高朝軍，張志鵬，候賽因，夏愛國

（1.新疆地震局巴里坤地震臺(tái)，新疆 哈密 839000；2.新疆地震局預(yù)報(bào)中心，烏魯木齊 830011）

基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)計(jì)算巴里坤臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比

高朝軍1，張志鵬1，候賽因1，夏愛國2

（1.新疆地震局巴里坤地震臺(tái)，新疆 哈密 839000；2.新疆地震局預(yù)報(bào)中心，烏魯木齊 830011）

高朝軍，張志鵬，候賽因，等.基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)計(jì)算巴里坤臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比[J].華南地震，2016，36（1）：1-6.[GAO Chaojun，ZHANG Zhipeng，HOU Saiyin，et al.Calculation of the Crustal Thickness and Poisson′s Ration Beneath the Balikun Seismographic Station by Receiver Function of Teleseismic P Wave[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：1-6 .]

從巴里坤地震臺(tái)站記錄到的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù)（2010-01～2013-12）中截取震中距30°～95°，震級(jí)MS≥5.0共計(jì)282次遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)。用時(shí)間域迭代反褶積方法提取遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)，采用H-κ疊加搜索方法反演臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比，結(jié)果表明：巴里坤臺(tái)站下方的地殼厚度為42.6 km，泊松比值為0.31，這與前人的研究成果基本一致。

地殼厚度；泊松比；巴里坤；遠(yuǎn)震P波；接收函數(shù)

0 引言

巴里坤地震臺(tái)是新疆地震臺(tái)網(wǎng)的基礎(chǔ)臺(tái)站之一，地理位置（43.82°N，93.07°E），海拔高度1 720 m，巴里坤地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，處于西伯利亞板塊和準(zhǔn)噶爾-哈薩克斯坦板塊的結(jié)合部位，是中亞顯生型造山帶的重要組成部分，巴里坤地區(qū)不存在古老地殼物質(zhì)而以新元古至早古生代新生陸殼為主，地殼結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[1]。巴里坤地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為垂直差異運(yùn)動(dòng)，巴里坤斷陷盆地在第四紀(jì)期斷陷100～500 m，同時(shí)由于巴里坤山斷塊強(qiáng)烈隆起，使巴里坤自北向南斷陷幅度急劇增大，隨著東天山塊斷隆起而抬升，該斷陷至少抬升1 200 m。近年來該區(qū)域地質(zhì)活動(dòng)趨于活躍，自1600年以來，曾發(fā)生3次7級(jí)以上強(qiáng)震，同時(shí)該區(qū)域大型斷裂數(shù)條，是研究大陸地殼演化和強(qiáng)震發(fā)生機(jī)理的理想場(chǎng)所之一，因此有必要對(duì)該區(qū)域的深部構(gòu)造背景（地殼厚度、泊松比等）做出定量分析。

從遠(yuǎn)震體波波形數(shù)據(jù)中提取P波接收函數(shù)已經(jīng)成為研究臺(tái)站下方地殼上地幔速度間斷面的有效方法之一，該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于獲取地殼內(nèi)部S波速度結(jié)構(gòu)、地殼厚度及物質(zhì)成分組成、地幔過渡帶的厚度變化以及巖石圈地幔的間斷面等[2-12]，這些參數(shù)在描述結(jié)構(gòu)特征、介質(zhì)性質(zhì)和物質(zhì)成分等方面發(fā)揮了重要作用。

巴里坤地震臺(tái)始建于1973年，為國家測(cè)震Ⅱ類臺(tái)站，列入全國基本臺(tái)網(wǎng)。2006年經(jīng)數(shù)字化改造，臺(tái)基為石炭紀(jì)花崗巖。劉文學(xué)等[5]利用遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)計(jì)算的巴里坤臺(tái)的地殼厚度為63.9 km，作者認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果是偏深的。本文基于巴里坤地震臺(tái)2010—2013年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，挑選出震中距30°～95°、震級(jí)MS≥5.0的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，用時(shí)間域迭代反褶積方法提取遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)，采用接收函數(shù)H-κ反演臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比，為該地區(qū)的進(jìn)一步深入研究提供必要參考。

1 計(jì)算原理

遠(yuǎn)震P波在進(jìn)入地殼時(shí)，有一部分會(huì)轉(zhuǎn)換為S波繼續(xù)進(jìn)行傳播，并且發(fā)生反射形成多次波，而在Moho面反射過程中，也會(huì)有一部分發(fā)生轉(zhuǎn)換。接收函數(shù)則會(huì)將這些地震波在速度界面的轉(zhuǎn)換波信號(hào)增強(qiáng)，其中信號(hào)較強(qiáng)的震相為Ps、PpPs、PpSs和PsPs，它們與直達(dá)P波的到時(shí)差存在如下關(guān)系：

