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利用远震接收函数研究辽宁地区的地壳厚度及泊松比

第32卷 第2期

2010年6月地 震 地 质SE IS MOLOGY AND GEOLOGY V o.l 32,N o .2June ,2010do:i 10.3969/.j issn .0253-4967.2010.02.009

利用远震接收函数研究辽宁地区的

地壳厚度及泊松比

贾丽华1,2) 崇加军2) 刘渊源

2)

倪四道2) 戴 瑾1) 王 帅1)1)辽宁省地震局,沈阳 110031

2)中国科学技术大学,合肥 230026

摘 要 文中利用辽宁省数字地震遥测台网15个台站记录的远震P 波波形资料,用频率域反褶积方法提取接收函数,由H -K appa 叠加方法得到了各台站下方的地壳厚度和泊松比。研究结果表明,辽宁地区的地壳泊松比在0 25~0 29之间,地壳厚度介于31~36k m 之间,东部褶隆带的地壳厚度从北向南由31k m 增至35k m 。松辽构造盆地地壳厚度变化不大,平均厚度为31k m 。辽西褶隆带与东部褶隆带的地壳厚度均比哈尔滨构造盆地厚约2~4k m 。

关键词 接收函数 地壳结构 泊松比

中图分类号:P315.2文献标识码:A 文章编号:0253-4967(2010)02-0260-09 收稿日期 2009-08-26收稿,2010-05-11改回。

基金项目 地震科学联合基金(C08090)与国家自然科学基金(40974034)共同资助。

0 引言

中国东北地区的地势呈现四周高中间低的特征(许卫卫等,2002)。中部松辽构造盆地带被大兴安岭褶隆带、辽西褶隆带、东部褶隆带包围,北部是大、小兴安岭,南部与辽西山地相邻,东部为张广才岭、吉林哈达岭、长白山、千山山系。该地貌形态基本上反映出了本区域由于太平洋板块向W 俯冲到欧亚大陆下部导致的拉张构造特征。辽宁地区的地质构造自西向东可以分为以下几个构造带:大兴安岭褶隆带、辽西褶隆带、松辽断陷盆地、东部褶隆带。上述构造区之间均以规模巨大的深断裂分界,使东北地区NE 向的长条形构造相间排列和平行展布,构成了本区地壳表层构造的最基本特征。另外,该区域还存在着中国大陆东部地区一个主要的断裂构造带!!!郯庐断裂带(Christensen ,1995;图1)。

地质结构与地震有着紧密的联系,浅源地震的震中大多沿构造带分布(许卫卫等,2002),例如金县3次5级以上地震、营口2次5级地震、海城7 3级地震等。因此辽宁地区是一个地震多发区,研究该区域的地壳和岩石层结构以及构造性质,对于了解该地区的地震发震机理,评估地震危险性,以及地震中长期预测等都有着极为重要的意义。

近年来,对于辽宁地区的地壳和岩石层结构开展了大量的研究,特别是通过重力和地震层析成像等手段,对辽宁地区的地壳厚度、主要构造带的特征进行了较为系统的分析。卢造勋等

2期贾丽华等:利用远震接收函数研

究辽宁地区的地壳厚度及泊松比图1 辽宁数字地震遥测台网与断裂带分布

F i g.1 Sta ti ons distributi on of se i s m i c net wo rk and acti ve tecton ic faults i n L iaon i ng P rov ince .

?表示台站;粗线条表示断裂带

通过重力和地震等手段发现(许卫卫等,2002):辽宁地区的地壳厚度等值线呈NE 向展布;其变化特征是中部松辽盆地厚度较小,往西至大兴安岭一带地壳厚度急剧增大,其间以深断裂为界。同时他们勾画了4个不同的深部地壳结构区,齐齐哈尔!乌兰浩特!奈曼!北票以西,42#以北为?区,庆安!阿城!长春!沈阳!营口以西为%区,%区以东为&区,大虎山!锦州以西为?区。

