吉林省地殼厚度與 u_P/ν_S 比值及其構(gòu)造暗示

關(guān)鍵詞吉林省；松原地區(qū)；松遼盆地；長白山區(qū)；地殼厚度與 u_P/ν_S 比值中圖分類號： P315.3⁺1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-7780（2025）08-0456-07doi： 10.19987/j.dzkxjz.2024-088

Crustal thickness and u_P/ν_S ratio and their tectonic implication in Jilin Province

Chen Chuang1），Wei Zigen2， Fan Xintian2， Cheng Zhiwei3），Deng Q_i^*4 ，Sun Miao4）

1） Jilin Seismic Station of Jilin Earthquake Agency， Jilin Changchun l3o117， China

2） State Key Laboratory of Precision Geodesy， Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology，

Chinese Academy of Sciences，Hubei Wuhan ， China

3）HebeiUniversity ofEngineering，HebeiHandan O56o38，China

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

Abstract Using data on crustal thickness and the u_P/ν_S ratio calculated from teleseismic waveforms recorded at five temporarystationsandcollcted from previousstudiesin JilinProvince，weanalyzed thecrustal structure indifferent geological units. The results show that the average crustal thickness in Jilin Province is 32.57km with thinner crust in the middle; the average u_P/ν_S is 1.768 with higher values in the eastern region; crustal thickness in Changbai Mountain area is higher than that in the Songliao Basin，whereas the u_P/ν_S ratio is lower than that in the Songliao Basin. The crustal thickness in the Changbai Mountain area is thin in the west， the u_P/ν_S ratio shows small variation， and the thin crust with the high u_P/ν_S ratio appear in the volcanic eruption area.In the Songliao Basin area， the crust is thin in the east with a high u_P/ν_S ratio， whereas the Songyuan and Qianguo areas with dense earthquakes exhibit substantial lateral changes in crustal thickness and high u_P/ν_S ratios.The thinnest crust and the highest u_P/ν_S ratio is found in the Songyuan area in Jilin Province.

KeywordsJilin Province; Songyuan area; Songliao Basin; Changbai Mountain area; crustal thickness and u_P/ν_S ratio

0 引言

吉林省地處我國東北地區(qū)中部，經(jīng)緯跨度為（40^°52^′N～46^°18^′N 1 121^°38^′E～131^°19^′E） ，位于陰山一天山緯向構(gòu)造的東端與新華夏構(gòu)造體系的復(fù)合部位，處于太平洋板塊向歐亞板塊俯沖構(gòu)造背景環(huán)境中。大致以NE-SW向郯廬斷裂帶西支為界，吉林省地貌大致表現(xiàn)為東南高、西北低，東部為高海拔以火山地質(zhì)構(gòu)造活動為主的長白山脈，西部為低海拔以地震地質(zhì)構(gòu)造為主的松遼盆地[1-3]。特殊的地理位置和盆山特征使吉林省成為研究盆山耦合作用，地震火山結(jié)構(gòu)特征和機制以及太平洋板塊俯沖造成的前沿區(qū)域深部結(jié)構(gòu)響應(yīng)的理想場所。

松遼盆地是形成于中新生代燕山運動早期的陸相沉積盆地，四面環(huán)山。松遼盆地盆山之間以深大斷裂為界，東邊界為依蘭一伊通斷裂和張廣才嶺，西邊界為嫩江一城斷裂和大興安嶺，北邊界為遜克一鐵力斷裂和小興安嶺，南邊界為赤峰一開源斷裂與陰山一燕山造山帶，長期以來處于古太平洋一太平洋構(gòu)造域與古亞洲洋構(gòu)造域的復(fù)合相交區(qū)域，目前處于東側(cè)太平洋板塊西向歐亞板塊俯沖的構(gòu)造域中[4]。松遼盆地形成和演化具有復(fù)雜長期的構(gòu)造背景，即是大陸地殼裂陷的結(jié)果，也是地殼長期拉伸并伴有擠壓演化的產(chǎn)物，先后經(jīng)歷了先期褶皺、熱隆張裂、裂陷、沉陷和萎縮平衡5個構(gòu)造演化階段，是我國東部NNE向大型坳陷帶內(nèi)的一個坳陷區(qū)[5]。松遼盆地長期以來地震活動性較弱，但自從2003年以后，地震活動的頻次和強度顯著增強，先后在吉林省松原市、乾安和前郭等縣發(fā)生多次中等地震活動，其中5.0級以上地震共有8次，對人民群眾的生命財產(chǎn)造成了一定損失[3。松原地區(qū)油氣資源豐富，長期以來地震活動性較弱，然而自從油氣開采以來頻繁發(fā)生5.0級以上地震。長白山區(qū)域在構(gòu)造上位于東北裂谷系最外側(cè)的敦化一密山斷裂以東地區(qū)，在太古代至中元古代期間為基底形成階段，晚元古代至晚古生代期間為地臺形成階段，中生代開始至新生代為大陸活動階段，新生代以來經(jīng)歷了造盾、造錐、造席和造池階段并形成了長白山火山錐一長白山天池[]。長白山火山區(qū)域跨越中國和朝鮮，在我國境內(nèi)包括天池火山、望天鵝火山、龍崗火山和圖們江火山。自從上新世以來，長白山發(fā)生大規(guī)模的火山活動并貫穿整個第四紀(jì)，是我國最大的第四紀(jì)火山分布區(qū)[2]。長白山天山火山繼千年大噴發(fā)之后，又陸續(xù)噴發(fā)了多次小規(guī)模的巖漿，存在重新噴發(fā)的可能性，然而由于火山地質(zhì)地球物理證據(jù)和技術(shù)手段缺陷，目前還不能給出精準(zhǔn)的判斷[2]。

