利用接收函數(shù)頻率特征研究青藏高原東北緣地區(qū)的莫霍面性質(zhì)

宋 婷 沈旭章 梅秀蘋(píng) 焦煜媛 李敏娟 蘇小蕓 季婉婧

1)中國(guó)地震局蘭州巖土地震研究所，蘭州 730000 2)甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，蘭州 730000 3)中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510275 4)甘肅省地震局，蘭州 730000

0 引言

為揭示板塊俯沖、 高原隆升的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和演化過(guò)程，正在進(jìn)行陸-陸碰撞的典型造山帶——青藏高原一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)區(qū)域。關(guān)于其變形是連續(xù)、 耦合的(Fleschetal.，2005； 王椿鏞等，2008)，還是隨深度變化的(Clarketal.，2000)，目前仍未有定論。青藏高原向大陸內(nèi)部擴(kuò)展生長(zhǎng)的前沿區(qū)域稱為青藏高原東北緣，此區(qū)域處于青藏高原、 鄂爾多斯、 華南3大塊體的接合部位，同時(shí)也位于中國(guó)大陸的東、 西分界線——南北地震帶的中北段。多種構(gòu)造因素使得區(qū)內(nèi)的莫霍面深度變化強(qiáng)烈，構(gòu)造關(guān)系復(fù)雜，發(fā)育了東昆侖斷裂、 西秦嶺北緣斷裂、 海原-祁連山斷裂等多條大型活動(dòng)斷裂。強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)也使此區(qū)域成為地震多發(fā)區(qū)，歷史上曾發(fā)生過(guò)1654年天水南8級(jí)、 1718年通渭7.5級(jí)、 1879年武都南8級(jí)、 1920年海原8.5級(jí)等多次7級(jí)以上大地震(圖1)。研究表明，在源自高原內(nèi)部的地殼通道流的驅(qū)動(dòng)下，青藏高原東北緣向NE擴(kuò)張和加厚，并伴隨著上地殼縮短。隨著向外延伸，地殼流的速度逐漸減緩(Roydenetal.，1997； Zhaoetal.，2021)。厘清高原在東北緣如何進(jìn)行擴(kuò)張有助于解開(kāi)青藏高原變形機(jī)制的奧秘，青藏高原東北緣的擴(kuò)張和與周邊區(qū)域的相互作用由此成為地學(xué)界學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)的構(gòu)造背景與地震活動(dòng)性(1900年以來(lái))

為了更好地理解青藏高原東北緣斷層系的耦合關(guān)系及區(qū)域構(gòu)造演化過(guò)程，對(duì)其殼幔過(guò)渡帶開(kāi)展研究則顯得尤為重要。作為殼幔邊界——莫霍面，殼幔物質(zhì)與能量在該處不斷發(fā)生分異、 交換并伴隨一系列地質(zhì)作用演化(Jarchowetal.，1989)。深地震測(cè)深結(jié)果顯示，大部分地區(qū)的莫霍面都不是簡(jiǎn)單的一級(jí)速度間斷面，而是具有一定厚度的速度梯度帶，或是由高速-低速薄層疊成的過(guò)渡窄帶，甚至具有更復(fù)雜的速度結(jié)構(gòu)(Davydovaetal.，1972； Braileetal.，1986)。地震學(xué)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室?guī)r石樣品的高溫高壓測(cè)試結(jié)果證明，一級(jí)速度間斷面類型的莫霍面，間斷面上方的下地殼主要由基性麻粒巖組成，而上地幔的成分是以橄欖石為主的超基性地幔巖或榴輝巖以及二輝橄欖巖。在構(gòu)造活動(dòng)復(fù)雜的區(qū)域，由于殼幔物質(zhì)與能量相互作用，地幔物質(zhì)會(huì)侵入下地殼，造成莫霍面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖2)。因此，探測(cè)殼幔過(guò)渡帶的厚度及其復(fù)雜程度可為研究殼幔物質(zhì)能量交換、 巖石相變及成分變化提供主要信息，有助于進(jìn)一步揭示區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

