鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域地壳厚度、泊松比分析
2016-08-27申金超张斌苏道磊刘晨
申金超 张斌 苏道磊 刘晨
摘要：利用远震接收函数方法得到鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域30个宽频带地震台站下方的地壳厚度、泊松比值。结果显示：该区域地壳厚度和泊松比呈现不均一、变化大的特征，其中泰山地区、沂沭断裂带郯城一莒县段及RZH台下方地壳厚度值小、泊松比值高。经分析认为，鲁西隆起地壳厚度薄、泊松比值高的区域与底部地幔物质上涌及热侵蚀作用相关；沂沭断裂带地壳厚度和泊松比具有明显分段的特征，体现在断裂带郯城-莒县段地壳厚度薄、泊松比高：莒县-安丘段与断裂两侧的地壳厚度、泊松比值相近，说明其壳幔相互作用主要体现在郯城一莒县段：胶南隆起地区仅RZH台站下方地壳厚度值低、泊松比值高，结合该区域重力异常梯度带特征，推测大型的北北东向断裂带可能是造成RZH台站下方低地壳厚度值和高泊松比值的原因。
关键词：远震接收函数；地壳厚度；泊松比；鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区
中图分类号：P315.7 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2016）02-0246-09
0 引言
鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域位于华北板块和扬子板块碰撞拼合地带，构造环境复杂，以沂沭断裂带为界，鲁西隆起和胶南隆起分别位于断裂带西侧和东侧，其中鲁西隆起为华北板块内部伸展作用的结果，沂沭断裂带为大型走滑剪切构造带，胶南隆起属于碰撞造山的产物，多种类型的构造作用导致该区域地壳变形强烈。目前鲁西隆起伸展构造的成因模式还存在多种观点：（1）受郯庐断裂剪切和后期南北向拉张作用，形成的以掀斜断块为特征的伸展构造（李万程，1998）；（2）受地幔作用影响而形成的伸展隆起构造（牛树银等，2004；燕守勋，1994）；（3）类变质核杂岩模式（王桂梁等，1992；张自恒，1995）等。无论哪种观点，均需要从整个地壳尺度来判断。沂沭断裂带为大型走滑断裂，其深度已切割至地幔，底部地幔活动必然会对断裂构造产生影响，地壳深部构造特征便成为分析沂沭断裂带壳幔相互作用不可或缺的要素，前人对沂沭断裂带的地壳结构研究成果较为丰富、研究方法多样（张碧秀，汤永安，1988；魏梦华等，1980；刘昌铨等，1983），但缺乏关于沿断裂带方向的地壳结构差异和地幔活动影响范围的表述；胶南隆起的深部构造特征，目前还未引起足够关注，相关研究也较少。
地壳厚度可以直接体现地壳形态特征，而泊松比是研究地球内部物质的重要参数，它与岩石二氧化硅含量成反比关系（Christensen，1996）。在不同的构造环境中，由于地壳自身的应力或壳幔相互作用等，可引起地壳产生变形、物质交换等，从而造成地壳厚度、泊松比的分布差异，所以地壳厚度和泊松比是分析深部构造及壳幔相互作用十分有效的工具。本文通过搜集鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域30个宽频带地震台站所记录的远震资料，利用远震接受函数方法获得了各地震台站下方的地壳厚度、泊松比值，进而分析宽频带地震台覆盖区的鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域的地壳结构特征，并探讨各构造单元可能存在的地质构造作用。
1 地质构造概况
鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域处于华北板块和苏鲁大别造山带在东侧交汇的部位，内部构造环境差别很大，沂沭断裂带作为鲁西隆起和胶南隆起边界，断裂带西侧的鲁西隆起位于华北板块内部，东侧的胶南隆起为苏鲁大别造山带的东延区域（图1）。鲁西隆起属于板内的伸展隆起构造（燕守勋，1994；时秀朋，李理，2007；张宝政，李双林，1990；王桂梁等，1992），东西夹于聊考断裂和沂沭断裂之间，包含前寒武基底、古生代海相沉积地层及中一新生代陆相火山沉积地层。沂沭断裂带为大型剪切断裂带，由四条NNE向主干断裂组成，自西向东分别为鄌部-葛沟断裂、沂水-汤头断裂、安丘-莒县断裂和昌邑-大店断裂，在地貌上构成两堑夹-垒的构造格局，中间为汞丹山隆起、东西两侧分别为安丘-莒县地堑和马站-苏村地堑。胶南隆起西以沂沭断裂带为界，北以五莲-威海断裂为界，出露的基底地层为中-新元古代云台群与新元古代朋石河组，胶南隆起具有典型造山带特征，为华北板块和扬子板块碰撞拼合的结果，构造以断裂为主，呈NNE向分布，隆起区有两期韧性剪切带，早期韧性剪切带呈网格状分布，后期韧性剪切带呈北东东向分布，剪切带内分布有榴辉岩等超高压、高压岩类。