虽然前人的工作已经得到了辽宁省及其周边区域的主要地壳构造特征,但仍存在着一定的问题。首先,辽宁省在1999年以前地震台网分布并不均匀,特别是宽频带地震台资料较少,这使得层析成像的分辨率和可靠性受到了较大的限制;其次,重力资料存在着非惟一性问题,对岩石层的界面在深度方向上分辨率较低,加上层析成像反演本身的误差,以及地震位置的偏差等因素,导致获得的地下界面的信息精度差、非惟一性较高。同时,地震层析成像结果对P 波和S 波的波速比信息约束较差,而波速比以及对应的泊松比等参数则与地下的岩石组成、应力场等有较密切的关系(潘科等,2001),因而对了解地下应力场变化、评估地震活动性等有非常重要的参考意义。

随着技术的发展和观测资料的积累,上述2个问题已经可以在一定程度上得到解决。自从1964年Ph i n ney 提出利用远震体波来研究记录到的台站下方地壳及上地幔结构,以及1977年Langston 等作出的改进以来,接收函数(Rece i v er Functi o n)方法已经成为研究一个区域地震台站下方的地壳、上地幔速度精细结构的方法之一(王小平等,2005)。由于采用远震体波的水平分量相对于竖直分量作反卷积,可以在很大程度上消除震源和传播路径的影响,获得仅与台站261

地 震 地 质32卷下方结构相关的资料,实际研究表明该方法可以精确获得台站下方结构尤其是重要间断面的信息。随后,Zhu 等(2000)提出的利用接收函数中莫霍面的转换波及后续的多次转换波叠加来计算台站位置处的地壳厚度及波速比,在实际中得到了广泛的应用。

基于辽宁台网记录到的远震地震波形资料,本文利用接收函数方法研究了辽宁及周边地区的地壳厚度和泊松比,并结合地震活动性资料分析了该区域的地震构造特征。

1 资料与方法

辽宁遥测地震台网由1个区域台网、4个地方台网组成(图1)。其中辽宁数字遥测地震台网由分布在全省范围内的15个台站、4个中继站(兼遥测台)和1个台网中心构成(卢群等,2004)。1998年开始对台网进行数字化改造,1999年9月完成了1个中心和15个子台的数字化改造任务,2000年9月正式运行。其中有4个宽频带地震台:东陵台配置了J CZ-1甚宽频带地震计,大连台配置了CTS-1宽频带地震计,营口台配置了FSS-3宽频带地震计,锦州台配置了FBS-3宽频带地震计,其余台站均为JCV-100

短周期地震计。

图2 本文选取的远震事件分布图

F ig .2 The distributi on of the te l ese is m ic events fo r ca lcu l a ting rece i ver f uncti ons .

?表示辽宁台网中心;(表示远震事件

我们选取了辽宁台网15个地震台站2001!2006年的121个震中距在3 000~9 000km 之间,震级>5,信噪比较高的远震记录数据,覆盖了较完整的方位。采用频率域反褶积方法计算获得各台站的远震P 波接收函数,并用H -K appa 叠加方法(Zhu et al .,2000)对获得的接收函262

2期贾丽华等:利用远震接收函数研究辽宁地区的地壳厚度及泊松比数进行H -Kappa 域叠加处理获得各台站下方的地壳厚度以及泊松比。H -K appa 叠加方法的优势在于可以批量处理大量的远震接收函数资料,无需识别不同转换震相的到时,通过在H -Kappa 域内叠加不同震中距和方位角的接收函数,可以抑制地壳横向不均匀性的影响,从而获得1个平均地壳厚度。因而该方法得到了广泛的应用和发展(Yuan et al .,1997;刘启元等,1997a ;王小平等,2005)。近年来,已经利用该方法得到了首都圈(王俊等,2009)、青藏高原(李永华等,2006)、云南及其邻区(李永华等,2009)、延怀盆地及其邻区(刘启元等,1997b)等多个区域的地壳结构和泊松比。

2 数据处理过程

我们对挑选的高信噪比远震波形数据作去除仪器响应和去倾斜处理,截取P 波之前20s 至P 波之后80s 的波形窗口,然后将截取的三分量波形记录旋转至径向、切向和垂向3个分量,并利用频率域反褶积的方法提取接收函数,在反褶积时对宽频带数据采用的高斯低通滤波参数为2 5,而对于短周期数据则采用滤波参数为1 0的高斯低通滤波,实际数据处理表明这样可以获得质量较高的接收函数波形。经过上述步骤的处理,我们一共获得了464个高信噪比的接收函数。然后,通过计算每个接收函数对应的射线参数,我们利用H -Kappa 方法在H -Kappa 域内对每个台站的接收函数进行叠加处理,通过寻找叠加振幅的最大值来确定台站下方的地壳厚度和纵、横波速比,进而获得泊松比。在对接收函数进行叠加时,我们对Ps 、PpPs 和PsPs 分别赋予0 5、0 3和0 2

