中利用PREM模型計算理論到時以協助直達P波的識別，截取P波到達前10 s至之后70 s的波形數據。數據處理過程如下：使用SAC軟件對截取的原始三分向（Z、N和E）地震記錄進行預處理，如重采樣（0.1 Hz）、去均值、去線性趨勢、儀器響應和去傾斜等；使用頻率為0.1～2 Hz的帶通濾波進行濾波；將地震波Z、N和E三分向旋轉到Z、R和T方向。

1.2 接收函數的提取

接收函數是通過地震波三分量計算得到的時間序列，它代表了接收區的各種介質對遠震P波的脈沖響應。遠震P波數據中主要包含震源時間函數、近源結構和臺站下方的地殼及上地幔速度間斷面產生的Ps轉換波以及多次反射波等大量地震波信息。因此，研究和分析接收函數是了解地殼結構的重要手段之一（吳慶舉等，2004；安張輝等，2004）。時域迭代反褶積法（Zhu，Kanamori，2000）是一種分辨率較高的接收函數提取方法，該方法能夠對計算出的接收函數進行質量評價和分析，適合大量數據的自動處理。因此，本文使用高斯濾波系數為2.5及水準量為0.001的時域迭代反褶積法提取各個臺站遠震事件的接收函數波形，為了保證計算結果的精度，剔除時域迭代中擬合率在90％以下的接收函數。對所有的結果進行逐一人工檢查，保證接收函數波形具有較高的質量。從圖3可以清楚地看到，除了主要的震相P波之外，還可以識別Ps、PpPs和PsPs＋PpSs 3種震相。

1.3 Н-к疊加方法

Н-к疊加方法通過對不同的地殼厚度（Н）和波速比（к）進行組合，依據設定的地殼平均P波速度計算Ps、多次波（PpPs、PsPs＋PpSs）的理論到時，再根據理論到時在接收函數上取對應的振幅加權求和，極大值對應的地殼厚度和波速比即為Н和к的最佳估計值（李海艷等，2021）。本文Н-к疊加過程中，設定地殼平均P波速度為6.2 km/s（鄭圻森等，2003；蔡學林等，2003），參考沈玉松等（2013）和黃海波等（2014）的研究結果，設定地殼厚度Н的搜索區域范圍為20～45 km，間隔為0.1 km；波速比к的搜索區域范圍為1.5～2.0，間隔為0.01。設定疊加過程中Ps、PpPs、PsPs＋PpSs加權系數分別為0.6、0.3和0.1，依據這3個震相的可識別程度賦予疊加權重，震相的可識別程度高、疊加權重大，反之，疊加權重小，本文中震相的可識別程度較高。利用Н-к疊加方法可以確定函數S（H，к）的最大值以及相應H和к。根據波速比與泊松比之間的數學關系式：σ=0.5［1-（к²-1）^-1］，可進一步獲得相應地殼介質的泊松比σ。

2 結果與分析

2.1 Н-к疊加結果

基于上述方法和步驟，對廣東地區每一個地震臺站的徑向接收函數做Н-к疊加計算，求取每個臺站下方的地殼厚度、波速比和泊松比。圖4為珠海（ZHH）臺、英德（YND）臺、廣州（GZH）臺、紫金（ZIJ）臺、中山（ZHS）臺和花都（HUD）臺使用Н-к疊加方法得到的結果，圖中紅圈標出了函數S（H，к）的最大值。

本文所獲得的遠震波形數據受到臺站周邊環境、地殼結構的復雜性和臺站記錄質量和數量等諸多因素的影響，存在一定程度的誤差，梅州（MEZ）臺和南彭島（NAP）臺的接收函數波形太過嘈亂或者是太復雜，不易識別，因此，剔除此類數據，最終獲得49個臺站的接收函數。為使研究結果更加接近真實值，本文采用bootstrap方法對偏差統計分析。該方法從地震單臺的數據中隨機抽取可重復的接收函數作為樣本，對樣本進行Н-к疊加計算，得到地殼厚度與波速比，以上步驟重復進行200次，對得到的結果求取標準差，即可得到地震單臺的偏差范圍。由表1可見：廣東地區地殼厚度為24.8～31 km，平均地殼厚度為28.3 km，地殼厚度誤差為0.4～0.9 km，平均地殼厚度誤差為0.6 km；泊松比為0.220～0.287，平均泊松比為0.244，泊松比誤差為0.01～0.03，平均泊松比誤差為0.01。各臺站的誤差估算結果也表明了本文計算結果的可靠性。