2 计算方法与结果
2.1 远震接收函数方法原理
远震的体波波形包含震源、传播路径、接收区介质性质等信息，远震接收函数方法可有效地分析莫霍面结构，并且能有效去除远震震源、传播路径及仪器的影响。该方法主要采用时间域迭代反褶积算法实现接收函数的反褶积计算（Owenset al，1984；Langston，1977；查小惠，雷建设，2013），可得到P波在莫霍面产生的转换波和多次波信息。由于P波和S波在地壳中传播性质不同，在假定地壳平均P波速度的情况下，可通过在厚度域和波速比域搜索转换波及多次波震相的叠加振幅最大值，并同时可约束地壳厚度和波速比值（黄海波等，2012）。另外波速比对P波速度变化的敏感性较差，P波在地壳传播的速度从6.0km/s变到6.75km/s，其波速比变化仅有0.05（葛粲等，2011）。若莫霍面深度为H，tPs、tPsPs、tPsPs+PpPs分别表示转换波Ps、多次波PpPs及PsPs+PpSs震相与初至P波的到时差，则：
可构建叠加函数为
（4）式中，VP和VS分别为地壳的P波、S波的平均速度，p为射线参数，γ（t）是径向接受函数，ωi是权重系数，其中ω1+ω2+ω3=1。扫描H，k域，当H，k对应真实地壳厚度和波速比时，S（H，k）达到最大值，可避免对转换波、多次波等震相的人工逐个识别。根据波速比值可以换算出泊松比，其关系式为
（5）式中，σ为泊松比。
2.2 选取数据及计算结果
笔者挑选出位于鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域30个固定宽频带地震台站记录的2010～2013年MS>6.0、震中距在30°～90°之间、具有清晰的初至P波和高信噪比的远震波形，最终各台站接收函数波形数为30～70，地震台站及地震震中分布见图2，计算过程将VP设置为6.2km/s，转换波Ps、多次波PpPs和PsPs+PpSs的权重分别设置为0.6、0.3和0.1。利用远震接收函数方法，我们得到各地震台站下方的地壳厚度和泊松比值，具体见表1。图3～4给出了QXT、TIA、ZCH、JUX、TCH、XIT、RZH、WUL地震台站的接收函数波形和H-k叠加结果，从图中可以看出，接收函数波形清晰，转换波和多次波可较好地识别，获取了各台站准确的地壳厚度和波速比值。
从图5a中可以看出，鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区区域宽频带地震台覆盖地区地壳厚度呈现明显的不均匀分布。鲁西隆起地区北部的泰山及周边地区下方地壳厚度值最小，其中TIA台下方地壳厚度值为29.9km，其它地区地壳厚度值均大于32km，鲁西隆起南部地壳厚度值相对较大；沂沭断裂带的计算范围局限在宽频带地震台覆盖区域，其计算结果显示莒县一郯城段地壳厚度均小于31km，而断裂带莒县一安丘段地壳厚度值明显偏高，同断裂带两侧地壳厚度值相近：对于胶南隆起地块，除RZH台下方地壳厚度较小，其余各地震台站下方地壳厚度一般均大于33km。鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域宽频带地震台覆盖地区的泊松比值同样分布不均匀，并且泊松比同地壳厚度存在明显的负相关性，在泰山及周边地区、沂沭断裂带南段及RZH台下方地壳的泊松比值明显较高，可达到0.29，而地壳厚度较大的地区，其泊松比值反而较小（图5b）。
3 地壳厚度、泊松比分析与讨论
不同构造环境的区域，其地壳厚度和总体岩性组成必然存在差异，构造活动导致地壳介质的物理化学变化可在地壳厚度和泊松比上得以体现，地壳厚度可直接反映出地壳结构特征，而泊松比是分析地球内部物性的重要参数，不同岩性的地壳会反映出不同的泊松比值，地壳泊松比值大于0.30时，存在部分熔融区或破碎带，地壳泊松比值在0.28～0.30之间为基性铁镁质地壳，小于0.26为长英质地壳，0.26～0.28之间属于介于铁镁质和长英质之间的过渡性质的地壳（嵇少丞等，2009）。
3.1 鲁西隆起地区
