利用接收函數(shù)研究太行山前斷裂南部地區(qū)地殼厚度

陳 睿閆俊崗閆 楷萬 娜張予川

1）中國湖北430074中國地質大學（武漢）

2）中國鄭州450016河南省地震局

3）中國河北056006邯鄲中心地震臺

利用接收函數(shù)研究太行山前斷裂南部地區(qū)地殼厚度

陳 睿1），2）閆俊崗3）閆 楷2）萬 娜2）張予川2）

1）中國湖北430074中國地質大學（武漢）

2）中國鄭州450016河南省地震局

3）中國河北056006邯鄲中心地震臺

利用太行山前斷裂南部地區(qū)寬頻帶數(shù)字化地震臺站的遠震體波記錄，采用頻率域反褶積方法提取接收函數(shù)，由H—Kappa疊加方法反演得到各臺站下方地殼厚度和泊松比。結果顯示： ①該區(qū)域地殼厚度分布為西部較厚，東部較薄，莫霍面呈小角度向西傾斜。西部長治盆地地殼厚度40.2km，東部平原地區(qū)地殼較薄，厚度31.8km，地殼變化落差約9km；②在太行山與平原交接地帶，特別是沿太行山弧形分布的主峰外緣，即一級夷平面和二級夷平面的分界線附近地殼厚度變化較快；③接收函數(shù)反演的地殼厚度與人工地震測深結果吻合，太行山隆起區(qū)地殼變厚，湯陰地塹地殼變薄，內黃隆起地殼變厚，表明深部莫霍面或上地幔的隆起、凹陷與地面起伏呈鏡像對稱；④區(qū)域內泊松比值變化不大，約0.23—0.27，表明該地區(qū)地下介質主要由中酸性巖組成，與較大范圍的花崗巖分布有關，石英、長石含量高。

接收函數(shù)；地殼厚度；H—Kappa；疊加

0 引言

太行山山前斷裂帶位于太行山脈與華北平原的過渡地帶，北起北京懷柔附近，向南經房山和河北省的淶水、保定、石家莊、邢臺、邯鄲及河南省的安陽、湯陰至新鄉(xiāng)，總體呈NE—NNE向展布，全長約620km，是華北及中國東部地區(qū)的一條重要構造帶（徐杰等，2000）。本文主要研究太行山前斷裂帶南部地區(qū)，研究區(qū)域范圍為35°00′—36°54′N，113°00′—115°00′E，主要地質構造包括邯鄲—安陽段和安陽—新鄉(xiāng)段。

邯鄲—安陽段主要是邯鄲斷裂南段。邯鄲斷裂帶北起邢臺以北，南至安陽南斷裂，長130km，由梧東、雙西和邯鄲斷裂組成。邯鄲斷裂是其主干斷裂，總體走向NE10°—20°，傾向SEE，傾角一般40°—60°，正斷裂性質。此斷裂中、新生代有明顯活動，據(jù)石油地質勘探資料（石油物探局地質研究院，1991），南段與臨漳斷裂一起控制邯鄲中、新生代凹陷的發(fā)育。邯鄲凹陷為雙側斷陷，堆積厚1 000 m的上侏羅統(tǒng)和白堊系，下第三系厚1 900 m。

安陽—新鄉(xiāng)段為湯西和湯東斷裂及其控制的湯陰凹陷。湯東斷裂、湯西斷裂近平行分布于太行山山前斷裂帶南段，正斷裂性質，共同控制湯陰凹陷的發(fā)育。湯西斷裂走向NE30°，傾向SEE，長約70km。該斷裂南段早第三紀活動強烈，湯陰凹陷的汲縣洼陷靠近斷裂下降盤一側，下第三系厚3 000 m。晚第三紀斷裂有過強烈活動，控制了千余米厚的上第三系沉積。湯東斷裂走向NE30°，傾向NWW，長90多千米。斷裂下降盤湯陰洼陷堆積厚2 800 m的下第三系，上第三系厚700余米。

該地區(qū)地震活動相對頻繁，歷史記載的最大破壞性地震是1830年6月12日河北磁縣71/2級地震；1970年以來現(xiàn)代地震記錄顯示，磁縣、林州地震活動相對密集，呈團簇狀分布。綜合認為，該區(qū)域發(fā)震構造集中，地震危險性較高，進行地殼深部構造特征研究對于認識該地區(qū)發(fā)震機制具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 資料選取

