华南沿海地区地壳厚度与泊松比研究

2014-12-13黄海波郭兴伟夏少红丘学林

地球物理学报 2014年12期

黄海波，郭兴伟，夏少红，丘学林

1中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州 510301

2国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，青岛海洋地质研究所，青岛 266071

1 引言

华南沿海紧邻南海北部陆缘，位于欧亚板块、菲律宾板块和印度洋板块的交汇地区（图1）.受三大板块的联合作用，该地区中生代以来先后经历了强烈的构造挤压和伸展作用（Gilder et al.，1996；舒良树，2012；刘琼颖等，2013），其演化过程伴随着丰富的深部物质活动，形成了一系列切割地壳、上地幔的深大断裂，这些断裂带迄今仍存在较强活动性，是华南沿海地区地震活动的重要发生场所（张虎男和吴堑虹，1994；任镇寰等，1998；郝天珧等，2002），其深部结构和构造活动特征记录了华南沿海地区，包括南海北部地区演化历史的重要信息.研究华南沿海地区深部地壳结构及其与该地区主要断裂带活动性的关系，对于理解华南地区各个离散块体相互作用的动力体制、预测该地区的地震活动都具有十分重要的理论指导意义.

地壳厚度（H）与泊松比（υ）分别是研究板块演化模式和地球内部物质构成的重要参数.前者是块体碰撞、汇聚等演化过程的产物，也是划分全球板块或区域块体类型的重要参考.Zhang等（2011）等通过搜集大量地震、重力等探测资料指出，我国的结晶地壳厚度为20～63km，总体表现出自西向东减薄的特性，地壳最薄地区位于我国南海海盆，据最新的海底地震仪调查结果显示（丘学林等，2011；阮爱国等，2011），西南次海盆地区结晶地壳厚度只有5km左右.地壳厚度在不同构造单元之间所表现出的差异反映了区域深地壳结构及其地球动力学成因的复杂性.相比地壳厚度，泊松比作为地球岩石物质的弹性力学参数，则是探索地球内部物质成分和物理状态的直接依据（Christensen，1996）.Zandt和 Ammon（1995）曾对全球地盾、地台、造山带等地壳类型的泊松比进行总结，提出泊松比在反映地壳物质成分方面的几点结论，讨论了铁镁质下地壳、部分熔融等因素对泊松比值的影响；Ji等（2009）通过实验手段揭示了组成地壳的几类岩石：酸性岩（υ＜0.26）、中性岩（0.26＜υ＜0.28和基性超基性岩（0.28＜υ＜0.30）的泊松比值范围，对于利用泊松比分布约束地壳物质成分具有重要作用.Chevrot和van der Hilst（2000）以及嵇少丞等（2009）分别研究还发现泊松比和地壳厚度之间存在一定关系，隐含了地壳形成演化和构造运动过程的重要信息.因此，通过研究地壳厚度和泊松比的分布特点，能够从块体类型、内部物质组成和演化模式方面探讨华南沿海及其邻区的深部结构和动力学成因.

图1 华南沿海地区地震台站及远震事件黑色三角为地震台站，黑色五角星为地震震源.Fig.1 Seismic stations around the coastal areas of South China and distribution of teleseismic event Black triangles represent earthquake stations.Black stars represent teleseismic events.

目前主要通过地震学方法获得关于地壳厚度的估计，该方法在探测壳幔物质界面（莫霍面）方面最为直观可靠（Qiu et al.，2001；Erduran，2009；Yuan et al.，2010）.通过主动源和被动源的地震探测所获得的P波和S波速度比值（κ）也是除物理实验等直接手段之外，用于估计泊松比值最重要的间接手段（Wu et al.，2004；Eccles et al.，2011）.其中，被动源地震学中的接收函数方法采用近垂直入射的P波及其转换S波的走时和振幅记录，在获取地壳结构和地震波速度方面具有较高分辨率，有利于地震台下方地壳厚度和泊松比研究（Zhu and Kanamori，2000）.本文通过搜集华南沿海地区包括广东、福建的天然地震台网数据，采用对接收函数转换S波进行叠加搜索的方法，模拟获得台站下方的地壳厚度和泊松比分布，分析和探讨了华南沿海及其邻近地区各主要块体活动的相互作用关系.

