利用接收函数频率特征研究青藏高原东北缘地区的莫霍面性质

2022-12-23沈旭章梅秀苹焦煜媛李敏娟苏小芸季婉婧

地震地质 2022年5期

宋婷沈旭章梅秀苹焦煜媛李敏娟苏小芸季婉婧

1)中国地震局兰州岩土地震研究所，兰州 730000 2)甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000 3)中山大学地球科学与工程学院，广州 510275 4)甘肃省地震局，兰州 730000

0 引言

为揭示板块俯冲、高原隆升的驱动机制和演化过程，正在进行陆-陆碰撞的典型造山带——青藏高原一直是学者们研究的热点区域。关于其变形是连续、耦合的(Fleschetal.，2005；王椿镛等，2008)，还是随深度变化的(Clarketal.，2000)，目前仍未有定论。青藏高原向大陆内部扩展生长的前沿区域称为青藏高原东北缘，此区域处于青藏高原、鄂尔多斯、华南3大块体的接合部位，同时也位于中国大陆的东、西分界线——南北地震带的中北段。多种构造因素使得区内的莫霍面深度变化强烈，构造关系复杂，发育了东昆仑断裂、西秦岭北缘断裂、海原-祁连山断裂等多条大型活动断裂。强烈的构造活动也使此区域成为地震多发区，历史上曾发生过1654年天水南8级、 1718年通渭7.5级、 1879年武都南8级、 1920年海原8.5级等多次7级以上大地震(图1)。研究表明，在源自高原内部的地壳通道流的驱动下，青藏高原东北缘向NE扩张和加厚，并伴随着上地壳缩短。随着向外延伸，地壳流的速度逐渐减缓(Roydenetal.，1997； Zhaoetal.，2021)。厘清高原在东北缘如何进行扩张有助于解开青藏高原变形机制的奥秘，青藏高原东北缘的扩张和与周边区域的相互作用由此成为地学界学者们关注的焦点。

图1 研究区的构造背景与地震活动性(1900年以来)

为了更好地理解青藏高原东北缘断层系的耦合关系及区域构造演化过程，对其壳幔过渡带开展研究则显得尤为重要。作为壳幔边界——莫霍面，壳幔物质与能量在该处不断发生分异、交换并伴随一系列地质作用演化(Jarchowetal.，1989)。深地震测深结果显示，大部分地区的莫霍面都不是简单的一级速度间断面，而是具有一定厚度的速度梯度带，或是由高速-低速薄层叠成的过渡窄带，甚至具有更复杂的速度结构(Davydovaetal.，1972； Braileetal.，1986)。地震学观测和实验室岩石样品的高温高压测试结果证明，一级速度间断面类型的莫霍面，间断面上方的下地壳主要由基性麻粒岩组成，而上地幔的成分是以橄榄石为主的超基性地幔岩或榴辉岩以及二辉橄榄岩。在构造活动复杂的区域，由于壳幔物质与能量相互作用，地幔物质会侵入下地壳，造成莫霍面的复杂结构(图2)。因此，探测壳幔过渡带的厚度及其复杂程度可为研究壳幔物质能量交换、岩石相变及成分变化提供主要信息，有助于进一步揭示区域地球动力学过程。

图2 过渡带形态莫霍面的形成示意图

目前，多数针对青藏高原东北缘莫霍面复杂性的研究结果来自人工地震与大地电磁测深。整体而言，此区域内的地壳是大都为多层的，且由高、低速相间的介质层束组成，而不同构造单元的莫霍面又存在差异。鄂尔多斯盆地和陵中盆地的莫霍面为一级间断面，海原地震区和玛沁断裂带的莫霍面则为厚达20km以上的复杂叠层壳幔过渡带(赵俊猛等，1999，2001；赖晓玲等，2001，2004a，b；滕吉文，2006)。一些地区的莫霍过渡带层状不清晰、结构复杂。