地殼厚度 （H） 和波速比（ u_P/ν_S） 是反映地殼結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)。地殼厚度描述的是莫霍面起伏變化，厚度差和橫向變化與地表地形變化，地殼重力均衡狀態(tài)、地殼變形機制以及其構(gòu)造背景和演化特征密切相關(guān)[8-9]。波速比是地震P波和 S波速度的比值，反映巖石的重要彈性力學(xué)參數(shù)，是探索地球內(nèi)部物質(zhì)成分和力學(xué)狀態(tài)的一個十分重要參數(shù)[10-12]。因此，同時研究地殼厚度與波速比能為探討松遼盆地和長白山火山的構(gòu)造演化和地震火山特征提供有價值的信息。接收函數(shù) H_-K 疊加方法被廣泛用來同時獲取地震臺站下方的地殼厚度與平均 u_P/ν_S 比值[13]，用于探索地球內(nèi)部物質(zhì)和地殼演化過程，被廣泛用來反演地殼結(jié)構(gòu)特征以及探討其構(gòu)造演化[13-15]。近年來隨著地震觀測臺網(wǎng)的逐漸加密以及數(shù)據(jù)共享，針對東北地區(qū)地殼厚度和波速比研究逐漸增加[6，14，16-19]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)不同構(gòu)造單元地殼厚度與 u_P/ν_S 比值存在顯著的差異。然而，對于吉林省地殼厚度與 u_P/ν_S 比值研究，不同學(xué)者由于數(shù)據(jù)使用差異導(dǎo)致存在結(jié)果分辨率較低或者只局限長白山以及松遼盆地的現(xiàn)象，且缺乏詳細(xì)和系統(tǒng)的對比研究。本研究擬搜集目前在吉林省地區(qū)所有發(fā)表的地震臺站下方的地殼厚度與 u_P/ν_S 比值以及我們在松原地區(qū)布設(shè)的5個流動地震臺站 H_-κ 數(shù)據(jù)結(jié)果，系統(tǒng)分析和對比松遼盆地和長白山下方的地殼結(jié)構(gòu)和橫向變化特征，為吉林省地殼結(jié)構(gòu)探究和地震火山研究提供地震學(xué)的信息。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究觀測數(shù)據(jù)除來自前人發(fā)表的在吉林省得到的固定地震臺和流動地震臺的地殼厚度與 u_P/ν_S 比值[6.14，18-20]以外，還包括吉林省地震臺于 2021—2022年布設(shè)的5個臺站（ SY₁-SY₅ 記錄到的數(shù)據(jù)，共計135個地震臺的觀測結(jié)果。搜集的前人數(shù)據(jù)來自中國地震局固定臺站，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所流動臺站，吉林大學(xué)和NECESSArray流動地震觀測臺網(wǎng)，已發(fā)表在國內(nèi)和國際SCI期刊上。上述數(shù)據(jù)的獲得來自于經(jīng)典的接收函數(shù) H_-κ 疊加方法[13]，該方法基于一維水平結(jié)構(gòu)模型架設(shè)，采用直達(dá)P波震相和來自Moho面轉(zhuǎn)換和多次反射震相來共同約束臺站下方的地殼厚度 （H） 與平均波速比u_P/ν_S（κ） 。針對新布設(shè)的流動地震臺（圖1中 sY₁- sY₅ 記錄到的5.5級以上、震中距 30^°～90^° 的遠(yuǎn)震事件，我們采用時間域反褶積方法[21]。提取高斯系數(shù)為2.0的P波徑向接收函數(shù)，然后人工刪除臺站中P和Ps震相不清晰等質(zhì)量不好的波形。在進(jìn)行 H_-K 疊加時，我們采用初始P波速度為 6.35km/s ，Moho面的Ps，PpPs和PpSs/PsPs震相加權(quán)值分別為0.6，

