遠安地塹地殼沉積層和基巖層厚度與 u_P/ν_S 比值及其構造暗示

關鍵詞遠安地塹；接收函數多層 H_-K 疊加方法；沉積層與基巖層厚度與 u_P/ν_S ；頁巖氣中圖分類號： P315.3⁺1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-7780（2025）08-0446-10doi： 10.19987/j.dzkxjz.2024-086

Thickness and u_P/ν_S of sedimentary and bedrock layers in the crust in the Yuan'an Graben and their tectonic implication

Deng Q^?1） ，Wei Zigen2）

1） Department of Geophysics， Yunnan University， Yunnan Kunming 65oo91， China

2） State Key Laboratoryof Precision Geodesy，Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology， ChineseAcademy of Sciences，Hubei Wuhan43oo77， China

AbstractThe Yuan'an Graben，which holds abundantshale gas，is located atthe junctionof the Jianghan Basinand the Huangling Block. Information about the graben’s deep structure has great significance for analysis of the basinmountain interaction and the sedimentary response of shale gas.In this study， the thickness and u_P/ν_S of the sedimentary andbedrock layers beneath seven temporary seismic stations inthe Yuan’an Graben were obtained usingthe mult-layer H_-K stacking approach of receiver function. The results show that the average thickness and u_P/ν_S of the sedimentary layer in the Yuan'an Graben are 3.68km and 1.98， respectively. Those of the bedrock layer are 31.51km and 1.70， respectively. The average crustal thickness is 35.19km ，and the average u_P/ν_S is 1.73.These observations support the inference that the Yuan'an Graben has experienced thinning of the lower crust underlong-term basin-mountain interaction，but the crust as a whole stillmaintainsthecharacteristicsof typical cratoniccrust.The thicknessofthesedimentarylayer intheXiakouYuan’ananticline Zone on the west side of the Yuan’an Graben is 2.55km ，which islessthan the thickness of 4.14km of the sedimentarylayer in the Xunjian-Xiqiansyncline zone on the east side，which is enriching in shale gas.However，the average u_P/ν_S of its sedimentary layer is 2.17，which is higher than 1.93on the east side.The aforementioned results show that hetctonic environment oflong-term preservation of shale gas in the anticlinebelt maybedestroyed during the uplift and denudation process and that the u_P/ν_S of the sedimentary layer with enriching shale gas is not necessarily higher than that in the surrounding area with a shortage of shale gas.

KeywordsYuan'an Graben; multi-layer H_-K stacking of receiver function; thickness and u_P/ν_S of sedimentary and bedrock layers; shale gas

0 引言

遠安地塹位于揚子克拉通內部，處于鄂西山地與鄂中盆地過渡區域，是江漢盆地西北方位的一個次級構造單元，整體上被 340^°～350^° 走向和NNE傾向，約 12km 長和 50^°～80^° 傾角的遠安斷裂1分為西南方位的峽口一遠安背斜帶和東北方位的巡檢一溪前向斜帶（圖1）。遠安地塹所在當陽復向斜區海相地層經歷了多次的構造運動，潛藏著豐富的油氣資源，被認為是中上揚子地區頁巖氣勘探的有利目標區[2-4]。已有研究表明盆山環境能夠有效保存油氣資源[5]，因此研究盆地區域深部結構對于分析油氣形成和富集過程環境具有重要意義[67]。沉積層位于地殼表層富含豐富的礦產和油氣資源，其低速度和低密度的特性會放大地震波，同時其底面產生的轉換波和多次反射波會干擾來自于更深處間斷面，比如Moho的震相8，進而影響深部結構精準成像。地殼基巖層往往比沉積層厚很多，記錄了地殼深部巖性特征和溫壓，應力場和演化特征。地殼內沉積層和基巖層的厚度與波速比和巖石組分，應力狀態和地殼構造演化密切相關[9-10]。同時研究地殼沉積層和基巖層，能為分析盆地構造演化及其相關的動力學機制，以及資源勘察和殼幔深部結構精準成像提供基礎數據。

