基于接收函数的华南及邻区地壳结构研究

查小惠 吕 坚 江春亮 汤兰荣 董非非 鲍志诚 童 琼

1 江西省地震局，南昌市昌东大道6929号，330096 2 湖南省地震局，长沙市中意一路326号，410004

华南块体(图1)位居太平洋西缘，北隔秦岭-大别造山带与华北块体相望，西以龙门山-横断山断裂与特缇斯构造域青藏高原相连，南西侧以昌宁-马江断裂与东南亚块体接触，南东侧为西太平洋构造区[1]。这些复杂的构造特征，可能与印度板块和太平洋板块深俯冲形成的“大地幔楔”结构与动力学相关[2]。华南地块具有漫长而复杂的演化过程，经历了多次构造-岩浆-热事件，造成了现今地壳物质成分的复杂性和区域构造的多样性。目前，关于华南地区的构造演化仍然存在很多问题，如扬子块体和华夏块体缝合带的西线位置、早古生代陆内造山的驱动力源等，而关于华南大陆的地壳上地幔速度结构、岩石圈形成演化过程和大陆再造的动力学机制也一直是地球科学研究的热点问题[3-5]。这些问题的解决需要地质学、地球化学和地球物理学等多学科的交叉融合推进，而目前接收函数方法是地球物理学中用来研究地壳上地幔结构的有力工具。

蓝色粗线表示华南地块边界[5]，红色线条为扬子地块与华夏地块边界[6]，黑色线条为各次级块体边界(华南地块内部据文献[6]，其余地块内部据文献[5])图1 研究区域构造Fig.1 Main tectonic units

接收函数是通过去除远震体波中的震源影响、传播路径影响和仪器影响后，得到反映台站下方地壳上地幔结构的时间序列[6]。接收函数对速度间断面比较敏感，可以通过分析接收函数的波列形态了解地壳的结构特征。利用接收函数H-κ方法还可以进一步获取地震台站下方的地壳厚度和波速比[7]。近年来，对华南块体各个省份的地壳厚度和泊松比的研究较多[8-9]，但对整个华南地区的系统研究较少。本文利用华南及邻区609个台站的接收函数和H-κ搜索结果，分析华南地块及邻区的地壳结构特征，并探讨其可能包含的地质构造和地球动力学意义。

1 资料和数据处理

本次研究应用了2007-08～2012-10华南块体及邻区数字地震台网共609个地震台站记录的远震波形资料，台站的波形资料由中国地震局地球物理研究所数据备份中心提供。使用约900个5.7级以上的远震事件，每个台站由于原始数据记录的差异导致截取到的地震数目并不严格一致。使用SAC软件从波形资料中截取初至前20 s～后80 s的波形资料进行后续接收函数处理。

对远震接收函数采用0.1～2 Hz的带通滤波，高斯参数设为2.5，纵波搜索速度设为6.3 km/s，H-κ叠加搜索中Ps、PpPs和PpSs+PsPs震相的权重分别设为0.7、0.2和0.1。本次处理在接收函数求取挑选结束后，对每个地震台站的每条接收函数的震中距控制在30°～95°之间。接收函数数量最多的台站达到467条，只有约100个台站的接收函数数量在60条以下，其余基本上都在200条以上，接收函数的数量保证了结果的可靠性。对于多极值情况和结果异常变化的台站，本文在单独分析接收函数形态的基础上识别不合理的搜索结果，并进一步进行手动处理，保证处理结果的可靠性。

接收函数形态可以反映台站下方的地壳结构，对速度间断面比较敏感，具有很好的垂向分辨能力，而在部分没有布设台站的地区则存在观测空区，此时一般可以通过邻近台站的插值获取近似结果。最终本文获取了华南及邻区的地壳厚度平面图，同时在纬度和经度方向分别绘制3条地壳厚度剖面，对华南及邻区的地壳厚度进行分析。

2 结果和讨论

2.1 接收函数形态与地壳结构分析

本文研究区域地壳结构差异性较大，这一点可以从区域台站下方的接收函数形态得到验证，相关典型台站和测线剖面位置见图2。华南沿海地区地壳结构稳定，地壳厚度变化不大，以广东龙川台(GDLCH)(图3)为例，接收函数能量主要集中在来自莫霍面的转换波震相和转换波的多次反射震相，其他时间接收函数的振幅相对较小、能量较弱，表明这一区域的地壳结构可以用单层均匀地壳结构模型很好地近似，体现了该区地壳结构的稳定性。该类型台站的接收函数使用H-κ方法可以得到稳定可靠的地壳厚度和波速比结果。

