江西九江—福建宁化接收函数剖面研究

赵延娜 段永红 邹长桥 魏运浩邱 勇 林吉焱 李学民

1） 中国北京100081中国地震局地球物理研究所 2） 中国郑州450002中国地震局地球物理勘探中心



江西九江—福建宁化接收函数剖面研究

1） 中国北京100081中国地震局地球物理研究所 2） 中国郑州450002中国地震局地球物理勘探中心

江西九江—福建宁化剖面沿NW--SE方向穿过华南大陆东部的扬子地块和华夏地块两个地质单元． 通过收集沿该剖面布设的35个流动宽频带地震台站2012—2014年记录的远震波形资料， 采用P波接收函数H-k扫描叠加和CCP叠加两种方法， 对该剖面下方的地壳厚度和泊松比分布进行了研究． 结果表明： 沿剖面地壳厚度为29—33 km， 扬子地块东南边缘与华夏地块的莫霍形态差异明显， 萍乡—广丰断裂北侧的萍乐凹陷带深部存在明显的莫霍面上隆现象， 为研究区域中地壳最薄处； 研究区大部分台站下方的泊松比值相对较低， 介于0.21—0.24之间， 萍乡—广丰断裂两侧泊松比值稍高， 可达0.26， 表明不同构造单元地壳深部岩石组成存在差异； 萍乡—广丰断裂可作为江绍拼合带的自然西延， 是扬子地块与华夏地块在赣北地区的拼合界线， 推测其深部的物质组成有相似之处．

接收函数 华南大陆东部H-k扫描叠加 共转换点叠加 地壳厚度 泊松比

引言

华南大陆东部地处欧亚板块、 太平洋板块和印度洋板块交界处的舌状突出部位， 包括福建、 江西、 浙江和广东4省. 其主体由扬子地块和华夏地块构成， 两地块经历了聚合—裂解—再聚合的复杂构造演化模式（舒良树， 2012）. 其壳幔间的相互作用具有异常的深部过程， 是欧亚大陆东部边缘构造框架极其重要的一部分（张国伟等， 2013）． 对该地区壳幔结构的研究将为华南大陆东部的构造形态及其构造演化特征提供基础性资料．

早在20世纪80—90年代， 研究人员就已利用人工地震的方法对华南大陆东部进行了大量探测． 例如： 门源—宁德地学大断面穿过了华南大陆腹地赣闽地区， 其中由国家地震局组织布设的信阳—永平—宁德地学剖面， 给出了沿剖面的地壳厚度变化和速度变化（林中洋等， 1990）; 结合与该剖面近垂直相交形成“十字”形的赣州—永平—杭州剖面给出了江西上饶地区的莫霍面形态（熊小松等， 2009）； 福建省地震局在福州盆地及其周围地区完成了5条地震测深剖面， 研究了该地区地壳结构的初步特征（廖其林等， 1987， 1988， 1990）． 在“十五”活断层探测项目中， 中国地震局地球物理勘探中心先后在泉州、 福州和漳州等地区开展了活断层探测工作， 其中漳州的宽角折射剖面的研究（朱金芳等， 2006）以及福州盆地的宽角反射/折射与深地震反射联合剖面的探测研究（朱金芳等， 2005）， 给出了该地区较为精细的地壳结构特征．

21世纪以来， 随着数字化观测技术及宽频带流动地震台站数量的迅速发展， 宽频带地震观测方法被广泛应用． 其中， 接收函数法逐渐成为研究地震观测台阵下方地壳和上地幔结构的一种简易高效的方法. 该方法也被用来研究华南大陆东部的深部结构特征． 例如： 杨中书等（2010）利用接收函数法得到了江西省13个固定台站下方的地壳厚度和泊松比； Ai等（2007）和叶卓等（2013）先后研究了中国大陆东南缘地壳及上地幔过渡带的结构及其变化特征； Huang等（2010）利用地震层析成像法得到了华南大陆东部地区的上地幔结构，

