楊志高 張雪梅

摘要：收集2015年寧夏、甘肅和青海地震臺網(wǎng)63個三分量地震臺站觀測到的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，使用H-k掃描法研究了區(qū)域地殼厚度和平均波速比。地殼厚度分布清晰地展示出自東向西地殼厚度不斷增加的趨勢，并伴隨著2個地殼深度梯度帶。研究區(qū)域平均地殼厚度為50.8 km，顯著高于大陸地殼平均厚度；平均波速比為1.73，對應(yīng)泊松比為0.25，略低于大陸平均泊松比（0.265）。分析認(rèn)為研究區(qū)域中東部地殼增厚主要發(fā)生在上地殼，長英質(zhì)巖石含量增加使整體泊松比下降。某些區(qū)域表現(xiàn)出超高的泊松比，推測這些區(qū)域可能存在巖石部分熔融現(xiàn)象。古浪大地震、海原大地震和這次門源地震都發(fā)生在泊松比梯度帶和地殼厚度梯度帶泊松比較低的一側(cè)。

關(guān)鍵詞：接收函數(shù)；泊松比；地殼厚度；門源地震

中圖分類號：T315.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0566-08

0 引言

2016年1月21日，青海省門源縣發(fā)生MS6.4地震。此次地震是1986年門源6.5級地震以來，該地區(qū)發(fā)生的又一次6.0級以上地震，2次地震震中相距約10 km。距離該區(qū)域最近的一次大地震是1927年5月23日古浪8.0級地震（馬玉虎等，2014），與本次地震震中相距約60 km。

門源MS6.5地震位于地震活動性強(qiáng)的青藏高原東北緣地區(qū)，該區(qū)域大的構(gòu)造背景較復(fù)雜，是中國大陸一級塊體結(jié)合部位。中國大陸西部受到印度板塊—?dú)W亞板塊的碰撞及印度板塊持續(xù)擠入作用的影響，形成了青藏高原及其周緣地殼縮短增厚和強(qiáng)烈的地表變形。青藏高原塊體的運(yùn)動在東部被穩(wěn)定地塊所阻擋，使地表出現(xiàn)劇烈變化的地形梯度帶（沈旭章等，2013），形成龍門山褶皺系、祁連山褶皺系和昆侖—西秦嶺褶皺系。從大震震源機(jī)制和GPS觀測結(jié)果來看，青藏高原塊體推動中國大陸向東和向北運(yùn)動，整體為順時針方向。

從小的構(gòu)造背景來看，本文研究區(qū)域是青藏高原、鄂爾多斯和阿拉善3個塊體的結(jié)合部位。該區(qū)域構(gòu)造環(huán)境特殊，區(qū)域地震活動性較強(qiáng)，1920年曾發(fā)生海原8.5級大地震，近幾十年來一直受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，是研究地下物質(zhì)遷移和速度結(jié)構(gòu)不均勻性的理想?yún)^(qū)域。研究區(qū)是青藏高原塊體向大陸內(nèi)部擴(kuò)展的前沿部位，存在多個活動斷層和斷裂，地殼內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)橫向變化顯著，普遍存在殼內(nèi)低速層結(jié)構(gòu)（陳九輝等，2005；李永華等，2006；嘉世旭，張先康，2008）?？傮w上該區(qū)域地殼厚度從北東方向到南西方向逐漸增厚（趙金仁等，2005），從靠近青藏高原的60 km逐漸減少到40 km（劉啟民等，2014）。研究區(qū)域西部以北東向地殼縮短為主，東部以順時針旋轉(zhuǎn)為主，東部的隆升速度高于西部（崔篤信等，2009）。