研究區(qū)域位于河南、山西、河北交界地區(qū)，分布11個數(shù)字化測震臺站（圖1，表1）。地震臺站經“九五”、“十五”數(shù)字化改造，主要利用8個寬頻帶地震儀（頻帶寬度 60 s，采樣率100次/s）記錄的地震事件進行地殼深度反演。因此，安陽臺（AN）、臨漳臺（LZT）和延津臺（YJ）的地震記錄不參與反演計算。

表1 地震臺站參數(shù)Table1 The parameter of the stations

選取2009年1月至2012年9月發(fā)生的695個5.5級以上遠震，震中距30°—90°（在遠場條件下，臺站下方體波入射角較小，可以看作近似垂直入射地震臺站下方），篩選65個均勻分布于研究區(qū)的地震事件（圖2），進行接收函數(shù)反演計算。

圖1 區(qū)域地質構造及臺站分布Fig.1 The regional geological structure and the distribution of the stations

圖2 地震事件分布Fig.2 Epicenter distribution of the earthquakes

1.2 接收函數(shù)分析

接收函數(shù)方法最早由 Phinney提出，目的是用遠震體波研究臺站下方地殼及上地幔結構。接收函數(shù)不依賴臺站密度和空間分布，適用于臺站稀疏區(qū)域，可用遠震數(shù)據(jù)反演臺站下方地殼結構，有效解決某些地區(qū)地震較少而無法用近震震相進行反演的問題。遠震體波徑向接收函數(shù)反演法是地震研究的一個重要方法，在研究地殼上地幔結構中得到廣泛應用（Owens J et al，1984；Ammon C J et al，1990； Langston C A，1997； Rai S S et al，2003），中國學者也取得一定成果（劉啟元等，1997，2000；吳慶舉等，1998；徐鳴潔等，2005）。

1.3 方法和原理

根據(jù)選取的遠震事件，在臺站記錄中截取P波前50 s及后200 s波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)一般是SEED格式，由于計算程序使用SAC格式文件，需進行數(shù)據(jù)格式轉換，并在頭文件中寫入事件信息。

將直角坐標系下原始波形數(shù)據(jù)旋轉變換為極坐標系，根據(jù)臺站相對地震的方位角φ，對水平記錄的NS和EW向利用公式（1）進行轉換，將地震觀測波形變換到徑向R和切向T（胡家福等，2003）。

式中，φ為相對于震中的方位角；CN和CE分別為臺站記錄的NS向和EW向地震觀測原始波形，CR和CT分別為徑向R和切向T上的相應地震觀測波形。

采用時間域迭代反褶積方法進行接收函數(shù)提取，求解徑向和切向分量的接收函數(shù)。以徑向分量為例進行說明：ER=t，求解方程最小值。DR（t）為臺站記錄遠震波形數(shù)據(jù)的徑向分量，DT（t）為切向分量，DV（t）為垂直分量；DV（t）*ER（t）為不斷迭代更新的接收函數(shù)與觀測垂直分量地震圖的褶積（Li X Q and Nabelek J K，1999；Langston C A and Hammer J K，2001）。

進行接收函數(shù)的H—Kappa迭代搜索，對于一維水平單層地殼模型，當給定地殼內介質中P波和S波的平均速度vP和vS，由公式（2）即可求得地殼厚度H。式中tPs表示vS震相相對于初至P波的到時差，p為入射P波參數(shù)。

該方法需要解決莫霍面深度與波速比之間存在的折中問題。

莫霍面多次反射轉換波攜帶更多約束信息，聯(lián)合利用莫霍面多次反射轉換波震相（PpSs，PpSs+PpSs）與初至P波到時差，可以有效獲得臺站下方的地殼厚度H和波速比。

因此，Zhu 等（2000）綜合利用莫霍面一次轉換震相Ps及多次轉換震相（PpSs，PsSs+PpSs）疊加搜索能量最大值方法，確定地殼厚度（H）和縱橫波速比（κ），具體公式為，其中r（t）為徑向接收函數(shù)的振幅，t1、t2、t3分別表示Ps、Pp Ss、PsSs+PpSs震相在預測地殼厚度H和 vP/vS條件下對應的到時。ωt為Ps、PpSs、Ps Ss+PpSs震相的權重系數(shù)，Σωi=1。利用網格搜索方法可以確定函數(shù)r（H，κ）的最大值及相應地殼厚度H和平均地殼介質波速比κ，通過公式（3），可獲得相應的平均地殼介質泊松比σ。