2.2 與前人研究結果對比分析

將本文結果與沈玉松等（2013）和黃海波等（2014）研究結果進行對比，三者所采用相同臺站共計41個（表2）。由表2可見，3種結果有一定的差異，本文得到廣東地區平均地殼厚度為28.3 km，平均波速比為1.72；沈玉松等（2013）得到平均地殼厚度為29 km，平均波速比為1.72；黃海波等（2014）得到的平均地殼厚度為28.6 km，平均波速比為1.73。3種結果均在合理的誤差范圍之內，數據變化趨勢基本一致（圖5a-1、5b-1），表明本文結果的準確性。

為了進一步分析本文結果與其他學者結果的可靠性和差異性，再對三者得出的地殼厚度和波速比進行一致性分析（圖5a-2、5b-2），圖中藍色實線表示本文結果同前人結果完全一致；圖5a-2中紅色實線內的區域表示本文結果同其它兩種結果地殼厚度的偏差不超過1.5 km；圖5b-2中紅色實線內的區域表示本文結果同其它兩種結果波速比的偏差不超過0.06。

3 討論

3.1 地殼厚度

廣東地區地殼厚度分布圖（圖6a）顯示：①地殼厚度由北向南、自西向東減薄，整體上變化范圍較小，與該地區具有內陸區域向大洋區域過渡的地殼—上地幔結構特征相一致（趙明輝等，2007；夏少紅等，2010），也與華南地區地殼厚度變化的趨勢相一致。②廣東地區地殼厚度呈區域性帶狀分布，與研究區內山脈隆起、平原和山地相間的地質構造相關。該地區的主要斷裂呈NE和NW走向，且一部分斷裂相互交錯，在斷裂交會地區地殼厚度較大，出現較明顯的區域性帶狀分布特征。該地區東南部、沿海地區的地殼厚度較薄，東北部地殼厚度較大，地殼厚度沿主要斷裂帶突變明顯。③揭西、龍潭口、連平和紫金等周邊地區地殼厚度較厚，為30.0～31.0 km；韶關、南澳、潮州和肇慶等周邊地區地殼厚度較薄，為27.0～30.0 km；湛江、遂溪、上川島和珠海等周邊地區地殼厚度較薄，為24.8～27.0 km。

3.2 泊松比

圖6b顯示：①廣東地區泊松比呈區域性塊狀分布，從整體上來分析，泊松比呈區域性帶狀分布，與斷裂的分布對應較好。因此，本文推測泊松比呈區域性塊狀分布與地殼中主要的深大斷裂切割的地質塊體有一定的關聯性，這也與李海艷等（2021）的研究結果相吻合。②泊松比橫向不均勻性明顯，北部整體偏高，南部整體偏低，且沿著主要斷裂帶的突變明顯。③Zandt和Ammon（1995）研究發現：對于下地殼巖石而言，當泊松比小于0.26時，表明地殼介質中含有長英質；當泊松比介于0.26～0.28時，表明地殼介質中長英質向鐵鎂質的過渡階段；當泊松比大于0.28時，表明地殼介質中含有鐵鎂質。廣東地區的泊松比為0.220～0.287，平均泊松比為0.244，表明該區地殼介質中鐵鎂質含量很少。潮州、南澳和遂溪等周邊地區泊松比高，為0.262～0.287，表明此區域為地殼介質中長英質向鐵鎂質的過渡階段；韶關、廣州、深圳和南雄等周邊地區泊松比較低，為0.249～0.262，龍川、陽江、肇慶和珠海等周邊地區泊松比低，為0.220～0.249，表明此區域地殼介質中長英質含量居多。

