鄂爾多斯地塊東南緣地帶Moho深度變化特征研究

2012-06-26 12:48:32徐志國陳宏峰鄒立曄

地球物理學報 2012年12期

任梟，徐志國，楊輝，陳宏峰，鄒立曄

1 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2 中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

1 引言

自華北克拉通形成以來，經(jīng)過了多期不同性質(zhì)的構造活動，內(nèi)部形成了構造特征不同的次級構造單元［1］.我們的研究區(qū)域位于鄂爾多斯東南緣，這個區(qū)域即是華北克拉通北東—北北東向構造與近東—西向構造的交接部位，又是新生代中國大陸西部碰撞擠壓到東部伸展拉張動力學轉(zhuǎn)換的關鍵地區(qū)［2］.鄂爾多斯地塊東部邊緣的核心是一個隆起區(qū)，以呂粱、太行山脈為特征；南緣是渭河盆地，是以下降接收沉積物為主的斷陷盆地.研究區(qū)區(qū)域的地質(zhì)構造如圖1所示.

鄂爾多斯地塊東南緣邊界區(qū)域構造活動強烈［3］，地震活動頻繁，具有較強的地震活動性，多年來一直是地學家研究的熱點地區(qū)之一.歷史上在周邊斷裂系內(nèi)共記錄到6級以上的淺源強烈地震22次，其中8級及以上地震2次，即東部邊緣的1303年9月25日洪洞8級地震和南部邊緣的1556年2月2日華縣8級地震；震級7≤M＜8級地震5次；其余則為6≤M＜7級的地震［4］.

為了解鄂爾多斯地塊東南緣區(qū)域的地殼深部結(jié)構特點，本文收集該區(qū)域內(nèi)分布的寬頻帶數(shù)字地震固定臺站記錄的大量遠震體波波形資料，應用頻率域反褶積方法提取遠震P波接收函數(shù)，由H－κ方法測定了各臺站下方的Moho深度和Vp／Vs值，以研究鄂爾多斯東南緣地區(qū)的Moho深度及其變化特征.以期為研究鄂爾多斯地塊東南緣與周邊塊體之間的深部結(jié)構、地殼巖石動力學過程以及強震發(fā)生機制等提供可靠的地球物理學依據(jù).

2 研究方法

接收函數(shù)是研究殼幔結(jié)構的主要手段之一，國內(nèi)外學者均對其做了廣泛的研究與應用，并取得了一定的研究成果.近些年來，隨著大規(guī)模數(shù)字地震臺站的建設，臺站觀測密度顯著增強，積累了高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)，使得接收函數(shù)研究向著高分辨率的方向發(fā)展，為獲取可靠的殼幔結(jié)構信息提供基礎.接收函數(shù)表示的是臺站下方入射P波的結(jié)構響應，當遠震P波通過地球內(nèi)部，在速度不連續(xù)面P波轉(zhuǎn)化為S波，我們可以通過轉(zhuǎn)換波和多次波的走時提取，對Moho深度和Vp／Vs提供有效約束［5-8］.

本研究采用改進的頻率域反褶積技術，遠震P波波形的頻譜R（ω）除以源頻譜S（ω）：

S＊（ω）是S（ω）頻譜的共軛，e－ω2／4α2是高斯低通濾波器，用以去除高頻噪音，cσ20也叫水準量，用以壓制S（ω）頻譜的歧值點，可以發(fā)揮穩(wěn)定反褶積的作用.由于在殼幔邊界存在著大的速度間斷面，P波在Moho面的轉(zhuǎn)化震相Ps經(jīng)常是直達P波之后最主要的震相.理想情況下，初至P波的轉(zhuǎn)化波Ps和它的地殼多次反射震相PpPs和PpPs＋PsPs均清晰可見，并且具有相近的振幅.在給定地殼平均速度的條件下，P波接收函數(shù)中Ps震相的到時實際上指的是Ps震相和直達P波的到時差，它取決于間斷面的深度，射線參數(shù)以及臺站下方P波、S波速度結(jié)構.因此，利用P波接收函數(shù)獲得臺站下方地殼內(nèi)部的S波速度結(jié)構是一個非線性反演的問題.公式（2）所給出的地殼厚度H和地殼平均速度之間是多解的關系.