早期，刘启元等(1985)基于天然地震壳幔界面转换波研究了莫霍面的复杂结构，并通过合成理论地震图分析了不同结构的转换界面对Ps转换波动力学特征的影响。而今，接收函数作为研究地壳上地幔间断面的经典天然地震学方法，也常常被应用于全球不同区域的地壳及上地幔结构研究中(Burdicketal.，1977； Ammon，1991； Zhuetal.，2000； Tianetal.，2005； Shenetal.，2014)。目前，众多的研究更为关注莫霍界面的深度，而对于莫霍面本身复杂性的讨论则较少。宽频带接收函数包含详细的壳幔界面信息，其径向(R)分量的频率特征可以帮助估计壳幔边界的“锐度”，即分辨莫霍过渡带中S波速度变化(Owensetal.，1985)。目前，已有研究者尝试利用不同频段接收函数的联合反演分析复杂地壳与接收函数频率的关系，及通过探究高低频段接收函数分裂参数的差异等方式研究一些重要构造板块和地质单元地壳结构(刘启元等，1996；李永华等，2009；危自根等，2016； Sunetal.，2019)。

本文基于R向接收函数的莫霍面一次转换波Ps和多次转换波PPs、 PSs(以下分别简称为接收函数Ps转换波和多次波)的频率特征数值试验结果(宋婷等，2020)，利用青藏高原东北缘甘肃东南部地区的高密度野外流动台阵观测数据，通过观测和理论接收函数拟合构建了研究区下方莫霍面的S波速度结构，并结合地质学及岩石学相关结果对此区域的莫霍面性质进行了探讨，为研究该地区及其周边块体的相互作用形式和演化过程提供了参考依据，同时展示了利用接收函数方法研究莫霍面复杂性的可行性。

1 数据与方法1.1 数据获取

本研究采用的数据来自位于青藏高原东北缘甘肃东南部地区2年间高密度流动观测台阵的地震记录。该台阵由7条测线组成(6条近SN向，1条近EW向)，经过初步的数据处理，选取了此高密度宽频带观测台阵中的70个质量相对较高的台站地震记录。地震仪由英国Guralp公司的CMG-3ESP地震计(频带范围60s～50Hz)与REFTEK-130B型数据采集器组成，通过GPS授时，每秒采集50个数据。研究区和台站分布如图3 所示。

图3 台阵与地震事件的震中分布

地震数据的记录时间为2009年11月1日—2011年11月30日，选择震中距范围30°～90°、MS≥5.5的地震波记录，地震事件相对台站的震中距方位角分布见图3 左上子图。

1.2 研究方法

首先挑选信噪比高、初动清晰的原始N、E、Z三分量地震波记录，之后进行以下处理： 1)截取三分量直达P波初动前20s及之后120s的波形数据。2)对截取的地震波数据进行去均值、去线性趋势以及低通滤波处理。滤波时使用拐角频率为0.02Hz和1Hz的4阶2通道巴特沃斯滤波器。3)将N、E、Z三分量地震波数据进行坐标旋转至R、T和Z向。4)设置高斯滤波器因子α=1，迭代次数为100，通过R向对Z向地震波数据作时间域迭代反褶积(Ligorríaetal.，1999)得到R向接收函数，通过Z向地震波数据对其自身作时间域迭代反褶积得到Z向接收函数。5)利用R向接收函数除以Z向接收函数的最大值，得到归一化的R向接收函数(Ammonetal.，1990)。

前期的研究工作(宋婷等，2020)表明，当频率增大到一定值后，接收函数的Ps转换波和多次波的多峰值现象保持不变，仅震相宽度变窄。基于大量观测资料分析，本文选取反褶积过程中不同高斯滤波因子对应的3种频率的接收函数对莫霍面的性质进行研究(滤波因子α分别取为1、 4和9，其中由α=4和α=9计算得到的接收函数称为高频接收函数)。在上述数据处理的第4步，再分别设置α=4、α=9，即可得到α=4和α=9时的高频接收函数。剔除形态和幅度明显异常的波形，得到6585条3种频率的接收函数用于本次研究。