2 方法

接收函数方法是目前利用单台三分量远震记录（30°＜震中距＜90°）研究台站下方地壳、上地幔结构的有力工具（黄海波等，2011；Sun et al.，2012）.Langston（1979）提出在频率域将远震记录的垂向分量与水平分量进行反褶积，从而提取出远震P波在速度间断面上的转换S波及其多次波信息.由于波速比κ对于地壳纵波速度变化不敏感，因此在假设台站下方平均P波速度情况下，理论上可以根据P波和S波的到时差来计算平均地壳厚度与横波速度，从而获得纵横波速度比.Zhu和Kanamori（2000）通过在地壳厚度域和波速比域搜索转换S波（Ps）及其多次震相（PpPs、PsPs＋PpSs）的叠加振幅最大值，同时获得两个参数的平均值估计（H－κ叠加法），该技术有效地避免了因震相识别和走时拾取所产生的人为误差，具有较高可信度.

转换S波及其多次震相相对于直达P波的到时可以表示成

其中Vp为台站下方平均纵波速度，p为远震P波射线参数，H为地壳厚度，κ为纵横波速度比.由κ与泊松比υ的关系（Citation）

从而求得泊松比值.

3 地震数据和接收函数处理

本研究共收集了福建省和广东省范围内75个数字地震观测台站（图1）的地震资料，其中福建省29个，广东省46个，台站以北东走向沿海岸线分布，覆盖面积达30万km2.台站从2001年运行至今记录到了大量地震事件，我们从中选取震中距在30°～90°之间、具有清晰初至P波和高信噪比的远震波形.所选地震事件共有201个，主要分布于环太平洋地震带和青藏高原地震带（图1）；根据地震发生时间对原始波形进行截取，截取过程中利用IASP91模型计算理论到时（Buland and Chapman，1983）以协助直达P波识别，最终截取的地震波形为直达P波到时的前30s和后90s；利用等效震源法（Langston，1979；Ammon，1991）提取每个远震事件的接收函数波形，高斯滤波因子选为2.5，以保留地壳主要速度间断面上的转换S波及其多次波震相，水准因子选为0.001；对提取结果做人工检查，剔除信噪比低、波形异常的接收函数，最终获得4172条有效波形，除福建古田台（GUT）无可用接收函数波形、广东普宁台（PUN）和水东台（SHD）仅获得6条和7条有效波形外，其他台站波形数均大于13.

利用H－κ搜索叠加法对这些台站下方的地壳厚度和波速比进行搜索，地壳平均P波速度设为6.2km·s－1（郑圻森等，2003；蔡学林等，2003）；叠加过程中转换S波震相Ps及其多次波PpPs、PsPs＋PpSs的加权系数分别为0.6、0.3和0.1，地壳厚度范围20～60km（熊小松等，2009），波速比范围1.5～2.0（Ji et al.，2009）.

4 计算结果与分析

4.1 H－κ搜索叠加结果分析

通过计算，本文获得了74个台站下方的地壳厚度H和波速比值κ（表1），其中GDN台网共有46个估计值、FUJ台网共有28个（GUT无可用接收函数）.H－κ振幅叠加谱的分布形态与所用接收函数波形的质量有关，一方面较厚沉积层会引起转换S波到时滞后现象，在正常地壳纵波速度假设下，波速比估计误差可达到20%（陈九辉，2007）；另一方面，较厚沉积层的多次波震相或地壳中次级间断面的转换震相都会影响莫霍面转换S波震相的识别，造成叠加振幅出现局部极值，处理不当则会获得错误估计值.

表1 台站坐标、地壳厚度和波速比结果Table 1 Locations of seismic stations，crustal thickness（H），and velocity ratio（κ）

图2 广东台网LCH、SHG以及福建台网YOD、FUZ的H－κ叠加彩图中白色十字为最大叠加振幅，数值为地壳厚度／波速比估计值.Fig.2 H－κstacking of receiver functions at stations LCH，DOH in GDN and YOD，FUZ in FJN White cross in colorized map represents the maximal stacked amplitude；accompanying value is estimation of Handκ.