并分析了其动力学特征； He等（2013）利用接收函数法在华南大陆完成了NW--SE向4个剖面， 给出了华南大陆地区的地壳厚度和泊松比， 并讨论了扬子地块与华夏地块的拼合界线． 综上， 前人在华南大陆东部及沿海地区开展的大量地震测深工作以及天然地震探测研究， 获得了沿海地区较为详尽且丰富的地壳和上地幔结构信息． 但由于深地震测深技术条件的限制以及宽频带观测所使用的固定台站间距太大， 故对华南大陆东部腹地赣闽地区的地壳精细结构仍缺乏深入研究， 有待更密集的观测进行补充证实．

本文研究区域位于华南大陆东部江西省境内（25.7°N—30°N、 114°E—118.5°E）， 扬子地块与华夏地块在此汇聚． 该研究区大部分位于华南复合陆内造山区内， 地质构造较为复杂． 本文采用P波接收函数H-k扫描叠加法和共转换点（common coversion point， 简写为CCP）叠加法获取研究区的地壳厚度及泊松比， 据此分析该区域莫霍面形态和泊松比变化特征， 并探讨扬子地块与华夏地块拼合带的构造特征．

1 方法

1.1 接收函数H-k扫描叠加法

接收函数中包含了直达P波、 Ps波和多次反射波（PpPs， PpSs+PsPs）等震相信息. 根据直达P波与后至震相的到时差与莫霍面深度H的关系（式（1））， 给定一个地壳平均速度vP， 即可估计出H和k（k=vP/vS）：

（1）

式中，tPs和tPpPs和tPpSs+PsPs分别为Ps, PpPs和PpSs+PsPs震相与直达P波的到时差，p为射线参数． 由于接收函数对P波速度并不敏感， 而是强烈地依赖于S波速度或vP/vS， 因此Zhu和Kanamori（2000）提出用H-k格点搜索和叠加方法来直接获取地壳厚度H和速度比k．H-k域内叠加函数S（H，k）定义为

S（H，k）=ω1r（tPs）+ω2r（tPpPs）-ω3r（tPpSs+PsPs）,

（2）

（3）

来估计地壳的泊松比． 研究表明， 泊松比的变化在一定程度上反映了地壳（特别是下地壳）中铁镁质及长英质的含量（Zandt， Ammon， 1995）． 对于下地壳岩石而言， 当泊松比σ<0.26（vP/vS<1.75）时代表地壳岩石由酸性成分组成; 0.26≤σ<0.28（1.75≤vP/vS<1.81）时代表地壳岩石由中性成分组成;σ≥0.28（vP/vS≥1.81）时代表地壳岩石由基性成分组成． 通常下地壳的波速比较整体地壳的平均波速比值高0.02左右（Zandt， Ammon， 1995）． 因此通过研究区泊松比的变化特征可以推测出其地壳岩石组成特征．

1.2 接收函数CCP叠加法

CCP叠加法是Zhu（2000）在共反射点叠加法基础上发展而来的． 该方法首先根据研究区的速度模型对接收函数进行射线追踪获取射线路径， 经过对接收函数作时深转换和入射角校正之后， 每个振幅可以看作对应深度界面所产生的转换波， 而该振幅大小则反映了转换点介质的阻抗变化． 进行CCP叠加时， 我们将台站下方结构划分为若干个面元， 再将每个面元内所有转换点所对应的振幅进行叠加后作为已设像素点范围的叠加结果， 所有面元叠加完成后即可得到直观的CCP叠加剖面．

2 资料

如图1a所示， 江西九江—福建宁化剖面北起九江市德安县， 南至抚州市乐安县， 然后向东南延伸至福建宁化县． 观测台阵共由35台宽频带流动地震仪组成， 其数据采集器型号为Reftek130B， 拾振器由10台Guralp-CMG3T（120 s）和25台CMG3ESPC（60 s）组成， 台站间距平均为12 km． 本文所使用的数据为该台阵于2012年6月—2014年6月所记录的远震波形数据． 从远震记录波形中挑选出震中距为30°—90°、MS≥5.0、 震相清晰、 信噪比较高的148次远震事件的地震波形数据， 远震事件震中分布如图1b所示. 可以看出， 远震事件位于研究区四周， 覆盖了其较完整的方位．