图2 本文展示的相关典型台站和测线剖面位置Fig.2 The position maps of typical stations and surveying lines shown in this paper

湖北竹溪台(HBZUX)(图3)位于秦岭造山带区域，地壳结构相对复杂，接收函数形态不仅存在莫霍面一次和多次震相，还有明显的壳内间断面震相。基于何凯等[9]的研究结果认为，该台莫霍面的一次震相到时约为7 s，壳内间断面的震相到时约为2.5 s，表明该区随着地壳厚度的明显增加，整个地壳显示出上下分层的二层结构。但壳内间断面和莫霍面震相均较清晰，接收函数的能量主要集中在这两个强间断面的一次和多次反射波列上，其他时间波列能量较弱，表明地壳虽然分层但仍较为均匀，上下地壳内没有其他的次级强反射界面。该类型台站使用H-κ方法时，要避免搜索到壳内间断面这一极值，需限定该区地壳厚度在30 km以上。

图3 广东龙川台、湖北竹溪台、陕西勉县台的接收函数波形Fig.3 Receiver functions of GDLCH，HBZUX and SNMIAX stations

陕西境内的勉县台(SNMIAX)(图3)是复杂地壳结构的代表。该地震台站的接收函数形态复杂，能量较强，可以认为该区地壳结构复杂，不均匀性强烈，间断面多而且不尖锐，导致地震波能量在地壳内多次反射、混合，一次震相和多次震相能量叠加，难以区分。这种情况表明，该台下方不适合使用简单的单层均匀地壳结构模型进行近似，甚至也不是简单的上下二层地壳结构可以解释的。地壳结构复杂表明，该区的地质构造活动活跃，地质作用强烈，多期次的构造活动使得该区原始的单层均匀地壳结构基本消失，呈现出现在的复杂地壳结构。这种情况下使用简单的H-κ方法难以得到可信的地壳厚度和波速比结果，需要使用其他方法进行研究[10-11]。

基于以上分析，可以将华南及邻区的台站下方的接收函数定性地分为3种类型：Ⅰ类(标准型)、Ⅱ类(过渡型)、Ⅲ类(复杂型)，当然实际情况比3种类型更加复杂。了解各个台站的接收函数类型，有助于对台站下方的地壳结构进行认识，可进一步为地质作用过程的解释提供约束。基于以上认识，本文进一步分析华南及邻区609个地震台站接收函数的形态和地壳结构特征。

东南沿海华夏块体地壳结构较为稳定，包括广东、福建、浙江、上海、江西、安徽、广西等省的大部分地震台站接收函数基本都属于Ⅰ类，接近单层均匀地壳结构模型。在这些地区中也有部分台站的接收函数相对复杂，接近Ⅱ类，如浙江温州台(ZJWEZ)、福建福州城门台(FJFZCM)、广东丰顺台(GDFES)(图4)和江西的宜春台(JXYIC)、井冈山台(JXJGS)、九江台(JXJIJ)(图5)。这些台站的接收函数特征表现为来自莫霍面的转换波震相和转换波的多次反射震相均清晰可见，莫霍面一次震相以后的波形时间序列简单清晰，但是在莫霍面一次震相前的时间序列上存在一些能量较弱的次级震相。这些相对复杂的接收函数形态是在Ⅰ类台站区域背景上存在的，本文认为，这些台站的地壳结构变化应该是来源于局部的地质构造作用，反映的是台站区域的局部构造特征。如袁丽文等[12]使用接收函数反演福建地区台站下方的速度结构时发现，福州城门台(FJFZCM)浅层S波速度偏低，不同于其他台站，认为和福州的沉积盆地地貌有关。

图4 浙江温州台、福建福州城门台、广东丰顺台的接收函数波形Fig.4 Receiver functions of ZJWEZ，FJFZCM and GDFES stations

图5 江西井冈山台、九江台、宜春台的接收函数波形Fig.5 Receiver functions of JXJGS，JXJIJ and JXYIC stations