图2给出了GDN台网的LCH、SHG以及FUJ台网的YOD、FUZ台的接收函数波形及其H－κ叠加结果，不同颜色及相应等值线为叠加后的振幅值（只展示正振幅）.其中，LCH台共获得108条接收函数波形，这些波形信噪比较高，可清楚地识别出直达波震相P（0s）、莫霍面上的转换S波震相Ps（3s）、多次波震相PpPs（12s），对应的叠加振幅谱形态简单、Ps和PpPs震相叠加振幅的线性趋势明显（公式（1）和（2））、极值区突出，所获得的地壳厚度和波速比值比较可靠；SHG台共获得120条接收函数波形，信噪比也较高，可以识别出P、Ps和PpPs震相，走时与LCH台相似，在P和Ps震相之间还存在另一个转换震相，到时为2s左右，可能来自于地壳中某一速度界面，这里将其命名为Pcs，该台站的叠加振幅谱相对复杂，出现一些局部极值，特别是地壳厚度23km处所对应的振幅极值应是Pcs及其多次波震相的叠加结果；YOD台共获得65条接收函数波形，信噪比较差，出现杂乱的噪声震相，但仍可从这些干扰中识别出明显的Ps和PpPs震相，振幅连续性较好，叠加谱中对应的线性趋势更为清晰，噪声的影响也导致一些局部极值的出现；FUZ台共获得71条接收函数波形，信噪比虽然较高，但仅能从中识别出Ps震相，而PpPs震相并不明显，对应的叠加振幅谱比较复杂，PpPs叠加振幅的线性趋势不清晰，极值区沿Ps震相叠加振幅的线性趋势分布，不够突出，地壳厚度22km处也对应一个局部极值，与接收函数波形中2s左右的Pcs震相有关.

4.2 华南沿海地区地壳厚度分布

根据H－κ叠加方法所获得的地壳厚度估计，我们插值（Smith and Wessel，1990）得到华南沿海地区的地壳厚度分布（图3）.结果显示，华南沿海地区地壳厚度具有明显分块特征，总体表现出由北向南、自西向东减薄的趋势，其中广东北部和福建西北部的南岭—武夷褶皱带地区（I和II）地壳较厚，可达30～33km，横向变化不大；闽粤滨海地区（III）、广东珠江口地区（IV）和雷琼地区（V）地壳厚度减薄至26～27km；不同块体之间存在地壳厚度变化的过渡带，II区和III区之间的过渡带为NE走向，受控于政和—大埔断裂带和长乐—南澳断裂带；I区和IV、V区之间过渡带更为陡峭，主要受控于高要—长宁断裂带、西江断裂带和四会—吴川断裂带，表明珠江口地区和雷琼地区存在比较明显的地幔隆起；通过将历史大地震（震级＞5.0）和1990年以来发生的地震（震级＞2.8）投影至地壳厚度分布图，可以发现这些地震主要发生在地壳厚度变化的梯度带上，与断裂分布一致.

4.3 华南沿海地区的泊松比分布

图4显示该区的泊松比分布同样具有分块特征，范围在0.24～0.27之间，表现出自东北向西南减小的趋势；雷琼地区、南岭—武夷褶皱带地区的泊松比值变化不大，基本为0.24左右，但在GDN台网的YGX、DNB台以及FUJ台网的XIT台下方出现局部高值，达到0.26左右；珠江口地区泊松比值为0.25左右，其北部靠近高要—长宁断裂带的XIG、HYJ和XFJ台下方也存在局部高值，达到0.26，这三块区域都存在小震群活动，因此推测泊松比的增加与地震活动所引起的破碎带或流体的作用有关；该区断裂带对应泊松比的分布，其中政和—大埔断裂带与北东向的泊松比梯度带十分吻合，地震主要发生在泊松比梯度带上，明显受断裂活动影响.

5 分析和讨论

5.1 地壳厚度、泊松比与断裂活动性

华南沿海地区主要发育北东向、北西向和近东西向三组断裂，其中尤以北东向的规模最大（张虎男和吴堑虹，1994）.这些断裂是不同块体和地貌单元的主要分界，形成了断陷盆地、褶皱隆起以及山谷平原等构造地貌特征，如广东珠江口地区即为近东西向和北西向断裂所围限的断陷盆地，而南岭—武夷褶皱带则是挤压环境下的造山隆起区.另外拉张作用导致地幔物质上隆，使得雷琼地区和闽粤滨海地区的地壳强烈减薄，是导致该地区出现强烈火山作用的原因之一.研究表明华南沿海地区地震带分布具有明显分带特征（任镇寰和罗振暖，1998），地震活动的空间分布取决于该区主要断块运动，同时也受控于深部地壳结构特征以及物质属性.为了研究地壳厚度、泊松比分布和断裂活动关系，本文选取了4条贯穿华南沿海地区的长剖面，并与地貌特征进行了对比（图5）.

