基于接收函數(shù)的淮安地區(qū)地殼厚度及S波速度結(jié)構(gòu)研究

摘 要：利用淮安區(qū)域地震監(jiān)測(cè)波形資料，有效提取 P 波接收函數(shù)，計(jì)算了臺(tái)站下方地殼厚度并反演出S波速度結(jié)構(gòu)，獲取較為可靠的地下深部 結(jié)構(gòu)和一維速度模型。從結(jié)果來看，淮安市地殼厚度較薄，且具有較大的波速比，速度結(jié)構(gòu)在上地殼內(nèi)呈逐漸增大的趨勢(shì)特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和淮 安市近年來的發(fā)震特點(diǎn)，認(rèn)為淮安地區(qū)上地殼是區(qū)域能量釋放的主要空間。

關(guān)鍵詞：接收函數(shù)；淮安市；地殼結(jié)構(gòu)；S波速度結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）02–0-03

淮安市坐落于江蘇省中北部，屬江淮平原東部長江三角洲區(qū)域，其大地構(gòu)造歸屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)。該地區(qū)結(jié)晶基底形成于中元古代，蓋層較為發(fā)育，部分地區(qū)蓋層厚度超過1 km。

該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)形成可追溯至三疊紀(jì)，經(jīng)歷了印支期與燕山期強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[1-2]。在太平洋板塊的俯沖作用下，區(qū)域應(yīng)力以伸展為主，多數(shù)斷裂轉(zhuǎn)為正斷層，這種特殊的構(gòu)造特征為斷陷盆地的發(fā)育提供了空間，同時(shí)伴隨著多次強(qiáng)烈的火山活動(dòng)，深部物質(zhì)通過斷裂等上行通道，進(jìn)入殼內(nèi)及地表[3-5]。因此，現(xiàn)如今淮安境內(nèi)多有火成巖分布，主要為基性和超基性噴出巖及小型侵入巖。

淮安地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要受轄區(qū)西側(cè)的郯廬斷裂帶控制，該斷裂為一條北東向深大斷裂，目前活動(dòng)性主要呈現(xiàn)出右行走滑兼逆沖的運(yùn)動(dòng)特征。轄區(qū)內(nèi)主要經(jīng)過斷裂為北東向淮陰-響水口斷裂和北西向無錫-宿遷斷裂，此外區(qū)域內(nèi)還發(fā)育欽工鎮(zhèn)斷裂及洪澤-溝墩斷裂等次一級(jí)斷裂[2]。自有記錄起，淮安市無Ms5以上地震記錄，地震活動(dòng)水平較弱，小震活動(dòng)年均記錄約1次。但2017年11月18日，淮安地區(qū)發(fā)生Ml2.1地震，此后該區(qū)域小震活動(dòng)頻繁，累計(jì)記錄小震活動(dòng)200余次。因此有必要對(duì)其深部構(gòu)造特征和地震波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和探討。采用接收函數(shù)方法對(duì)區(qū)域內(nèi)的地殼結(jié)構(gòu)和速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[6-7]，并探究其構(gòu)造特征和地震發(fā)生的關(guān)聯(lián)。

1 數(shù)據(jù)及處理

1.1 儀器

監(jiān)測(cè)儀器為BBVS60型位移換能力平衡反饋寬頻帶地震計(jì)（圖1），它由3個(gè)獨(dú)立分向傳感器（1個(gè)垂直向、2個(gè)水平向）一體化安裝組成，內(nèi)置電子反饋電路、控制電路、電源變換電路，噪聲水平低且動(dòng)態(tài)范圍大，容易安裝使用。采用了力平衡電子反饋技術(shù)，每個(gè)分向的機(jī)械單元設(shè)計(jì)有精密的差分電容位移換能器，水平擺采用花園門懸掛方式， 垂直擺采用葉片簧懸掛，機(jī)械自振周期長達(dá)4 s。