图1 研究区台站（a）及所用远震事件震中分布图（b）， 图（b）中星号代表研究区域

3 数据处理

3.1 接收函数提取及H-k叠加

本文采用时间域反褶积法来计算接收函数（吴庆举， 曾融生， 1998； Zhu， Kanamori， 2000）． 首先对波形数据拾取P波到时， 并截取P波初至前50 s至后150 s的波形记录； 由于地震传感器存在漂移现象， 且三分向漂移量也不一样， 因此需将地震记录去线性、 去均值并进行0.05—2.5 Hz 的巴特沃斯带通滤波； 然后利用后方位角把原始的ZNE三分向地震记录旋转到ZRT（垂向， 径向和切向）坐标系中， 垂直分量分别对径向分量和切向分量在时间域作最大反褶积， 得到基本消除了路径和震源影响的接收函数； 再用系数为2.5的高斯滤波对接收函数进行低通滤波， 在消除1 Hz以上的高频信号的同时， 保留了远震波形的有效成分（段永红等， 2005）； 最后把单台计算得到的接收函数按后方位角排列画到一张图上， 手动挑选出具有清晰Ps、 PpPs和PpSs+PsPs震相的接收函数数据， 共得到1157条高质量的接收函数记录．

H-k叠加时速度模型参考了人工地震探测结果（尹周勋等， 1999； 熊绍柏等， 2002）， 赣北P波平均速度取6.2 km/s， 赣南P波平均速度取6.3 km/s． 本文根据数据中Ps、 PpPs和PpSs+PsPs震相的清晰程度， 加权值分别取0.5， 0.4和0.1． 图2给出了台站的接收函数和H-k扫描叠加结果. 为体现样本的普遍性， 分别选取研究区北部的sp06、 中部的sc06和南部的sc16台站来进行展示． 图中上部分分别为sp06、 sc06和sc16 3个台站的接收函数， 红线标示的为Ps、 PpPs和PpSs+PsPs震相位置； 下部分分别为3个台站的H-k扫描叠加结果， 白色椭圆为地壳厚度H和波速比k的最佳取值范围． 可以看出， 接收函数清晰地显示了莫霍界面的转换震相（Ps）和后续震相（PpPs和PpSs+PsPs）， 表明本文接收函数分析结果可靠． 表1为利用H-k扫描叠加法得到的35个流动台站下方的地壳厚度及波速比， 泊松比由波速比的最优值计算得出. 根据波速比的最佳取值范围， 得到泊松比的误差范围为±0.02．

3.2 CCP叠加

图3为利用CCP叠加法得到的叠加剖面， 所使用的速度模型系根据该区域人工地震测深结果（Lietal， 2006； Tengetal， 2013）， 对IASP91模型修改后获得， 地壳平均速度取为6.28 km/s． 叠加时通过调整共转换点面元大小和光滑系数， 增加共转换点面元内参与叠加的射线数量， 以增强莫霍界面的Ps转换波的成像效果（Zhu， 2000； 武岩等， 2011）． 通过对比可知， CCP叠加法得到的结果与H-k扫描叠加法得到的结果具有很好的一致性．

表1 H-k扫描叠加法得到的各台站下方地壳厚度H、 波速比k及泊松比σTable 1 Crustal thickness, vP/vS ratio and Poisson’s ratio beneath the stations obtained by H-k stacking method

图3 研究区CCP叠加剖面黄色虚线表示由CCP叠加法得到的莫霍面变化， 黑色十字表示H-k扫描叠加法得到的相应台站下方的地壳厚度F1： 九江—靖安断裂； F2： 萍乡—广丰断裂； F3： 永丰—抚州断裂； F4： 于都—乐安断裂； F5： 邵武—河源断裂

4 结果与分析

4.1 莫霍界面形态

图4a为利用H-k扫描叠加法得到的各台站下方地壳厚度投影图． 从CCP叠加结果（图3）和图4a可以看出， 沿剖面地壳厚度为28.7—33 km， 平均深度为31 km. 该结果与该地区深地震测深资料得到的地壳厚度（32 km左右）（Lietal， 2006； Tengetal， 2013）基本一致， 与前人在该地区接收函数研究得到的地壳厚度（Heetal， 2013； Lietal， 2013， 2014）也相吻合． 从莫霍面形态的变化趋势来看， 地壳厚度沿剖面可以分为北、 中、 南3段： 北段（sp06—sp02台站）属于扬子地块的江南造山带， 其地壳厚度偏大， 莫霍面深度为31—33 km； 中段（sp01—sc08台站）显示莫霍面明显抬升， 地壳厚度变薄， 最薄达到28.7 km左右； 南段（sc09—sc29台站）显示莫霍面又逐步加深， 地壳厚度为31—33 km． 萍乡—广丰断裂即位于中段与南段的交界部位． 总体来看， 沿剖面莫霍面的形态为两边深中间浅．