主要由轉換波和多次反射波組成的接收函數由于其對間斷面的特殊敏感性被廣泛用于獲取地球內部間斷面和層內結構信息。接收函數 H_-K 疊加方法[1能同時獲得地殼厚度與 u_P/ν_S 比值，受到了廣泛的應用并獲得了全球大陸多個典型構造塊體的地殼結構特征[12-15]。然而，傳統的單層接收函數 H_-K 疊加方法在厚的沉積層和傾斜Moho面和復雜結構的地殼容易失效[8]。不少學者陸續發展了兩層[16-18]、三層[19]和多層 H_-κ 疊加方法[20]，能獲得殼內不同層位，尤其是沉積層和基巖層的厚度與 u_P/ν_S 比值。目前，遠安地墊地區地殼結構研究相對匱乏，開展對該區沉積層和基巖層的研究，能為該區深部結構和構造分析，以及分析頁巖氣層在盆山區的富集特征提供數據支撐。

為了研究鄂西頁巖氣特征，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院于2021一2022年在遠安地塹區域布設了10個寬頻帶地震儀（圖1b）。基于這些臺站的觀測數據，正演分析了沉積層對于單層 H. κ 疊加方法的影響，然后采用接收函數多層 H_-K 疊加方法[2獲取了其中7個臺站下方的沉積層和基巖層厚度與 u_P/ν_S 比值，進一步探討了遠安地塹構造演化特征以及頁巖氣對沉積層結構的影響。

1方法與數據

1.1單層和多層接收函數 H-κ 疊加方法

在遠震接收函數震相中，主要包括了來自于Moho面的轉換波（Ps）和多次反射波（ PpPs/PpSs⁺PsPs） 。經典（單層）接收函數 H_-κ 疊加方法[1利用來自Moho面的上述轉換波和多次反射波與直達 P 波到時差來共同約束地殼的厚度 （H） 與平均 u_P/ν_S 比值 （κ） 該方法在單層水平均勻結構模型下，構造一個 H_-κ 平面的疊加函數 S（H，κ） ：

其中3類震相的權重因子 W_Ps ， W_PpPs ， W_PpSs+PsPs 之和為1； r（t） 表示不同震相的振幅。當 S（H，κ） 在 H_-K 平面內尋找到能量極大值點時，理論上該點對應的H 和 κ 值就是最佳的地殼厚度和波速比。此方法避免了在接收函數中人為挑選震相的過程，具有省時、簡單和減少人工誤差的優點。

為測試經典 H_-κ 疊加方法是否適用于具有厚的沉積層的地殼結構研究，我們理論測試了單層和兩層地殼模型下的 H_-κ 疊加結果（圖2）。在兩層地殼模型中（Mod2和Mod3），設定沉積層P波速度 5.5km/s 波速比為2.0；基巖層P波速度取 6.6km/s ，波速比為1.73； h₁ 代表沉積層厚度， h₂ 代表基巖層厚度。圖2b，圖2d，圖2f展示了采用時間域迭代反褶積方法[21計算的高斯系數 （G） 為3.0和7.0的理論接收函數，其中 m 和s分別代表Moho面 （m） 和基巖層與沉積層速度間斷面（s）。如圖2d，圖2f所示，在兩層結構模型（圖2c，圖2e）情況下，高斯系數 G=7 的接收函數中能清晰地分辨出來自不同間斷面的轉換波（ Ps） 和多次反射波（ PpPs/PpSs⁺PsPs） ，而在高斯系數G=3.0 情況下則不能有效識別出來自沉積層的轉換和多次反射波震相。對比圖2d與圖2f，在兩層模型中沉積層厚度從 5km 增加到 8km 時，接收函數中來自Moho面的轉換波和上端界面的轉換波混疊現象更加嚴重了，這說明厚的沉積層會明顯干擾來自Moho面的轉換波震相。

