基于远震P波接收函数计算巴里坤台站下方的地壳厚度和泊松比

高朝军，张志鹏，候赛因，夏爱国

（1.新疆地震局巴里坤地震台，新疆 哈密 839000；2.新疆地震局预报中心，乌鲁木齐 830011）

基于远震P波接收函数计算巴里坤台站下方的地壳厚度和泊松比

高朝军1，张志鹏1，候赛因1，夏爱国2

（1.新疆地震局巴里坤地震台，新疆 哈密 839000；2.新疆地震局预报中心，乌鲁木齐 830011）

高朝军，张志鹏，候赛因，等.基于远震P波接收函数计算巴里坤台站下方的地壳厚度和泊松比[J].华南地震，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 .]

从巴里坤地震台站记录到的连续地震波形数据（2010-01～2013-12）中截取震中距30°～95°，震级MS≥5.0共计282次远震波形数据。用时间域迭代反褶积方法提取远震P波接收函数，采用H-κ叠加搜索方法反演台站下方的地壳厚度和泊松比，结果表明：巴里坤台站下方的地壳厚度为42.6 km，泊松比值为0.31，这与前人的研究成果基本一致。

地壳厚度；泊松比；巴里坤；远震P波；接收函数

0 引言

巴里坤地震台是新疆地震台网的基础台站之一，地理位置（43.82°N，93.07°E），海拔高度1 720 m，巴里坤地区位于准噶尔盆地东部，处于西伯利亚板块和准噶尔-哈萨克斯坦板块的结合部位，是中亚显生型造山带的重要组成部分，巴里坤地区不存在古老地壳物质而以新元古至早古生代新生陆壳为主，地壳结构十分复杂[1]。巴里坤地区新构造运动强烈，主要表现为垂直差异运动，巴里坤断陷盆地在第四纪期断陷100～500 m，同时由于巴里坤山断块强烈隆起，使巴里坤自北向南断陷幅度急剧增大，随着东天山块断隆起而抬升，该断陷至少抬升1 200 m。近年来该区域地质活动趋于活跃，自1600年以来，曾发生3次7级以上强震，同时该区域大型断裂数条，是研究大陆地壳演化和强震发生机理的理想场所之一，因此有必要对该区域的深部构造背景（地壳厚度、泊松比等）做出定量分析。

从远震体波波形数据中提取P波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的有效方法之一，该方法已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等[2-12]，这些参数在描述结构特征、介质性质和物质成分等方面发挥了重要作用。

巴里坤地震台始建于1973年，为国家测震Ⅱ类台站，列入全国基本台网。2006年经数字化改造，台基为石炭纪花岗岩。刘文学等[5]利用远震P波接收函数计算的巴里坤台的地壳厚度为63.9 km，作者认为其计算结果是偏深的。本文基于巴里坤地震台2010—2013年的连续波形数据，挑选出震中距30°～95°、震级MS≥5.0的远震波形数据，用时间域迭代反褶积方法提取远震P波接收函数，采用接收函数H-κ反演台站下方的地壳厚度和泊松比，为该地区的进一步深入研究提供必要参考。

1 计算原理

远震P波在进入地壳时，有一部分会转换为S波继续进行传播，并且发生反射形成多次波，而在Moho面反射过程中，也会有一部分发生转换。接收函数则会将这些地震波在速度界面的转换波信号增强，其中信号较强的震相为Ps、PpPs、PpSs和PsPs，它们与直达P波的到时差存在如下关系：

上式中，H为地壳厚度，Vs为S波速度，Vp为P波速度，P为水平慢度。

从式（1）、（2）、（3）可以看出，每一组（地壳厚度H、Vp、Vs）都可以决定一个到时差，因此每一对地壳厚度H和波速比κ可以决定一个到时差，本文利用Zhu等[3]提出的扫描方法来进行搜索，定义函数

式（4）中，r为振幅，wi为震相Ps、PpPs、PpSs+ PsPs的权重系数，且w1+w2+w3=1，参考以往经验，本文分别取0.5、0.3、0.2，当地壳厚度和波速比变化使得S（H，κ）达到最大值时，各震相的对应关系与实际最吻合，而此时所对应的地壳厚度H和波速比κ最符合实际情况，即为所求的地壳厚度H和波速比κ。

根据泊松比σ和波速比κ的关系，进而求出台站下方的泊松比σ。

2 数据资料

巴里坤及周边地区地震活动频次少但强度大，自1600年以来，共发生11次5级以上地震（含3 次7级地震），该区分布较多（图1），其中大哈甫提克山南断裂，断层走向NNW，断层长度112 km；梧桐泉断裂，断层性质为逆冲，断层走向近EW，断层倾向N，该断裂在1974年发生7.1级地震；纸房断裂，断层性质为右旋走滑逆冲，断层走向NNW，断层倾向NE，断层倾角为60°～75°，有6 km长的古地震形变带，断层长度为56 km；三塘胡盆地中央断裂，断层走向NWW，断层长度为170 km；洛包泉-碱泉子断裂带，断层性质为逆、正断层，断层走向近EW，断层倾向N，断层倾角为50°～76°，1842年和1914年发生过2次7级地震，断层长度330 km。