图4 H-k扫描叠加法获得的各台站地壳厚度（a）和泊松比（b）

从上述结果可以看出， 萍乡—广丰断裂两侧的地壳厚度存在明显差异： 断裂北侧的扬子地块边缘有明显的地壳减薄现象， 对应于该部分的地表形态为萍乡—乐平凹陷（张岳桥等， 2009）； 而断裂南侧的华夏地块边缘地壳厚度相对较大， 没有明显减薄现象， 因此可以推断萍乡—广丰断裂是华夏地块与扬子地块的构造分界带．

对扬子地块内部构造的形成机制研究（邓小万， 2001； 张国伟等， 2013）显示， 扬子地块的边缘地带在海西—印支期构造阶段（早泥盆世—晚三叠世中期）构造活动较为强烈， 地块向北运动与华北板块的北缘碰撞形成褶皱带， 扬子地块南部和西部则表现为大规模的拉张和裂陷， 局部形成了规模较大的裂陷槽或裂谷， 推测扬子地块在海西—印支构造期的向北运动是使边缘地壳遭受拉伸减薄的主要原因． 在该构造阶段期间， 华夏地块经历了起始于晚二叠世的陆陆碰撞造山作用， 碰撞挤压作用造成华夏地块地壳结构发生褶皱变形（张岳桥等， 2009）， 导致与扬子地块相邻部分的华夏地块边缘的地壳增厚， 而且没有明显受到扬子地块南缘地壳遭受的拉伸减薄效应的影响．

4.2 地壳泊松比和地壳组成

从H-k扫描叠加结果（表1）和台站下方地壳泊松比（图4b）来看， 研究区台站下方地壳的波速比值介于1.65—1.75之间， 平均值为1.70， 泊松比值在0.21—0.26之间. 该结果与He等（2013）在江南造山带和华夏地块获得的波速比（1.66—1.73）基本一致． 除在断裂附近的泊松比跳跃较大以外， 以萍乡—广丰断裂为界， 断裂以北泊松比总体稍高于断裂以南． 从整条剖面来看， 萍乡—广丰断裂两侧的泊松比明显偏高．

研究区的整体泊松比值为σ≤0.26， 根据地壳岩石与泊松比的关系， 我们推测研究区的地壳组成以长英质岩石为主． 前面已经指出， 华夏地块由于受陆内碰撞造山作用使地壳增厚， 而地壳增厚诱发的深熔作用导致了华南地区独特的印支期过铝质花岗岩的发育（张岳桥等， 2009）. 本文得出的华夏地块具有较低的泊松比值与该结果一致． 而萍乡—广丰断裂两侧的泊松比值偏高可能是由于深部幔源物质的侵入造成的（舒良树， 2012）．

一般情况下， 泊松比值会随着地壳年龄的增加而增大， 前寒武纪地盾地壳具有较高的泊松比值， 其平均值为0.29， 误差范围为0.02； 地台的泊松比值变化较大， 平均值为0.27， 误差范围为0.03； 古生代造山带的泊松比值为0.27； 中生代—新生代构造活跃区域或者新构造区域泊松比值变化较大， 但总体较低， 平均值为0.25， 误差范围为0.04（Zandt， Ammon， 1995）． 本文研究结果显示， 研究区地壳泊松比平均值为0.21—0.26， 均值为0.23． 以萍乡—广丰断裂为界， 北部扬子地块泊松比平均值为0.236， 南部华夏地块泊松比平均值为0.224. 由此推测研究区在中生代构造活动仍然相对活跃．

Ji等（2009）利用接收函数H-k扫描叠加法对中国大陆主要地块的地壳厚度和泊松比作了研究， 并统计出主要地块的地壳泊松比平均值， 其中扬子地块地壳泊松比平均值为0.249， 华夏地块泊松比平均值为0.243． 其所选取的样本均取自华南大陆边缘地区（江苏、 上海、 浙江、 云南）， 由于沿海地区地壳较薄， 泊松比较内陆偏高（Aietal， 2007； Zhaoetal， 2013）， 所以本文得出的扬子地块和华夏地块的泊松比值更能代表华南大陆内部的泊松比结构．