BBVS-60寬頻帶地震計(jì)采用力平衡電子一機(jī)械反饋系統(tǒng)。當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)動(dòng)傳遞到地震計(jì)框架后，慣性質(zhì)量塊（擺體）與框架的相對(duì)位移通過電容位移換能器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，同時(shí)放大到一定的幅度，該信號(hào)通過反饋網(wǎng)絡(luò)電路產(chǎn)生與地動(dòng)加速度成比例的電流反饋給線圈一磁體結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生與質(zhì)量塊慣性力相平衡的力。該儀器具有傳遞函數(shù)穩(wěn)定、頻帶寬、噪聲小、低功耗、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。

公式（1）中，地震計(jì)電壓靈敏度（標(biāo)稱值）：K=1 000 Vs/m，傳遞函數(shù)歸一化系數(shù)：A0=26 400 660。

數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24HR型高分辨率地震數(shù)據(jù)采集器（圖2），該儀器具有高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍、輸出低延遲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流等特點(diǎn)，適合地震觀測(cè)臺(tái)站、地震預(yù)警臺(tái)站、綜合地震觀測(cè)臺(tái)站使用，是通用的地震數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備。能將多道模擬電壓量和頻率量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，具有數(shù)據(jù)采集、記錄、網(wǎng)絡(luò)、串口數(shù)據(jù)傳輸功能，支持大容量雙備份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并具有體積小、重量輕和功耗低的特點(diǎn)。

1.2 接收函數(shù)提取

本次研究基于地震波形資料開展，要求天然地震震級(jí)在Ms5級(jí)以上，震中距為30～90°。挑選出P波震相清晰的波形數(shù)據(jù)，并對(duì)有效時(shí)窗內(nèi)的P波接收函數(shù)進(jìn)行提取[8-9]。然后對(duì)數(shù)據(jù)完成去均值、去傾斜等預(yù)處理，選取巴特沃茲低通濾波器進(jìn)行濾波，將ENZ分量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至RTZ方向。采用反褶積提取P波接收函數(shù)（圖3）（高斯因子為 2.5，迭代次數(shù) 200 次）。最終篩選出60條徑向接收函數(shù)參與后續(xù)計(jì)算。圖4中接收函數(shù)按照各自方位角順序進(jìn)行排列，且疊加后結(jié)果具有較高的可信度，可清晰辨別Ps轉(zhuǎn)換波及PsPs和PpSs+PsPs多次波信號(hào)，確保了干擾噪聲得到壓制，有效信號(hào)也得到了增強(qiáng)。

1.3 計(jì)算地殼厚度與 S 波速度

選取H-k方法，計(jì)算地殼厚度（H）及波速比（k）（圖4），利用泊松比與波速比關(guān)系公式σ=0.5×[1-1/（k2-1）]，

進(jìn)一步求取泊松比。得到淮安地區(qū)地殼厚度為28.6 km，

波速比為1.78，泊松比為0.27，此組數(shù)據(jù)反映出淮安地區(qū)主要表現(xiàn)為較薄的地殼厚度與較高的泊松比，因此可以推測(cè)淮安地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)在演化過程可能出現(xiàn)過鐵鎂質(zhì)巖漿底侵，導(dǎo)致區(qū)域泊松比升高。

采用CPS330軟件線性反演方法對(duì)臺(tái)站下方地殼上

地幔S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演，初始模型參考 Pasyanos等提出的LITHO1.0速度模型[10-11]，從波形擬合方面的結(jié)果來看，Ps轉(zhuǎn)換波與多次波的振幅與到時(shí)基本擬合，擬合度較高（圖5）。

每個(gè)臺(tái)站經(jīng)過50次迭代反演，得到臺(tái)站下方S波速度結(jié)構(gòu)（圖6），臺(tái)站下方地殼S波速度結(jié)構(gòu)具有一定的分層性，可以據(jù)此分出上下地殼結(jié)構(gòu)分界面，上地殼在0～15 km范圍內(nèi)，變化梯度較大，S波速度隨深度的增加快速增大，從3 km/s逐漸增加至3.5 km/s。