从东南沿海逐步到西北内陆，中国大陆地壳结构开始变化，但是地壳变化的边界目前仍不清楚，地壳的主要变形区域的变形范围也有待研究。下面基于接收函数的形态分析地壳结构的变化，基于台站的空间分布判断地壳结构变化的分布范围。

在华南块体北部，湖北地区是地壳结构变形的过渡区域，湖北东中部地壳结构都近似于Ⅰ类单层结构，但是在湖北西北的台站，如位于秦岭-大别造山带内的竹溪台(HBZUX)、竹山台(HBZSH)、十堰台(HBSYA)及郧西台(HBYXI)(图6)，接收函数主要表现为Ⅱ类特征。这些台站接收函数暗示该区存在地壳结构变化，应该是地壳变形的转换地带，也是地质作用的过渡地带。该区往南有重庆巫溪台(CQWUX)、重庆万州台(CQWAZ)和湖北利川台(HBLCH)(图7)，3个台站地理位置较为接近，但是地壳结构差异较大。巫溪台莫霍面一次震相明显，地壳结构简单均匀，接收函数形态为Ⅰ类；而重庆万州台和湖北利川台接收函数的形态比巫溪台复杂，接近Ⅱ类，表明该区地质作用较强，存在差异性的地壳变形特征。

图6 湖北竹山台、十堰台、郧西台的接收函数波形Fig.6 Receiver functions of HBZSH，HBSYA and HBYXI stations

图7 重庆万州台、湖北利川台及重庆巫溪台的接收函数波形Fig.7 Receiver functions of CQWAZ，HBLCH and CQWUX stations

在华南地块的西北区域，从湖北往西，位于陕西、甘肃、重庆和四川地区的台站接收函数形态更加复杂，大部分台站接收函数形态介于Ⅱ类和Ⅲ类之间，甚至存在相当一部分Ⅲ类的复杂接收函数形态，Ⅰ类接收函数极少，表明该区地质作用更加强烈，地壳结构更加复杂。

华南块体中部区域，即湖南中西部是地壳结构变形的过渡区域。湖南中西部的张家界台(HNZJJ)、邵阳台(HNSHY)、洪江台(HNHOJ)表现出明显的Ⅱ类接收函数特征，与湖南东部大部分台站的Ⅰ类接收函数相比存在较大差异。同样位于湖南西部的吉首台(HNJIS)的接收函数类型则介于Ⅰ类和Ⅱ类之间，主要是一次莫霍震相清晰，但在莫霍震相后续出现多个强反射振幅。本文认为，在地壳结构变化的过渡区域有些台站接收函数形态复杂，但同一地区附近台站有时又表现出不一致的地壳结构，表明这些区域的变形结构特征复杂，而地质结构差异、断层的控制以及地质作用的差异都会导致更小范围的区域地壳结构差异。

华南地块南西区域，即广西的大部分台站表现出Ⅰ类的接收函数形态，但是位于广西西北区域的天娥台(GXTE)、忻城台(GXXCT)、岩滩台(GXYCT)、平果台(GXPGX)接收函数形态相对复杂，这种复杂延伸到贵州的罗甸台(GZLDT)，主要是源于壳内间断界面的发育。在广西西部和云南贵州西南角的交界区域地壳结构也表现为Ⅰ类简单接收函数形态，包括广西百色台(GXBSS)、云南富宁台(YNFUN)、云南文山台(YNWES)、云南罗平台(YNLOP)、贵州兴义台(GZXYT)、贵州贞丰台(GZZFT) 。这些台站在地壳厚度上却表现出明显的从东往西增厚，这种不改变地壳接收函数形态的地壳增厚可能表明，该区地壳增厚方式单一，作用力源稳定。在该区往北，在云南和贵州、四川的交界区域，台站接收函数的形态开始变复杂，基本为Ⅱ类，地壳结构发生了变化，包括云南宣威台(YNXUW)、贵州威宁台(GZWNT)、四川石门坎台(SCSMK)等。位于云南省内的台站在较小的空间范围内会发生相对较大的地壳结构变化，表明该区地质作用强烈。