門源MS6.4地震的孕震環(huán)境復(fù)雜，孕震區(qū)物質(zhì)組成和地殼增厚的研究對揭示地震孕育環(huán)境特征是有益的。巖石的泊松比在一定的條件下與構(gòu)成巖石的物質(zhì)組成有關(guān)，可以用來研究深部物質(zhì)組成情況。地下深部物質(zhì)的泊松比難以取得，但可以通過計算巖石波速比間接獲取。對于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)，利用H-k掃描法可以獲得地震臺站下方的平均波速比和Moho面深度。研究區(qū)域內(nèi)關(guān)于Moho面的地殼震相（Pn和PmP）通常能量較小，可以使用的資料數(shù)量較少，因此利用遠(yuǎn)震波形研究Moho面深度是一種切實可靠的方法。該區(qū)域已經(jīng)有研究人員利用接收函數(shù)研究地下速度結(jié)構(gòu)的成果，但隨著我國數(shù)字地震臺網(wǎng)資料質(zhì)量不斷提升，地震臺網(wǎng)密度逐漸增加，有必要使用大量新的觀測數(shù)據(jù)來開展研究。

1 資料選取與研究方法

本文收集了寧夏、甘肅和青海地震臺網(wǎng)的2015年遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，研究區(qū)域大體空間分布展示在圖1a上，地震臺站分布如圖1b所示。選取地震震中距范圍30°～95°，M≥6.0的地震，其分布情況見圖2。對每個臺站的波形數(shù)據(jù)，截取P波前10 s和后60 s的數(shù)據(jù)并重采樣為10 Hz，經(jīng)過去平均、帶通濾波和扣除儀器響應(yīng)后，由ZNE分量旋轉(zhuǎn)到ZRT分量。地震臺站接收到的遠(yuǎn)震P波包含了震源、傳播路徑和臺站下方附近介質(zhì)的信息。為了能夠排除震源和傳播路徑的影響，Langston（1979）提出利用遠(yuǎn)震P波提取接收函數(shù)的方法。該方法使用遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，即使在缺乏地震的區(qū)域也可以發(fā)揮作用，通過疊加多個地震的接收函數(shù)能增加信噪比并獲得關(guān)于臺站下方介質(zhì)的可靠信息。接收函數(shù)尤其對速度間斷面敏感，因此該方法得到廣泛應(yīng)用，并成為研究地下圈層結(jié)構(gòu)的獨(dú)立手段（Cassidy，1992；Ligorría，Ammon，1999；Ryberg，Weber，2000）。接收函數(shù)可以通過頻率域反褶積法或時間域迭代反褶積法獲得，本文采用的是時間域迭代反褶積方法（Ligorría，Ammon，1999；Ammon et al，1990）。得到接收函數(shù)后需要應(yīng)用低通高斯濾波器來降低高斯噪音干擾。高斯濾波器由常數(shù)α來控制：較大的α值對應(yīng)高頻，但會引入高頻的噪音干擾；較小α值對應(yīng)更長的周期，但減少了細(xì)節(jié)信息。選擇α值要在壓制高頻噪音和保留細(xì)節(jié)信息之間折中，這里選擇的α值是1.0。我們對單個地震事件的接收函數(shù)采取了半人工篩選的質(zhì)量控制方式，編寫了簡單的腳本程序來完成數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。對于大多數(shù)記錄來說滿足一定的條件后會被程序自動采用，數(shù)據(jù)篩選方法如下：（1）t=0時刻附近有一個正最大值，正最大值對應(yīng)的時間范圍在0～0.5 s之間，因為臺站下方如果有巨厚沉積層會使直達(dá)波到時滯后；（2）4～9 s時間段內(nèi)存在局部最大值，這個是考慮Ps轉(zhuǎn)換波。不符合上述判據(jù)的接收函數(shù)會采用人機(jī)交互的方式?jīng)Q定是否采用。上述方法在可以保證大部分接收函數(shù)的可靠性，同時也保證了效率。

2 研究結(jié)果

從本文的結(jié)果（表1）與已有的研究成果（表2）（陳九輝等，2005；李永華等，2006，劉啟民等，2014）對比來看，大體是一致的。劉啟民等（2014）利用接收函數(shù)方法研究了青藏高原東北緣的地殼結(jié)構(gòu)，與本文研究區(qū)域有重疊但小于本研

究區(qū)域。筆者使用劉啟民等（2014）所得到的81個臺站數(shù)據(jù)得到的地殼厚度（Pan，Niu，2011），和本文研究得到的17個臺站下方的速度結(jié)構(gòu)，給出了研究區(qū)域的Moho面深度圖（劉啟民，2014）。以上研究結(jié)果顯示了Moho面深度有自東向西增加的趨勢。值得注意的是，本文的研究對研究區(qū)域的地震臺站使用了相同的參數(shù)，整體結(jié)果的一致性較好。圖4給出了Moho面深度分布情況，圖4 研究區(qū)域臺站數(shù)量Moho面特征波速比特征來源