0.3和 0.1 圖2展示了5個臺站疊加后的接收函數(shù)波形和 H_-κ 疊加結(jié)果。上述研究中輸入的P波速度誤差小于 0.2km/s ，進(jìn)而導(dǎo)致厚度不確定性小于 1.5km 而 u_P/ν_S 比值變化小于 0.01^[16] 。這種P波速度輸入導(dǎo)致的不確定性對我們進(jìn)行松遼盆地和長白山的地殼結(jié)構(gòu)對比研究影響很小。因此，基于這些數(shù)據(jù)能可靠地分析吉林省地區(qū)地殼厚度和 u_P/ν_S 比值特征及其橫向變化以及盆山差異。

線條代表斷層位置；圓圈代表2009一2022年發(fā)生的3級以上地震；正方形代表火山；黑色實心和黑色空心三角形分別表示前人和我們布設(shè)的地震臺站分布；右下角圖為提取接收函數(shù)的遠(yuǎn)震事件分布

2 結(jié)果與討論

2.1吉林省地殼厚度與 u_P/ν_S 比值

結(jié)果表明（圖3），吉林省地殼厚度主要分布范圍是 26.4～41.6km ，平均值為 32.57km ： u_P/ν_S 比值主要分布在 1.60～2.00 ，平均值為 1.768 地殼厚度整體大致表現(xiàn)出東、西邊厚，中間薄的特征。圖4展示了近東西向穿過吉林省的兩條剖面下方地形、地殼厚度和 u_P/ν_S 比值分布。剖面1大致依次穿過了吉林省北部地震活躍區(qū)、郯廬斷裂帶和火山區(qū)。剖面2穿過了吉林省南部地震活躍區(qū)、郯廬斷裂帶和東邊區(qū)域。結(jié)果表明，吉林省地殼結(jié)構(gòu)橫向變化大。這可能是由于吉林省主要由松遼盆地和吉黑褶皺帶不同構(gòu)造單元原始地殼結(jié)構(gòu)差異，以及在中生代以來東側(cè)太平洋板塊向東北地區(qū)持續(xù)碰撞俯沖不一致的構(gòu)造響應(yīng)所造成。通過進(jìn)一步對比松遼盆地和長白山區(qū)地殼厚度與 u_P/ν_S 比值之間關(guān)系（圖5），發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著差異，松遼盆地顯示出清晰的負(fù)相關(guān)關(guān)系，長白山區(qū)兩者之間關(guān)系變化不明顯，進(jìn)一步反映了兩塊體之間地殼結(jié)構(gòu)的差異和地殼結(jié)構(gòu)特征。

2.2長白山區(qū)地殼結(jié)構(gòu)

從圖3中看出，長白山區(qū)地殼厚度變化范圍主要是 21.6～41.6km ，平均值為 32.96km ： u_P/ν_S 比值主要變化范圍為 1.60～1.96 ，平均值為1.752。長白山區(qū)地殼厚度顯示出東薄西厚的特征，減薄區(qū)域主要位于郯廬斷裂帶東西支之間。 u_P/ν_S 比值整體變化不大，接近于全球大陸平均 u_P/ν_S 比值 1.77^[22] 。地殼厚度與 u_P/ν_S 比值關(guān)系顯示出復(fù)雜的特征，局部區(qū)域，比如火山噴發(fā)區(qū)，地殼厚度減薄， u_P/ν_S 值偏高，表明地殼改造限制在部分地區(qū)。長白山區(qū)自從太古界以來經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造演化，在中新生代長期處于東側(cè)太平洋板塊向東北地區(qū)持續(xù)碰撞俯沖導(dǎo)致的拉伸背景體系中，在上新世以來發(fā)生了長期大規(guī)模的火山活動[2，7]。上述表明，在太平洋板塊東向俯沖構(gòu)造背景下，長白山區(qū)西側(cè)郯廬斷裂帶之間地殼整體受到了改造減薄，而東側(cè)地殼改造區(qū)域主要局限在局部火山噴發(fā)區(qū)。

2.3松遼盆地地殼結(jié)構(gòu)