2 结果

2.1 单个台站接收函数的频率特征

数值试验表明，由不同莫霍面速度模型计算的接收函数对应不同的频率特征(宋婷等，2020)(图4)。因此，通过分析实际接收函数的频率特征，可以反推台站下方的莫霍面速度结构。分析位于每条测线上每个台站的接收函数频率特征后可知，虽然每个台站的高频接收函数的Ps转换波和多次波的多峰值现象都比较复杂，频率特征不止一种，但大多都以某种特征为主，其他方式的占比相对较小。对各台站的主要频率特征进行分析后发现，绝大多数台站的高频接收函数Ps转换波和多次波都产生了多峰值现象。对这些频率特征进行总结，可将其分为2类： 1)高频接收函数Ps转换波为1个波峰，而多次波则表现为多峰值现象(用代号Ⅰ表示)； 2)高频接收函数Ps转换波和多次波均表现为多峰值现象(用代号Ⅱ表示)。频率特征表现为第Ⅰ类的台站数量较少，如S309、 S410台等。图5 为S309台6个代表事件的接收函数频率特征。

图4 理论情况下不同莫霍面速度模型(左)的接收函数频率特征(右)

图5 S309台的高频接收函数频率特征(Ⅰ)

相比第 Ⅰ 类而言，接收函数频率特征表现为第 Ⅱ 类的台站数量较多，占绝大多数，即高频接收函数Ps转换波和多次波均具有多峰值现象。经辨认分析，这种情况可进一步分为以下4类：

第1类频率特征(用代号Ⅱ1表示)：高频接收函数Ps转换波表现为3个波峰，次至波的幅度大于其余2个波峰的幅度，多次波PPs和PSs表现为2个或3个波峰，其多峰值特征与Ps波存在一定的关联性，但规律不如Ps转换波稳定和一致。频率特征表现为Ⅱ1的台站有S408、 S609、 S613等，图6 为S609台6个代表事件的接收函数频率特征。

图6 S609台的高频接收函数频率特征(Ⅱ1)

第2类频率特征(用代号Ⅱ2表示)：高频接收函数Ps转换波表现为2个波峰，其中初至波的波峰幅度小于次至波的波峰幅度，多次波PPs和PSs大多也表现为2个波峰，其多峰值特征与Ps波存在一定的关联性，但规律不如Ps转换波稳定和一致。频率特征表现为Ⅱ2的台站有S308、 S311、 S314、 S422等，图7 为S422台6个代表事件的接收函数频率特征。

图7 S422台的高频接收函数频率特征(Ⅱ2)

第3类频率特征(用代号Ⅱ3表示)：高频接收函数的Ps转换波表现为2个波峰，其中初至波的波峰幅度大于次至波的波峰幅度，多次波PPs和PSs表现为2个或3个波峰，其多峰值特征与Ps波存在一定的关联性，但规律不如Ps转换波稳定和一致。频率特征表现为Ⅱ3的台站有S109、 S306、 S318等，图8 为S318台6个代表事件的接收函数频率特征。

图8 S318台的高频接收函数频率特征(Ⅱ3)

第4类频率特征(用代号Ⅱ4表示)：高频接收函数的Ps转换波表现为4个或更多的波峰，次至或第3个到达的波峰幅度最大，比之前的几种特征更复杂，多次波PPs和PSs表现出的多峰值特征不固定。频率特征表现为Ⅱ4的台站有S108、 S418等，图9 为S108台6个代表事件的接收函数频率特征。

图9 S108台的高频接收函数频率特征(Ⅱ4)

2.2 不同剖面叠加接收函数的频率特征

为探究观测台阵下方地壳结构的横向连续变化特征，我们根据透射转换点沿剖面对接收函数进行叠加。同时，为了消除不同震中距和震源深度引起的震相到时差别，并突出Ps转换波和多次波震相以便识别其频率特征，在叠加前设置射线参数为0.065s/(°)，针对不同震相3种频率的接收函数分别进行了校正。以剖面L3为例，图10 为α=1时分别经Ps、 PPs校正前、后沿剖面叠加的结果。