3.3 地殼厚度和泊松比分布與斷裂的關聯

廣東地區主要發育NE向、NW向和近EW向斷裂（圖1），這些斷裂是地貌單元的主要分界，形成平原山地、斷陷盆地及褶皺隆起等構造地貌特征，本文分別在這3種走向斷裂中各選取一條與地貌特征進行對比。①五華—深圳斷裂為NW走向，所經過的地區地殼厚度成條帶狀減薄，從北部的30 km減至濱海地區的29 km左右，推測可能受到斷裂的影響。泊松比表現出相反的變化趨勢，即由內陸地區的0.24向沿海地區增至0.26左右，表明地殼中鎂鐵物質的增加。②西江斷裂為NE走向，與廣州—從化斷裂相交，地殼厚度自北向東變化幅度不大，但斷裂兩側有較明顯的變化，可能是由于斷裂兩側地塊經歷了不同的地質年代，分屬不同年代的地層，導致斷裂兩側的莫霍面深度不同。泊松比自北部向海濱地區減小，推測北部地區可能存在破碎帶或者流體活動，從而導致泊松比的增加。③羅浮山—瘦狗嶺斷裂為近EW走向，與廣州—從化斷裂、西江斷裂和白泥—沙灣斷裂相交，泊松比由西向東增大，揭示了地殼中鎂鐵物質的增加，地殼厚度也由西向東增厚。分析其原因為，斷裂交會區域巖石松散破碎，易成為巖漿上侵或噴出的通道，導致地殼活動活躍，而且部分斷裂今仍具有活動性，使得地殼厚度與泊松比由西向東增大。

綜上，地殼厚度和泊松比分布與斷裂的分布有較好的對應關系，地殼厚度與泊松比在斷裂附近變化明顯。廣東地區斷裂主要分布在中南部，地殼厚度自西北往東南減薄，地殼厚度與地貌特征有明顯的對應關系，沿海地區泊松比高于內陸地區，中南部的斷裂交會處地殼巖石中鎂鐵成分明顯增加，導致泊松比升高。

3.4 地殼厚度與泊松比的關系

地殼厚度與泊松比之間的關系反映出大陸地殼形成和構造演化進程情況。大陸地殼巖石組成在水平方向上是不均勻的，所以當其增厚或變薄時，地殼厚度與泊松比之間會呈現出某種線性關系（嵇少丞等，2009）。

廣東地區地殼厚度與泊松比的相關性如圖7所示，圖7a顯示：地殼厚度與泊松比呈負相關性，即泊松比隨著地殼厚度的增大而減小，對該現象分析認為：古太平洋板塊在大洋地殼演化過程中向廣東大陸方向推進，大量的幔源物質流入地殼內，在地殼深部存在部分熔融，導致地殼巖石中鎂鐵成分的含量上升，從而引起廣東地區泊松比的升高。為了進一步驗證地殼厚度與泊松比的相關性，將本文結果與沈玉松等（2013）和黃海波等（2014）的結果進行對比分析，如圖7b、c所示。本文與黃海波等（2014）得出的地殼厚度與泊松比的相關性一致，與沈玉松等（2013）得到的相關性相反。針對以上現象，分析認為：①在接收函數反演中，存在極大的不唯一性，反演結果的好壞對數據的選取有一定的依賴性。數據的選取受場地條件、臺站記錄質量和數量等諸多因素的影響。因此，本文與沈玉松等（2013）的地殼厚度與泊松比相關性呈現相反結果。②以萍鄉—廣豐斷裂為界，華夏地塊的泊松比與地殼厚度呈負相關趨勢，揚子塊體的泊松比與地殼厚度呈正相關趨勢（趙延娜等，2017）。由于廣東地區位于華夏板塊（王雅迪等，2021），因此該地區地殼厚度與泊松比呈負相關。

4 結論

本文對廣東地震臺網的49個固定臺站的遠震波形資料進行處理，得到每一個臺站下方的接收函數波形。采用Н-к疊加方法獲取了臺站下方的地殼厚度與泊松比，揭示了廣東地區地殼厚度與泊松比的變化特征，得出了以下主要結論：