在江苏苏北盆地，有5个台站的接收函数形态出现明显异常，这5个台站分别是江苏盐城台(JSYC)、宝应台(JSBY)、涟水台(JSLAS)、泰州台(JSTZ)、兴化台(JSXH)。具体表现为，接收函数初至P波振幅表现为多波峰形态，莫霍面一次震相也出现多波峰甚至缺失情况，其中盐城、宝应两个台站莫霍一次震相清晰，其他3个台站莫霍一次震相都不清楚。图8展示了江苏盐城(JSYC)台、宝应台(JSBY)和涟水台(JSLAS)的接收函数形态。我们认为这应该和该区存在巨厚沉积层相关。

图8 江苏盐城台、宝应台、涟水台的接收函数波形Fig.8 Receiver functions of JSYC，JSBY and JSLAS stations

2.2 地壳厚度区域分析

从整体来看，华南块体及邻区地壳厚度存在自沿海向内陆、自南向北逐渐变厚的趋势，这种趋势在接收函数方法获得的地壳厚度(图9)结果中清晰可见。但是在块体内部，不同的区域构造还存在着地壳厚度的差异性变化。

图9 由接收函数方法获得的地壳厚度分布Fig.9 The crustal thickness determined by receiver function

靠近沿海的华夏地块主要包括广东、福建、浙江3省地区和江西、广西2省的部分区域，该地块内地壳厚度变化不大，但存在一定的块体特征。最薄的地壳位于珠江三角洲、广东西南角靠海地区，平均地壳厚度约为27 km。从江西、福建两省来看，地壳厚度自沿海到内陆经历了变厚、变薄、再变厚的变化过程。福建沿海区域地壳厚度平均约为29 km，闽赣交界的武夷山地区地壳厚度平均约为33 km，在江西中部地区沿赣江NS向地壳厚度平均约为30 km，而在赣西、湘赣交界的罗霄山脉区域地壳平均厚度约为32 km，两省的地壳厚度和地形高度表现出很好的镜像关系。

在浙江、安徽两省交界的天目山区域(浙西褶皱带)存在一个较为明显的地壳凹陷区，分布有浙江临安台(ZJLIA)、安徽黄山台(AHHUS)、浙江新安江台(ZJXAJ)和浙江淳安台(ZJCHA)，这里地壳厚度变化较为剧烈，最大为浙江临安台的37 km，比周边平均增厚4～5 km。在接收函数获得的地壳厚度图像中(图9)，安徽南部的地壳厚度为33 km左右，分隔了浙西褶皱带和秦岭-大别山区域，与洪德全等[8]的地壳结构结论基本一致。郯庐断裂带附近莫霍面深度变化明显，可能与太平洋板块深俯冲形成的“大地幔楔”中地幔热物质上涌等动力学过程[2]对地壳结构产生明显影响密切相关。

秦岭-大别造山带作为华南块体和华北块体的分界带，表现出明显的地壳增厚特征。邻近大别造山带的安徽六安台(AHLA)、金寨台(AHJAZ)地区地壳厚度明显增厚4 km左右，湖北黄梅台(HBHME)也比江西九江台(JXJIJ)增厚约2 km；在湖北东部和江西西北交界地区，湖北境内相比江西境内地壳明显增厚，湖北嘉鱼台(HBJAY)和湖北咸宁台(HBXIN)下方地壳厚度较大。

广西地壳平均厚度约为30 km，与广西相邻的云南、贵州(云贵高原区域)和湖南西部地壳明显增厚，这些地区在地貌上存在雪峰山隆起。在湖北西南和重庆东北交界处存在明显的地壳增厚，平均地壳厚度约48 km，比湖北和重庆其他地区增厚约8 km，可能和该区大巴山、巫山等山脉的存在密切相关。

在华南地块西部和西北部，地壳增厚趋势更加明显[13]，四川、陕西、甘肃等区域地壳厚度达到60 km，这些区域地壳增厚的动力来源主要是印度洋和太平洋的挤压俯冲，物质来源则是青藏高原物质东流[14-15]。在不同构造应力、地质断层和块体运动的复杂作用下，该区地壳结构复杂，地壳快速增厚，成为中国大陆的地震多发区域。