图10 根据透射转换点沿剖面L3叠加的接收函数

分析校正后沿 7 条剖面叠加的接收函数(其中L1—L6为近SN向，L7为近EW向)可知，随着纬度(经度)变化，高频接收函数Ps转换波和多次波的多峰值特征按一定规律变化，基本涵盖了上述5种(Ⅰ、 Ⅱ 1、 Ⅱ 2、 Ⅱ 3、 Ⅱ 4)频率特征，但也存在一定范围内高频Ps转换波和多次波多峰值现象不固定、变化复杂且不属于上述任何一种频率特征的情况，这种频率特征用Ⅲ表示。

为清楚地表示研究区高频接收函数Ps转换波和PPs多次波的多峰值表现特征(PSs多次波的分辨相对困难，仅作为参考)，图11—17分别为L1—L7剖面Ps转换波与PPs转换波的3种频率接收函数的叠加，并在每个剖面上用前文约定的数字标注了其接收函数频率特征。由L1剖面接收函数Ps转换波与PPs转换波的叠加结果(图11a 为Ps叠加，图11b 为PPs叠加)可知，当α=1时，接收函数Ps转换波和多次波PPs都仅有1个波峰。当α=4时，随着纬度增加，在33.8°N附近，接收函数表现为 Ⅱ 2 型频率特征； 34.2°～34.3°N，接收函数表现为 Ⅱ 1 型频率特征； 34.3°～34.55°N，接收函数表现为 Ⅰ 型频率特征； 34.55°～34.7°N，接收函数表现为 Ⅱ 1 型频率特征； 34.7°～34.85°N，接收函数表现为 Ⅰ 型频率特征； 34.85°～35.1°N，接收函数表现为 Ⅱ 1 型频率特征； 35.3°～35.6°N，接收函数表现为 Ⅱ 2 型频率特征。当α=9时，接收函数的频率特征与α=4时相同，仅Ps震相的宽度变窄，震相变得更加尖锐。类似地，对L2—L7剖面叠加的接收函数进行了相同的分析与频率特征标注，下文不再分别赘述(图12—17)。

图11 L1剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图12 L2剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图13 L3剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图14 L4剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图15 L5剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图16 L6剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

图17 L7剖面的Ps与PPs接收函数频率特征

3 讨论

为便于讨论，将上文分析的7条叠加剖面的接收函数频率特征投影到地图上，不同颜色填充的矩形代表不同的频率特征(图18)。同时，基于数值试验结果(宋婷等，2020)，经多次试错，通过观测和理论接收函数拟合分别得到了不同频率特征表征的相应的莫霍面S波速度结构(图18 右侧)。

图18 研究区接收函数的频率特征

总体而言(图18)，研究区的接收函数频率特征共有6类(包含特征Ⅲ)，沿着每条剖面的接收函数都包含3种以上的频率特征，说明了此区域莫霍面结构的复杂性。沿纬度(经度)方向不同频率特征交替出现，反映了本区壳幔耦合具有明显的横向不均匀性。对每种频率特征而言，其反映的本区的莫霍面都不是尖锐的速度间断面，而是具有一定宽度的过渡带。特征Ⅰ表明莫霍面近似表现为在过渡带内存在一个较为明显的界面；特征Ⅱ1和Ⅱ2表明S波速度在此过渡带内随深度增加逐渐增大，但增大的速率(梯度)随深度存在变化；特征Ⅱ3和Ⅱ4表明在此过渡带内S波速度除随深度的增加而增大、速度梯度随深度有变化外，在过渡带内还存在小的速度跃变。