图5a起自南岭构造带以西，经高要—长宁断裂带到达广东珠江口地区，地壳厚度自北向南减薄，具有海陆过渡性质.其过渡带位于24°N左右，厚度由32km减小为26km，可能受到断裂影响.泊松比表现出相反变化趋势，即由陆区的0.23向海增加至0.25左右，暗示了地壳中镁铁物质的增加，与珠江口地区地幔物质的上隆有关.该区地震震源主要分布在地壳内4～14km，并随地壳厚度减薄而略有抬升.通过与地形数据进行对比，发现地壳、泊松比和震源深度都与地貌特征明显相关：山区褶皱带一般具有明显反山根，而褶皱构造引起的上地壳逆冲推覆则会降低地壳平均泊松比值.

图5b起自南岭构造带以东，经政和—大埔断裂带、南澳—长乐断裂带到达闽粤滨海地区.地壳厚度从北部的30km减薄至滨海地区的26km，政和—大埔断裂带（24°N）附近也存在一个地壳厚度变化的过渡带；泊松比变化较大，从北部的0.24强烈增加到海区的0.27，对应震源深度从政和—大埔断裂带西侧的10km左右增加至东侧的莫霍面附近，并在南澳—长乐断裂带附近存在震群活动.推测政和—大埔断裂带控制了该区地壳厚度和地震的分布，具有向东倾斜的断层面，另外南澳—长乐断裂带地区可能存在破碎带或流体活动，从而导致泊松比的急剧增加.

图3 华南沿海地区地壳厚度分布红色圆圈为地震震源，黄色五角星为滨海历史大地震，绿色实线为断裂带，等值线表示地壳厚度分布，罗马数字代表不同分区，黑色实线为图5中的剖面位置.Fig.3 Crustal thickness over the coastal areas of South China Red circles denote earthquakes.Yellow stars denote historical earthquakes in coastal areas.Green solid lines represent faults.Contour lines represent crustal thickness.Roman numbers represent subregions.Black solid line represents location of profile in Fig.5.

图4 华南沿海地区泊松比分布等值线表示地壳厚度分布，大写字母及括号中数值代表异常台站及其泊松比，其他说明同图3.Fig.4 Poison ratio over coastal areas of South China Contour lines represent crustal thickness.Capital letters and bracketed values are anomaly stations and their Poisson′s ratio.

图5 贯穿华南沿海的四条地壳厚度、泊松比与地震震源关系长剖面黄色圆圈为地震震源，顶部实线为地表高程，底部红色和黑色实线分别为泊松比和地壳厚度，三条虚线标出泊松比0.24、0.26和0.28.Fig.5 Four long profiles through coastal areas of South China reflecting relationship between crustal thickness，Poisson′s ratio and earthquake distribution Yellow circles denote earthquakes.Solid lines at top denote elevations，red and black solid lines at bottom denote Poisson′s ratio and crustal thickness，respectively.Three broken lines mark the Poisson′s ratio of 0.24，0.26and 0.28，respectively.

图6 地壳厚度与泊松比关系（a）研究区台站分类（彩色正方形为台站，黑色虚线为不同地区分界），数字为断层编号，说明见图3；（b）地壳厚度与泊松比关系（黑色虚线为线性拟合关系）.Fig.6 Relation between the crustal thickness and Poisson′s ratio（a）Classified stations in study area.Colored squares denote seismic stations.Black dash lines represent regional boundaries；（b）Relation between crustal thickness and Poisson′s ratio.Black dash line represents linear fitting relationship.

图5c起自南岭—武夷褶皱带北部，经政和—大埔断裂带、南澳—长乐断裂带到达台湾海峡北部，地壳厚度从33km减薄至28km，泊松比从0.23增加至0.27左右，在政和—大埔断裂带附近也存在地壳厚度和泊松比的陡变带；地震震源深度在断裂带附近逐渐加深，进一步表明该断裂带对地壳结构的影响可延伸至整个地壳范围.

图5d走向NEE，东边起自雷州半岛，穿过广东珠江口、政和—大埔断裂带、长乐—南澳断裂带到达闽粤滨海地区.剖面中不同构造单元对应着地形、地壳厚度和泊松比的不同分布，滨海区和盆地区都对应着地形下沉和地幔上隆，而山区下方则存在明显反山根；泊松比由陆向海、自北向南增加的趋势在该剖面中体现得更为明显，部分地区的泊松比变化情况与地形对应较好；地震震源在政和—大埔断裂带西侧基本分布于上、中地壳，而在断裂带东侧则达到莫霍面，清楚地勾画出断层面形态，表明该断裂带为区域性全地壳断裂，是不同断块构造单元的分界.

