基于远震P波接收函数研究江苏地区地壳厚度和泊松比

李婷婷 刘利 范文华 孙业君

摘要：根据江苏数字地震台网32个宽频带地震台站记录的远震波形资料，使用时间域反褶积的方法提取P波接收函数，由H-K叠加搜索方法反演得到各台站下方的地壳厚度和泊松比。结果表明：①江苏地区地壳厚度整体呈现自东向西增厚趋势，具有明显的空间分布特征，与该区地质构造背景有较好的对应。主要表现为：苏鲁造山带地区地壳厚度高于其周边地区;华北板块的地壳厚度变化比较平缓，主要为32～33 km;下扬子板块地区的地壳厚度变化较大，为27～34 km，位于该区中东部大陆边缘地区的台站下方平均地壳厚度约为28 km。②研究区泊松比为0.22～0.28，受高压和超高压变质岩带影响，苏鲁造山带及周边地区的泊松比较高;下扬子板块的茅东断裂及周边地区的泊松比变化明显，呈高低相间分布，且泊松比高值区及变化明显区与地震活动性具有一定的关系。

关键词：接收函数;H-K叠加;地壳厚度;泊松比

中图分类号：P315.2文献标识码：A文章编号：1000-0666（2020）04-0680-09

0引言

自Phinney（1964）提出使用远震体波转换波研究台站下方地壳、上地幔结构以来，接收函数方法便成为地球科学研究者探究地球内部圈层间断面、速度结构以及获取地下异常信息的主要手段之一。Langston（1977，1979）对原有方法进行改进，在原本的时域数值模拟中加入相位信息的同时，提出震源等效假定模型，消除了震源时间函数差异对P波的影响;Owens等（1984）将此方法进一步扩展到宽频带数据处理中，完成了接收函数最大峰值的归一化;其后Ammom（1991）改进反褶积法、Cassidy（1992）引入绝对振幅、Yuan等（1997）提出接收函数偏移叠加法，Farra和Lev（2000）提出S波接收函数方法，至此，体波接收函数理论被正式建立。进入21世纪以来，随着数字化观测技术的发展，国内学者也在接收函数及其反演方法的研究工作上取得了丰富的研究成果。Zhu和Hiroo（2000）提出H-K叠加搜索方法，利用接收函数波形数据中包含的大量转换波及多次转换波信息，研究台站下方的地壳厚度和泊松比，且该方法在实际应用中不断被改进（贺传松等，2003;王小平等，2005;李永华等，2009;刘春等，2009;贾丽华等，2010;张广成等，2013;洪德全等，2013;张莹莹等，2015;王兴臣等，2017;韩如冰等，2019;张天继等，2010），为了解区域地壳结构以及构造应力分布等提供了重要依据。

近年来，研究人员对于江苏地区的地壳结构和岩石性质也陆续开展了一些研究，特别是苏鲁造山带板块地区的超高压变质岩带引起了广泛关注（Xu et al，1992;徐佩芬等，2000;徐纪人，赵志新，2004;黄耘等，2006;贾根等，2016），部分研究者还使用体波接收函数反演了该区的地下结构（王小平等，2006;洪德全等，2013;陳昊，2016），均取得了较为丰富的研究成果。但前人的研究主要集中在某一特定地区（苏鲁造山带或下扬子地区等），缺乏对江苏地区更高分辨率、更大范围内地壳厚度及泊松比变化的研究。因此，本文基于远震P波接收函数方法，使用H-K叠加搜索反演江苏地区台站下方的地壳厚度和泊松比，为更好地认识江苏地区的地壳结构、岩石性质等变化提供依据，同时对研究江苏地区地震活动性、构造应力分布以及地震监测预报等也具实用价值。

1研究方法与数据选取

在时间域，地震计记录的三分量远震P波信号可以表示成震源时间函数、介质结构响应以及仪器响应的褶积。远震P波接收函数反映了台站下方的速度结构响应，其主要计算原理是在震源等效性假设下，使用原始记录波形的垂直分量对水平分量进行反褶积运算，可以很大程度上消除震源和传播路径的影响，进而提取到接收区介质响应的径向和切向分量，即为P波接收函数，具体计算方法与公式可参见Langston（1979）以及Owens等（1984）的研究。本文采用时间域反褶积方法进行接收函数的计算与提取，接收函数波形包含了在各台站下方不同速度间断面所产生的大量转换波和多次转换波震相，主要有Ps，PpPs和PpSs+PsPs震相。

H-K叠加搜索方法可以批量处理大量的波形数据，利用接收函数的时间和振幅，将不同震中距、不同方位角的接收函数进行叠加来提高信噪比，从而有效压制地壳结构的横向不均匀性，求得平均地壳模型。本文采用Zhu和Hiroo（2000）改进后的H-K叠加搜索方法反演研究区台站下方地壳厚度与波速比，在给定平均P波速度的前提下，对每个台站的接收函数进行H和K扫描，得到最大振幅的位置，即是该台站下方的平均地壳厚度和波速比。

地震研究43卷第4期李婷婷等：基于远震P波接收函数研究江苏地区地壳厚度和泊松比自2007年10月“十五”项目完成后，江苏数字地震台网共有38个数字化台站，其中苏南、苏北地区台站布设相对密集，多为地表观测;苏中及沿海地区台站因松散沉积层较厚，多为井下观测，台站布设相对稀疏。台站观测地震计多为宽频带地震计，主要型号有Guralp CMG-3ESPC，Guralp CMG-3T以及JDF-2 seismometer，数采型号主要有CMG-DM24和EDAS-24IP，采样率均为100 Hz。前山岛、阳光岛、兴化以及涟水等6个台站因仪器类型不合适或观测仪器故障导致波形质量较差，故舍去这几个台站数据。