使用多次波震相可以有效地壓制其多解性，通過公式（3）和公式（4）可以獲得地殼厚度H 和Vp／Vs的精確估計［9-10］.接收函數(shù)的疊加可以有效地壓制隨機噪聲，增強信號的信噪比，這就需要在時間域內(nèi)對一簇事件進行疊加［11］.由于從實際的接收函數(shù)中拾取Pms震相和PpPms震相是非常困難的，Zhu和 Kanamori［12］提出用 H－Vp／Vs域網(wǎng)格搜索和疊加的方法來確定Moho界面深度和Vp／Vs，并且這一方法得到了廣泛的應用.使用Ps，PpPs以及PpSs＋PsPs三個震相的振幅構造目標函數(shù)：

圖1 鄂爾多斯東南緣地質(zhì)構造圖（引自“鄧起東，基于GIS的地震分析預報系統(tǒng)”）Fig.1 Geophysics of Ordos Southeastern areas

其中r（ti）表示接收函數(shù)的振幅，t1，t2，t3是分別相應于依據(jù)地殼厚度H和Vp／Vs計算的Ps，PpPs和PpSs＋PsPs的到時，ω是每個震相的權值.Ps震相的振幅最大，所以賦予的權值也最大（ω1＞ω2＋ω3）.如果多次波清楚的話，那么最大值所對應的地殼厚度H和Vp／Vs可以通過在給定的取值范圍內(nèi)搜索得到.當三個震相（Ps，PpPs和PpSs＋PsPs）振幅值的疊加對應正確的H 和κ時，三個震相相交，S（H，κ）趨于最大值.

通常情況下，為了增強信噪比和消除不均勻性造成的散射波、背景噪音以及計算誤差的影響，每個臺站的不同震中距的接收函數(shù)進行疊加得到平均的接收函數(shù).

3 資料分析與處理

本文利用山西省地震臺網(wǎng)、陜西省地震臺網(wǎng)的固定測震臺站2009—2010年間記錄到的遠震體波資料.臺站分布如圖1所示，這些臺站所配置的地震儀類型多達數(shù)十種，均為三分向?qū)掝l帶儀器，頻帶寬度分別為20s～40Hz、60s～40Hz或120s～40Hz，采樣率均為100sps，臺站的分布覆蓋了鄂爾多斯地塊東南緣邊界區(qū)域.我們選取了858個震級Mb≥5.4，震中距范圍30°～90°的遠震觀測數(shù)據(jù)，事件分布情況見圖2，計算得到對應單臺下方的Moho面深度和Vp／Vs值.

圖2 選用的遠震事件分布圖Fig.2 Locations of events used in the study

在數(shù)據(jù)預處理工作中，要考慮具有較完整的方位角分布和清晰記錄，以利于獲得較好的平均結(jié)果；參照目錄篩選每個臺站的原始記錄，力求震相清楚、初動尖銳、波形簡單；接著對選取的數(shù)據(jù)作坐標旋轉(zhuǎn)、去除均值和傾斜分量、加時間窗等預處理；之后采用頻率域反褶積計算方法提取單臺單個事件的接收函數(shù)，在此基礎上，選取波形數(shù)據(jù)質(zhì)量較好、信噪比較高、多次反射震相清晰的接收函數(shù)用于計算Moho深度和波速比.

我們采用Zhu［12］提出的 H－Vp／Vs域網(wǎng)格搜索和疊加的方法來確定Moho界面深度和Vp／Vs值，其優(yōu)點是：無需人工標定Pms、PpPms和PpSms＋PsPms震相的到時.接收函數(shù)掃描法計算Moho深度和波速比過程中，給定的地殼P波平均速度為6.3km／s，對于與 Moho界面相關的 Pms、PpPms和PpSms＋PsPms震相采用0.7，0.2，0.1的加權值，H 和Vp／Vs的變化范圍為20～60km和1.6～1.9搜索確定最優(yōu)解.