參考Mod2，假設 h₁+h₂ 不變，改變 h₁ 的厚度，采用傳統 H_-K 疊加方法計算地殼厚度與平均 u_P/ν_S 比值（表1）。結果表明，隨著沉積層厚度增加，傳統的單層接收函數 H_-K 疊加方法得到的地殼厚度 H 和 κ 與真實地殼結構差異大致逐漸增大。在沉積層厚度為8km 時，此時計算的地殼厚度與真實值之間差異達到 18.2% ；當沉積層厚度為 6km 時，此時計算的 κ 值與真實值之間差異超過 10‰ 上述結果表明，傳統的 H_-K 疊加方法不適用于具有厚的沉積層地殼結構的研究，其主要原因是來自Moho面的主要震相受到了沉積層震相干擾所致。

基于單層接收函數 H_-κ 疊加方法，Wei等[2進一步發展了多層 H_-κ 方法。基于公式 （2）～（4） ，理論上多層 H_-κ 疊加方法能提取出殼內不同層的厚度與u_P/ν_S 比值，進而解決傳統 H_-K 疊加方法不適用于厚的沉積層地殼結構問題的研究。

式中， i 代表地殼中不同巖層； h，k，ν_P 表示對應巖層的厚度、波速比和 P 波平均速度; p 為射線參數； t 分別表示不同震相的到時。該方法在分析淺表層時，采用高頻接收函數；分析深部層時，采用低頻。例如，當沉積層有兩層（ （h₁，h₂） 時， h₃ 為基巖層，參考公式（2）～（4） ，首先采用改進的 H_-κ 方法獲取 h₁ 層的厚度與波速比（此時 i=1 ），然后把 h₁ 和 k₁ 作為初始條件，采用改進后的 H_-K 疊加方法反演沉積層 h₂ 的厚度和波速比（ i=2） ，然后把 h₁ ， h₂ ， k₁ ， k₂ 作為已知條件，采用公式獲得基巖層的厚度與波速比 （i=3） 。依次類推，理論上可以獲得地殼內多層不同層位的厚度與波速比。基于圖2中兩層模型理論接收函數，采用公式 （2）～（4） 進行多層 H_-K"搜索。在沉積層厚度為 5km 時，搜索得出沉積層厚度為 5.04km ，波速比為1.97，基巖層厚度為 29.95km ，波速比為 1.73° 在沉積層厚度為 8km 時，搜索得出沉積層厚度為8.12km ，波速比為1.97，基巖層厚度為 26.83km ，波速比為1.74。研究表明，相比于單層 H_-κ"疊加方法，多層 H_-κ"疊加能夠得到準確的厚度與 u_P/ν_S"比值。

1.2數據來源與預處理

本文使用數據為遠安地塹流動地震臺在觀測期間記錄到的震中距為 30^°～90^° ，震級 Mgt;5.5 的遠震數據（圖3a）。基于上述遠震P波到時前 20s 和到時后100s的波形數據，采用時間域迭代反褶積方法[21]提取高斯系數 G 分別為3.0和7.0的P波徑向接收函數。我們人工挑選出轉換波（Ps）震相清晰的接收函數，并把每個臺所有的接收函數疊加成一個波形（圖3b）用于下一步的 H_-K 疊加搜索。

2 結果與討論

遠安地塹7個流動地震臺接收函數（圖3b）都顯示出明顯的兩層地殼結構。在進行 H_-κ 搜索時，參考人工源P波成像結果[22]和Ps，PpPs和 PpSs+PsPs 震相信噪比逐漸減小特征，對沉積層、基巖層進行 H_-κ 疊加時給定的初始P波速度分別為 5.5km/s 和 6.6km/s 3個震相加權因子權重分別設為0.5，0.5， 0.0 首先通過高斯系數 G=7.0 的接收函數使用單層 H-κ 搜索得出沉積層結構 （h₁，k₁） ，再結合沉積層結構與高斯系數 G=3.0 的接收函數進行 H_-κ 搜索得出基巖層結構 （h₂，k₂） ，圖4為其中兩個典型臺站（B4，B6）最終使用的接收函數，圖5為典型臺站單臺疊加后接收函數以及多層 H_-κ"疊加結果。