15～28 km為下地殼，速度梯度明顯放緩，維持在 3.5～

3.6 km/s的速度區(qū)間范圍內(nèi)。從反演得到的速度 模型可以看出，地殼與地幔的分界面約在28 km范圍的，與過往的認(rèn)識(shí)基本一致[12-14]。

2 速度結(jié)構(gòu)與地震發(fā)生關(guān)系探討

綜合地殼厚度和S波速度結(jié)構(gòu)，淮安市下方的速度變化主要集中于上地殼，即15 km以內(nèi)上地殼范圍，該區(qū)間也恰好是該地區(qū)主要的地震活動(dòng)性集中的區(qū)域，而這一部分的速度呈現(xiàn)出緩慢的遞增特征，這種速度變化可能是演化過程中區(qū)域應(yīng)力校對(duì)較小，區(qū)域巖性密度低所致，同時(shí)也與長期在伸展環(huán)境中接受沉積有關(guān)[15]。這也使得該區(qū)域以分散性、間歇性的小震為主[16]。考慮到區(qū)域應(yīng)力特征和近些年地震頻次及發(fā)震規(guī)律，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)未來幾年仍以小震分散發(fā)震特征為主。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱光，劉程，顧承串，等.郯廬斷裂帶晚中生代演化對(duì)西太平洋俯沖歷史的指示[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2018，48（4）： 415-435.

[2] 王有功，呂超，于愛暄，等.基于正斷層差異生長演化分析識(shí)別不同類型斷層相關(guān)背斜圈閉：以蘇北盆地高郵凹陷漢留斷層為例[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2023，53（2）： 373-383.

[3] 楊云，于悅穎，許田.淮安地區(qū)小震精定位研究[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2022，43（S1）：400-402.

[4] 陳昊，李紅星，洪德全，等.伸展作用下郯廬斷裂帶南段及鄰區(qū)的地殼演化：來自接收函數(shù)的證據(jù)[J].地球科學(xué)， 2023，48（8）：2905-2914.

[5] 陳昊，李紅星，洪德全，等.加入多次波的長時(shí)窗接收函數(shù)主成分分析及其在張八嶺構(gòu)造帶地殼分析中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào)，2023，66（1）：210-228.

[6] 徐桂明，鄭江蓉，楊從杰，等.江蘇05井、06井水溫的中短期地震異常典型特征研究[J].地震研究，2010，33（4）：274-280，376.

[7] 孔祥艷，吳建平，房立華，等.利用面波頻散和接收函數(shù)聯(lián)合反演中國境內(nèi)天山及鄰區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)[J].地震地質(zhì)，2020，42（4）：844-865.

[8] 范盼，沈旭章，黃強(qiáng)強(qiáng).接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演廣西北流M_S5.2級(jí)地震震源區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2022，46（3）：633-644.

[9] 陳佳，金明培，葉泵，等.騰沖及其鄰區(qū)地殼S波速度結(jié)構(gòu)[J].地震研究，2018，41（1）：125-131.

[10] 蔡妍，吳建平，明躍紅，等.新疆天山地區(qū)殼幔S波速度結(jié)構(gòu)特征及變形分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2019，62（11）：4214-4226.

[11] 潘佳鐵，李永華，吳慶舉，等.中國東北地區(qū)地殼上地幔三維S波速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2014，57（7）：2077-2087.

[12] 馮靜，傅竹武，高孟潭.利用接收函數(shù)方法研究騰沖地區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（4）：1328-1336.

[13] 黃暉，米寧，徐鳴潔，等.福建地區(qū)地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)與泊松比[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，16（4）：465-474.

[14] 吳建平，明躍紅，王椿鏞.云南數(shù)字地震臺(tái)站下方的S波速度結(jié)構(gòu)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2001（2）：228-237，295.

[15] 陳佳，胡家富，楊海燕，等.利用面波研究云南地區(qū)殼幔S波品質(zhì)因子結(jié)構(gòu)[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（3）：320-330.

[16] 束沛鎰，張學(xué)民，李幼銘，等.利用純S波輸入研究地震臺(tái)站下方的橫波速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)報(bào)，2002（1）：67-75.