5.2 地壳厚度与泊松比的关系

华南大陆的块体运动主要受西太平洋板块的西向推挤、东亚陆缘裂解以及南海海盆的南向扩张影响，愈靠近沿海地区愈为强烈（徐先兵等，2009）.根据该区构造演化样式的不同，其深部地壳结构也会表现不同特征.通过研究该区地壳厚度与泊松比的关系，可以揭示华南沿海地区的地壳演化过程和构造运动形式.本文通过对台站下方地壳厚度与泊松比关系的整理，对该区构造环境及演化模式做出了探讨.

图6为研究区地壳厚度与泊松比关系图（6b）以及据其对演化区域的划分（6a）.以该区断裂带为界（图6a中黑色虚线），可以划分出两种不同的H－υ关系.断裂带向海地区包括蓝色、红色和黄色矩形，其中黄色矩形参考海南岛地震台网研究结果（黄海波等，2012）.这些台站的地壳厚度与泊松比之间存在明显正消长关系，即泊松比值随地壳减薄而明显降低，其线性回归曲线的决定系数R2＝0.5646，表明泊松比中有56.56%的信息可以用地壳厚度的变化解释（Seber and Lee，2003）.华南沿海地区地壳具有典型大陆分层结构，即上地壳主要为长英质的中、酸性岩，下地壳主要为铁镁质的基性岩，而该地区受区域构造伸展作用的强烈影响，其地壳出现拉张减薄作用，根据大陆地壳和上地幔组成的“三明治”模型特点（Ranalli and Murphy，1987），流动性较强的下地壳比上地壳发生了更大程度的减薄，从而导致泊松比随地壳厚度减小而降低（Ji et al.，2009）；断裂带向陆地区包括紫色、绿色和粉色矩形，该地区地壳厚度较大，但泊松比与向海地区相比则明显降低，基本低于0.26，与向海地区共同构成H－υ的负消长关系，在南岭—武夷褶皱带的逆冲推覆构造作用下，长英质的上地壳岩石更容易在挤压环境下缩短增厚，从而造成地壳泊松比随地壳厚度增加而降低.

6 结论

本研究通过对华南沿海地区地震台网75个地震台的远震波形进行处理，得到台站下方的接收函数波形，利用H－κ叠加法获得了74个平均地壳厚度和泊松比值估计，将研究结果同该地区断裂活动、地震分布和构造环境等作了对比、分析和探讨，得到以下结论：

（1）华南沿海地区中、新生代以来受西太平洋板块的西向挤压、东亚陆缘裂解以及南海的扩张作用影响，普遍发育北东、北西和近东西向断裂体系以及不同时代的花岗岩分布，导致该区地壳厚度和泊松比呈块状或带状分布，总体表现出自北向南、由陆向海减薄，泊松比值基本小于0.28，表明该区地壳主要以中、酸性岩石为主，部分地区受到地幔物质强烈上隆影响，地壳岩石中镁铁成分明显增加从而导致泊松比升高；

（2）地壳厚度和泊松比在断裂带附近呈过渡带或陡变带变化，并与地形呈正、负相关，表明山区普遍存在反山根，而逆冲造山则导致长英质上地壳增厚.该区地震活动主要发生在中、上地壳，但在政合—大埔断裂带向海一侧可达莫霍面，证实其属于切割整个地壳的深大断裂.部分地区存在地震群活动，这些地震所引起的破碎带和流体作用可能导致泊松比的急剧升高；

（3）华南沿海地区以政和—大埔断裂带、高要—长宁断裂带为界，向海地区存在地壳厚度与泊松比之间的正消长关系，这与该区构造伸展作用下地壳的分层拉张有关，比较软弱、流动性较强的下地壳发生了更大程度的减薄；向陆地区主要以南岭—武夷褶皱带的逆冲推覆构造为主要特征，导致泊松比随地壳厚度的增加而明显降低.

本文所获得的地壳厚度和泊松比只是整个地壳的平均结果，至于该区更为详细的地壳结构，还需要依靠对单台下方一维横波速度结构的反演研究，这对于揭示该地区地壳低速层异常体、壳幔边界形态及其与断裂活动、地震分布之间的关系具有重要作用.本文将在下一步工作中利用接收函数正、反演方法获得华南沿海地区精细的横波速度结构，以期获得对该地区地壳物质成分、深部地壳结构以及构造演化模式的更深入理解.

致谢感谢青岛海洋地质研究所的张训华研究员、温珍河研究员和王忠蕾博士给予的帮助，感谢中国地震台网管理中心（CENC）提供远震波形的下载服务，感谢朱露培教授无偿提供程序源代码以供研究.

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