3.1 研究区莫霍面结构的复杂性与本区构造特征

首先，以上结果反映了研究区的壳幔构造具有强烈的活动性，导致此区域的莫霍面并非一个尖锐的界面。其次，此区域的莫霍面结构不止一种，且相对复杂，说明本区的壳幔耦合又具有明显的横向不均匀性。从所得结果可明显看出，绝大多数断层两侧的区域具有不同的接收函数频率特征，这说明断层两侧地壳的物性结构具有差异。例如，L1—L6剖面都穿过了本区最深大的断裂——西秦岭北缘断裂，由图18 知，每条剖面的结果都显示断裂两侧的频率特征发生了变化。西秦岭北缘断裂为一条大型左旋走滑逆冲型活动断裂带，同时作为分界线隔开了北侧的陇西盆地和南侧的秦岭山地(陈鹏，2016)。这条断裂两侧区域的频率特征变化说明西秦岭北缘下方可能存在莫霍面错断或断裂贯穿了地壳，并且发生了壳幔物质交换(熊小松，2010)，这与本区强烈的各向异性所揭示的结果一致(邵若潼等，2019)。值得注意的是，在L4、 L5、 L6剖面跨越的西秦岭北缘断裂东侧，断裂以南的地壳具有相似的结构，且频率特征都为Ⅱ1型，虽然L4—L6剖面的距离比较接近，其相似度高似乎也在情理之中，但却与L2、 L3剖面在此断裂以南的频率特征不同。该现象则反映了西秦岭北缘断裂以南自西向东的地壳结构存在差异性变化。

3.2 与此区已有的地球物理研究结果的对比

层析成像结果揭示此区域不同深度处的速度结构表现不一致，同一深度处的S速度结构具有明显差异(李敏娟等，2018)，这与我们得到的结果也是一致的。深地震反射剖面得到的研究区的莫霍面深度为42～56km(李英康等，2015)。多条跨越青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间过渡区的剖面研究表明，此区域的莫霍面深度变化剧烈(陈九辉等，2005；刘明军等，2008；张先康等，2008；李少华等，2012)。西秦岭构造带下方的地壳不仅厚度变化大(李英康等，2015)，而且比南部的松潘-甘孜块体和以北的祁连构造带都薄(Wangetal.，2017)，说明研究区的莫霍面上凸，其原因可能是青藏高原隆升时受到稳定的鄂尔多斯地块的阻挡发生挤压，产生了强烈的形变。因此，在此区域观测到的多种接收函数频率特征以及其交替出现间接反映了青藏高原隆升并向东北缘扩展等地质作用导致的地壳结构的复杂性。

3.3 莫霍面的复杂结构与岩石学

由拟合观测得到的此区域莫霍面的5种速度结构可知(图18 右侧子图)，此区域的莫霍面大致均为速度随深度逐渐增加的过渡带，这说明随着深度增加，岩石的中SiO2含量逐渐减少，镁铁成分逐渐增加(刘明军等，2008)，也可认为在壳幔边界存在一些镁铁质物质(滕吉文，2006)，这与前人研究得到的“此区域中下地壳由镁铁质成分组成，具有高泊松比”的观点一致(刘明军，2007； Wangetal.，2017)。接收函数频率特征Ⅰ表征的莫霍面存在一个跃变界面，其余4种具有约15km的宽度(图18 右侧子图Ⅱ1—Ⅱ4中2条虚线之间的距离)。台站下方地震波速度随深度呈正梯度增加，可能表明台站下方的地壳具有高黏滞性(张洪双等，2015)，不利于下地壳物质的流动。一直以来，研究者认为幔源岩浆及其分异产物通过各种地质过程添加到陆壳中，从而造成了地壳的生长。源于地幔流的超镁铁质液体或岩浆侵入最下部地壳，原始莫霍面便会变成过渡带，而非尖锐边界。莫霍面梯度可能反映了从大部分镁铁质岩石到大部分超镁铁质岩石的逐渐过渡(Thyboetal.，2012； Wangetal.，2013)。因此，该地区的壳幔边界表现为复杂过渡带的特征，可以认为是上地幔热物质上涌和底侵作用所致(王椿镛等，2008)。