利用接收函数研究太行山前断裂南部地区地壳厚度

陈 睿闫俊岗闫 楷万 娜张予川

1）中国湖北430074中国地质大学（武汉）

2）中国郑州450016河南省地震局

3）中国河北056006邯郸中心地震台

利用接收函数研究太行山前断裂南部地区地壳厚度

陈 睿1），2）闫俊岗3）闫 楷2）万 娜2）张予川2）

1）中国湖北430074中国地质大学（武汉）

2）中国郑州450016河南省地震局

3）中国河北056006邯郸中心地震台

利用太行山前断裂南部地区宽频带数字化地震台站的远震体波记录，采用频率域反褶积方法提取接收函数，由H—Kappa叠加方法反演得到各台站下方地壳厚度和泊松比。结果显示： ①该区域地壳厚度分布为西部较厚，东部较薄，莫霍面呈小角度向西倾斜。西部长治盆地地壳厚度40.2km，东部平原地区地壳较薄，厚度31.8km，地壳变化落差约9km；②在太行山与平原交接地带，特别是沿太行山弧形分布的主峰外缘，即一级夷平面和二级夷平面的分界线附近地壳厚度变化较快；③接收函数反演的地壳厚度与人工地震测深结果吻合，太行山隆起区地壳变厚，汤阴地堑地壳变薄，内黄隆起地壳变厚，表明深部莫霍面或上地幔的隆起、凹陷与地面起伏呈镜像对称；④区域内泊松比值变化不大，约0.23—0.27，表明该地区地下介质主要由中酸性岩组成，与较大范围的花岗岩分布有关，石英、长石含量高。

接收函数；地壳厚度；H—Kappa；叠加

0 引言

太行山山前断裂带位于太行山脉与华北平原的过渡地带，北起北京怀柔附近，向南经房山和河北省的涞水、保定、石家庄、邢台、邯郸及河南省的安阳、汤阴至新乡，总体呈NE—NNE向展布，全长约620km，是华北及中国东部地区的一条重要构造带（徐杰等，2000）。本文主要研究太行山前断裂带南部地区，研究区域范围为35°00′—36°54′N，113°00′—115°00′E，主要地质构造包括邯郸—安阳段和安阳—新乡段。

邯郸—安阳段主要是邯郸断裂南段。邯郸断裂带北起邢台以北，南至安阳南断裂，长130km，由梧东、双西和邯郸断裂组成。邯郸断裂是其主干断裂，总体走向NE10°—20°，倾向SEE，倾角一般40°—60°，正断裂性质。此断裂中、新生代有明显活动，据石油地质勘探资料（石油物探局地质研究院，1991），南段与临漳断裂一起控制邯郸中、新生代凹陷的发育。邯郸凹陷为双侧断陷，堆积厚1 000 m的上侏罗统和白垩系，下第三系厚1 900 m。

安阳—新乡段为汤西和汤东断裂及其控制的汤阴凹陷。汤东断裂、汤西断裂近平行分布于太行山山前断裂带南段，正断裂性质，共同控制汤阴凹陷的发育。汤西断裂走向NE30°，倾向SEE，长约70km。该断裂南段早第三纪活动强烈，汤阴凹陷的汲县洼陷靠近断裂下降盘一侧，下第三系厚3 000 m。晚第三纪断裂有过强烈活动，控制了千余米厚的上第三系沉积。汤东断裂走向NE30°，倾向NWW，长90多千米。断裂下降盘汤阴洼陷堆积厚2 800 m的下第三系，上第三系厚700余米。

该地区地震活动相对频繁，历史记载的最大破坏性地震是1830年6月12日河北磁县71/2级地震；1970年以来现代地震记录显示，磁县、林州地震活动相对密集，呈团簇状分布。综合认为，该区域发震构造集中，地震危险性较高，进行地壳深部构造特征研究对于认识该地区发震机制具有重要意义。