圖2 過(guò)渡帶形態(tài)莫霍面的形成示意圖

目前，多數(shù)針對(duì)青藏高原東北緣莫霍面復(fù)雜性的研究結(jié)果來(lái)自人工地震與大地電磁測(cè)深。整體而言，此區(qū)域內(nèi)的地殼是大都為多層的，且由高、 低速相間的介質(zhì)層束組成，而不同構(gòu)造單元的莫霍面又存在差異。鄂爾多斯盆地和陵中盆地的莫霍面為一級(jí)間斷面，海原地震區(qū)和瑪沁斷裂帶的莫霍面則為厚達(dá)20km以上的復(fù)雜疊層殼幔過(guò)渡帶(趙俊猛等，1999，2001； 賴曉玲等，2001，2004a，b； 滕吉文，2006)。一些地區(qū)的莫霍過(guò)渡帶層狀不清晰、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

早期，劉啟元等(1985)基于天然地震殼幔界面轉(zhuǎn)換波研究了莫霍面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并通過(guò)合成理論地震圖分析了不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換界面對(duì)Ps轉(zhuǎn)換波動(dòng)力學(xué)特征的影響。而今，接收函數(shù)作為研究地殼上地幔間斷面的經(jīng)典天然地震學(xué)方法，也常常被應(yīng)用于全球不同區(qū)域的地殼及上地幔結(jié)構(gòu)研究中(Burdicketal.，1977； Ammon，1991； Zhuetal.，2000； Tianetal.，2005； Shenetal.，2014)。目前，眾多的研究更為關(guān)注莫霍界面的深度，而對(duì)于莫霍面本身復(fù)雜性的討論則較少。寬頻帶接收函數(shù)包含詳細(xì)的殼幔界面信息，其徑向(R)分量的頻率特征可以幫助估計(jì)殼幔邊界的“銳度”，即分辨莫霍過(guò)渡帶中S波速度變化(Owensetal.，1985)。目前，已有研究者嘗試?yán)貌煌l段接收函數(shù)的聯(lián)合反演分析復(fù)雜地殼與接收函數(shù)頻率的關(guān)系，及通過(guò)探究高低頻段接收函數(shù)分裂參數(shù)的差異等方式研究一些重要構(gòu)造板塊和地質(zhì)單元地殼結(jié)構(gòu)(劉啟元等，1996； 李永華等，2009； 危自根等，2016； Sunetal.，2019)。

本文基于R向接收函數(shù)的莫霍面一次轉(zhuǎn)換波Ps和多次轉(zhuǎn)換波PPs、 PSs(以下分別簡(jiǎn)稱為接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波)的頻率特征數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果(宋婷等，2020)，利用青藏高原東北緣甘肅東南部地區(qū)的高密度野外流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)觀測(cè)和理論接收函數(shù)擬合構(gòu)建了研究區(qū)下方莫霍面的S波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地質(zhì)學(xué)及巖石學(xué)相關(guān)結(jié)果對(duì)此區(qū)域的莫霍面性質(zhì)進(jìn)行了探討，為研究該地區(qū)及其周邊塊體的相互作用形式和演化過(guò)程提供了參考依據(jù)，同時(shí)展示了利用接收函數(shù)方法研究莫霍面復(fù)雜性的可行性。

1 數(shù)據(jù)與方法1.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)自位于青藏高原東北緣甘肅東南部地區(qū)2年間高密度流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣的地震記錄。該臺(tái)陣由7條測(cè)線組成(6條近SN向，1條近EW向)，經(jīng)過(guò)初步的數(shù)據(jù)處理，選取了此高密度寬頻帶觀測(cè)臺(tái)陣中的70個(gè)質(zhì)量相對(duì)較高的臺(tái)站地震記錄。地震儀由英國(guó)Guralp公司的CMG-3ESP地震計(jì)(頻帶范圍60s～50Hz)與REFTEK-130B型數(shù)據(jù)采集器組成，通過(guò)GPS授時(shí)，每秒采集50個(gè)數(shù)據(jù)。研究區(qū)和臺(tái)站分布如圖3 所示。

圖3 臺(tái)陣與地震事件的震中分布

地震數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間為2009年11月1日—2011年11月30日，選擇震中距范圍30°～90°、MS≥5.5的地震波記錄，地震事件相對(duì)臺(tái)站的震中距方位角分布見(jiàn)圖3 左上子圖。