上式中，H為地殼厚度，Vs為S波速度，Vp為P波速度，P為水平慢度。

從式（1）、（2）、（3）可以看出，每一組（地殼厚度H、Vp、Vs）都可以決定一個(gè)到時(shí)差，因此每一對(duì)地殼厚度H和波速比κ可以決定一個(gè)到時(shí)差，本文利用Zhu等[3]提出的掃描方法來進(jìn)行搜索，定義函數(shù)

式（4）中，r為振幅，wi為震相Ps、PpPs、PpSs+ PsPs的權(quán)重系數(shù)，且w1+w2+w3=1，參考以往經(jīng)驗(yàn)，本文分別取0.5、0.3、0.2，當(dāng)?shù)貧ず穸群筒ㄋ俦茸兓沟肧（H，κ）達(dá)到最大值時(shí)，各震相的對(duì)應(yīng)關(guān)系與實(shí)際最吻合，而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的地殼厚度H和波速比κ最符合實(shí)際情況，即為所求的地殼厚度H和波速比κ。

根據(jù)泊松比σ和波速比κ的關(guān)系，進(jìn)而求出臺(tái)站下方的泊松比σ。

2 數(shù)據(jù)資料

巴里坤及周邊地區(qū)地震活動(dòng)頻次少但強(qiáng)度大，自1600年以來，共發(fā)生11次5級(jí)以上地震（含3 次7級(jí)地震），該區(qū)分布較多（圖1），其中大哈甫提克山南斷裂，斷層走向NNW，斷層長度112 km；梧桐泉斷裂，斷層性質(zhì)為逆沖，斷層走向近EW，斷層傾向N，該斷裂在1974年發(fā)生7.1級(jí)地震；紙房斷裂，斷層性質(zhì)為右旋走滑逆沖，斷層走向NNW，斷層傾向NE，斷層傾角為60°～75°，有6 km長的古地震形變帶，斷層長度為56 km；三塘胡盆地中央斷裂，斷層走向NWW，斷層長度為170 km；洛包泉-堿泉子斷裂帶，斷層性質(zhì)為逆、正斷層，斷層走向近EW，斷層傾向N，斷層傾角為50°～76°，1842年和1914年發(fā)生過2次7級(jí)地震，斷層長度330 km。

選取巴里坤地震臺(tái)站2010年1月至2013年12月記錄的震中距30°～95°，初至P波清晰、震級(jí)MS≥5.0共計(jì)282次遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，空間上主要分布在環(huán)太平洋地震帶、歐亞地震帶（圖2），其中震中距小于40°的較多（主要分布在日本、中國臺(tái)灣、菲律賓），所占比例接近40％，而震中距在60°～80°之間的地震數(shù)量相對(duì)較少（不足16％），具體分布情況見表1。

圖1 巴里坤地震臺(tái)及其周圍斷裂帶空間分布Fig.1 The distribution map of faults around Balikun seismographic station

圖2 巴里坤地臺(tái)站及其記錄的遠(yuǎn)震分布Fig.2 The distribution map of teleseismic recorded by Balikun seismographic station

3 計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)收集到的遠(yuǎn)震體波數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行重新采樣（0.1 Hz）、去均值、去線性趨勢(shì)和去儀器響應(yīng)后，截取P波到達(dá)前5 s至之后60 s的波形數(shù)據(jù)，然后將兩個(gè)水平分量旋轉(zhuǎn)到徑向R和切向T分量，最后使用Zhu等[3]改進(jìn)后的H-κ疊加搜索方法進(jìn)行接收函數(shù)的提取。

表1 不同震中距的遠(yuǎn)震數(shù)量及其所占百分比Table 1 The number of teleseismic and the percent for different epicenter distance

3.1 高斯濾波系數(shù)的影響

為消除高頻噪聲，在實(shí)際計(jì)算中使用了不同的高斯濾波器系數(shù)（分別取1.5、2.5、3.5）做低通濾波，然后從時(shí)域迭代擬合率大于95％的接收函數(shù)中篩選出相關(guān)性好，多次反射波清晰的接收函數(shù)用于研究臺(tái)站下方的地殼厚度及波速比，初始P波取為6.3 km/s，得到不同濾波系數(shù)下相應(yīng)的地殼厚度及波速比（圖3、4）。

圖3 高斯濾波器的H-κ反演結(jié)果Fig.3 The H-κ inversion results of the Gauss filter

計(jì)算結(jié)果見表2，通過比較其誤差可知，濾波系數(shù)為2.5時(shí)的計(jì)算結(jié)果較為精確（誤差最小）。

3.2 P波速度的影響

取高斯濾波器系數(shù)為2.5，分別取初始P波速度為6.2、6.4、6.6時(shí)得到的H-κ反演結(jié)果（圖5），圖6為P波速度為6.6時(shí)用于疊加的接收函數(shù)剖面，橫坐標(biāo)為波形走時(shí)與初至P波間的到時(shí)差，縱坐標(biāo)為震中距，其中的零時(shí)刻對(duì)應(yīng)為接收函數(shù)的P波初至到時(shí)，Ps、PpPs和PsPs為其理論到時(shí)，比較符合實(shí)際震相特征，另外該初至震相尖銳，說明臺(tái)站下方的沉積層較薄。

圖4 高斯濾波系數(shù)為2.5時(shí)用于疊加的接收函數(shù)剖面及不同震中距下轉(zhuǎn)換波震相Ps、PpPs、PsPs到時(shí)。Fig.4 The overlying receiving function section and the arrive time of converted wave phase-Ps，PpPs，PsPs for different epicenter distance with the Gauss filter coefficient of 2.5.