1 数据处理

1.1 资料选取

研究区域位于河南、山西、河北交界地区，分布11个数字化测震台站（图1，表1）。地震台站经“九五”、“十五”数字化改造，主要利用8个宽频带地震仪（频带宽度 60 s，采样率100次/s）记录的地震事件进行地壳深度反演。因此，安阳台（AN）、临漳台（LZT）和延津台（YJ）的地震记录不参与反演计算。

表1 地震台站参数Table1 The parameter of the stations

选取2009年1月至2012年9月发生的695个5.5级以上远震，震中距30°—90°（在远场条件下，台站下方体波入射角较小，可以看作近似垂直入射地震台站下方），筛选65个均匀分布于研究区的地震事件（图2），进行接收函数反演计算。

图1 区域地质构造及台站分布Fig.1 The regional geological structure and the distribution of the stations

图2 地震事件分布Fig.2 Epicenter distribution of the earthquakes

1.2 接收函数分析

接收函数方法最早由 Phinney提出，目的是用远震体波研究台站下方地壳及上地幔结构。接收函数不依赖台站密度和空间分布，适用于台站稀疏区域，可用远震数据反演台站下方地壳结构，有效解决某些地区地震较少而无法用近震震相进行反演的问题。远震体波径向接收函数反演法是地震研究的一个重要方法，在研究地壳上地幔结构中得到广泛应用（Owens J et al，1984；Ammon C J et al，1990； Langston C A，1997； Rai S S et al，2003），中国学者也取得一定成果（刘启元等，1997，2000；吴庆举等，1998；徐鸣洁等，2005）。

1.3 方法和原理

根据选取的远震事件，在台站记录中截取P波前50 s及后200 s波形数据。数据一般是SEED格式，由于计算程序使用SAC格式文件，需进行数据格式转换，并在头文件中写入事件信息。

将直角坐标系下原始波形数据旋转变换为极坐标系，根据台站相对地震的方位角φ，对水平记录的NS和EW向利用公式（1）进行转换，将地震观测波形变换到径向R和切向T（胡家福等，2003）。

式中，φ为相对于震中的方位角；CN和CE分别为台站记录的NS向和EW向地震观测原始波形，CR和CT分别为径向R和切向T上的相应地震观测波形。

采用时间域迭代反褶积方法进行接收函数提取，求解径向和切向分量的接收函数。以径向分量为例进行说明：ER=t，求解方程最小值。DR（t）为台站记录远震波形数据的径向分量，DT（t）为切向分量，DV（t）为垂直分量；DV（t）*ER（t）为不断迭代更新的接收函数与观测垂直分量地震图的褶积（Li X Q and Nabelek J K，1999；Langston C A and Hammer J K，2001）。

进行接收函数的H—Kappa迭代搜索，对于一维水平单层地壳模型，当给定地壳内介质中P波和S波的平均速度vP和vS，由公式（2）即可求得地壳厚度H。式中tPs表示vS震相相对于初至P波的到时差，p为入射P波参数。

该方法需要解决莫霍面深度与波速比之间存在的折中问题。

莫霍面多次反射转换波携带更多约束信息，联合利用莫霍面多次反射转换波震相（PpSs，PpSs+PpSs）与初至P波到时差，可以有效获得台站下方的地壳厚度H和波速比。

因此，Zhu 等（2000）综合利用莫霍面一次转换震相Ps及多次转换震相（PpSs，PsSs+PpSs）叠加搜索能量最大值方法，确定地壳厚度（H）和纵横波速比（κ），具体公式为，其中r（t）为径向接收函数的振幅，t1、t2、t3分别表示Ps、Pp Ss、PsSs+PpSs震相在预测地壳厚度H和 vP/vS条件下对应的到时。ωt为Ps、PpSs、Ps Ss+PpSs震相的权重系数，Σωi=1。利用网格搜索方法可以确定函数r（H，κ）的最大值及相应地壳厚度H和平均地壳介质波速比κ，通过公式（3），可获得相应的平均地壳介质泊松比σ。