2.3 地壳厚度测线剖面分析

在纬度和经度方向分别绘制3条测线剖面(图2、图10)，分析地形高度和地壳厚度的相关关系。

在纬度方向，PQ剖面横穿广东、广西、贵州和云南4省，地壳厚度和地形高度表现出明显的正相关关系，从东往西逐步变大，表现出线性增加的趋势。MN剖面穿过福建、江西、湖南、湖北、重庆、四川6省，从地形高度看，从东往西依次穿过武夷山脉、罗霄山脉、巫山山脉和横断山脉，地壳厚度与地形高度相对应有两次剧烈增厚的变化。在东经112°左右，测线到达大巴山脉后，地壳厚度增加约10 km；进入四川盆地后，地壳厚度变化不大；到横断山脉后，随着海拔快速升高，地壳厚度再次剧烈增加。GH剖面穿过浙江、安徽、河南、陕西、甘肃5省，穿越秦岭进入黄土高原后，从东经约111°开始，地壳增厚趋势明显，和地形高度变化正相关，其中在秦岭的地壳增厚幅度更大。纬向剖面都表现出地壳厚度自东向西逐渐增加的趋势，和中国大陆的三级地形特征一致。在穿过山脉的过程中，地壳厚度变化剧烈，表明地表的造山运动和地壳的增厚过程是一致的。

在经度方向，EF剖面穿过广东、江西、安徽、江苏4省，海拔高度都在700 m以下，地壳厚度变化不大，均在30 km左右，在北纬约30°江西与安徽交界地区存在地壳增厚再减薄的凹陷区。CD测线穿过广西、湖南、湖北、河南4省，存在海拔变化，但基本都在700 m以内，在湖南、湖北境内穿过了雪峰山脉和武陵山脉，地壳厚度表现出先增加再减薄的变化过程，地壳厚度变化幅度约10 km。相比于地形海拔的变化，地壳增厚的幅度更大，表明该区地壳增厚可能是以下地壳为主。AB测线穿过云南、贵州、四川、重庆、陕西5省，地形表现为从云贵高原进入四川盆地然后穿过秦岭进入黄土高原。四川盆地海拔最低，对应的地壳厚度最薄，云贵高原、秦岭、黄土高原对应的地壳厚度较厚。

为了进一步验证本文求取地壳厚度结果的准确性，将各测线地壳厚度和吕坚等[5]使用瑞雷面波获取的地壳厚度进行了对比(图10)，发现6条测线在地壳厚度的变化趋势上基本是一致的，只存在细节的差异。面波地壳厚度结果较为平滑，接收函数H-κ方法获取的地壳厚度表现出更多的细节特征。

图10 各测线地壳厚度和地形高度Fig.10 Crustal thickness and topography of each line

3 结 语

本文基于接收函数方法研究了华南及邻区的地壳结构。研究认为，该区地壳结构差异性较大，既存在块体的地壳结构差异，也存在块体内部的局部地壳结构变化。这与该区经历过多期次的构造活动演化是相关的。

研究区在地壳结构上表现为从沿海向内陆逐渐复杂的变化，地壳厚度则表现出增加的趋势。整个研究区的台站下方的接收函数可分为3种类型：Ⅰ类(标准型)、Ⅱ类(过渡型)、Ⅲ类(复杂型)。3种类型的接收函数对应该区3种类型的地壳结构，Ⅰ类标准型地壳相对稳定，地壳厚度一般在35 km以下，主要包括广东、福建、浙江、上海、江西、广西、安徽南部、湖北中东部、湖南中东部和云南东南部地区；Ⅱ类过渡型接收函数对应地壳增厚变形的区域，该区地壳厚度从约35 km逐渐增厚到约45 km，主要为湖北西部、湖南西部、贵州和云南东部及中北部地区；Ⅲ类复杂性接收函数则对应地壳剧烈增厚的区域，地壳厚度从45 km可以增厚到60～70 km，表明地质作用相当强烈复杂，主要包括重庆、四川、陕西南部、甘肃南部和云南北部区域。

在大的构造背景下还存在若干局部变形区域，如安徽与浙江交界的天目山地壳凹陷、江苏中北部的沉积盆地，这些局部的地壳结构异常特征可能和局部断层的力学控制、深部地幔物质上涌和局部介质结构等因素密切相关。接收函数特征也为进一步研究局部作用关系提供了地震学基础。

致谢：感谢郑勇教授提供剖面绘图程序。