本文使用的数据均来自国家测震台网数据备份中心（郑秀芬等，2009），下载2014—2018年32个台站记录的震中距在30°～90°，M≥5.5的远震事件，经过前期数据预处理，最终确定符合条件的地震事件共计449个，主要分布在环太平洋地震带和欧亚地震带。通过对本文所选的449个远震地震事件波形进行处理，得到了江苏地区32个台站的接收函数，并使用H-K叠加搜索方法对记录清晰、信噪比较高的32个台站的接收函数进行地壳厚度和波速比反演。最后根据波速比与泊松比的换算公式，将叠加后的波速比结果转换为泊松比，结果见图1和表1。

4结论与讨论

本文通过远震P波接收函数和H-K叠加搜索方法得到了江苏地区32个台站下方的地壳厚度和泊松比，与江苏及邻区人工地震、天然地震层析成像以及其它相关研究结果具有较好的一致性（黃耘等，2006;陈昊，2016;李婷婷等，2019）。研究区地壳厚度与泊松比主要有以下特征：

（1）江苏地区总体地壳厚度为27～35 km，莫霍面具有一定的起伏。其中，苏鲁造山带的地壳厚度明显高于周边地区，为33～35 km;华北板块的地壳厚度变化比较平缓，为32～33 km;下扬子板块的地壳厚度跨度较大，为27～34 km，位于该区大陆中东部边缘平均地壳厚度只有28 km，而位于苏南被动陆缘的镇江台地壳厚度达33.9 km。

（2）江苏地区地壳厚度整体表现为自东向西增厚趋势，且与区域地表地形构造背景基本一致，即位于苏鲁造山带和扬子板块山脉隆起区域的台站地壳厚度较厚，如连云港、徐州及镇江台等;位于苏北—南黄海盆地断坳区域的台站地壳厚度较薄，如射阳、淮安以及海安台等。

（3）研究区泊松比为0.22～0.28，与该区的地壳厚度没有明显的对应关系，但局部区域的分布特征较为明显。其中，苏鲁造山带及周边地区泊松比较高，主要受元古代变质岩的变质作用与印支运动期超高压变质作用的叠加影响，苏鲁造山带地区含有大量的高压、超高压变质岩片，这些变质岩经过沉积形成了大量的基性岩和超基性岩，具有较高的泊松比;下扬子板块的茅东断裂及其周边地区泊松比为0.23～0.27，区域内泊松比变化剧烈，如溧水台高达0.269，而距其很近的溧阳台低至0.235，这可能与该区复杂的地质构造有关。

（4）研究区地震活动性与泊松比具有一定的对应关系，泊松比高值区或变化明显区可能是中强地震活跃地区。江苏陆地地区历史中强震主要分布在苏北徐州地区、郯庐断裂带及周边地区和苏南茅山断裂带附近区域，而泊松比分别表现出了高值异常和变化剧烈的现象。受地下结构力学性质和区域应力的综合影响，造成了研究区地震活动分布的差异性。

本文研究获得的地壳厚度和泊松比结果对于认识江苏地区的地壳结构、岩石性质以及构造应力分布具有意义，结果基本可靠，对该区的地震活动性与孕震构造的关联性问题提供了基本参考信息。但受研究区台站分布、台站数量以及接收函数质量的影响，只获得了32个台站下方的地壳厚度和泊松比信息，还不能详尽地描述江苏地区的地壳结构。后期会利用更多的资料和面波频散以及接收函数联合反演等其它方法对研究区的地壳结构进行更详细的研究。

感谢中国科学院地质与地球物理研究所的王旭博士给予的支持与帮助。

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Crustal Thickness and Ratio of Poisson in Jiangsu Area

by Teleseismic Receiver Function

LI Tingting，LIU Li，FAN Wenhua，SUN Yejun

（Jiangsu Earthquake Agency，Nanjing 210014，Jiangsu，China）

Abstract

In this paper，we calculate P-wave receiver functions by time domain deconvolution method under the 32 stations in Jiangsu Province from threecomponent digital waveform data of teleseismic earthquake events and obtain the thickness and average poissons ratio in the crust of this area by H-K stacking.The results show that：①The crustal thickness in Jiangsu area has a thickening trend from east to west and obvious spatial distribution characteristics，which has a good correspondence with the geological tectonic setting，The first one is the crustal thickness in the Sulu orogenic belt area is higher than that in the surrounding area;the second one is the crustal thickness in the North China plate is relatively flat，mainly between 32 km and 33 km;and the last one is the crustal thickness in the Lower Yangtze plate area varies greatly between 27 km and 34 km and the average crust thickness in the central and eastern continental margins of this area is about 28 km.②The poissons ratio in the study area is between 0.22 and 0.28.Because of the high-pressure and ultra-high-pressure metamorphic rocks，the poissons ratio located below the Sulu orogenic belt and the surrounding area is higher.The poissons ratio changes significantly and shows a high and low phase distribution in the Maodong fault and its surrounding area which is located in the lower Yangtze block，and the higher poissons ratio area and the changing poissons ratio area have a certain relationship with the seismic activity.

Keywords：receiver function;H-K stacking;crustal thickness;poissons ratio