依舒斷裂帶北段莫霍面特征與泊松比

李大偉 教智浡 胡寶慧

（中國黑龍江 154100 鶴崗地震臺）

0 引言

伊舒斷裂帶是郯城—廬江斷裂帶北延段進入黑龍江省以后的一個分支，大體NNE走向，從松遼盆地與三江盆地之間穿過，并沿著走向一直延展到俄羅斯境內(nèi)。大多研究者認為，該斷裂是由太平洋板塊俯沖變化所形成的，在中生代時期其主要構(gòu)造運動方式為以EW向拉張形成近SN向裂陷，其間也存在著太平洋板塊俯沖引起的斷裂帶兩側(cè)持續(xù)擠壓作用（陳洪洲等，2001）；在新生代時期，斷裂帶則以走滑拉分運動方式為主（許浚遠，1997）。本文研究區(qū)域是伊舒斷裂帶北段，即依蘭—蘿北一段（朱玉瑛等，1991）。歷史上，該區(qū)域多次發(fā)生較大震級地震，其中，1963年6月21日蘿北發(fā)生5.8級地震；1964年3月29日在蘿北再次發(fā)生4.3 級地震；自1975年黑龍江省地震臺網(wǎng)建成起，該區(qū)域發(fā)生4級以下地震200多次，1990年靠近蘿北的俄羅斯境內(nèi)又發(fā)生5.1級地震。因此，該區(qū)域已被劃入黑龍江省地震跟蹤監(jiān)測重點區(qū)域之一（吳寶峰等，2012，2015）。

利用伊舒斷裂帶北段4個固定地震臺站記錄到的遠震事件波形，采用頻率域反褶積方法提取P波接收函數(shù)，采用H—κ疊加方法獲得研究區(qū)域的莫霍面結(jié)構(gòu)特點及殼內(nèi)物質(zhì)泊松比分布，以期為進一步確定殼內(nèi)物質(zhì)，探討該區(qū)域孕震機理、動力學(xué)模式提供可靠的地球物理學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 接收函數(shù)提取方法

三分量地震計記錄到的遠震事件時間序列，在不考慮背景噪聲的情況下，主要由震源時間函數(shù)、射線傳播路徑、地震計本身的儀器響應(yīng)等決定（Phinney，1964），所以，遠震P波在時間域中地表位移卷積表達式為

其中，DV(t)、DR(t)、DT(t)分別為垂直、徑向和切向3個分量的波形記錄；t為時間；I(t)為儀器響應(yīng)；S(t)為震源時t間函數(shù)；E(t)為臺站下方介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。再利用“等效震源假設(shè)”假定（Langston，1979），臺站下方介質(zhì)對遠震P波垂直分量在時間域記錄中沒有影響，介質(zhì)響應(yīng)可簡單地看作1個狄拉克函數(shù)

將式（2）代入式（1）中的遠震P波垂直向分量記錄卷積表達式中，可得

即DV(t)可理解為因近似遠震平面P波垂直入射，所以P波垂直向分量記錄不受介質(zhì)響應(yīng)的影響，將式（3）代入式（1）中的徑向、切向分量記錄表達式中得到

將式（4）進行傅里葉變換，將時間域上的遠震P波徑向、切向分量記錄轉(zhuǎn)換到頻率域，再應(yīng)用卷積定理可得到

再將式（5）進行傅里葉逆變換，變換到時間域上，最終得到介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)在時間域上的遠震P波徑向、切向接收函數(shù)。

1.2 莫霍面深度、泊松比的計算

當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^莫霍界面進行傳播時，由于兩側(cè)介質(zhì)波速不同，P波部分能量會轉(zhuǎn)換成S波進行傳播，甚至?xí)霈F(xiàn)自由表面與莫霍面之間多次轉(zhuǎn)換和反射。利用上述震相與直達P波的到時差計算莫霍面深度的公式為