的权重进行叠加。

3 计算结果及分析

通过对各个台站的接收函数进行H -Kappa 叠

加处理,我们获得了这些台站下方的地壳厚度和波速

比以及泊松比,具体的计算结果如表1所示。由于考

虑到了精度,我们对由波速比推算的泊松比采用小数

点后3位有效数字。新民台的接收函数由于后续多

次震相信噪比较差,未能通过H -Kappa 叠加获得较

好的结果,因此未在表1中给出,但是接收函数波形

上有信噪比很高的Ps 转换震相,通过地壳平均P 波

速度6 3km /s 和由距离较近的东陵(D li n g )台、法库

(Fa Ku)台获得的平均波速比,我们用Ps 走时推算了

该处的地壳厚度约为32km ,这与其他方法获得的结

果有很好的一致性(卢造勋等,1999),我们推测该台

接收函数的Ps 转换震相很清晰而多次震相信噪比较

差的原因可能是地表沉积层的影响。

作为示例,我们给出了大连台的接收函数波形和

H -Kappa 叠加结果图(图3)。可以看到,大连台的

接收函数波形很清晰(图3a),可以明显地看到转换

震相Ps 以及后面的多次震相,通过对这些接收函数263

地 震 地 质32

图3 大连台接收函数及H-K appa叠加结果图

F i g.3 R ece i ver functions o f D a lian station and results from H K appa stack i ng.

获得的波速比为1 74,地壳厚度为35km

不同震相振幅的加权叠加,获得了该台站下方的地壳厚度和波速比信息(图3b)。

从接收函数H-Kappa叠加的结果来看,辽宁地区的地壳结构主要有以下2个特征:

(1)辽宁地区地壳厚度的总体变化趋势为:1)东部褶隆带的地壳厚度从北向南由31km增至35km。说明该褶隆带在与大兴安岭褶隆带分裂形成松辽构造盆地的过程中,地壳并非均匀裂开,而是呈现1个八字形的张角。2)松辽构造盆地地壳厚度变化不大,平均厚度为31km。3)辽西褶隆带与东部褶隆带的地壳厚度均比哈尔滨构造盆地厚约2~4km。这与前人的研究结果(许卫卫等,2002)相比,总体趋势一致,数值上大约相差1~2k m。其中本溪台下方的地壳厚度为研究结果中的最大值,达36km,其可靠性以及地质构造意义还需要进一步的验证和研究。

(2)整个研究区域的泊松比在0 25~0 29之间,没有明显的区域分布差异。

4 结论与讨论

本文通过接收函数和H-Kappa叠加方法对辽宁及周边地区的地壳厚度、波速比以及泊松比等参数进行了研究。辽宁及周边地区的地壳结构主要有以下特征:

研究结果表明,辽河平原地区的地壳厚度较薄,在31~32k m之间;而周边的山地和隆起地带,地壳厚度明显加厚,长白山地区地壳厚度为32~36km,西部朝阳台的地壳厚度为33km。这种中间薄,边缘厚的构造可能与辽河平原的动力学构造有关。从板块构造的角度以及GPS的观测来看,辽河平原地区处于拉张状态,这种拉张的应力作用可能在一定程度上减小了该地区264

2期贾丽华等:利用远震接收函数研

究辽宁地区的地壳厚度及泊松比图4 辽宁省地震台站下方地壳厚度与泊松比分布图

F i g.4 D istr i buti on of crustal t h i ckness and Po isson rati o o f L i aoni ng prov i nce ,i n wh ich red c irc le

stands f o r the va l ue of crusta l th i ckness w hil e c ross fo r Po isson rati o .