5 讨论与结论

通过对华南大陆东部地区35个台站提取的接收函数进行H-k扫描叠加和CCP叠加， 得到了江西九江—福建宁化剖面的地壳厚度和泊松比以及莫霍界面形态， 并分析了研究区内扬子地块与华夏地块拼合带的构造特征．

两种方法得到的江西九江—福建宁化剖面的地壳厚度结果具有很好的一致性． 研究区地壳厚度较薄， 在29—33 km之间， 这与华南大陆东部地壳的人工地震测深结果和宽频带地震观测结果基本一致． 该剖面显示莫霍面起伏不大， 总体形态呈两端下伏中间隆起状． 扬子地块与华夏地块的分界带萍乡—广丰断裂北侧的莫霍面呈上隆状， 此形态揭示两地质单元在晚古生代—早中生代经历了先碰撞（地块边缘地壳增厚）后拉伸（地块边缘地壳减薄）的构造过程． 据此推测在构造后期的地幔热物质上涌推动扬子地块向北运动， 造成扬子地块与华夏地块之间的地壳拉伸减薄， 并于该时期形成了萍乐凹陷带． 本文结果显示的这种构造效应在扬子地块边缘表现得更为明显．

本文研究区地壳的波速比平均值为1.65—1.75， 相对应的地壳泊松比平均值为0.21—0.26， 代表了华南大陆东部内陆的泊松比结构． 泊松比值显示研究区地壳岩石以长英质岩石为主， 表明研究区地壳结构相对稳定， 壳幔垂向物质交换活动较弱． 沿萍乡—广丰断裂的波速比值明显高于两侧， 可能受深部残存新元古代蛇绿混杂岩的影响. 该结果进一步证明了该断裂是赣北地区两地块的汇聚边界， 为江绍断裂的自然西延． 根据地壳年龄与泊松比值的对应关系， 推测本文研究区在中生代—新生代期间构造运动活跃．

朱露培教授提供了接收函数叠加程序， 吴庆举研究员和张瑞青副研究员在数据分析方面给予了指导， 审稿专家对本文提出了修改建议， 在此一并表示衷心感谢．

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Study of the receiver function profile from Jiujiang， Jiangxi Province to Ninghua， Fujian Province

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China2）GeophysicalExplorationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Zhengzhou450002，China

The profile from Jiujiang， Jiangxi Province to Ninghua， Fujian Province， passes through the Yangtze block and the Cathaysia block from northwest to southeast in the east of South China continent. This paper selected teleseismic records from 35 temporary broadband stations along the profile from June 2012 to June 2014 so as to obtain the crustal thickness and Poisson’s ratio by theH-kstacking method and common conversion point （CCP） stacking method. The results show that the crustal thickness of the studied area ranges 29—33 km. The depth of Moho of the southeast edge of the Yangtze block has an obvious difference from that of the Cathaysia block． The depth of the Ping-xiang--Leping depression zone to the north of Pingxiang--Guangfeng fault exhi-bits obvious uplift of Moho in the deep， being the thinnest part of the studied area. The average value of Poisson’s ratio obtained fromH-kstacking method shows that the Poisson’s ratios are as low as 0.21—0.24 beneath crust of most of the studied area. At the two sides of the Pingxiang--Guangfeng fault， the Poisson’s ratio value is higher， reaching about 0.26， which means the different constitution of the rock in the deep for the disparate tectonic units. All above evidences suggest that the Pingxiang--Guangfeng fault can be considered as the extension of Jiangshan-Shaoxing coherence belt， meanwhile it is the convergent boundary of Yangtze block and Cathaysia block in the north of Jiangxi Province， therefore it is inferred that the two blocks are composed of similar material in the deep.

receiver function； the east of South China continent；H-kstacking； common conversion point （CCP） stacking； crustal thickness； Poisson’s ratio

国家自然科学基金项目（41174052）资助.

2015-01-10收到初稿， 2015-03-10决定采用修改稿.

e-mail: yhduan123@126.com

10.11939/jass.2015.05.002

P315.63

A

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