其中，tPs、tPpPs、tPpSs+PsPs分別為這些震相相對于直達P波的到時差；H為莫霍面深度；vP、vS分別為P、S波在地殼中平均速度；p為射線參數(shù)。當(dāng)給定射線參數(shù)值時，到時差也可以從接收函數(shù)上得到，因此，式（6）可以理解為莫霍面深度與縱波、橫波波速比（κ=vP/vS）之間的關(guān)系式。

實際上，直接從接收函數(shù)上獲取轉(zhuǎn)換波與多次反射波到時是非常困難的。采用H—κ疊加方法（Zhu et al，2000）來求得莫霍面深度和地殼內(nèi)波速比。給出地殼內(nèi)縱波平均速度，再給定莫霍面深度H和波速比κ取值范圍，將掃描到的H和κ值代入式（6）算出各個震相相對于直達P波的到時差，同時可得到在接收函數(shù)上各個震相對應(yīng)振幅的大小，再將每個震相振幅按照以下目標(biāo)函數(shù)進行疊加

其中，r(t)為徑向接收函數(shù)；ω1、ω2、ω3為震相振幅疊加權(quán)重系數(shù)，并且滿足絕對值相加等于1。式（7）取得最大值，也就是震相疊加后的能量最大值，說明每一個震相的到時與實際到時是對應(yīng)的，此時得到的地殼厚度H和波速比κ也接近真實值的最佳結(jié)果（張寶文等，2015）。最后，根據(jù)波速比推算出泊松比，其關(guān)系式為

2 觀測資料的選取與處理

選取位于伊舒斷裂帶北段的蘿北地震臺（LBE）、鶴崗地震臺（HEG）、佳木斯地震臺（JMS）、雙鴨山地震臺（SYS）記錄到的，2017年1月至2018年9月面波震級大于5.5，震中距為30°—90°的遠震地震事件。從中挑選P波初動清晰、信噪比較高的事件，最終挑選得到261個地震事件（圖1）。由圖1可見，所選地震事件的震中位置相對研究區(qū)域臺站的反方位角有較好的覆蓋。利用SAC軟件截取各個臺站地震記錄P波到時前10 s到后80 s共90 s的波形數(shù)據(jù)，同時完成去儀器響應(yīng)、去趨勢、去均值、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；然后，運用頻率域反卷積的方法提取所有遠震事件的P波徑向接收函數(shù)。計算過程中，選擇不同參數(shù)進行測試后，高斯濾波系數(shù)選取1.0，水準(zhǔn)量選取0.01（呂睿等，2016）。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)臺站（a）與遠震事件分布（b）Fig.1 Distribution of seismic stations (a) and teleseismic events used in the study (b)

在利用H—κ疊加方法計算莫霍面深度和波速比時，結(jié)合楊寶?。?999）的人工地震剖面測深結(jié)果進行分析，得出給定地殼內(nèi)P波平均速度為6.3 km/s時最合理；莫霍面深度H和波速比κ搜素范圍分別設(shè)定為20—60 km和1.5—2.0，且H和κ的搜索步長分別為 0.1 km和0.01。根據(jù)實際接收函數(shù)波形，最優(yōu)振幅加權(quán)系數(shù)分別給定為0.7、0.2、0.1。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過前文所述的數(shù)據(jù)處理流程后，得到伊舒斷裂帶北段區(qū)域內(nèi)4個固定地震臺站下方莫霍面深度及泊松比，并將其與張廣成（2012）研究結(jié)果進行對比（表1）。

表1 與張廣成（2012）研究結(jié)果對比Table 1 The comparison with previous research results

從表1可見，2種方法所得的莫霍面深度，雙鴨山地震臺臺（SYS）的相差9.0 km，蘿北地震臺（LBE）的相差1.5 km，均在誤差范圍內(nèi)，其他臺站的莫霍面深度無太大差別。2種方法所得的波速比，相對其他臺的差異，鶴崗地震臺（HEG）差異較大，雙鴨山地震臺差異較小。為了探究其原因，再將2個臺的徑向接收函數(shù)按照反方位角從小到大排列（圖2）。從圖2可見，鶴崗地震臺（HEG）反方位角大于180°時，即P波從臺站西側(cè)入射時，在約2.8 s處有1個明顯波峰，利用反方位角小于180°的接收函數(shù)再進行計算，得到莫霍面深度為32 km，波速比為1.642；雙鴨山地震臺（SYS）在反方位角為120°—280°、大致方向為WN—ES向時，在3.0—4.8 s之間有明顯的震相疊加。在雙鴨山地震臺（SYS）觀測到的現(xiàn)象與張廣成（2012）的結(jié)果相似，符合其提出的雙莫霍界面結(jié)構(gòu)的推測。