4 結(jié)果與討論

通過研究區(qū)內(nèi)各臺站接收函數(shù)得到各臺站下方的Moho深度和波速比.文中以臺站ANZ為例說明獲取其下方Moho深度和波速比.圖3表示臺站ANZ記錄遠震資料提取的徑向接收函數(shù).橫軸代表P波初至后的時間，縱軸代表反方位角.由圖可見，臺站ANZ的接收函數(shù)在直達P波之后5.3s處可以非常清楚地識別出Moho界面的Ps震相.臺站ANZ接收函數(shù)徑向分量極性和振幅隨著方位角的變化而變化，可能是由于地殼各向異性或殼內(nèi)傾斜界面所致.此外，在圖中P波初至震相至Moho界面Ps轉(zhuǎn)換震相范圍間，存在若干個地殼內(nèi)部次一級速度界面產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換波，這可能由于臺站ANZ位于臨汾盆地邊緣，臺站下方地質(zhì)結(jié)構復雜，地殼演化過程后期由于強烈的地質(zhì)作用影響，盆地大量的沉積物沉積成層，地殼內(nèi)的多層界面產(chǎn)生Ps轉(zhuǎn)換波.

采用網(wǎng)格搜索和疊加方法得到臺站ANZ下方的 Moho深度為43.70km，Vp／Vs為1.84，如圖4所示，圖中漸變的顏色表示的是s（H，κ）值的變化，當顏色最深時，該數(shù)值達到最大，最大值對應的Moho深度值及波速比即為疊加結(jié)果.

深反射人工測深（Deep Seismic Sounding）是依靠多次記錄疊加獲取Pm＊震相去獲取Moho深度.因為DSS是人工源，所以源多，接收點密，適于獲取精細結(jié)構，但是由于造價高，即便能較好地測得每條測線上的結(jié)構，測線數(shù)量也是有限的.本研究使用固定臺站記錄的天然地震事件，通過反演接收函數(shù)去找Moho面.這種方法優(yōu)點是造價低，但只能大尺度地對Moho形態(tài)進行研究，不太容易獲取其精細結(jié)構.近年來，隨著固定臺站的加密建設，其精細程度也會隨之增加.下面將利用接收函數(shù)方法獲取的Moho深度與DSS方法獲取的結(jié)果進行對比.按照臺站ANZ的經(jīng)緯度，在Li［13］于2006年利用DSS方法得到的“中國大陸Moho深度等值線分布圖”中找到其對應點的Moho深度為44.00km.我們隨機抽取了若干臺站，按照同樣方法對應比較了Moho深度值.可以看出：在誤差范圍內(nèi)，本研究結(jié)果與Li［13］研究結(jié)果基本一致.

表1 Moho深度值對比表Table 1 Comparison of Moho depth

利用鄂爾多斯地塊東南緣區(qū)域范圍內(nèi)的58個臺站的遠震波形資料，采用接收函數(shù)地殼厚度和Vp／Vs掃描方法，得到該區(qū)域的Moho深度和波速比，詳見表2.

鄂爾多斯地塊東南緣地區(qū)Moho界面深度界于31.0～53.1km之間，平均的 Moho深度為40.7km，Moho最厚為陜西安康臺的53.10km±1.50km，最薄為陜西藍田臺的31.00km±1.76km，二者相差22.1km，研究區(qū)域整體存在明顯的起伏變化.其東緣的Moho深度介于33.4～45km之間，以太原斷陷盆地附近的Moho深度較淺，最淺處為33.4km；太原斷陷盆地東部北段的延懷盆地、蔚縣盆地、陽原盆地和南段的臨汾盆地附近Moho深度變化不大，平均深度為40km.而在東部邊緣的東側(cè)，因存在著北北東走向的山西斷陷帶，導致塊體邊緣的Moho深度要大于塊體內(nèi)部的Moho深度.鄂爾多斯地塊南緣的Moho深度介于31～53.1km之間，自東段向西段Moho深度逐漸變大，從渭河盆地附近的31km增厚至秦嶺造山帶地段的53.1km.