（1）廣東地區整體上地殼厚度較薄，為24.8～31.0 km，平均地殼厚度為28.3 km，地殼厚度總體上變化不大（地殼厚度之差為6.2 km），整體上呈現出自西北往東南減薄的趨勢。廣東地區地殼厚度呈區域性帶狀分布特征，一是與研究區內山脈隆起、平原和山地相間的地質構造相關，二是該地區的主要斷裂呈NE走向和NW走向，且一部分斷裂相互交錯，與在斷裂交會地區地殼厚度較大相關。按照地殼厚度的變化特征，該地區整體上形成了沿海的濱海斷裂、粵西、珠江和粵東等塊體。

（2）廣東地區泊松比為0.220～0.287，平均泊松比為0.244，小于0.29，表明地殼中主要包含中、酸性巖石，地殼介質中長英質含量居多。總體來看，泊松比北部偏高，南部偏低，沿海地區高于內陸地區。廣東地區泊松比呈區域性塊狀分布，與地殼中主要的深大斷裂切割的地質塊體有一定的關聯性，但從整體上看，泊松比呈區域性帶狀分布，與斷裂存在的地區有很好的對應關系。沿海的高泊松比區域與斷裂帶交會區域有一定的關聯性，也與該區域熱流值普遍偏高、溫泉分布較廣泛（熊紹柏等，1991）的現象較為一致。

（3）地殼厚度和泊松比分布與斷裂的分布有較好的對應關系。地殼厚度與泊松比在斷裂帶附近變化明顯，其原因可能為部分斷裂帶至今仍具有活動性，在這些地質構造活動劇烈的區域地殼地幔間可能存在物質和能量的交換。從廣東地區歷史地震分布來看，泊松比較高地區的地震活躍性明顯要高。

（4）地殼厚度與泊松比呈負相關，即泊松比隨著地殼厚度的增大而減小。分析該現象認為：古太平洋板塊在大洋地殼演化過程中向廣東大陸方向推進，大量的幔源物質流入地殼內，在地殼深部存在部分熔融，導致地殼巖石中鎂鐵成分的含量上升，從而引起廣東地區泊松比的升高。

本文所獲得的地殼厚度與泊松比只是廣東地區地殼結構的估計結果，不能用來研究該地區更為詳細的地殼結構。為更好地約束地下結構，下一步將接收函數與面波進行聯合反演，提高分辨能力，為研究該地區更為精細的地殼結構特征奠定基礎。

特別感謝防災科技學院譚萍副教授在資料處理過程中的幫助及提供的Н-к疊加程序，本文大部分圖件由GMT6軟件繪制而成。

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Study of the Crustal Thickness and Poisson’s Ratio in Guangdong with Receiver Function Method

LI Qidong^1，2，XIE Zhuojuan^1，2

（1.National Institute of Natural Hazards，Ministry of Emergency Management of China，Beijing 100085，China）

（2.Key Laboratory of Compound and Chained Natural Hazards Dynamics，Ministry of Emergency Management of China，Beijing 100085，China）

Abstract

The teleseismic data recorded at 49 seismic stations in Guangdong were selected，and the P-wave receiver function was extracted using the iterative deconvolution method in the time domain.The crustal thickness and Poisson’s ratio below the stations were obtained by the Н-к superposition method.The results show that：①In Guangdong region，the crustal thickness ranges from 24.8 to 31.0 km，with an average of 28.3 km，and becomes thinner and thinner from northwest to southeast，showing a regional zonal distribution.This may be related to the geological structure of the uplifted mountains，plains and high land in the study area.②In Guangdong region，Poisson’s ratio ranges from 0.220 to 0.287，with a mean value of 0.244.Poisson’s ratio is higher in the north and lower in the south，and is higher in coastal areas than inland areas；Poisson’s ratio distributes in regional blocks.This may be related to the geological blocks cut by deep major faults in the Crust.③The distribution of the Crustal thickness and Poisson’s ratio correspond well with the distribution of the faults and they vary significantly near the faults.④The Crustal thickness and Poisson’s ratio are negatively correlated，because during the evolution of the Crust，the ancient Pacific plate extruded toward the Guangdong continent，then the mantle-sourced materials got into the Crust，and partially melted in the deep Crust.This led to the increase of the contents of magnesium and iron in the rocks，thus causing the increase of Poisson’s ratio.

Keywords：Guangdong region；receiver function；crustal thickness；the Poisson’s ratio