復雜地殼接收函數(shù)H-κ疊加
——以安納托利亞板塊為例

危自根，儲日升*，陳凌，崇加軍，李志偉

1 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室,武漢 4300772 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室,北京 1000293 中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心,北京 100101

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復雜地殼接收函數(shù)H-κ疊加
——以安納托利亞板塊為例

危自根1，儲日升1*，陳凌2,3，崇加軍1，李志偉1

1 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室,武漢 4300772 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室,北京 1000293 中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心,北京 100101

本文理論分析了具有不同沉積層和殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)的接收函數(shù)及其相關(guān)的H-κ疊加結(jié)果，然后采用接收函數(shù)H-κ疊加和波形反演方法獲得了具有復雜構(gòu)造演化歷史的中北安納托利亞板塊的地殼厚度(H)、VP/VS(κ)和VS結(jié)構(gòu).理論分析表明：厚的沉積層或沉積層和厚的殼幔過渡帶共存都會使H-κ疊加失效；漸變型殼幔過渡帶導致H-κ疊加的H位于過渡帶中間，且隨著頻率增大逐漸靠近過渡帶上方；倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶導致H-κ疊加具有多極值，其結(jié)果可能反應過渡帶內(nèi)最大波阻抗界面上的地殼結(jié)構(gòu)；1 km·s-1的VP變化會導致H-κ疊加的H變化7 km，而κ變化較小.實際資料分析表明：中北安納托利亞H，κ和VS具有強烈的橫向不均勻性，大部分區(qū)域沉積層厚度<0.5 km，局部地區(qū)殼幔過渡帶厚度>3 km；北安納托利亞斷層切穿地殼，在局部地區(qū)可能存在流體；研究區(qū)存在殘留古老的小陸塊體.本文研究表明，仔細分析接收函數(shù)波形和其隨方位角的變化特征且用其他地震學方法進行約束，有助于采用H-κ疊加方法獲取復雜地殼結(jié)構(gòu)信息.

接收函數(shù)H-κ疊加；波形反演；沉積層；殼幔過渡帶；安納托利亞板塊

1 引言

接收函數(shù)由于其對間斷面的特殊敏感性被廣泛用來獲取地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息.接收函數(shù)H-κ疊加方法(Zhu and Kanamori,2000，以下簡稱H-κ方法)通過聯(lián)合利用Moho面轉(zhuǎn)換波和多次反射波，能同時反演地殼厚度(H)和平均VP/VS(κ)，進而約束區(qū)域地殼成分和構(gòu)造演化，獲得了廣泛的應用.然而，H-κ方法假設(shè)地殼為水平單層均勻結(jié)構(gòu)模型，這與廣泛存在傾斜Moho界面、各向異性地層和厚沉積層等復雜的實際地殼結(jié)構(gòu)不相符.真實地殼的不均勻性特征往往造成不同震中距和方位角接收函數(shù)的轉(zhuǎn)換波和多次波震相的到時存在差異(Peng and Humphreys,1997;Zheng et al.,2005;Yeck et al.,2013)，進而影響H-κ疊加的可靠性.因此，理論與實際分析復雜地殼結(jié)構(gòu)對接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果的影響十分必要.

目前，已有不少學者通過理論合成復雜地殼結(jié)構(gòu)的接收函數(shù)，分析其對H-κ疊加的影響.羅艷等(2008)分析了具有逐漸遞增速度的沉積層地殼的理論接收函數(shù)和H-κ疊加結(jié)果，建立了首到波峰與直達P波到時差與沉積層厚度的定量關(guān)系，認為H-κ方法不能有效獲得存在巨厚沉積層的地殼結(jié)構(gòu).Lombardi等(2008)和Wang等(2010)通過分析傾斜Moho界面的接收函數(shù)H-κ疊加，發(fā)現(xiàn)上傾方向的結(jié)果更接近于地殼真實值.房立華和吳建平(2009)通過研究不同地殼模型的接收函數(shù)認為，分析不同方位角的徑向和切向接收函數(shù)直達P波和Ps轉(zhuǎn)換波振幅與到時隨方位角的變化規(guī)律，可以較好地區(qū)分傾斜界面和介質(zhì)各向異性的影響.查小惠等(2013)通過對不同傾斜Moho界面和各向異性地層的接收函數(shù)分析，認為H-κ疊加結(jié)果的偏離程度和Moho傾斜角度成正比，水平軸各向異性地層使所有方位角的H估計值偏大，與快軸夾角較小方位角的κ值嚴重偏小.個別學者通過改進H-κ方法以提高其適用性和結(jié)果精度：比如，N次方根H-κ疊加搜索(Niu et al.,2007)，兩層或三層地殼的H-κ方法(Tang et al.,2008；Yeck et al.,2013)等.上述研究為采用H-κ方法獲取存在傾斜Moho、各向異性等地殼的H和κ提供了參考.然而，目前對地殼中廣泛存在的沉積層，厚的殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)對接收函數(shù)H-κ疊加的影響還缺乏系統(tǒng)的對比分析，因此有必要做進一步研究.

除了復雜地殼結(jié)構(gòu)等客觀因素外，接收函數(shù)挑選和反演參數(shù)設(shè)置等人為因素，也會影響H-κ疊加結(jié)果的可靠性.因此，系統(tǒng)分析人為因素對H-κ疊加的影響也十分必要.安納托利亞板塊是由阿拉伯板塊和歐亞板塊于新生代碰撞匯聚形成的中特提斯造山帶的一部分，正進行著多塊體碰撞拼貼造山過程(Berberian and King,1981；Pearce et al.,1990)，地殼結(jié)構(gòu)十分復雜.為了研究北安納托利亞斷層附近地殼結(jié)構(gòu)特征，科研人員在該區(qū)域布設(shè)了由39個地震臺站組成的臺陣(YL)，且已經(jīng)采用H-κ方法獲得了臺陣下方的地殼厚度與VP/VS(Vanacore et al.,2013).可公開使用的地震波形數(shù)據(jù)(IRIS網(wǎng)站)和已發(fā)表的H-κ疊加結(jié)果，使北安納托利亞地區(qū)成為研究復雜地殼客觀和主觀因素影響H-κ疊加的理想場所.