选取巴里坤地震台站2010年1月至2013年12月记录的震中距30°～95°，初至P波清晰、震级MS≥5.0共计282次远震波形数据，空间上主要分布在环太平洋地震带、欧亚地震带（图2），其中震中距小于40°的较多（主要分布在日本、中国台湾、菲律宾），所占比例接近40％，而震中距在60°～80°之间的地震数量相对较少（不足16％），具体分布情况见表1。

图1 巴里坤地震台及其周围断裂带空间分布Fig.1 The distribution map of faults around Balikun seismographic station

图2 巴里坤地台站及其记录的远震分布Fig.2 The distribution map of teleseismic recorded by Balikun seismographic station

3 计算结果与分析

针对收集到的远震体波数据，首先进行重新采样（0.1 Hz）、去均值、去线性趋势和去仪器响应后，截取P波到达前5 s至之后60 s的波形数据，然后将两个水平分量旋转到径向R和切向T分量，最后使用Zhu等[3]改进后的H-κ叠加搜索方法进行接收函数的提取。

表1 不同震中距的远震数量及其所占百分比Table 1 The number of teleseismic and the percent for different epicenter distance

3.1 高斯滤波系数的影响

为消除高频噪声，在实际计算中使用了不同的高斯滤波器系数（分别取1.5、2.5、3.5）做低通滤波，然后从时域迭代拟合率大于95％的接收函数中筛选出相关性好，多次反射波清晰的接收函数用于研究台站下方的地壳厚度及波速比，初始P波取为6.3 km/s，得到不同滤波系数下相应的地壳厚度及波速比（图3、4）。

图3 高斯滤波器的H-κ反演结果Fig.3 The H-κ inversion results of the Gauss filter

计算结果见表2，通过比较其误差可知，滤波系数为2.5时的计算结果较为精确（误差最小）。

3.2 P波速度的影响

取高斯滤波器系数为2.5，分别取初始P波速度为6.2、6.4、6.6时得到的H-κ反演结果（图5），图6为P波速度为6.6时用于叠加的接收函数剖面，横坐标为波形走时与初至P波间的到时差，纵坐标为震中距，其中的零时刻对应为接收函数的P波初至到时，Ps、PpPs和PsPs为其理论到时，比较符合实际震相特征，另外该初至震相尖锐，说明台站下方的沉积层较薄。

图4 高斯滤波系数为2.5时用于叠加的接收函数剖面及不同震中距下转换波震相Ps、PpPs、PsPs到时。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 不同高斯滤波系数下H-κ方法计算结果Table 2 The calculation results by using H-κ method with different Gauss filter coefficient

3.3 综合结果

根据对比分析，巴里坤台下方的地壳厚度H 为42.6 km，波速比κ为1.92，由式（5）进而求出泊松比σ为0.31。为验证所得结果的准确性，利用式（1）、（2）、（3），取接近壳幔交界处P波速度为6.6 km/s[13]，依据地壳厚度和波速比分别求得Ps、PpPs、PsPs与P波到时差，并把它们标注在图6中，结合实际的震相来看，这些理论到时与观测的相关转换波震相到时有较好的一致性，即意味着该台站下方的地壳厚度和泊松比是可靠的。

图5 初始P波速度的H-κ反演结果Fig.5 The H-κ inversion results of the initial P wave

4 结语

（1）巴里坤台下方地壳厚度为42.6 km，稍高于北天山地区地壳厚度的平均值。据新疆维吾尔自治区地震局于1997年7月编制的“新疆维吾尔自治区地震构造图”可知，新疆巴里坤台周围地壳厚度为46 km；徐新忠等[13]认为哈密盆地北缘断裂的地壳厚度为44 km，因此，巴里坤及其附近的地壳厚度应在45 km左右。本文的研究结果显示巴里坤地壳厚度约为43 km，与前人研究结果比较接近。

（2）区域介质的泊松比为0.32，而泊松比反应了地壳内的岩性和化学成分，大陆地壳的岩石成分可以划分为酸性、中性、基性和富含流体空隙的部分熔融[14 -15]，其对应的泊松比分别为（0，0.26）、[0.26，0.28)、[0.28，0.30)、[0.30，∞)。表明该研究区域处于高泊松比地区，推断其中下地壳可能存在部分熔融，这需要进一步深入研究和分析。

（3）由于巴里坤台的前人研究结果相对较少，本文结果对比分析不够充分，今后需要借助其他方法，可以更深入细致地了解本区域的地壳结构和地质概况。

图6 P波速度为6.6时用于叠加的接收函数剖面及不同震中距下转换波震相Ps、PpPs、PsPs到时。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

致谢：审稿专家提出了宝贵意见和建议，文中使用了郑勇提供的接收函数计算程序，并得到了新疆地震局唐明帅等人的大力帮助，文中图件使用GMT绘制，在此一并表示感谢！

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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

新疆地震科学基金资助课题（201301）；中国地震局“三结合”课题（163103）联合资助.

高朝军（1981-），男，工程师，主要从事数字地震和地震预测预报工作.

E-mail：xjgaochaojun@163.com.

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