結果表明（圖6），遠安地墊沉積層厚度 h₁ 主要分布在 2.5～4.8km ，平均厚度 3.68km ，波速比 k₁ 主要在 1.79～2.25 ，平均值1.98；基巖層厚度 h₂ 主要分布在 28.9～34.9km ，平均厚度 31.51km ，波速比 k₂ 主要在 1.64～1.78 ，平均值 1.7 地殼厚度主要分布在33.3～37.4km ，平均厚度 35.19km ，地殼 u_P/ν_S 比值主要分布在 1.67～1.79 ，平均值 1.73 對比本文結果與這些臺站地殼S波速度結構[23]，發現多層 H_-K 疊加得到的沉積層和基巖層厚度與S波速度的突變面大致吻合（圖7），支持本文結果的可靠性。本文觀測到的研究區地殼厚度與人工源測深22厚度一致，明顯低于其西側近 40km 的黃陵塊體地殼厚度。除此之外，遠安地塹 u_P/ν_S 比值也明顯低于全球大陸地殼平均 ～1.78^[24] 。礦物實驗研究表明，上地殼富集長英質礦物， u_P/ν_S 小于1.755，下地殼富集鐵鎂質礦物， u_P/ν_S 大于1.81，中地殼長英質和鐵鎂質礦物共存[9，10，24]。基于地殼上中下地殼 u_P/ν_S 比值逐漸變大的趨勢，遠安地塹地殼厚度 35.19km 與 u_P/ν_S 比值1.73表明該區下地殼發生了減薄。由于地幔鐵鎂質物質底侵或者部分熔融以及流體存在會顯著增加 u_P/ν_S 比值，推測該區地殼尚未受到地幔物質影響。本文推斷遠安地塹下方地殼發生減薄，且沒有受到地幔物質影響，與該區采用接收函數和面波聯合反演所得高速的中下地殼S波速度結構以及普遍薄于 8km 的下地殼厚度一致[23]，表明該區地殼整體依舊保持著典型克拉通的結構特征。

遠安地塹被遠安斷裂自西向東分割為西南方位峽口一遠安背斜帶和東北方位巡檢一溪前向斜帶，其中巡檢一溪前向斜帶被劃為頁巖氣勘探有利區[4]。本文結果表明（圖7），西側的峽口一遠安背斜帶沉積層厚度 2.55km ，明顯薄于東側的沉積層厚度 4.14km_? 沉積層厚度差異表明斷裂兩側背斜和向斜在地殼構造應力下，背斜逐漸隆起剝蝕減薄，向斜逐漸凹陷沉積增厚。考慮到該區域頁巖氣存儲有利區埋深 2.0～ 4.5km^[4] ，推測峽口一遠安背斜帶地層的隆起剝蝕導致該區巖氣層的儲存環境發生改變，進而導致該區頁巖氣的破壞。東側的巡檢一溪前向斜帶的頁巖氣

保存環境沒有受到影響進而保存完整。西側的峽口一遠安背斜帶沉積層 u_P/ν_S 比值2.17，高于頁巖氣富集的東側巡檢一溪前向斜帶沉積層的 u_P/ν_S 比值1.93，這表明頁巖氣富集區域沉積層的 u_P/ν_S 比值不一定比周邊頁巖氣匱乏區域高，因此基于沉積層 u_P/ν_S 比值高低不能判斷頁巖氣是否富集。

3結論

本文通過理論測試發現傳統單層 H-κ 疊加方法不能準確獲取具有厚沉積層的地殼厚度與平均u_P/ν_S ，采用多層 H_-K 方法獲取了遠安地塹區沉積層和基巖層的厚度和 u_P/ν_S 比值。結果表明，遠安地塹沉積層厚度主要分布在 2.5～4.8km ，波速比主要在1.79～2.25 ；基巖層厚度分布在 28.9～34.9km ，波速比在 1.64～1.78 ；地殼厚度位于 33.31～37.38km u_P/ν_S 比值主要分布在 1.67～1.79 遠安地塹的地殼平均厚度 35.19km 與 u_P/ν_S 比值1.73表明研究區下地殼發生了減薄，地殼尚未受到地幔物質影響。遠安地塹西側的峽口一遠安背斜帶沉積層厚度 2.55km ，明顯薄于東側的沉積層厚度 4.14km ，表明背斜帶區域沉積層在構造演化過程中發生隆起剝蝕，導致該區頁巖氣層不能像東側向斜區一樣得到有效保存。西側的峽口一遠安背斜帶沉積層 u_P/ν_S 比值為2.17，高于頁巖氣富集的東側巡檢一溪前向斜帶沉積層的 u_P/ν_S 比值1.93，這表明頁巖氣富集區域沉積層的 u_P/ν_S 比值不一定比周邊頁巖氣匱乏區域高。