從圖3中看出，松遼盆地地殼厚度變化范圍主要是 26.4～36km ，平均值為 31.40km ，厚度表現(xiàn)為東薄西厚特點； u_P/ν_S 比值主要變化范圍為 1.70～2.00 平均值為1.816，表現(xiàn)出東高西低特征。松遼盆地是我國最大的油氣產(chǎn)地，富含厚的中生代侏羅系、白堊系和新生代沉積地層[23]。沉積層由于大都具有厚且未固結(jié)的沉積物，且含有多的富含流體的斷層或者破碎巖，導(dǎo)致其 u_P/ν_S 比值相對于基巖層明顯要高[24]。松遼盆地比長白山區(qū)以及全球大陸平均值都高的u_P/ν_S 比值與盆地內(nèi)富含厚的中新生代沉積層是一致的。在伸展構(gòu)造環(huán)境下，當(dāng)減薄主要發(fā)生在中上地殼時，地殼厚度與 u_P/ν_S 比值大致表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。松遼盆地薄的地殼厚度與 u_P/ν_S 呈負(fù)相關(guān)性，表明盆地內(nèi)中上地殼可能受到了更大的減薄改造，而這種改造主要發(fā)生在表現(xiàn)為低地殼厚度和高 u_P/ν_S 比值的東側(cè)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，松遼盆地兩個地震集中區(qū)域松原和前郭都處于地殼厚度橫向變化劇烈區(qū)域（圖3和圖4），同時下方 u_P/ν_S 比值很高，表明富含流體斷層的高 u_P/ν_S 比值和地殼厚度橫向變化可能是導(dǎo)致這兩塊區(qū)域地震頻發(fā)的重要因素之一。

2.4松原地區(qū)地殼厚度與 u_P/ν_S 比值

松原地區(qū)油氣資源豐富，自從油氣開采以來，地震活動性變強，并多次發(fā)生5.0級以上地震事件。我們布設(shè)的5個新的寬頻帶地震臺站彌補了該區(qū)地震觀測的空白。結(jié)果表明（圖3），松原地區(qū)地殼厚度范圍為 28.0～32.3km ，平均值為 29.72km ： u_P/ν_S 變化范圍為 1.85～2.00 ，平均值為 1.915 地殼厚度低于松遼盆地平均值， u_P/ν_S 明顯高于松遼盆地平均值。薄的地殼厚度與該區(qū)的拉伸構(gòu)造環(huán)境背景一致，高的u_P/ν_S 與該區(qū)含有未固結(jié)和流體以及能導(dǎo)致 u_P/ν_S 顯著增加的厚沉積層一致。值得說明的是，該區(qū)富集的油氣資源具有的低S波速度和流體特征可能也在某種程度上增加了 u_P/ν_S ，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū) u_P/ν_S 比值比松遼盆地其他地區(qū)都要高。

3結(jié)論

基于在松原地區(qū)新布設(shè)的流動地震臺站和已發(fā)表的采用接收函數(shù) H_-κ 疊加獲得的吉林省固定和流動地震臺站下方的地殼厚度與 u_P/ν_S 比值，本文系統(tǒng)分析了吉林省高分辨率的地殼結(jié)構(gòu)特征并研究了松原地區(qū)、松遼盆地和長白山區(qū)的地殼厚度與 u_P/ν_S 值特征。結(jié)果表明：

（1）吉林省地殼厚度分布在 26.4～41.6km ，平均值為 32.57km ，中間薄兩邊厚； u_P/ν_S 分布在 1.60～ 2.00，平均值為1.768，大致表現(xiàn)為東高西低。

（2）長白山區(qū)地殼厚度（ ～32.96km 整體比松遼盆地（ ～31.4km） 要高， u_P/ν_S 比值（ ～1.752） 比松遼盆地（ ～1.816 要低，推測可能由兩者地殼結(jié)構(gòu)的原始差異和對東側(cè)太平洋板塊向東北地區(qū)俯沖不一致的構(gòu)造響應(yīng)所造成。

（3）長白山區(qū)地殼厚度東薄西厚， u_P/ν_S 比值整體變化不大，兩者顯示出復(fù)雜的特征，火山噴發(fā)區(qū)地殼厚度薄且 u_P/ν_S 值高，表明地殼改造主要局限于郯廬斷裂帶周邊和火山噴發(fā)部分地區(qū)。

（4）松遼盆地地殼厚度東薄西厚， u_P/ν_S 比值東高西低，兩者顯示出負(fù)相關(guān)性，兩個地震集中區(qū)域松原和前郭都表現(xiàn)出地殼厚度的橫向變化和高的 u_P/ν_S 比值，表明地殼厚度的橫向變化和高的 u_P/ν_S 可能是導(dǎo)致這兩塊區(qū)域地震頻發(fā)的因素之一。

（5）松原地區(qū)地殼厚度和 u_P/ν_S 在吉林省具有最低值和最高值，推測該區(qū)豐富的油氣可能在一定程度上增加了 u_P/ν_S 比值。

致謝

感謝審稿專家的建設(shè)性意見。

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