鑒于前人已經(jīng)系統(tǒng)理論分析了傾斜Moho界面和各向異性層對接收函數(shù)H-κ疊加的影響(房立華和吳建平，2009；查小惠等，2013)，本文將主要理論分析不同沉積層和殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)對H-κ疊加結(jié)果的影響.除此外，我們采用和Vanacore等(2013)相同參數(shù)的H-κ方法獲得了YL臺陣下方的H和κ，并分析了兩者結(jié)果的異同及其差異的來源；采用不同頻率H-κ方法分析了研究區(qū)沉積層和殼幔過渡帶的結(jié)構(gòu)特征；采用多頻接收函數(shù)波形反演方法獲得了臺陣下方的S波速度結(jié)構(gòu).本文試圖通過理論和實際資料的接收函數(shù)H-κ疊加分析，為采用該方法獲取具有沉積層或者殼幔過渡帶等復雜結(jié)構(gòu)的地殼厚度和VP/VS提供參考，并探討安納托利亞板塊地殼的結(jié)構(gòu)特征和演化進程.

2 沉積層和殼幔過渡帶對接收函數(shù)H-κ疊加響應

2.1 接收函數(shù)H-κ疊加方法介紹

接收函數(shù)主要由轉(zhuǎn)換波和多次反射波組成，記錄了臺站下方速度間斷面對地震波的響應.在遠震接收函數(shù)波形記錄中，一般初至P波之后30 s內(nèi)主要包含Moho面的Ps轉(zhuǎn)換波和PpPs及PpSs+PsPs地表多次反射波.聯(lián)合這幾個震相可以約束地殼厚度與平均P波和S波速度比信息.接收函數(shù)H-κ疊加方法假設(shè)在一維水平均勻地殼模型下，構(gòu)造一個H-κ平面內(nèi)的疊加函數(shù)S(H,κ)，

S(H,κ)=WPsr(tPs)+WPpPsr(tPpPs)

-WPpSs+PsPsr(tPpSs+PsPs),

(1)

其中，r(t)為徑向接收函數(shù)，WPs，WPpPs，WPpSs+PsPs為滿足三者之和為1的不同震相的加權(quán)系數(shù).最佳的地殼厚度與波速比對應疊加函數(shù)S(H,κ)的最大能量值.上述方法即為接收函數(shù)的H-κ疊加方法(Zhu and Kanamori,2000;Wei et al.,2015;危自根和陳凌，2012)，其主要優(yōu)點是不用人工挑選震相走時，從而可以避免挑選震相時人為因素的影響.

接收函數(shù)H-κ疊加過程中，需要給定地殼P波速度和不同震相的加權(quán)系數(shù)等信息.我們采用反射率法(Langston,1979;Levin and Park,1997)計算水平單層模型下的合成地震圖，然后由合成的地震事件進一步計算理論接收函數(shù)(圖1a，后面合成理論接收函數(shù)方法相同)，并分析不同參數(shù)和接收函數(shù)分布的H-κ疊加結(jié)果與理論模型的差異(圖1b).結(jié)果表明，隨著射線參數(shù)值增大，Ps轉(zhuǎn)換震相到時逐漸增加，而PpPs和PpSs+PsPs震相到時逐漸減?。惠斎隤波速度每增加0.1 km·s-1，H大約增加0.7 km，κ減小不超過0.004；不同震相加權(quán)值組合(0.6/0.3/0.1,0.5/0.5/0.0,0.4/0.3/0.3)得到的H一樣，κ變化小于0.01；不同接收函數(shù)分布得到(0.04～0.05 s·km-1，0.07～0.08 s·km-1，0.04～0.08 s·km-1)的H變化小于0.5 km，κ變化小于0.02.上述分析表明，在單層水平均勻地殼模型下，接收函數(shù)H-κ疊加獲得的VP/VS對輸入?yún)?shù)和接收函數(shù)分布不敏感，而地殼厚度則對輸入的P波速度敏感.

圖1 H為40 km，VP為6.4 km·s-1，κ為1.78，高斯系數(shù)為2.0的不同射線參數(shù)的理論接收函數(shù)(a)和不同輸入?yún)?shù)和接收函數(shù)分布的H-κ疊加結(jié)果(b).圖a黑色實線標注了Moho面典型震相的理論到時Fig.1 Synthetic receiver functions for crustal model with H of 40 km,VP of 6.4 km·s-1,κ of 1.78 and a gauss value of 2.0 (a) and corresponding H-κ stacking results for different given parameters and distribution of receiver functions (b).The black lines in (a) denote the theoretical arrival times of typical phases from the Moho