1.2 研究方法

首先挑選信噪比高、 初動(dòng)清晰的原始N、E、Z三分量地震波記錄，之后進(jìn)行以下處理： 1)截取三分量直達(dá)P波初動(dòng)前20s及之后120s的波形數(shù)據(jù)。2)對(duì)截取的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值、 去線性趨勢(shì)以及低通濾波處理。濾波時(shí)使用拐角頻率為0.02Hz和1Hz的4階2通道巴特沃斯濾波器。3)將N、E、Z三分量地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)至R、T和Z向。4)設(shè)置高斯濾波器因子α=1，迭代次數(shù)為100，通過(guò)R向?qū)向地震波數(shù)據(jù)作時(shí)間域迭代反褶積(Ligorríaetal.，1999)得到R向接收函數(shù)，通過(guò)Z向地震波數(shù)據(jù)對(duì)其自身作時(shí)間域迭代反褶積得到Z向接收函數(shù)。5)利用R向接收函數(shù)除以Z向接收函數(shù)的最大值，得到歸一化的R向接收函數(shù)(Ammonetal.，1990)。

前期的研究工作(宋婷等，2020)表明，當(dāng)頻率增大到一定值后，接收函數(shù)的Ps轉(zhuǎn)換波和多次波的多峰值現(xiàn)象保持不變，僅震相寬度變窄。基于大量觀測(cè)資料分析，本文選取反褶積過(guò)程中不同高斯濾波因子對(duì)應(yīng)的3種頻率的接收函數(shù)對(duì)莫霍面的性質(zhì)進(jìn)行研究(濾波因子α分別取為1、 4和9，其中由α=4和α=9計(jì)算得到的接收函數(shù)稱為高頻接收函數(shù))。在上述數(shù)據(jù)處理的第4步，再分別設(shè)置α=4、α=9，即可得到α=4和α=9時(shí)的高頻接收函數(shù)。剔除形態(tài)和幅度明顯異常的波形，得到6585條3種頻率的接收函數(shù)用于本次研究。

2 結(jié)果

2.1 單個(gè)臺(tái)站接收函數(shù)的頻率特征

數(shù)值試驗(yàn)表明，由不同莫霍面速度模型計(jì)算的接收函數(shù)對(duì)應(yīng)不同的頻率特征(宋婷等，2020)(圖4)。因此，通過(guò)分析實(shí)際接收函數(shù)的頻率特征，可以反推臺(tái)站下方的莫霍面速度結(jié)構(gòu)。分析位于每條測(cè)線上每個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)頻率特征后可知，雖然每個(gè)臺(tái)站的高頻接收函數(shù)的Ps轉(zhuǎn)換波和多次波的多峰值現(xiàn)象都比較復(fù)雜，頻率特征不止一種，但大多都以某種特征為主，其他方式的占比相對(duì)較小。對(duì)各臺(tái)站的主要頻率特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)臺(tái)站的高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波都產(chǎn)生了多峰值現(xiàn)象。對(duì)這些頻率特征進(jìn)行總結(jié)，可將其分為2類： 1)高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波為1個(gè)波峰，而多次波則表現(xiàn)為多峰值現(xiàn)象(用代號(hào)Ⅰ表示)； 2)高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波均表現(xiàn)為多峰值現(xiàn)象(用代號(hào)Ⅱ表示)。頻率特征表現(xiàn)為第Ⅰ類的臺(tái)站數(shù)量較少，如S309、 S410臺(tái)等。圖5 為S309臺(tái)6個(gè)代表事件的接收函數(shù)頻率特征。

圖4 理論情況下不同莫霍面速度模型(左)的接收函數(shù)頻率特征(右)

圖5 S309臺(tái)的高頻接收函數(shù)頻率特征(Ⅰ)

相比第 Ⅰ 類而言，接收函數(shù)頻率特征表現(xiàn)為第 Ⅱ 類的臺(tái)站數(shù)量較多，占絕大多數(shù)，即高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波均具有多峰值現(xiàn)象。經(jīng)辨認(rèn)分析，這種情況可進(jìn)一步分為以下4類：