大體是（100°E，34.5°N）和（110°E，38°N）的連線47自東向西由40 km增加到64 km左右采用接收函數(shù)非線性反演法，沒有給出波速比結(jié)果陳九輝等（2005）

與本研究區(qū)域相似16由北向南Moho 界面呈中央下凹的準(zhǔn)對稱狀波速比推斷的泊松比范圍0.215～0.294，接近或低于全球平均李永華等（2006）

大于本研究區(qū)域（主要增加了松潘甘孜地塊）18變化范圍40～60 km，自西向東逐漸變淺波速比推斷的平均泊松比0.258 5，小于全球平均劉啟民等（2016）

顯示東部存在一個Moho深度梯度較大的區(qū)域（大體是103°E，33°N和104°E，40°N的連線），筆者稱它為“東邊界”，這個邊界的走向是北北東方向，1920年海原8.5級地震震中位于“東邊界”附近。中部也存在一個Moho深度梯度帶，大體沿著101°E，走向大體是南北向，筆者稱其為“西邊界”，“西邊界”的附近曾發(fā)生1927年古浪地震和近期的門源6.4級地震。

盡管研究區(qū)域內(nèi)有多個構(gòu)造塊體（圖2、4、5），但Moho面深度梯度帶與各個塊體邊界沒有強(qiáng)相關(guān)性，所以可根據(jù)已定義的“東邊界”和“西邊界”將研究區(qū)域劃分成3個小區(qū)域，自西向東分別為I、II、III區(qū)域。海原大地震和古浪地震均位于“邊界”上，分析這3個小區(qū)域的Moho面和平均波速比特征與差異對了解研究區(qū)域地震孕育環(huán)境更直觀。筆者根據(jù)“東、西邊界”選擇了相應(yīng)區(qū)域的地震臺站（圖4中不同顏色的圓圈），區(qū)域I的Moho面深度變化范圍42.0～62.5 km，平均值為56.3 km，波速比變化范圍1.65～1.88，平均值為1.75；區(qū)域II Moho面深度變化范圍45.5～61.8 km，平均值為53.1 km，波速比變化范圍1.61～1.83，平均值為1.73；III區(qū)域平均Moho面深度變化范圍35～54 km，平均值為45.3 km，波速比變化范圍1.64～1.84，平均值為1.73；整個區(qū)域的平均Moho面深度50.8 km，平均波速比為1.73。從統(tǒng)計結(jié)果來看，I、II、III區(qū)域的Moho面深度，尤其是II、III區(qū)域的Moho面深度存在很大差別，3個區(qū)域的平均波速比變化不大，但區(qū)域內(nèi)部波速比不均勻性較強(qiáng)。Moho界面南北向變化不明顯，這與姚志祥等（2014）的研究結(jié)果一致。門源6.4級地震位于波速比較低的區(qū)域附近，與劉文邦等（2014）得到的多臺波速比結(jié)果較為相符。

比在靠近區(qū)域II的位置表現(xiàn)出低值，區(qū)域II、III的邊界與波速比分布的梯度帶有對應(yīng)關(guān)系。海原大地震和古浪大地震震中都位于波速比強(qiáng)梯度帶上。

3 討論

地殼物質(zhì)的泊松比是研究地殼結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要參數(shù)，地殼巖石的泊松比可以通過波速比計算出來，它們的關(guān)系是：σ=0.5。影響巖石泊松比的因素很多，包括溫度、壓力、空隙和物質(zhì)狀態(tài)等。Christensen（1996）認(rèn)為大部分巖石處在壓力大于100～200 MPa的壓力時，巖石裂隙開始閉合。因此當(dāng)巖石壓力大于200 MPa時，巖石泊松比主要與組成巖石的礦物成分有關(guān)。當(dāng)巖石二氧化硅含量在55%～75%時，隨著二氧化硅含量減少，泊松比有線性增加的趨勢。鎂、鐵含量高的巖石泊松比較大，例如Zandt等（1995）在科羅拉多高原開展的研究。大陸和海洋地殼的泊松比含量分別是0.265和0.30，高泊松比的區(qū)域可能伴隨著巖石部分熔融的現(xiàn)象。