对较好的台站进行叠加，每个台站参与叠加分析的接收函数不少于30个，大部分台站的接收函数显示比较清晰的多次波，地壳厚度叠加过程中，地壳厚度H取25—45km，κ取1.5—3.0。

2 计算结果

对选取的65个远震事件1 452条地震记录分析筛选，获得301个接收函数，台站方位角径向接收函数见图3，用H—Kappa方法反演，得到台站下方地壳厚度和波速比（表2，图4）。

图3 地震台站下方接收函数及H—Kappa反演结果（a）CHZ；（b）HSTFig.3 The receiver function under the station and the H-Kappa inversion results of the stations

3 分析

研究区域位于华北断块区二级构造单元太行山断块。由于中生代燕山运动和新生代喜山运动共同作用，以太行山东麓断裂为界，西部是整体隆起区，东部为相对下沉区，形成华北断块区西高东低的地貌特征（刘尧兴等，2000）。

（1）区域内地壳厚度分布总体趋势是西部较厚，东部较薄，莫霍面总体呈小角度向西倾斜。西部长治盆地地壳厚度为40.2km，东部平原地区地壳较薄为31.8km，地壳变化落差约9km。

（2）在太行山与平原交接地带，特别是沿太行山弧形分布的主峰外缘，即一级夷平面和二级夷平面的分界线附近，地壳厚度变化较快（刘尧兴等，2000）。接收函数反演地壳深度结果显示，林州盆地底部地壳厚度相对较薄（33.1km），盆地边缘地壳逐渐变厚，东部边缘地壳深度变化较小（34.3km），向西莫霍面快速变陡；沿林州—长治一线，地壳变化梯度为111 m/km；焦作—卫辉一线地壳变化梯度较大，地表25km距离地壳深度变化约2.6km，地壳变化梯度为104 m/km。

图4 地震台下方地壳厚度和波速比分布Fig.4 The crustal thickness and the wave velocity ratio distribution of the stations

表2 地震台下方地壳厚度和波速比结果Table2 The crustal thickness and the wave velocityratio of the stations

焦作—卫辉—林州一线是太行山隆起边缘，南部有薄壁断裂，北部是林州断裂，薄壁断裂（北段）上新世活动剧烈，到早、中更新世时，断裂活动性仍较强烈，但自北而南活动性逐渐减小，晚更新世以后，断裂垂直活动不明显。林州断裂是林州盆地的西部边界断裂，西盘（下盘）由太古界、下古生界地层组成高耸的太行山脉，标高可达 1.2—1.6km，东盘（上盘）为下降盘。林州断裂有一个近 2 000 m 宽的破碎带，电阻率测深、激发极化测深和钻孔资料表明，宽大的破碎带除断层角砾外，均被红色粘土充填，该断裂最新活动时代为早、中更新世（刘尧兴等，1987）。

（3）接收函数反演的地壳深度与人工地震测深结果吻合。中国地震局地球物理勘探中心曾在该区域布设一条人工地震测深剖面（刘尧兴等，2000），东起山东省巨野县，经河南濮阳市、汤阴、林州至山西省平顺、屯留县，全长436km，方位角294°50′（图5），由图5可见，太行山隆起区地壳变厚，汤阴地堑地壳变薄，内黄隆起地壳变厚，表明深部莫霍面或上地幔的隆起、凹陷与地面起伏呈镜像对称（刘尧兴等，2000）。

图5 菏泽—林州—长治综合剖面Fig.5 The comprehensive profile of Changzhi - Linzhou - Changzhi

将长治（CHZ）、林州（LZH）、河顺（HST）台和浚县台（XX）的莫霍面深度投影到人工地震勘测的地壳深度剖面上，发现其与人工地震勘测的莫霍面深度比较吻合（图5），表明该区域地壳梯度带主要递进方向为由东向西，同时证明该方法计算的莫霍面深度可以对人工地震测深结果进行约束。