2.2 沉積層對接收函數(shù)H-κ疊加影響

沉積層廣泛分布在地球大陸和海洋板塊之中.由于沉積層相對較低的速度和密度，在其底界面形成的轉(zhuǎn)換波或多次反射波可能會干擾來自Moho面的轉(zhuǎn)換震相，從而造成接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果與真實值存在偏差(Zelt and Ellis,1999).已有學者提出一些方法來減弱接收函數(shù)中沉積層帶來的影響，比如波形擬合(Zheng et al.,2005；Wei et al.,2016)，利用沉積層先驗信息進行波場延拓(Langston,2011)，對接收函數(shù)進行特定的帶通或者帶阻濾波等(Leahy et al.,2012).對于H-κ方法，Yeck等(2013)提出了連續(xù)兩層H-κ疊加技術(shù).該方法首先利用高頻H-κ疊加獲得沉積層結(jié)構(gòu)信息，然后采用低頻和改進的H-κ公式求取沉積層底界面到Moho面的厚度和VP/VS，在美國Powder River和Deven盆地Moho面Ps震相尚未完全被沉積層多次波震相干擾的臺站中得到了有效的應用.Yu等(2015)提出利用接收函數(shù)自相關(guān)構(gòu)建的共振消除濾波器來消除沉積層多次波的干擾，進而獲得沉積層和其基底到Moho的厚度與VP/VS，在薄于5 km的沉積層情況下效果較好.上述對接收函數(shù)的預處理以及H-κ方法的改進有效地減弱了薄的沉積層對Moho面帶來的影響，但是對厚的沉積層或者Moho面Ps轉(zhuǎn)換震相受到沉積層多次波震相干擾時效果較差.

我們計算了具有0～8 km厚的不同類型沉積層地殼的理論接收函數(shù)，并分析其對H-κ疊加結(jié)果的影響(圖2).結(jié)果表明，單層(圖2a,2b)和漸變型(圖2c,2d)沉積層存在時，接收函數(shù)波形變復雜，Moho面Ps和多次轉(zhuǎn)換波與直達P波的到時差隨著沉積層厚度的增厚逐漸增大，H-κ疊加結(jié)果與模型值存在差異.在漸變型沉積層情況下，當厚度在0～8 km變化時，H-κ疊加獲得的H和模型值差異不超過1 km，κ和模型值差異不超過0.03(圖2e)，表明其對H-κ疊加結(jié)果影響較小.這種小的差異與其Moho面Ps震相沒受到沉積層震相干擾一致(圖2d).在單層沉積層情況下，當厚度不超過2 km時，直達P波受到沉積層Ps震相干擾導致最大振幅偏離0時刻；當厚度不超過4 km時，H-κ疊加的H和模型值差異不超過1 km，κ和模型值差異不超過0.03(圖2e)，這與其Moho面Ps震相沒受到沉積層震相干擾一致；當沉積層為6 km或者8 km厚時，H-κ疊加的H和模型值差異超過1 km，κ和模型值差異超過0.06(圖2e)，這與其Moho面Ps震相受到沉積層多次波震相干擾有關(guān)(圖2b).上述觀測表明，單層沉積層比漸變型沉積層對接收函數(shù)H-κ疊加影響更大，且巨厚的沉積層會使H-κ疊加結(jié)果嚴重偏離地殼的真實值.

2.3 殼幔過渡帶對接收函數(shù)H-κ疊加影響

殼幔過渡帶是殼幔物質(zhì)與能量交換的動力邊界，對地殼和地幔的形成與演化以及深層動力過程有著重要作用.已有研究表明，殼幔過渡帶存在三種基本類型(Davydova et al.,1972；滕吉文，2006)：一級間斷面型(尖銳型)，連續(xù)或不連續(xù)的速度梯度帶型(漸變型)，和高、低速相間的薄層束型(倒轉(zhuǎn)型).這三種不同的殼幔過渡帶在世界大陸地區(qū)都存在，比如殼幔過渡帶比較尖銳的中國燕山帶(趙俊猛等，1999)，5～10 km厚漸變型殼幔過渡帶的烏克蘭地盾地區(qū)(Pavlenkova,1988)，倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶的美國猶他山脈和東部盆地地區(qū)(Braile,1977).

復雜的殼幔過渡帶會干擾接收函數(shù)來自Moho面震相的到時與波形信息，進而使H-κ疊加結(jié)果偏離真實值.已有學者通過分析具有漸變型殼幔過渡帶的理論接收函數(shù)H-κ疊加發(fā)現(xiàn)，不同頻率獲得的地殼厚度存在差異(Rumpfhuber et al.,2009).基于上述因素，我們分析了不同性質(zhì)殼幔過渡帶在不同頻率下的理論接收函數(shù)和相應的H-κ疊加結(jié)果(圖3).理論接收函數(shù)表明，殼幔過渡帶主要影響Moho面PpPs多次波波列寬度和振幅信息，且隨著殼幔過渡帶厚度的增加，多次波波列更加復雜(圖3(b,c,d,e)).對具有不同類型殼幔過渡帶的接收函數(shù)進行H-κ疊加發(fā)現(xiàn)，漸變型殼幔過渡帶極值范圍明顯比倒轉(zhuǎn)型范圍大且得到的H幾乎都位于過渡帶內(nèi)，倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶接收函數(shù)H-κ疊加呈現(xiàn)多極值特征.當漸變型殼幔過渡帶厚度為4 km時，H-κ疊加獲得的H隨著頻率增高逐漸靠近過渡帶頂層，κ和模型值差異從～0.6%(G=1.0)增加到～2.6%(G=4.0)；當厚度為8 km時，H-κ疊加獲得的H隨著頻率增高逐漸靠近過渡帶上方，κ和模型值差異不超過1%(圖3f).倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶不同頻率H-κ疊加獲得的H接近過渡帶底層，與模型值最大差異～3.5%，κ和模型值差異不超過1%(圖3f).通過對比地殼模型發(fā)現(xiàn)(圖3a,3f)，倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶H與κ可能對應著過渡帶內(nèi)具有最大波阻抗界面上的地殼結(jié)構(gòu)特征.