圖2 鶴崗地震臺、雙鴨山地震臺按反方位角排列的徑向接收函數(shù)（a）鶴崗地震臺；（b）雙鴨山地震臺Fig.2 Radial receiver functions of HEG and SYS stations arranged in back azimuth

根據(jù)上述討論，推測了鶴崗地震臺（HEG）、雙鴨山地震臺（SYS）下方簡單的莫霍界面結(jié)構(gòu)模型（圖3）。鶴崗地震臺下方西側(cè)莫霍面深度為34 km，而且上方大約6 km處還存在1個速度間斷面，其東側(cè)的莫霍面深度為32 km；而雙鴨山地震臺WN—ES方向上，莫霍面出現(xiàn)了錯斷層疊，有了一定的厚度，造成本文計算所得雙鴨山地震臺莫霍面深度與前人結(jié)果不同。

圖3 鶴崗地震臺（HEG）、雙鴨山地震臺（SYS）莫霍界面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of Moho beneath HEG and SYS stations

泊松比對巖石組成成分的變化非常敏感，因此泊松比的大小及變化常用來推斷地殼（尤其是下地殼）物質(zhì)成分組成及運動演變過程。一般認為，低泊松比值（σ＜0.26）代表地殼中長英質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)居多；中間值（0.26≤σ≤0.28）代表地殼物質(zhì)中長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)礦物的含量相當(dāng)?shù)闹虚g型；高泊松比值（σ＞0.28）代表鐵鎂質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)構(gòu)造（Holbrook et al，1992）。伊舒斷裂帶北段區(qū)域內(nèi)4個固定地震臺站泊松比為0.266—0.277，屬于中間值，說明臺站下方地殼物質(zhì)巖性為長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)含量相當(dāng)?shù)闹虚g型。因此推測，由于太平洋板塊俯沖作用，伊舒斷裂帶北段長期處于強烈持續(xù)擠壓狀態(tài)，造成深切地殼的斷裂帶兩側(cè)巖石破碎，應(yīng)力得到了釋放，上地幔物質(zhì)上涌到下地殼中，甚至可能在下地殼中以部分熔融狀態(tài)存在，致使該斷裂帶附近的臺站下方地殼增厚，泊松比增大，這也說明了伊舒斷裂帶北段是一個地震活動性較強的大規(guī)模巖石圈破裂區(qū)。

4 結(jié)論

選取伊舒斷裂帶北段4個地震臺記錄到的震中距為30°—90°、面波震級大于5.5的遠震地震事件，提取P波徑向接收函數(shù)；再采用H—κ疊加方法計算各臺站下方的莫霍面深度和泊松比。得到以下結(jié)論。

（1）各臺站接收函數(shù)信噪比較高，關(guān)鍵震相清晰，反演得到的莫霍面深度及泊松比結(jié)果精確可靠。

（2）除雙鴨山地震臺外，其他臺站莫霍面較深，大于全球平均的33 km；且雙鴨山地震臺接收函數(shù)波形上有莫霍面錯斷疊置的結(jié)構(gòu)發(fā)生，鶴崗地震臺西側(cè)莫霍面上方存在1個明顯的速度間斷面。

（3）各臺站下方泊松比較高，為0.266—0.277；地殼較厚，泊松比值較高，反映了上地幔鐵鎂物質(zhì)上涌到下地殼中。

（4）莫霍面結(jié)構(gòu)與泊松比值的特點也驗證了在太平洋板塊俯沖作用的影響下塊體間的擠壓致使研究區(qū)域存在復(fù)雜的構(gòu)造背景。