第1類頻率特征(用代號(hào)Ⅱ1表示)： 高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波表現(xiàn)為3個(gè)波峰，次至波的幅度大于其余2個(gè)波峰的幅度，多次波PPs和PSs表現(xiàn)為2個(gè)或3個(gè)波峰，其多峰值特征與Ps波存在一定的關(guān)聯(lián)性，但規(guī)律不如Ps轉(zhuǎn)換波穩(wěn)定和一致。頻率特征表現(xiàn)為Ⅱ1的臺(tái)站有S408、 S609、 S613等，圖6 為S609臺(tái)6個(gè)代表事件的接收函數(shù)頻率特征。

圖6 S609臺(tái)的高頻接收函數(shù)頻率特征(Ⅱ1)

第2類頻率特征(用代號(hào)Ⅱ2表示)： 高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波表現(xiàn)為2個(gè)波峰，其中初至波的波峰幅度小于次至波的波峰幅度，多次波PPs和PSs大多也表現(xiàn)為2個(gè)波峰，其多峰值特征與Ps波存在一定的關(guān)聯(lián)性，但規(guī)律不如Ps轉(zhuǎn)換波穩(wěn)定和一致。頻率特征表現(xiàn)為Ⅱ2的臺(tái)站有S308、 S311、 S314、 S422等，圖7 為S422臺(tái)6個(gè)代表事件的接收函數(shù)頻率特征。

圖7 S422臺(tái)的高頻接收函數(shù)頻率特征(Ⅱ2)

第3類頻率特征(用代號(hào)Ⅱ3表示)： 高頻接收函數(shù)的Ps轉(zhuǎn)換波表現(xiàn)為2個(gè)波峰，其中初至波的波峰幅度大于次至波的波峰幅度，多次波PPs和PSs表現(xiàn)為2個(gè)或3個(gè)波峰，其多峰值特征與Ps波存在一定的關(guān)聯(lián)性，但規(guī)律不如Ps轉(zhuǎn)換波穩(wěn)定和一致。頻率特征表現(xiàn)為Ⅱ3的臺(tái)站有S109、 S306、 S318等，圖8 為S318臺(tái)6個(gè)代表事件的接收函數(shù)頻率特征。

圖8 S318臺(tái)的高頻接收函數(shù)頻率特征(Ⅱ3)

第4類頻率特征(用代號(hào)Ⅱ4表示)： 高頻接收函數(shù)的Ps轉(zhuǎn)換波表現(xiàn)為4個(gè)或更多的波峰，次至或第3個(gè)到達(dá)的波峰幅度最大，比之前的幾種特征更復(fù)雜，多次波PPs和PSs表現(xiàn)出的多峰值特征不固定。頻率特征表現(xiàn)為Ⅱ4的臺(tái)站有S108、 S418等，圖9 為S108臺(tái)6個(gè)代表事件的接收函數(shù)頻率特征。

圖9 S108臺(tái)的高頻接收函數(shù)頻率特征(Ⅱ4)

2.2 不同剖面疊加接收函數(shù)的頻率特征

為探究觀測(cè)臺(tái)陣下方地殼結(jié)構(gòu)的橫向連續(xù)變化特征，我們根據(jù)透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)沿剖面對(duì)接收函數(shù)進(jìn)行疊加。同時(shí)，為了消除不同震中距和震源深度引起的震相到時(shí)差別，并突出Ps轉(zhuǎn)換波和多次波震相以便識(shí)別其頻率特征，在疊加前設(shè)置射線參數(shù)為0.065s/(°)，針對(duì)不同震相3種頻率的接收函數(shù)分別進(jìn)行了校正。以剖面L3為例，圖10 為α=1時(shí)分別經(jīng)Ps、 PPs校正前、 后沿剖面疊加的結(jié)果。

圖10 根據(jù)透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)沿剖面L3疊加的接收函數(shù)

分析校正后沿 7 條剖面疊加的接收函數(shù)(其中L1—L6為近SN向，L7為近EW向)可知，隨著緯度(經(jīng)度)變化，高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波的多峰值特征按一定規(guī)律變化，基本涵蓋了上述5種(Ⅰ、 Ⅱ 1、 Ⅱ 2、 Ⅱ 3、 Ⅱ 4)頻率特征，但也存在一定范圍內(nèi)高頻Ps轉(zhuǎn)換波和多次波多峰值現(xiàn)象不固定、 變化復(fù)雜且不屬于上述任何一種頻率特征的情況，這種頻率特征用Ⅲ表示。