圖2 采用高斯系數(shù)為2.0，射線參數(shù)為0.065 s·km-1計算的具有不同沉積結(jié)構(gòu)地殼模型(a,c)的理論接收函數(shù)(b,d)和其H-κ疊加結(jié)果與模型值的差異(e).H-κ疊加給定的初始P波速度和模型值相同.(b,d)中短棒標明Moho震相(Ps，PpPs，PpSs+PsPs)和沉積層震相(s.Ps，s.PpPs)的理論到時Fig.2 Synthetic receiver functions (b,d) for crustal models with different sediment structure (a,c) with a gauss value of 2.0 and ray parameter of 0.065 s·km-1 and the differences between the H-κ stacking results and the real values.The given VP in the H-κ stacking is the same to the value of crustal model.Short bars in (b,d) show the theoretical arrivals of Moho phases (Ps,PpPs,PpSs+PsPs) and sediment phases (s.Ps,s.PpPs)

圖3 采用不同高斯系數(shù)(G)和射線參數(shù)為0.065 s/km計算的具有不同殼幔過渡帶類型地殼模型(a)的理論接收函數(shù)(b,c,d,e)和其H-κ疊加結(jié)果與模型值的差異(f).H-κ疊加給定的初始P波速度和模型值相同.b,c,d,e中短棒標明尖銳型殼幔界面Moho震相的到達時間Fig.3 Synthetic receiver functions (b,c,d,e) for crustal models (a) with different crust-mantle transition with different gauss values and ray parameter of 0.065 s/km and the differences between the H-κ stacking results and the real values (f).The given VP in the H-κ stacking is the same to the value of crustal model.Short bars in (b,c,d,e) show the theoretical arrivals of Moho phases from sharp crust-mantle transition

圖4 采用高斯系數(shù)為2.0和射線參數(shù)為0.065 s·km-1計算的沉積層和殼幔過渡帶共存的地殼模型(a)的理論接收函數(shù)(b)和其H-κ疊加結(jié)果與模型值的差異(c).H-κ疊加給定的初始P波速度和模型值相同.b中短棒標明尖銳型殼幔界面Moho震相的到達時間Fig.4 Synthetic receiver functions (b) for crustal models (a) with coexistence of sediment layer and crust-mantle transition with a gauss value of 2.0 and ray parameter of 0.065 s·km-1 and the differences between the H-κ stacking results and the real values (c).The given VP in the H-κ stacking is the same to the value of crustal model.Short bars in (b) show the theoretical arrivals of Moho phases from sharp crust-mantle transition

圖5 安納托利亞板塊流動臺陣(藍色正方形)和本研究所用地震事件分布(右上角插圖黑點).紅點表示板塊內(nèi)1905到2014年大于5級的地震，數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局.帶白色三角形的黑線標明目前正活躍的俯沖消減帶，帶黑色三角形的黑線標明塊體縫合邊界(Okay and Tüysüz,1999).黑色箭頭表示塊體相對歐亞板塊運動的方向Fig.5 Distribution of temporary array (blue squares) in the Anatolian plate and teleseismic events (solid dots in right inset) used in the study.Red dots show earthquakes with magnitudes >5 from 1905 to 2014 from USGS.Black lines with white triangles show the active subduction zones currently.Black lines with black triangles show the suture boundaries of different blocks (Okay and Tüysüz,1999).The black arrows show the plate movement directions relative to the Eurasian Plate

圖6 YL臺陣單臺所有徑向接收函數(shù)疊加波形和接收函數(shù)數(shù)量分布(a)以及典型臺站的H-κ疊加示意圖(b,c).圖a中細線和粗線分別為本文和Vanacore等(2013)使用的單臺接收函數(shù)數(shù)量.十字叉(b,c)表明最佳地殼厚度和波速比值Fig.6 Stacked receiver function waveforms and number of receiver functions for each station in YL array (a) and receiver functions sorted by back azimuths and H-κ stacking results for representative stations.Thin and thick lines (a) show numbers of selected receiver functions for each station from this study and Vanacore et al.(2013),respectively.Crosses (b,c) represent the best estimates of crustal thickness and VP/VS ratio

2.4 沉積層和殼幔過渡帶共存對接收函數(shù)H-κ疊加影響

第2.2和2.3節(jié)分析表明，2 km和4 km厚的沉積層對接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果影響相對較小，漸變型殼幔過渡帶H-κ疊加的地殼厚度位于殼幔過渡帶內(nèi)而VP/VS和真實值相差不大，倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶的H-κ疊加結(jié)果與模型值差異也不大.在實際地殼結(jié)構(gòu)中，沉積層和殼幔過渡帶可能會同時存在，進而對接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果產(chǎn)生影響.基于上述分析，我們測試了沉積層(2 km和4 km)和漸變以及倒轉(zhuǎn)型過渡帶(6 km)同時存在的接收函數(shù)H-κ疊加響應(圖4).理論接收函數(shù)表明，Moho面轉(zhuǎn)換波和多次反射波都受到沉積層震相或者殼幔過渡帶震相干擾，波形非常復雜.接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果表明，在漸變型殼幔過渡帶和沉積層共存情況下，獲得的H和模型值的差別高于10%，κ和模型值差異大于6%；在倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶和沉積層共存情況下，獲得的H和模型值的差別高于9%，κ和模型值差異大于4%，且隨著沉積層厚度增加差別越大.上述結(jié)果表明，接收函數(shù)H-κ疊加方法不能有效獲得厚的沉積層和殼幔過渡帶共存下的地殼結(jié)構(gòu)信息.