表2 不同高斯濾波系數(shù)下H-κ方法計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculation results by using H-κ method with different Gauss filter coefficient

3.3 綜合結(jié)果

根據(jù)對(duì)比分析，巴里坤臺(tái)下方的地殼厚度H 為42.6 km，波速比κ為1.92，由式（5）進(jìn)而求出泊松比σ為0.31。為驗(yàn)證所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用式（1）、（2）、（3），取接近殼幔交界處P波速度為6.6 km/s[13]，依據(jù)地殼厚度和波速比分別求得Ps、PpPs、PsPs與P波到時(shí)差，并把它們標(biāo)注在圖6中，結(jié)合實(shí)際的震相來看，這些理論到時(shí)與觀測(cè)的相關(guān)轉(zhuǎn)換波震相到時(shí)有較好的一致性，即意味著該臺(tái)站下方的地殼厚度和泊松比是可靠的。

圖5 初始P波速度的H-κ反演結(jié)果Fig.5 The H-κ inversion results of the initial P wave

4 結(jié)語

（1）巴里坤臺(tái)下方地殼厚度為42.6 km，稍高于北天山地區(qū)地殼厚度的平均值。據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地震局于1997年7月編制的“新疆維吾爾自治區(qū)地震構(gòu)造圖”可知，新疆巴里坤臺(tái)周圍地殼厚度為46 km；徐新忠等[13]認(rèn)為哈密盆地北緣斷裂的地殼厚度為44 km，因此，巴里坤及其附近的地殼厚度應(yīng)在45 km左右。本文的研究結(jié)果顯示巴里坤地殼厚度約為43 km，與前人研究結(jié)果比較接近。

（2）區(qū)域介質(zhì)的泊松比為0.32，而泊松比反應(yīng)了地殼內(nèi)的巖性和化學(xué)成分，大陸地殼的巖石成分可以劃分為酸性、中性、基性和富含流體空隙的部分熔融[14 -15]，其對(duì)應(yīng)的泊松比分別為（0，0.26）、[0.26，0.28)、[0.28，0.30)、[0.30，∞)。表明該研究區(qū)域處于高泊松比地區(qū)，推斷其中下地殼可能存在部分熔融，這需要進(jìn)一步深入研究和分析。

（3）由于巴里坤臺(tái)的前人研究結(jié)果相對(duì)較少，本文結(jié)果對(duì)比分析不夠充分，今后需要借助其他方法，可以更深入細(xì)致地了解本區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)和地質(zhì)概況。

圖6 P波速度為6.6時(shí)用于疊加的接收函數(shù)剖面及不同震中距下轉(zhuǎn)換波震相Ps、PpPs、PsPs到時(shí)。Fig.6 The overlying receiving function section and the arrive time of converted wave phase-Ps，PpPs，PsPs for different epicenter distance with the P wave velocity of6.6

致謝：審稿專家提出了寶貴意見和建議，文中使用了鄭勇提供的接收函數(shù)計(jì)算程序，并得到了新疆地震局唐明帥等人的大力幫助，文中圖件使用GMT繪制，在此一并表示感謝！

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Calculation of the Crustal Thickness and Poisson′s Ration Beneath the Balikun Seismographic Station by Receiver Function of Teleseismic P Wave

GAO Chaojun1，ZHANG Zhipeng1，HOU Saiyin1，XIA Aiguo2
（1.Earthquake Administration of Xinjiang-Balikun Seismographic Station，Balikun 839200，China；2.Earthquake Administration of Xinjiang-Forecasting Centre，Urumqi 830011，China）

The paper collects and cuts waveforms of 282 telessismic events of Balikun seismographic station with epicenter distance in the range of 30°-95°and the MS≥5.0 during January 2010 and December 2013.Then the paper uses the iterative deconvolution method in time domain to extraction receiver function of teleseimic P wave，and uses H-κ stacking method to inverse the crustal thickness and Poisson's ration of the station.The results show that Balikun seismographic station's crustal thickness is 42.6 km，and the Poisson's ration is 0.31，which is consistent with the previous studies

Crustal thickness；Poisson's ration；Balikun；Teleseismic P Wave；Receive function

P315.7

A

1001-8662（2016）01-0001-06

10.13512/j.hndz.2016.01.001

2015-07-06

新疆地震科學(xué)基金資助課題（201301）；中國地震局“三結(jié)合”課題（163103）聯(lián)合資助.

高朝軍（1981-），男，工程師，主要從事數(shù)字地震和地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作.

E-mail：xjgaochaojun@163.com.

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