利用远震接收函数计算湟源地震台下方地壳厚度和泊松比

罗自浩，晁增辉，白永祯，马丽，罗宾生，何岗，白占孝

(青海省地震局湟源地震台，青海 西宁 812199)

0 引 言

青藏高原作为地球上现今构造活动最强烈的地区之一，是在欧亚板块和印度板块会聚作用下的新生代时期形成的。研究结果表明[1]青藏高原地壳巨厚，且内部分布有若干个较为明显的速度界面。而青藏高原东北缘有松潘—甘孜、柴达木、祁连山和鄂尔多斯等地块，处于块体构造结合部位，构造复杂，地震活动频繁。而已有的研究多数采用的台站分布较为稀疏，因此对该区域内部台站下方地壳厚度、波速比及泊松比进行研究，可以为青藏高原东北缘下方地壳深部结构研究提供资料积累。

作为近年来一种计算地壳厚度的重要方法，远震P波接收函数利用地震波直达P波和莫霍面转换S波震相的到时及震幅差来反演计算地壳厚度和速度结构，与其他方法相比远震接收函数方法更为准确地获得地壳厚度和波速比的信息，因此被广泛地应用于获取地壳厚度、物质成分组成和间断面等参数的研究。本文基于湟源地震台CTS-1E地震计于2012～2017年记录到的远震事件波形资料，通过能量扫描和波形叠加的方法提取远震P波接收函数，采用接收函数H-k反演台站下方的地壳厚度、波速比等数据结果，为台站所在区域地壳结构的进一步研究提供必要参考。

1 计算原理

1964年，美国科学家Phinney首次提出用地震波位移的水平分量与垂直分量的谱振幅比值来研究观测地震台站下方的地球内部速度结构。1979年Langston利用等效震源的概念，将Phinney的谱振幅比值改为频谱比值，并将其反变换至时间域，计算出地震台站下方介质对等效震源在水平分量上的响应，即接收函数[2]。Zhu Lupei和Kanamori 2000年提出通过远震体波波形中含有的莫霍界面的转换震相Ps以及两个后至震相PpPs和PpSs+PsPs共同约束，在假定地壳平均P波速度情况下来求得地壳厚度H和波速比k，通常这个方法称之为接收函数的H-k叠加方法[3-4]。

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， 而在莫霍面反射过程中，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+PsPs，它们与直达P波的到时差存在如下关系：

(1)

(2)

(3)

上式中，H为地壳厚度，Vs为S波速度，VP为P波速度，P为射线参数(又称慢度)。从式(1)、(2)、(3)可以看出，不同的H、Vs、VP都可以决定预测的震相到时t，由此将预测震相到时的接收函数振幅取出进行叠加，就得到叠加函数S(H,k)。

S(H,k)=ω1r(tPs)+ω2r(tPpPs)-ω3r(tPsPs+PsSs)

(4)

式中r为振幅，ωi为震相Ps、PpPs、PsPs+PpSs的权重系数，且∑ωi=1。当得出地壳厚度H和波速比k的数值后，根据泊松比σ与波速比k的关系可计算出台站下方的泊松比σ。

(5)

2 数据资料

湟源地震台位于青海省湟源县波航乡，地处青藏高原东缘，日月山和拉脊山交汇复合处的北缘。台基属加里东期侵入岩，片麻状黑云母花岗岩，岩体完整性好。随着观测仪器数字化升级改造，目前使用CTS-1E甚宽频带数字地震仪和EDAS24GN数字采集器，日常分析软件为广东省地震局的MSDP地震单台数据处理软件。湟源地震台CTS-1E甚宽频带地震计自架设以来，观测环境无明显干扰，可提供高质量的地震波形资料供研究使用。由于接收函数的H-k叠加方法在对于所选取的地震波形数据有震中距震中距、震级、反方位角以及信噪比等方面的要求，故本文通过对湟源地震台CTS-1E地震计于2012年1月至2017年4月之间的观测数据进行筛选，初步选取条件为范围在30°～90°之间,且反方位角在0°～360°之间分布的高信噪比地震记录数据，选取记录到的符合条件的备选远震事件波形记录653个。为提高计算结果的精度，以波形记录中原始P波垂直分量记录清晰、信噪比高且震级Ms≥6.0为条件继续进行筛选，并通过人工识别与理论到时计算相结合的方式对备选远震事件波形进行标注，最终筛选出240个远震波形事件(图1)。