圖3 臺站ANZ的徑向接收函數(shù)Fig.3 Radial receiver function of ANZ

上述數(shù)值表明，鄂爾多斯地塊東南緣地殼結(jié)構的橫向變化劇烈，殼內(nèi)結(jié)構復雜.將結(jié)果匯總使用差值法繪制了鄂爾多斯地塊東南緣及其周邊連續(xù)的Moho深度等值線分布圖，詳見圖5.由圖可見，鄂爾多斯地塊東南緣的Moho深度等值線分布趨勢為NNE方向，Moho深度與構造環(huán)境有關：在凹陷和盆地區(qū)，中心處的Moho深度小于邊緣處，例如：東緣地區(qū)的太原盆地、南緣地區(qū)的渭河盆地；相反在地形抬升地區(qū)，例如：南緣的秦嶺造山帶，中心區(qū)域的Moho深度大于邊緣地帶.

圖4 臺站ANZ的徑向接收函數(shù)時間剖面（a）HK搜索，橫軸是波速比，H是深度；（b）根據(jù)計算的深度得到的的理論P波和轉(zhuǎn)換震相的位置，橫軸為時間，單位s；（c）所有疊加的接收函數(shù)和理論的震相位置，橫軸是時間，單位s，縱軸是歸一化的幅度.Fig.4 Radial receiver function profile of ANZ（a）The example of H－κstacking results obtained from Station ANZ.Horizontal axis means Vp／Vsratio；vertical axis means depth；（b） The position of theoretical converted wave.Horizontal axis means time；vertical axis means ray parameter；（c）The receiver functions for Station ANZ.Horizontal axis means time；vertical axis means normalized amplitude.

圖5 研究區(qū)域總的Moho深度等值線分布圖Fig.5 Moho depth isoline map in this area

表2 Moho深度與Vp／Vs值Table 2 Moho depth and Vp／Vsratio

關于鄂爾多斯地塊Moho深度的資料，由于資料來源和解釋方法上的不同，具體數(shù)據(jù)存在差異.如Li［13］于2006年研究所得“中國大陸 Moho深度等值線分布圖”中鄂爾多斯塊體對應的Moho深度為42～44km；陳九輝等［14］于2005年在研究鄂爾多斯地塊上地幔S波速度結(jié)構時得出鄂爾多斯地塊的地殼厚度為40km左右；而韓忠東、楊峰杰等［15-16］得出鄂爾多斯地塊南緣環(huán)形區(qū)域內(nèi)部地殼厚度為40～42km，鄂爾多斯地塊北部地殼厚度為47～49km.經(jīng)對比分析，本研究結(jié)果具有較高可信度.

由圖6可以看出鄂爾多斯東南緣區(qū)域整體的Vp／Vs分布具有明顯的分區(qū)特征.整個研究區(qū)域地殼波速比介于1.60～1.90之間，平均波速比為1.77.地殼的泊松比σ可以直接由Vp／Vs求取，研究區(qū)域的泊松比介于0.18～0.31之間.陜西富平臺站、藍田臺站和山西的臨汾臺站、鎮(zhèn)川臺站的波速比最高，均為1.90，陜西商南臺站、山西的右玉臺站和大同臺站波速比相對低，分別為1.60、1.63、1.68，對應泊松比為0.18、0.20、0.23.相對高的波速比多存在于沉積盆地斷陷中心地帶及附近凹陷區(qū)域；而較低的波速比則分布在鄂爾多斯地塊東部邊緣太行山脈與南部邊緣秦嶺造山帶等隆起區(qū)域附近.不同臺站的波速比反映了研究區(qū)域的地殼分層結(jié)構明顯，具有很強的橫向不均勻性.根據(jù)已有研究成果表明，地殼泊松比與介質(zhì)的巖石組成有關，常見巖石的泊松比值為0.25左右，而石英含量的提高會顯著地降低巖石的泊松比值，例如砂巖、粉砂巖及石英巖的泊松比值都很低；而灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖以及片麻巖等變質(zhì)巖的泊松比值則相對較高［17］，如輝長巖的為0.30.因此，研究區(qū)的泊松比值偏低，這些特征對應了鄂爾多斯塊體自新生代以來即以垂直升降為主的演化歷史［18］，也符合關于鄂爾多斯盆地塊體在上地殼較淺部位主要以砂巖或變質(zhì)鎂鐵巖為主的實際情況［19］.