致謝

感謝中國科學院精密測量科學與技術創新研究院提供地震觀測數據和審稿專家的建設性意見。

參考文獻

[1]殷娜，余中元，石硯斌，等.鄂中盆地遠安斷裂的新活動特征及地震地質意義[J].地震研究，2021，44（4）：607-612 YinN，YuZY，ShiYB，etal.NewactivecharacteristicsandseismologicalsignificanceoftheYuananfultintheCentralHubei Basin[J].Journal of Seismological Research，2021，44（4）：607-612

[2］鄒才能，馬鋒，潘松圻，等.全球頁巖油形成分布潛力及中國陸相頁巖油理論技術進展[J].地學前緣，2023，30（1）： 128-142 Zou CN，MaF，PanSQetal.Formationanddtributionpotentialofglobalshaleoilandthedevelopmentsofcotientalshaleoil theory and technology in China[J].Earth Science Frontiers，2023，30（1）：128-142

[3］劉忠寶，王鵬威，聶海寬，等.中上揚子地區寒武系頁巖氣富集條件及有利區優選[J].中南大學學報（自然科學版）， 2022，53（9）：3694-3707 Liu Z B， Wang PW，NieHK，talEnrichmentconditions andfavorable prospecting targetsofCambriashale gas inMidle-Upper Yangtze[J].Journal of Central South University （Scienceand Technology），2022，53（9）：3694-3707

[4］鄒辰，周松源，梅玨，等.湖北當陽復向斜北部頁巖氣地質評價與有利區優選[J].海相油氣地質，2016，21（2）：22-28 Zou C，ZhouSY，MeiJ，etal.Geological evaluationofuper Ordovician-lower Sluriangas-bearing shalesandoptional potential areas in the north ofDangyang Synclinorium，Hubei[J].Marine OriginPetroleum Geology，2016，21（2）：22-28

[5］劉樹根，鄧賓，李智武，等.盆山結構與油氣分布：以四川盆地為例[J].巖石學報，2011，27（3）：621-635 Liu SG，DengB，LiZW，etal.Tetextureofsedimentarybasi-orogenicbeltsystemandisinfueneonoi/gsdistributin：A case study from SichuanBasin[J].Acta Petrologica Sinica，2011，27（3）：621-635

[6］王小軍，宋永，鄭孟林，等.準噶爾西部陸內盆地構造演化與油氣聚集[J].地學前緣，2022，29（6）：188-205 WangXJ，Song Y，ZhengML，etal.Tectonicevolutionof and hydrocarbonaccumulationinthe westemn JunggarBasin[J].Earth Science Frontiers，2022，29（6）：188-205

[7］姚書振，宮勇軍，胡新露，等.中上揚子地塊周緣主要金屬成礦系統及成礦譜系[J].地學前緣，2020，27（2）：218-231 Yao S Z，Gong YJ， Hu XL，etal. The main metalogenic systemsand metallgenic lineages aroundthe Middle adUpperYangtze Block[J].Earth Science Frontiers，2020，27（2）：218-231

[8］危自根，儲日升，陳凌，等.復雜地殼接收函數 H_-K 疊加：以安納托利亞板塊為例[J].地球物理學報，2016，59（11）： 4048-4062 Wei ZG，ChuRS，Chen L，et al. Analysis of H_-κ stacking of receiver functions beneath crust with complex structure： Taking the Anatolia Plate as an example[J]. Chinese Journal of Geophysics，2016，59（11）： 4048-4062

[9]JiSC，WangQ，SalisbryMH.CompositoandetoicevolutioftheCinesecontintalcustconstraiedbyPso’ati] Tectonophysics，2009，463（1/4）： 15-30