图1 远震事件震中分布

由图1可以看出，本文所选取的远震事件与湟源地震台之间的震中距主要集中在31°～89°，反方位角主要集中在30°～200°及250°～310°，空间上主要分布在环太平洋地震带和欧亚地震带，具体分布情况见表1及表2。

表1 不同震中距的远震数量及其所占百分比

表2 不同反方位角的远震数量及其所占百分比

3 计算结果与分析

数据处理过程如下：首先，将所筛选的地震波形由SEED格式转换为SAC格式，对P波初至震相进行人工标注，并根据中国地震台网地震目录将所选地震SAC文件中震中经纬度、震源深度等信息补充完整；其次，截取P波之前5 s至之后50 s的波形数据，通过坐标旋转将北南方向旋转到径向和切向方向。本文将公式(4)中的震相权重系数ωi(i=1,2,3)分别取0.5、0.3、0.2，并运用时间域迭代反卷积方法通过H-k接收函数进行计算；最后，在计算中地壳厚度搜索范围为35至80 km，搜索步进为0.1 km，波速比搜索范围为1.4至2.0，搜索步进为0.01。另外在兼顾信噪比和分辨率的前提下，分别将高斯滤波因子α取为1.5、2.5和5.0进行反褶积处理，从而得到不同尺度下接收函数的计算结果并进行对比分析。

图2为不同高斯滤波因子的H-k叠加按照远震震中距归并的结果，其中在5～7 s间均能清晰地显示莫霍面的透射转换震相Ps，而且地表反射转换震相PpPs在22～25 s间也较为清晰。另外在震相P与Ps之间存在一较为强烈的正向信号，正向信号两侧又存在负向信号，正向信号的出现代表在地壳与地表存在地壳分层结构，负向信号则可能是由于地下含有低速层造成的，而信号的强弱则反映了介质之间物性的差异[5-7]，这说明湟源地震台下方莫霍面连续且在地表与地层之间存在较明显的低速层。

图3为采用不同高斯滤波因子的H-k叠加所得的地壳厚度和波速比，将三次高斯滤波因子所得结果平均后，可以得出湟源地震台下方地壳厚度为60.4±0.8 km，波速比为1.65±0.04。与其他研究结果对比显示[8-11]，湟源地震台下方地壳厚度较青藏高原东北缘地壳平均厚度较厚，但波速比1.65的低值为正常值。研究表明，泊松比反映了地壳内部的岩性及化学成分，低泊松比(σ<0.26)代表长英质，中间值(0.26≤σ≤0.28)代表过渡型，高泊松比(σ>0.28)代表铁镁质的物质构造[12]。根据公式(5)计算可得泊松比为0.21±0.02，因此通过泊松比可以对湟源地震台下方地壳中的成分组成进行初步判断。本文中计算出的泊松比意味着台站下方地壳中长英质组分含量较高，而铁镁质组分较少，这一现象与造山过程中的青藏高原地壳增厚模式规律相符合[13]。由于印度板块向欧亚板块俯冲，其强大的持续作用力在北侧阿拉善和东侧鄂尔多斯这两个坚硬地块的阻挡下，在祁连块体形成了一系列逆冲断层，而地壳在此深度下的物质应是由长英质到中性物质，从花岗岩到花岗闪长岩的矿物组成[12]。

图2 不同高斯滤波因子下的接收函数

图3 高斯滤波器系数取为1.5(a)、2.5(b)、5.0(c)时的H-k反演结果

4 结 论

通过远震接收函数反演，结果显示湟源地震台下方地壳厚度为60.4±0.8 km，波速比为1.65±0.04，泊松比为0.21±0.02，表明该区域泊松比比较低，存在地壳分层的可能性，在前人对祁连块体的研究结果中也有印证。泊松比、地壳厚度及地壳结构研究为台站所在区域地壳结构的深入研究提供了数据资料积累，并且能够为台站震相精细分析提供有效的支持。本文的研究结果对本区域及周边区域的地壳深部结构进行更深入的研究打下了坚实的基础。