對較好的臺站進行疊加，每個臺站參與疊加分析的接收函數(shù)不少于30個，大部分臺站的接收函數(shù)顯示比較清晰的多次波，地殼厚度疊加過程中，地殼厚度H取25—45km，κ取1.5—3.0。

2 計算結果

對選取的65個遠震事件1 452條地震記錄分析篩選，獲得301個接收函數(shù)，臺站方位角徑向接收函數(shù)見圖3，用H—Kappa方法反演，得到臺站下方地殼厚度和波速比（表2，圖4）。

圖3 地震臺站下方接收函數(shù)及H—Kappa反演結果（a）CHZ；（b）HSTFig.3 The receiver function under the station and the H-Kappa inversion results of the stations

3 分析

研究區(qū)域位于華北斷塊區(qū)二級構造單元太行山斷塊。由于中生代燕山運動和新生代喜山運動共同作用，以太行山東麓斷裂為界，西部是整體隆起區(qū)，東部為相對下沉區(qū)，形成華北斷塊區(qū)西高東低的地貌特征（劉堯興等，2000）。

（1）區(qū)域內地殼厚度分布總體趨勢是西部較厚，東部較薄，莫霍面總體呈小角度向西傾斜。西部長治盆地地殼厚度為40.2km，東部平原地區(qū)地殼較薄為31.8km，地殼變化落差約9km。

（2）在太行山與平原交接地帶，特別是沿太行山弧形分布的主峰外緣，即一級夷平面和二級夷平面的分界線附近，地殼厚度變化較快（劉堯興等，2000）。接收函數(shù)反演地殼深度結果顯示，林州盆地底部地殼厚度相對較薄（33.1km），盆地邊緣地殼逐漸變厚，東部邊緣地殼深度變化較小（34.3km），向西莫霍面快速變陡；沿林州—長治一線，地殼變化梯度為111 m/km；焦作—衛(wèi)輝一線地殼變化梯度較大，地表25km距離地殼深度變化約2.6km，地殼變化梯度為104 m/km。

圖4 地震臺下方地殼厚度和波速比分布Fig.4 The crustal thickness and the wave velocity ratio distribution of the stations

表2 地震臺下方地殼厚度和波速比結果Table2 The crustal thickness and the wave velocityratio of the stations

焦作—衛(wèi)輝—林州一線是太行山隆起邊緣，南部有薄壁斷裂，北部是林州斷裂，薄壁斷裂（北段）上新世活動劇烈，到早、中更新世時，斷裂活動性仍較強烈，但自北而南活動性逐漸減小，晚更新世以后，斷裂垂直活動不明顯。林州斷裂是林州盆地的西部邊界斷裂，西盤（下盤）由太古界、下古生界地層組成高聳的太行山脈，標高可達 1.2—1.6km，東盤（上盤）為下降盤。林州斷裂有一個近 2 000 m 寬的破碎帶，電阻率測深、激發(fā)極化測深和鉆孔資料表明，寬大的破碎帶除斷層角礫外，均被紅色粘土充填，該斷裂最新活動時代為早、中更新世（劉堯興等，1987）。

（3）接收函數(shù)反演的地殼深度與人工地震測深結果吻合。中國地震局地球物理勘探中心曾在該區(qū)域布設一條人工地震測深剖面（劉堯興等，2000），東起山東省巨野縣，經河南濮陽市、湯陰、林州至山西省平順、屯留縣，全長436km，方位角294°50′（圖5），由圖5可見，太行山隆起區(qū)地殼變厚，湯陰地塹地殼變薄，內黃隆起地殼變厚，表明深部莫霍面或上地幔的隆起、凹陷與地面起伏呈鏡像對稱（劉堯興等，2000）。

圖5 菏澤—林州—長治綜合剖面Fig.5 The comprehensive profile of Changzhi - Linzhou - Changzhi

將長治（CHZ）、林州（LZH）、河順（HST）臺和浚縣臺（XX）的莫霍面深度投影到人工地震勘測的地殼深度剖面上，發(fā)現(xiàn)其與人工地震勘測的莫霍面深度比較吻合（圖5），表明該區(qū)域地殼梯度帶主要遞進方向為由東向西，同時證明該方法計算的莫霍面深度可以對人工地震測深結果進行約束。