圖6 研究區(qū)域總的Vp／Vs等值線分布圖Fig.6 Vp／Vsratio isoline map in this area

從Vp／Vs值分布體現(xiàn)了：相對高的波速比多存在于沉積盆地斷陷中心地帶及附近凹陷區(qū)域，例如臨汾盆地與渭河盆地等裂谷斷陷盆地附近存在較高的Vp／Vs值，其等值線分布圖較好地勾勒出塊體東南緣的主要沉積盆地.較低的波速比則分布在鄂爾多斯地塊東部邊緣太行山脈與南部邊緣秦嶺造山帶等隆起區(qū)域附近.塊體東緣邊界帶的Vp／Vs值分布具有顯著的南、北分段特征，顯現(xiàn)出凹陷與突起相間分布的特征.總之，不同臺站的波速比反映了研究區(qū)域的地殼分層結(jié)構明顯，具有很強的橫向不均勻性，計算結(jié)果很好地印證了鄂爾多斯地塊地殼結(jié)構的復雜多變性.

5 結(jié) 論

本文使用遠震接收函數(shù)得到了鄂爾多斯地塊東南緣地帶的Moho深度和Vp／Vs值分布，分析表明：

（1）應用固定寬頻帶遠震接收函數(shù)是一種有效的研究臺站下方地殼上地幔結(jié)構的方法，其結(jié)果與DSS結(jié)果相對應，具有一定的可信度.隨著固定臺站波形記錄的增加，可以進一步提高反演結(jié)果的可靠性.

（2）鄂爾多斯地塊東南緣地帶的Moho深度分布具有明顯的分塊特征.塊體內(nèi)部結(jié)構比較穩(wěn)定，盆地中部地殼厚度變化較為平緩，塊體外側(cè)地殼結(jié)構與塊體東緣內(nèi)側(cè)地殼深度具有明顯的差異性，自東向西地殼厚度呈現(xiàn)逐漸增厚的趨勢，很好地對應了其地質(zhì)構造特點.

（3）研究區(qū)域Vp／Vs值分布也具有明顯的分塊特征，不同臺站的波速比反映了研究區(qū)域的地殼分層結(jié)構明顯，具有很強的橫向不均勻性.相對高的波速比多存在于沉積盆地斷陷中心地帶及附近凹陷區(qū)域，較低的波速比則分布在鄂爾多斯地塊東部邊緣太行山脈與南部邊緣秦嶺造山帶等隆起區(qū)域附近.

（4）原本計算了59個臺站的數(shù)據(jù)，但在本文中未使用山西昔陽臺的結(jié)果.原因是：從該臺的接收函數(shù)圖看出：來自北西-南東方向比較聚焦，震相穩(wěn)定；來自北東-南西方向聚焦較差.這可能是臺站的基址問題造成的，該臺站處在山西地塹的東南緣邊界，可能是在具有一定寬度的一級或者二級邊界斷裂帶內(nèi)，例如：太行山斷裂帶.所以對應的莫霍轉(zhuǎn)換震相不清晰，得不到確定的Moho深度值.這個結(jié)果正說明：地表和深部地質(zhì)構造條件決定了數(shù)據(jù)質(zhì)量.該地帶作為一級構造特征和重要的布格重力異常帶，這種現(xiàn)象值得深入研究，我們下一步工作將分別選用位于平原、過渡帶和斷陷盆地內(nèi)的臺站資料進行計算對比，結(jié)合分析地表地質(zhì)構造現(xiàn)象來認識此類問題.

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