3 中北安納托利亞板塊YL臺陣接收函數(shù)H-κ和波形反演研究

3.1 安納托利亞板塊構(gòu)造背景與YL臺陣介紹

安納托利亞板塊是由多個小陸塊在新生代碰撞拼貼而成(Berberian and King,1981；Pearce et al.,1990;Taymaz et al.,2007)，構(gòu)造和動力學演化特征十分復雜(圖5).東安納托利亞板塊與青藏高原具有類似的構(gòu)造特征和巖漿作用，目前以南北向縮短和東西向伸展為主；中安納托利亞板塊主要受到東西向縮短和南北向拉伸作用；西安納托利亞板塊主要受到南北向拉伸作用(常承法，1986;Taymaz et al.,2007).多期次碰撞俯沖使安納托利亞板塊具有多個縫合帶和復雜的地殼結(jié)構(gòu)，不僅形成了長達1500 km的近東西走向的右旋安納托利亞走滑斷層，還形成了多個大小不等的沉積盆地(Dewey et al.,1986;Taymaz et al.,2007).北安納托利亞斷層自形成后5個百萬年來斷層積累位移達到85 km，地震頻發(fā)，在1973年到2000年發(fā)生過10個6級以上的地震(Taymaz et al.,2007).已有的地質(zhì)地球物理研究表明安納托利亞板塊存在廣泛的可能形成厚殼幔過渡帶的基性-酸性的巖漿(Eyuboglu et al.,2012)，存在局部的各向異性(Peng and Ben-Zion,2004)和小尺度強烈的Moho面深度變化(Vanacore et al.,2013).為了研究北安納托利亞斷層附近地殼結(jié)構(gòu)特征，科研人員在該區(qū)域布設(shè)了流動地震臺陣YL(圖5)，運行時間從2005到2008年.目前，已有學者用接收函數(shù)H-κ疊加方法獲得了該臺陣35個臺站下方的地殼厚度和VP/VS(Vanacore et al.,2013)以及地震層和三維P波速度結(jié)構(gòu)(Yolsal-?evikbilen et al.,2012)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地殼厚度與VP/VS橫向變化強烈，地震層厚度約為15 km且大多數(shù)地震發(fā)生在支鏈上.

3.2 YL臺陣接收函數(shù)H-κ疊加分析

YL臺陣記錄了大量高質(zhì)量的遠震信息，為研究北安納托利亞板塊的地殼結(jié)構(gòu)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).為了和Vanacore等(2013)結(jié)果進行對比，與之相同的參數(shù)被用來計算接收函數(shù)和進行H-κ疊加.我們選取5.5～7.0震級和30°～90°震中距的遠震事件，截取P波到時前20 s和后100 s波形，采用1 Hz的截止頻率和0.2的水平因子，使用最大熵譜反褶積方法計算接收函數(shù)(吳慶舉和曾融生，1998).為確保用高質(zhì)量的接收函數(shù)進行H-κ疊加，我們首先刪除信噪比小于3和Ps震相不清晰或受到明顯干擾的接收函數(shù)，然后將單臺單個接收函數(shù)與所有接收函數(shù)疊加后的波形做互相關(guān)，刪除相關(guān)系數(shù)小于0.6的波形，最后我們再一次人工挑選接收函數(shù).對于挑選后的接收函數(shù)，我們選取VP為6.2 km·s-1，Ps，PpPs和PpSs/PsPs震相加權(quán)值分別為0.5，0.25和0.25來進行接收函數(shù)H-κ疊加搜索.圖6展示了本文最終用到的28個臺站的徑向接收函數(shù)疊加后的波形，以及本文和Vanacore等(2013)接收函數(shù)數(shù)量分布以及兩個典型臺站的H-κ疊加結(jié)果.從圖6a可以看出，幾乎所有臺站Moho面轉(zhuǎn)換震相都較為清晰，但多次波卻不是非常明顯，部分臺站直達P波和Ps轉(zhuǎn)換波之間有震相，個別臺站(DOGL)直達P波受到干擾，表明研究區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)強烈的橫向不均勻性.本文和Vanacore等(2013)使用的單臺接收函數(shù)數(shù)量具有大致的變化趨勢，在個別臺站數(shù)量幾乎一致(比如YESI)，而在某些臺站數(shù)量差別較大(比如YIKI).

圖7展示了YL臺陣下方的地殼厚度與VP/VS以及本文與Vanacore等(2013)結(jié)果的差異.十字叉標明Vanacore等(2013)展示了H-κ疊加結(jié)果，而本文卻沒獲得有效的地殼厚度與VP/VS臺站位置.這些臺站主要分布在具有5～8 km厚的Cank盆地(Taymaz et al.,2007)，接收函數(shù)Moho面Ps震相不清晰或者存在不可分辨的雙極值.本文研究表明，研究區(qū)地殼厚度與VP/VS分別在30 km到42 km和1.65到2.0之間大尺度波動；北安納托利亞斷層兩側(cè)地殼結(jié)構(gòu)變化劇烈，比如臺站KGAC和PELI，地殼厚度和VP/VS變化分別達6 km和0.2；斷層附近VP/VS跳躍大，最小值1.70，比如BEDI，最大值接近2.0，比如INCE.本文和Vanacore等(2013)大的地殼結(jié)構(gòu)差異主要分布在北安納托利亞斷層附近，比如臺站INCE，地殼厚度和VP/VS差分別達到5 km和超過0.1.研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的強烈橫向變化與其是由多個小陸塊和增生楔在新生代拼合而成有關(guān).在斷層局部區(qū)域，高的VP/VS可能與其下方存在破碎巖石、地幔物質(zhì)底侵或者流體有關(guān)；低的VP/VS可能與其下地殼的減薄從而導致石英質(zhì)巖石占主要部分有關(guān).理論接收函數(shù)H-κ疊加分析表明，傾斜Moho(Lombardi et al.,2008;Wang et al.,2010)和各項異性(房立華和吳建平，2009；查小惠等，2013)等復雜的地殼結(jié)構(gòu)會使H-κ疊加結(jié)果隨著不同的方位角存在差異，Moho面傾角超過15°以上下傾方向的結(jié)果會嚴重偏離地殼真實值.我們分析了典型臺站INCE的接收函數(shù)特征和H-κ疊加結(jié)果來探討造成本文和Vanacore等(2013)結(jié)果差異的原因(圖6).對于該臺站，接收函數(shù)波形沒有顯示出傾斜Moho和各向異性具有的周期性和轉(zhuǎn)換震相到時差的特征(Wang et al.,2010)，Vanacore等(2013)和本文用于進行H-κ疊加的接收函數(shù)數(shù)量分別為110和67個，兩者之比為1.65.該臺站接收函數(shù)Moho面PpPs多次波震相一致性較差，且隨著反方位角變化明顯.不同反方位角范圍內(nèi)(0～360°，0～120°，120～200°，200～360°)的H-κ疊加結(jié)果表明，地殼厚度和VP/VS的最大差別分別超過6 km和達到0.15，表明臺站下方地殼結(jié)構(gòu)小尺度的橫向變化.上述分析表明，不同的接收函數(shù)數(shù)量和分布特征可能是造成本文和Vanacore等(2013)H-κ疊加結(jié)果差異大的原因.