圆圈大小表示地壳厚度,十字大小表示泊松比的大小

的地壳厚度。

从波速比和泊松比分布来看,辽河平原地区属于高泊松比和高波速比的构造区域,由于P 波速度受温度的影响比S 波速度受温度的影响小(李永华等,2009),因而该区域可能属于地热相对较高的区域,有可能与该区域的拉张构造导致的局部温度异常有关,使得剪切模量降低,从而使波速比有较大的提高(W atanabe ,1993)。实验研究表明,地壳平均泊松比 的变化可能由许多地球物理和地球化学因素所致,岩石的矿物组成对 的变化有着重要的影响。一般来说,当岩石的S i O 2含量)55%时,岩石的泊松比值与S i O 2含量成反相关关系(钟以璋等,1979)。同样,部分熔融对P 波与S 波的速度比也有很大的影响,地震波速比值V p /V S 随着熔融体熔融程度的增加而增大(Christensen ,1995)。根据上面的计算结果,研究区内低的泊松比 表明该区域S i O 2的含量可能较高,岩性接近熔融度低的花岗岩。

该地区地震活动性高的区域主要分布在几个断层带附近,从断层的分布和地壳厚度来看,断层两侧地壳厚度变化较大的区域,地震活动性较高,这可能与两侧物质的力学性质相差较大,应力较易集中有关。

总之,本文利用远震接收函数和H -Kappa 方法对辽宁地区的地壳厚度以及泊松比进行了研究。研究获得的地壳厚度和泊松比结果对于判断该地区的地震活动性、分析孕震构造有重要意义。由于台站数量的限制,我们获得的只是这些台站下方的地壳结构信息,2008年辽宁省地震局下属台站增设的35个宽频带地震仪开始正式运行,我们将利用更多的台站资料对该区域265

266

地 震 地 质32卷的地壳结构进行更详细的研究。

感谢中国科学院测量与地球物理研究所的郑勇博士以及辽宁省地震局的焦明若研究员、孟补在主任对作者给予的许多支持与帮助。

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地 震 地 质32卷

CRUSTAL TH ICKNESS AND PO ISS ON RAT I O OF L I AON I NG PROV I NCE FRO M RECE I VER FUNCT I ON STUDY

JI A L i hua1,2) CHONG Jia jun2) LI U Yuan yuan2)

N I S i dao2) DA I Jin1) WANG Shua i1)

1)Earthquake A d m inis t rati on of Liaoning P rovince,Shenyang 110031,Ch i na

2)Un i vers it y of Science and T echnology of Ch i na,H e f ei 230026,China

Abstract

Songhua jiang L iaohe Basi n is surrounded by several fo l d ed m ountains,w ith so m e m a j o r deep fau lts r unni n g across t h e m.Am ong these faults,the Tan l u Fault is one o f b i g gest active fau lts i n the east Ch i n a con ti n en.t This kind o f geo log ica l env iron m ent m akes L iaon i n g and its adjacen t areas be capable of h igh l y active tecton ic m ove m ent and high seis m ic ity.As crusta l t h ickness and Po isson rati o are closely related to se is m ogen ic str ucture,study i n g on t h ese para m eters w ill be very i m portant f o r us to understand the seis m ogen ic pr ocess of L iaon i n g and its neighbo ri n g reg i o ns.I n th is w or k,telese is m ic P w ave records fro m15per m anent broadband se is m ic stations i n L iaoning province are co llected and pr ocessed by i n verse convo l u tion m ethod i n spectral do m ain to get the P w ave receiver functi o ns. The H K appa stack i n g m ethod is further used to obtain the cr ustal thickness and Poisson ratio under each se is m ic stati o n.The result sho w s that Po isson ratio in th is reg i o n is bet w een0 25and0 29,and crusta l thickness ranges fro m31k m to36km.Co m pari n g w ith the H ar b i n Basin,the crustal thickness o f the w est and east fo l d belts i n this reg i o n is about2~4km thicker.The distri b ution pattern o f crust thickness sho w s t h at the crust is getti n g th icker fro m east to w est and fro m north to south,w ith an aver age cr ustal th ickness about31km i n Song liao Basin.Th is pa tter n sho w s that the Songhuajiang L i a ohe Basin is a typical rift basin,its seis m ogenic process m ay m ainly be contro lled by the subsi d ence of the basi n and the horizonta l ex tensi o n fro m the east and the w est boundaries.

K ey words receiver functi o n,cr ustal th ickness,Po isson ratio

作者简介 贾丽华,女,1975年生,2006年毕业于中国科学技术大学地球物理专业,现于吉林大学攻读硕士学位,工程师,主要从事地震监测工作,电话:024-********,E-m a i:l l ucky ji a@

ma il ustc edu cn。

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