[10]ChristensenNIooneyWD.Seismicvelocityructureandcompositionof tecotinentalcust：AglobalviewJ].Joalof Geophysical Research： Solid Earth， 1995，100（B6）： 9761-9788

[11]ZhuLP，Kanamori HMohodepthvariationinsouthe Califoriafromteleseismicreceiverfunctions[J].JoualofGeophsical Research：Solid Earth，2000，105（B2）： 2969-2980

[12］聶仕潭，段永紅，譚萍，等.基于P波接收函數資料的華南大陸東部地殼結構研究[J].地球物理學報，2023，66（10）： 4149-4161 Nie ST，Duan YH，Tan P，etal.Crustal tructure in eastemareasofSouth China blockbasedonP-wavereceiver functions[J]. Chinese Journal of Geophysics，2023，66（10）： 4149-4161

［13］郝奧偉，張海江，韓守誠，等.接收函數和重力聯合反演中國東北地區高精度莫霍面和波速比分布及地質意義[J]. 中國科學：地球科學，2023，53（7）：1586-1599 Hao AW， ZhangHJ，Han SC，et al. High-resolution Moho depth and V_p/V_s ratio distributions in northeast China from joint inversion ofreceiverfunctiosandgavitydataandtheirgeologicalimplicatios[J].ScieneChinaEarthSciences，202，6（7）：691582

[14］劉遷，趙瑞，栗寧.利用遠震接收函數探測襄樊臺下方地殼厚度及泊松比[J].地震科學進展，2021，51（5）：230-233 Liu Q，ZhaoR，LiN.Crustal thicknessandPoisson’sratio beneath Xiangfanseismicstationrevealed byteleseismicreceiver functions[J].Progress in Earthquake Sciences，2021，51（5）：230-233

[15］宋婷，沈旭章，梅秀蘋，等.利用接收函數頻率特征研究青藏高原東北緣地區的莫霍面性質[J].地震地質，2022， 44（5）： 1290-1312 SongT，ShenXZ，MeiXP，etal.Constraining Mohocharacterstics inthenortheaster marginof TibetPlateauwithfrequency dependence of receiver function[J]. Seismology and Geology，2022，44（5）：1290-1312

[16]Yeck WL，Shehan AF，Schulte-Pelkum V.Sequential H- stackingtoobtain accurate crustal tickneses beneath sedimentary basins[J]. Bulletin of the Seismological Society of America，2013，103（3）：2142-2150

[17]YuYQ，SongJG，uKH，etalDteingcrustaltructurebeathssctatiosovelingalowvelocitysientaylayer using receiver functions[J]. Journal of Geophysical Research： Solid Earth，2015，120（5）： 3208-3218

[18]Zhang Y，HuangJL.StructureofthesedimentandcrustinthenortheastNorth ChinaCratonfromimprovedsequentialH-kstacking method[J]. Open Geosciences，2019，11（1）： 682-696

[19]Tang CC，ChenCH，TengTL.Receiverfunctions forthre-layer media[J].PureandAppliedGeophysics，2008，165（7）：1249- 1262

[20]WeiZG，ChuRS，ChenLetal.ThestructureofthesedimentarycoverandcrystallnecrustinteSicuanBasinanditstectonic implications[J]. Geophysical Journal International， 2020，223（3）：1879-1887

21]LigoriaatioolutidefutititioJsmolicaloetyc 1999，89（5）： 1395-1400

[22]Li SL，Mooney WD，FanJC.Crustalstructureofmainland Chinafromdepseismcsoundingdata[J].Tectonophysics，2006， 420（1/2）： 239-252

[23］危自根，儲日升，謝軍，等.當陽復向斜頁巖氣探測區地殼結構及其構造暗示[J].地球物理學報，2024，67（8）：2963-2971 Wei Z G，ChuR S，XieJ，etal. Crustalstructureinthe Dangyang Synclinoriumshale gas fieldanditstectonic implications[J]. Chinese Journal of Geophysics，2024，67（8）： 2963-2971

[24]Zandt G，AmmonCJContientalcrustcompositioconstrainedbymeasurementsofcrustalPoissn’sratioJ].Nature，1995， 374（6518）： 152-154