Yeck等(2013)通過理論分析和實際數(shù)據(jù)觀測表明，高頻接收函數(shù)H-κ疊加可以獲得沉積層的厚度與VP/VS信息.選取高斯系數(shù)為10和VP為2.2 km·s-1(參考全球地殼模型Crust 1.0，Laske et al.,2013)，我們對YL臺陣進行了接收函數(shù)H-κ疊加.結(jié)果表明，除了DOGL臺站獲得的沉積層厚度為0.9 km之外(圖7e)，其余臺站得到的沉積層厚度都小于0.5 km(圖7f).對于DOGL臺站，0.9 km的沉積層厚度與全球地殼模型Crust 1.0是一致的，沉積層不同震相的理論到時大致對應了最大的能量值，且在G=2.0情況下的直達P震相(圖6a)顯示了與存在1 km厚沉積層的理論接收函數(shù)波形相似的延遲現(xiàn)象特征(圖2b).而對于ALIC等臺站，H-κ疊加結(jié)果的沉積層震相都集中在P波后，其獲得的<0.5 km厚的沉積層有兩種可能性.第一，這些臺站沉積層厚度確實非常薄，與其具有高的海拔與短時間的沉積一致，是本文支持的觀點.第二，這些沉積層H-κ疊加結(jié)果反映的是一種假象.臺站ALIC在2.5 s左右有一個一致的震相且在2 km和4 km附近有一些弱的能量集中區(qū)域，代表真的沉積層結(jié)構(gòu)信息.上述分析表明，在采用簡單的高頻H-κ疊加獲取沉積層信息時，需要先驗沉積層信息來約束H-κ搜索范圍.理論分析表明(圖3)，存在厚殼幔過渡帶的地殼的接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果隨著頻率變化而變化.Wei等(2011)對比鄂爾多斯南側(cè)流動剖面的H-κ疊加結(jié)果和波形反演(Zheng et al.,2009)得到的殼幔過渡帶S波速度結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，H-κ疊加得到的厚度位于殼幔過渡帶速度最大變化處.本文計算了高斯系數(shù)為1.0，2.0，3.0和4.0的接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果(圖7f)，來試圖約束研究區(qū)的殼幔過渡帶結(jié)構(gòu).結(jié)果表明，在高斯系數(shù)為2.0,3.0和4.0情況下，除臺站INSU和KGAC之外，其他臺站地殼厚度差異幾乎不超過1 km；絕大部分臺站(ALIN，KAVA，KGAC，KUZA除外)VP/VS差都不超過0.05.除臺站KAVA，ALIN，BEDI和KUZA外(～3 km)，高斯系數(shù)為1.0得到的地殼厚度與其他頻率的差別普遍不超過2 km.除臺站TEPE，KUZA和KAVA外，高斯系數(shù)為1.0得到的VP/VS與其他頻率的差別普遍在0.1以內(nèi).不同頻率的H-κ疊加獲得的地殼厚度和VP/VS差異表明，研究區(qū)部分臺站下方的殼幔過渡帶不是尖銳型的，存在一定的厚度，這與前人獲得的該地區(qū)7.9～8.0 km·s-1的Pn波速度(Kuleli et al.,2004)和大量的基性-酸性的巖漿分布一致(Eyuboglu et al.,2012)，表明其強烈的殼幔相互作用.

圖7 YL臺陣下方地殼厚度(a)和平均VP/VS(c)，本文與Vanacore等(2013)結(jié)果差(b,d)，高斯系數(shù)為10的典型臺站沉積層的H-κ疊加(e,f)和高斯系數(shù)為1，2，3，4的H-κ疊加結(jié)果(g).灰線(a,b,c,d)為北安納托利亞斷層.紅線(e,f)為H-κ疊加得到的沉積層不同震相的理論到時Fig.7 The distributions of crustal thickness (a) and average VP/VS ratio (c) and the differences of H-κ stacking results between this study and Vanacore et al.(2013) (b,d) beneath the YL array,the H-κ stacking for sediment lay beneath typical stations with a gauss factor of 10 (e,f) and the H-κ stacking resutls for different gauss factor of 1.0,2.0,3.0 and 4.0 (g),respectively.Grey lines (a,b,c,d) show the North Anatolian fault.The red lines (e,d) show the theoretical arrival times of different phases