（4）大陆地壳的岩石成分可以划分为酸性、中性、基性及富含流体的空隙/破裂或者部分熔融，对应泊松比分别为σ＜ 0.26、0.26≤σ＜0.28、0.28≤σ＜0.30及σ≥0.30。区域内泊松比值变化不大，数值范围为0.23—0.27，表明该地区主要由中酸性岩组成。区域东北部永年台（YON）及多数台站泊松比值为0.23—0.25，与较大范围的花岗岩分布有关，主要是石英、长石含量高。焦作台（JZ）、涉县台（SXT）、浚县台（XX）泊松比值为0.26—0.27，表明长英质和铁镁质成分含量相当。作为渤海湾盆地西界的太行山山前断裂带基本发育于上地壳拆离滑脱构造，类似于美国盆地——山脉省的构造特点：拆离断裂往往不具穿壳性，而是置根于中、下地壳（Allmendinger R W et al，1987），但在断裂下盘会产生一些高角度的开断裂，成为岩浆通道和岩墙侵入场所。

4 结束语

利用远震地震波接收函数对太行山前断裂带南段的地壳结构进行反演，所得地壳厚度和泊松比与该区域地质环境一致性较好。由于受到台站分布位置的局限，获取的地壳厚度和泊松比数据还不能详细反映该地区地壳结构，有待深入探讨。地壳厚度和泊松比参数对于分析地壳深处的地质演化过程、浅部的地质构造类型以及探究地壳物质成分具有重要作用；其自身梯度变化特征与地震构造带内地震活动的密切关联，为区域中强地震危险性分析提供了判定依据。该研究方法已获得很多学者认可，丰富且高质量的地壳厚度和泊松比研究成果将为地学研究、地震预报研究工作奠定坚实的基础。

本研究使用朱露培博士的反演程序，在此表示感谢。感谢朱元清教授、刘尧兴研究员、王俊斐老师等给予的指导和帮助，感谢审稿专家提出的宝贵意见。

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Study on the crustal thickness in the south of the piedmont fault zone of Taihang mountains by teleseismic receiver function

Chen Rui1），2），Yan Jungang3），Yan Kai2），Wan Na2）and Zhang Yuchuan2）
1） China University of Geosciences（Wuhan） ，Hubei Province 430074，China
2） Earthquake Administration of Henan Province，Zhengzhou 450016，China
3） Handan Seismic Station，Hebei Province 056006，China

In this paper，we calculate receiver functions of body wave under the stations in the south of the piedmont zone of the piedmont fault zone of Taihang mountains from 3-component digital waveform data of teleseismic earthquake events and obtain the thickness and vP/vSradio in the crust of this area with H-Kappa stacking.The results show that:（1） Crustal thickness in the west of this area is thicker than that in the east.in general； The Moho tilts westward with small angle；In the western Changzhi basin，the crustal thickness is 40.2km，the thinner crust in eastern plain area is 31.8km，changes in the earth's crust gap is about 9km.（2） In Taihang mountains and the plain transition zone，especially along the outer edge of the main peak of Taihang Mountains arc distribution，namely near the boundary between first-level planation surface and second-level planation surface，the crust thickness changes quickly.（3） The crustal thickness calculated by teleseismic receiver function is in agreement with the artificial seismic exploration result，the crust of Taihang mountains uplift area becomes thick，that of Tangyin rift valley becomes thin，and that of Neihuang uplift area becomes thick，which shows that the depth of Moho or upper mantle’s height is symmetrical with the height of the ground.（4） Poisson ratio in the district is about 0.23-0.27，which indicates that the underground material in the area is mainly composed of intermediate acidic rocks，especially the widely distributed granite with much quartz，feldspar.

receiver function，crustal structure，H-Kappa，stacking

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.001

陈睿（1979—），男，工程师，中国地质大学在读硕士，主要从事地震监测预报研究工作。E-mail:chr8860@126.com

河南省地震局2014年科研基金资助

本文收到日期：2015-04-20