鲁西隆起作为华北板块重要的伸展隆起构造，其地壳结构总体表现为南厚北薄，泰山及周边地区地壳厚度最薄，而该地区地势最高，因此泰山及周边地区下方莫霍面应呈向上的凸起状（图6），指示了该地区存在地幔物质上涌。一般花岗岩陆壳内铁镁质成分的增加不会使泊松比值超过0.29，但部分熔融程度为5%的花岗岩的泊松比超过0.30（葛粲等，2011），因此具有高泊松比值的泰山地区下方应存在明显的部分熔融。根据Owens和Zandt（1997）的研究，地幔热侵蚀作用可以引起地壳部分熔融，并使泊松比值超过0.30。结合泰山地区呈现的明显地壳厚度小且呈上隆状的地壳结构特征，我们可以推断该区域存在地幔物质上涌及热侵蚀作用，并造成泰山地区地壳向上隆起、减薄和高泊松比值。鲁西隆起南部地区地壳厚度相对较大，地壳泊松比值基本上均小于0.26，其中，ZCH台下方地壳厚度为35.3km、泊松比为0.22，从泊松比值上判定误区为典型的大陆长英质地壳，同泰山地区存在明显差异，该区域构造环境相对稳定，地壳未发生明显部分熔融，受到的壳幔相互作用相对较弱，说明地幔物质上涌及热侵蚀作用应主要集中在泰山地区。
王涛等（2007）认为华北克拉通内部的以穹窿为代表的伸展构造为华北岩石圈减薄过程中的地壳响应，鲁西隆起区位于华北克拉通东部，属于典型的板内隆起构造，鲁西隆起的形成始于中晚侏罗纪（燕守勋，1994；时秀朋，李理，2007；王桂梁等，1992），而这与华北岩石圈减薄事件（吴福元，孙德有，1999；邓晋福等，1994）在时间上相对应，因此现今鲁西隆起泰山地区的地壳结构及物性特征应是中生代华北岩石圈减薄过程中壳幔相互作用的结果。
3.2 沂沭断裂带
本文计算了宽频带地震台所覆盖的沂沭断裂带范围，即安丘-郯城一带，从计算结果上来看，沂沭断裂带内部存在明显地壳减薄区域和高泊松比值区域，均集中在郯城一莒县段，莒县一安丘段地壳厚度和泊松比值同周边地壳相近，地壳厚度和泊松比值分布特征体现出沂沭断裂带具有明显的分段性。根据苏道磊（2015）对沂沭断裂带速度结构的研究表明，郯城-莒县段地壳中存在明显的低速体，而莒县-安丘段低速体消失（图7），断裂带速度结构也同样显示出分段特征，与本文结论一致。从牛漫兰等（2000）和曹洋（2009）的火山岩地球化学研究结果可以发现，郯庐断裂带山东段存在明显的地幔物质上涌底侵、幔源岩浆活动等一系列壳幔相互作用，并且郯庐断裂带为整个岩石圈内的强减薄带，这应是造成沂沭断裂带郯城-莒县段地壳厚度减薄、泊松比增大的主要原因，莒县-安丘段可能就没有如此强烈的壳幔相互作用。
3.3 胶南隆起区
胶南隆起区只有RZH台下方地壳表现出低地壳厚度值和高泊松比值的特征，显示出RZH台站下方地壳具有特殊的物性特征，从重力异常图（图8）上可以看出，RZH台站及周边地壳同整个沂沭断裂带一样，存在明显的重力异常梯度带，它主要反映构造断裂的升降或大规模的不同密度岩石的接触带，而同样具有低地壳厚度值和高泊松比值的泰山地区不存在明显的重力异常梯度带，说明RZH台站下方的地壳结构特征同沂沭断裂带相近，且不同于泰山地区，因此我们推测大型的北北东向断裂带可能是造成RZH台站下方低地壳厚度值和高泊松比值的原因。此外，WUL和LAS台相比周围地壳厚度较大，整体来看，胶南隆起区地壳结构差异较大，说明该区域构造作用同样强烈，应为深大断裂主导的结果，胶南隆起区其它台站下方地壳泊松比值在0.24～0.27之间，为铁镁质和长英质过渡性质的地壳。
4 结论
通过对鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域30个宽频带地震台站所记录的远震资料，利用H-k叠加扫描获得了该地区各地震台站下方的地壳厚度、泊松比值，得出以下结论：
（1）整个鲁西隆起、沂沭断裂带及胶南隆起区域地壳厚度值大致为29.9～35.7km，地壳泊松比值在0.22～0.31之间，地壳厚度和泊松比值分布不均一，其中泰山地区、沂沭断裂带郯城-莒县段及RZH台下方地壳厚度值小、泊松比值大，地壳厚度和泊松比值呈现明显的负相关关系。
（2）鲁西隆起在泰山及其周边地区显示出地壳厚度薄、泊松比值高的特征，这与华北岩石圈减薄背景下泰山地区底部地幔物质上涌及热侵蚀作用密切相关。
（3）沂沭断裂带地壳厚度和泊松比具有明显分段的特征，主要体现在沂沭断裂带郯城-莒县段地壳厚度薄、泊松比大，莒县-安丘段与断裂两侧的地壳厚度、泊松比值相近，说明沂沭断裂带作为岩石圈的强减薄带，其壳幔相互作用主要体现在郯城-莒县段。
（4）胶南隆起地区仅在RZH台站下方地壳厚度值低、泊松比值高，结合该地区存在重力异常梯度带，推测大型的北北东向断裂带可能是造成RZH台站下方低地壳厚度值和高泊松比值的原因。