3.3 YL臺陣接收函數(shù)波形反演分析

中北安納托利亞區(qū)域構(gòu)造復雜，研究其地殼速度分布能為探討其構(gòu)造演化提供有用的信息.上述接收函數(shù)H-κ疊加方法獲得的地殼厚度、平均VP/VS、沉積層和殼幔過渡帶特征為采用波形反演方法反演地殼的速度結(jié)構(gòu)提供了約束.作為對照，接收函數(shù)波形反演獲得的地殼速度模型能用來驗證H-κ疊加結(jié)果的可靠性.Li等(2010)發(fā)展了接收函數(shù)差異演化非線性全局優(yōu)化反演方法，能較好反演4～5層地殼S波速度結(jié)構(gòu)，被Wei等(2016)用來聯(lián)合H-κ方法共同約束四川盆地的地殼結(jié)構(gòu).Li等(2016)進一步發(fā)展了該方法，通過同時擬合不同頻率的接收函數(shù)來約束地殼不同尺度的S波速度結(jié)構(gòu).利用H-κ方法獲得的地殼厚度、VP/VS和研究區(qū)P波層析成像結(jié)果(Vanacore et al.,2013)作為約束，本文通過同時擬合高斯系數(shù)為1.0,2.0,3.0和4.0的接收函數(shù)反演了YL臺陣下方地殼的S波速度結(jié)構(gòu).圖8展示了兩個典型臺站的S波速度反演結(jié)果.從圖中可以看出，在經(jīng)過20000次的運算之后，目標函數(shù)收斂較好(圖8e,8k)，不同頻率段的合成接收函數(shù)與實際資料擬合較好，尤其是Moho面的主要震相.值得注意的是，臺站DOGL反演結(jié)果顯示存在1.4 km厚、S波速度僅為1.71 m·s-1的沉積層，與高頻沉積層H-κ疊加的結(jié)果一致.

圖9展示了研究區(qū)28個臺站下方的S波速度結(jié)構(gòu)分布.圖9b,9c,9d分別為4～8 km，14～18 km和24～28 km內(nèi)平均S波速度(采用GMT軟件中surface命令，網(wǎng)格化數(shù)據(jù)間隔為6′).圖9e,9f為兩條大致與北安納托利亞斷層主鏈平行和垂直的剖面下方地殼的S波速度.結(jié)果表明，研究區(qū)地殼不同深度都存在強烈的小尺度的S波速度變化.在中下地殼(圖9c，9d)，研究區(qū)斷層中部附近(臺站TEPE,ARSL,ISKE,DUMA,KARA等)顯示出相對高速的特征，速度主要在3.9～4.0 km·s-1范圍內(nèi)變化；在斷層右下方區(qū)域(KUZA,BAGB,CAKM)則顯示出相對較低的速度特征，速度主要分布范圍為3.2～3.7 km·s-1.平行斷層走向的剖面(圖9e)顯示，臺站KGAC和KARA下方存在從20 km直到Moho面的高速體異常，而臺站KUZA,BAGB,CAKM下方中下地殼速度明顯偏低，高速體和低速體速度差異達到10%；垂直斷層走向的剖面(圖9f)下方大部分區(qū)域在20 km深度附近存在高速異常，最高速度達到3.8 km·s-1，這種異常在臺站DUMA下方直接延伸到上地幔頂部，而其周邊臺站CALT和DERE中下地殼速度明顯要低.地質(zhì)學研究認為安納托利亞板塊是隨著新特提斯洋閉合，由多個古老小陸塊拼合而成的(Berberian and King,1981；Pearce et al.,1990;Taymaz et al.,2007).區(qū)域P波層析成像(Yolsal-?evikbilen et al.,2012)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地殼存在局部的P波高速物質(zhì)，并推測這些異常體可能代表古老陸塊的殘留.本文觀測到的研究區(qū)局部的中下地殼高速體和Yolsal-?evikbilen等(2012)P波高速體異常位置一致，支持我們觀測到的S波高速異常區(qū)域可能是古老陸塊殘留體的推測.

3.4 復雜地殼結(jié)構(gòu)接收函數(shù)H-κ疊加分析

上述理論計算和實際資料分析表明，在存在沉積層和厚的殼幔過渡帶等復雜結(jié)構(gòu)地區(qū)，采用接收函數(shù)H-κ疊加方法求取地殼厚度與VP/VS時，需要非常謹慎.在做H-κ疊加之前，需要仔細分析接收函數(shù)不同震相波形的特征，比如直達P波的延遲性，其與Moho面Ps震相之間的復雜性，多次波震相波列結(jié)構(gòu)和頻譜特征，并基于已有的地質(zhì)和地球物理資料大致判斷臺站下方是否具有沉積層或者厚的過渡帶等，刪除Moho面Ps震相受到嚴重干擾且轉(zhuǎn)換波和多次波一致性較差的接收函數(shù).除此外，還需分析接收函數(shù)隨方位角或者震中距的變化特征，大致判斷臺站下方Moho面的分布狀態(tài).在進行H-κ疊加時，利用已有的地質(zhì)和地球物理結(jié)果作為先驗資料，聯(lián)合其他地震學方法，約束地殼厚度與平均VP/VS，刪除具有不可分辨的多極值的臺站，對接收函數(shù)隨方位角變化劇烈的臺站分不同的方位角范圍進行疊加等是十分有必要的.

圖8 典型臺站多頻接收函數(shù)波形反演示意圖圖(a,b,c,d,g,h,i,j)中紅色為擬合的接收函數(shù)，灰色為實際數(shù)據(jù).(e,k)為反演資料與實際數(shù)據(jù)的擬合程度.(f,l)為反演的速度模型，其中黑色實線為初始模型，虛線為最終反演結(jié)果.Fig.8 Schematic diagrams for multiple frequency waveform inversion of receiver functions for representative stationsGrey and red lines (a,b,c,d,g,h,i,j) denote the real and recovered receiver functions,respectively.Panels e and k show objective function decreasing with iteration increasing.Panels f and l show the recovered S-wave velocity models,where black lines show the initial models and dashed lines show the last models.