Ji等（2009）提出利用泊松比與地殼厚度的關(guān)系來研究地殼縮短增厚過程。如果大陸地殼地表到Moho面由相同的物質(zhì)構(gòu)成，地殼變厚或者變薄不會影響波速比。如果地殼厚度和物質(zhì)構(gòu)成存在強(qiáng)烈的橫向不均勻性，那么泊松比和地殼厚度之間就沒有簡單的關(guān)系。地殼增厚發(fā)生在上地殼會引起泊松比降低，反之則會引起泊松比升高。李永華等（2006）用相似的方法計算了研究區(qū)域16個臺站的地殼厚度和波速比，認(rèn)為祁連地塊的波速比與地殼厚度存在反相關(guān)關(guān)系。依照本文劃分的3個研究區(qū)域，我們給出每個研究區(qū)域Moho面深度和波速比（泊松比）的關(guān)系圖（圖6）。從圖6來看，區(qū)域I的H-k關(guān)系相關(guān)性不明顯，區(qū)域II和區(qū)域III的H和k表現(xiàn)出反相關(guān)性。這說明地殼增厚使得長英礦物含量增加，意味著這2個區(qū)域地殼縮短增厚過程主要發(fā)生在長英礦物較多的地殼上部，Pan和Niu（2011）的研究也支持這個觀點(diǎn)。

海原地震和古浪地震都處在地殼高梯度帶附近，也就是說區(qū)域I、II和III的邊界上，地殼厚度在該區(qū)域有較大的變化，容易造成應(yīng)力在邊界帶上集中，在一定的條件下引起大地震。海原地震和古浪地震作為特大地震，斷裂帶長達(dá)幾百千米，孕育地震的范圍會更大。既然地震孕育的區(qū)域很大，為何大地震沒有發(fā)生在邊界帶的其他位置，應(yīng)力為何不在“邊界帶”的其他地點(diǎn)釋放，也就是說文中“邊界帶”的哪些位置更容易發(fā)生大地震。由于本文觀測密度有限，目前還不能討論這個問題，需要改善觀測條件和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累。

4 結(jié)論

本文利用青藏高原東北緣三分量寬頻帶數(shù)字遠(yuǎn)震波形記錄，使用H-k掃描法計算了臺站下方波速比和地殼厚度。青藏高原東緣受到鄂爾多斯塊體和揚(yáng)子塊體等穩(wěn)定塊體的阻擋作用，導(dǎo)致地殼底面的劇烈變化，在研究區(qū)域形成了2個近乎南北走向的地殼深度梯度帶。由2個深度梯度帶劃分出3個研究區(qū)域，3個研究區(qū)域的波速比分別為1.75、1.73和1.73，對應(yīng)的泊松比為0.26、0.25和0.25，地殼厚度分別為56.27 km、53.08 km和45.32 km。全球大陸地區(qū)平均泊松比為0.27，顯示出研究區(qū)域泊松比接近和略小于平均波速比，推測區(qū)域內(nèi)二氧化硅的含量較高，長英質(zhì)酸性巖含量較高。區(qū)域II和III的波速比（泊松比）與地殼厚度有負(fù)相關(guān)性，初步認(rèn)為區(qū)域II和III的地殼增厚主要發(fā)生在上地殼，長英質(zhì)的上地殼巖石增厚也使得區(qū)域平均泊松比下降。古浪大地震和門源地震都發(fā)生在泊松比變化較強(qiáng)烈且偏向于低泊松比的區(qū)域。研究區(qū)域存在高泊松比區(qū)域（波速比大于1.85，對應(yīng)泊松比大于0.295），有可能存在巖石的部分熔融。

本文使用了Lupei Zhu教授的H-k疊加程序，圖件主要使用GMT繪圖軟件制作，審稿專家也對本文給出了很多建設(shè)性意見，在此表示誠摯的感謝。

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