（4）大陸地殼的巖石成分可以劃分為酸性、中性、基性及富含流體的空隙/破裂或者部分熔融，對應泊松比分別為σ＜ 0.26、0.26≤σ＜0.28、0.28≤σ＜0.30及σ≥0.30。區(qū)域內泊松比值變化不大，數(shù)值范圍為0.23—0.27，表明該地區(qū)主要由中酸性巖組成。區(qū)域東北部永年臺（YON）及多數(shù)臺站泊松比值為0.23—0.25，與較大范圍的花崗巖分布有關，主要是石英、長石含量高。焦作臺（JZ）、涉縣臺（SXT）、浚縣臺（XX）泊松比值為0.26—0.27，表明長英質和鐵鎂質成分含量相當。作為渤海灣盆地西界的太行山山前斷裂帶基本發(fā)育于上地殼拆離滑脫構造，類似于美國盆地——山脈省的構造特點：拆離斷裂往往不具穿殼性，而是置根于中、下地殼（Allmendinger R W et al，1987），但在斷裂下盤會產生一些高角度的開斷裂，成為巖漿通道和巖墻侵入場所。

4 結束語

利用遠震地震波接收函數(shù)對太行山前斷裂帶南段的地殼結構進行反演，所得地殼厚度和泊松比與該區(qū)域地質環(huán)境一致性較好。由于受到臺站分布位置的局限，獲取的地殼厚度和泊松比數(shù)據(jù)還不能詳細反映該地區(qū)地殼結構，有待深入探討。地殼厚度和泊松比參數(shù)對于分析地殼深處的地質演化過程、淺部的地質構造類型以及探究地殼物質成分具有重要作用；其自身梯度變化特征與地震構造帶內地震活動的密切關聯(lián)，為區(qū)域中強地震危險性分析提供了判定依據(jù)。該研究方法已獲得很多學者認可，豐富且高質量的地殼厚度和泊松比研究成果將為地學研究、地震預報研究工作奠定堅實的基礎。

本研究使用朱露培博士的反演程序，在此表示感謝。感謝朱元清教授、劉堯興研究員、王俊斐老師等給予的指導和幫助，感謝審稿專家提出的寶貴意見。

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Study on the crustal thickness in the south of the piedmont fault zone of Taihang mountains by teleseismic receiver function

Chen Rui1），2），Yan Jungang3），Yan Kai2），Wan Na2）and Zhang Yuchuan2）
1） China University of Geosciences（Wuhan） ，Hubei Province 430074，China
2） Earthquake Administration of Henan Province，Zhengzhou 450016，China
3） Handan Seismic Station，Hebei Province 056006，China

In this paper，we calculate receiver functions of body wave under the stations in the south of the piedmont zone of the piedmont fault zone of Taihang mountains from 3-component digital waveform data of teleseismic earthquake events and obtain the thickness and vP/vSradio in the crust of this area with H-Kappa stacking.The results show that:（1） Crustal thickness in the west of this area is thicker than that in the east.in general； The Moho tilts westward with small angle；In the western Changzhi basin，the crustal thickness is 40.2km，the thinner crust in eastern plain area is 31.8km，changes in the earth's crust gap is about 9km.（2） In Taihang mountains and the plain transition zone，especially along the outer edge of the main peak of Taihang Mountains arc distribution，namely near the boundary between first-level planation surface and second-level planation surface，the crust thickness changes quickly.（3） The crustal thickness calculated by teleseismic receiver function is in agreement with the artificial seismic exploration result，the crust of Taihang mountains uplift area becomes thick，that of Tangyin rift valley becomes thin，and that of Neihuang uplift area becomes thick，which shows that the depth of Moho or upper mantle’s height is symmetrical with the height of the ground.（4） Poisson ratio in the district is about 0.23-0.27，which indicates that the underground material in the area is mainly composed of intermediate acidic rocks，especially the widely distributed granite with much quartz，feldspar.

receiver function，crustal structure，H-Kappa，stacking

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.001

陳睿（1979—），男，工程師，中國地質大學在讀碩士，主要從事地震監(jiān)測預報研究工作。E-mail:chr8860@126.com

河南省地震局2014年科研基金資助

本文收到日期：2015-04-20