圖9 YL臺陣下方S波速度結(jié)構(gòu)圖(b,c,d)為不同深度范圍的平均S波速度;(e,f)為a中兩條典型剖面下方的S波速度分布.十字叉代表臺站位置.Fig.9 S-wave velocity distribution beneath the YL array Panels b,c and d show the average S-wave velocity in different depth range in the study region. Panels e and f show the crustal S-velocity along two typical profiles in a.Crosses show the station location.

4 結(jié)論

本文理論計算了具有不同沉積層和殼幔過渡帶結(jié)構(gòu)地殼的接收函數(shù)，并進一步分析其對H-κ疊加的影響.結(jié)果表明：沉積層的存在會增加接收函數(shù)Moho面轉(zhuǎn)換波和多次反射震相的到時且有可能干擾Moho面的Ps波震相；殼幔過渡帶的存在主要影響Moho面多次波震相的到時和波形；>6 km厚的沉積層會導致接收函數(shù)H-κ疊加的地殼厚度與VP/VS誤差都大于3%；漸變型殼幔過渡帶會導致H-κ疊加的地殼厚度位于殼幔過渡帶之間，并且隨著頻率增高逐漸靠近過渡帶上方；倒轉(zhuǎn)型殼幔過渡帶會導致H-κ疊加結(jié)果出現(xiàn)多極值現(xiàn)象，其結(jié)果可能對應著過渡帶內(nèi)具有最大波阻抗界面上的地殼結(jié)構(gòu)特征；沉積層和厚的殼幔過渡帶共存時會導致H-κ疊加方法失效.

我們采用接收函數(shù)H-κ疊加和波形反演方法獲得了中北安納托利亞板塊YL臺陣下方的地殼厚度、VP/VS和S波速度結(jié)構(gòu)信息.接收函數(shù)H-κ疊加不同參數(shù)理論分析表明1 km·s-1的VP變化會產(chǎn)生7 km的地殼厚度差異，而對VP/VS的影響較小，不同加權(quán)系數(shù)對H-κ疊加結(jié)果影響較小.本文與Vanacore等(2013)H-κ結(jié)果的差異主要來自不同的接收函數(shù)數(shù)量以及分布特征.中北安納托利亞地區(qū)地殼厚度、VP/VS和S波速度具有強烈的橫向不均勻性，大部分臺站上方的沉積層厚度比較薄，少數(shù)臺站殼幔過渡帶相對較厚，與研究區(qū)年輕的構(gòu)造演化和沉積歷史以及強烈的殼幔相互作用一致.沿斷層附近區(qū)域部分臺站下方波速比超過1.9，暗示可能存在地幔物質(zhì)底侵或者局部流體.斷層兩側(cè)大的地殼厚度差，表明其可能是穿透地殼的大型斷層.北安納托利亞地區(qū)局部中下地殼的高速異常體可能代表著古老陸塊的殘留.

致謝 感謝IRIS數(shù)據(jù)中心提供YL臺陣地震事件波形數(shù)據(jù)，感謝兩位匿名審稿專家的建設(shè)性意見.

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(本文編輯 胡素芳)

Analysis of H-κ stacking of receiver functions beneath crust with complex structure:taking the Anatolia Plate as an example

WEI Zi-Gen1,CHU Ri-Sheng1*,CHEN Ling2,3,CHONG Jia-Jun1,LI Zhi-Wei1

1 State Key Laboratory of Geodesy and Earth′s Dynamics,Institute of Geodesy and Geophysics,Wuhan 430077,China2 State Key Laboratory of Lithospheric Evolution,Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China3 Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences,Beijing 100101,China

We calculated the synthetic receiver functions and their H-κstacking results for crust with different sediments and crust-mantle transition zones,and then inverted the crustal thickness (H) and VP/VSratio (κ) and S-wave velocity beneath the Anatolia plate with complex tectonic evolution history by H-κstacking and waveform inversion of receiver functions.The synthetic tests show:H-κstacking method is invalid in cases of existence of thick sediment or coexistence of sediment and crust-mantle transition zone;H obtained by H-κstacking is located in the transition zone and close to the top of transition zone with the increase of frequency in gradual crust-mantle transition zone;multiple extreme values exist in the H-κstacking and the last result is probably related to the crustal structure above the biggest wave impedance interface for inverted crust-mantle transition zone;the change of 1 km·s-1of P velocity results in 7 km variation of H but has little impact onκ.The real data analysis show:prominent lateral inhomogeneity in H and k and S-wave velocity were observed beneath the north Anatolian plate,with sediment of <0.5 km thick in most of the region and >3 km thick crust-mantle transition zone in local area;the north Anatolia fault extends to the mantle with existence of fluid in local area;residual old blocks may exist in the crust of the study region.Based on this study,we propose that the careful analysis of the waveform and changing trend along the azimuth of the receiver functions and the combination with other seismic methods can help to obtain reliable structural information for crust with complex structure by the H-κstacking method.

H-κstacking of receiver functions;Waveform inversion;Sediment;Crust-mantle transition zone;Anatolia plate

危自根，儲日升，陳凌等.2016.復雜地殼接收函數(shù)H-κ疊加——以安納托利亞板塊為例.地球物理學報，59(11):4048-4062,

10.6038/cjg20161110.

Wei Z G,Chu R S,Chen L,et al.2016.Analysis of H-κstacking of receiver functions beneath crust with complex structure:taking the Anatolia Plate as an example.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):4048-4062,doi:10.6038/cjg20161110.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB733203)，國家自然科學基金項目(41225016,41604056)和大地測量與地球動力學國家重點實驗室自主課題(Y509169216)資助.

危自根，男，副研究員，主要從事殼幔結(jié)構(gòu)研究.E-mail:weizigen@whigg.ac.cn

*通訊作者 儲日升，男，研究員，主要從事地震學研究.Email:chur@asch.whigg.ac.cn

10.6038/cjg20161110

P315

2016-06-08，2016-08-29收修定稿