為清楚地表示研究區(qū)高頻接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和PPs多次波的多峰值表現(xiàn)特征(PSs多次波的分辨相對(duì)困難，僅作為參考)，圖11—17分別為L(zhǎng)1—L7剖面Ps轉(zhuǎn)換波與PPs轉(zhuǎn)換波的3種頻率接收函數(shù)的疊加，并在每個(gè)剖面上用前文約定的數(shù)字標(biāo)注了其接收函數(shù)頻率特征。由L1剖面接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波與PPs轉(zhuǎn)換波的疊加結(jié)果(圖11a 為Ps疊加，圖11b 為PPs疊加)可知，當(dāng)α=1時(shí)，接收函數(shù)Ps轉(zhuǎn)換波和多次波PPs都僅有1個(gè)波峰。當(dāng)α=4時(shí)，隨著緯度增加，在33.8°N附近，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅱ 2 型頻率特征； 34.2°～34.3°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅱ 1 型頻率特征； 34.3°～34.55°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅰ 型頻率特征； 34.55°～34.7°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅱ 1 型頻率特征； 34.7°～34.85°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅰ 型頻率特征； 34.85°～35.1°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅱ 1 型頻率特征； 35.3°～35.6°N，接收函數(shù)表現(xiàn)為 Ⅱ 2 型頻率特征。當(dāng)α=9時(shí)，接收函數(shù)的頻率特征與α=4時(shí)相同，僅Ps震相的寬度變窄，震相變得更加尖銳。類似地，對(duì)L2—L7剖面疊加的接收函數(shù)進(jìn)行了相同的分析與頻率特征標(biāo)注，下文不再分別贅述(圖12—17)。

圖11 L1剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖12 L2剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖13 L3剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖14 L4剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖15 L5剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖16 L6剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

圖17 L7剖面的Ps與PPs接收函數(shù)頻率特征

3 討論

為便于討論，將上文分析的7條疊加剖面的接收函數(shù)頻率特征投影到地圖上，不同顏色填充的矩形代表不同的頻率特征(圖18)。同時(shí)，基于數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果(宋婷等，2020)，經(jīng)多次試錯(cuò)，通過(guò)觀測(cè)和理論接收函數(shù)擬合分別得到了不同頻率特征表征的相應(yīng)的莫霍面S波速度結(jié)構(gòu)(圖18 右側(cè))。

圖18 研究區(qū)接收函數(shù)的頻率特征

總體而言(圖18)，研究區(qū)的接收函數(shù)頻率特征共有6類(包含特征Ⅲ)，沿著每條剖面的接收函數(shù)都包含3種以上的頻率特征，說(shuō)明了此區(qū)域莫霍面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。沿緯度(經(jīng)度)方向不同頻率特征交替出現(xiàn)，反映了本區(qū)殼幔耦合具有明顯的橫向不均勻性。對(duì)每種頻率特征而言，其反映的本區(qū)的莫霍面都不是尖銳的速度間斷面，而是具有一定寬度的過(guò)渡帶。特征Ⅰ表明莫霍面近似表現(xiàn)為在過(guò)渡帶內(nèi)存在一個(gè)較為明顯的界面； 特征Ⅱ1和Ⅱ2表明S波速度在此過(guò)渡帶內(nèi)隨深度增加逐漸增大，但增大的速率(梯度)隨深度存在變化； 特征Ⅱ3和Ⅱ4表明在此過(guò)渡帶內(nèi)S波速度除隨深度的增加而增大、 速度梯度隨深度有變化外，在過(guò)渡帶內(nèi)還存在小的速度躍變。

3.1 研究區(qū)莫霍面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與本區(qū)構(gòu)造特征

首先，以上結(jié)果反映了研究區(qū)的殼幔構(gòu)造具有強(qiáng)烈的活動(dòng)性，導(dǎo)致此區(qū)域的莫霍面并非一個(gè)尖銳的界面。其次，此區(qū)域的莫霍面結(jié)構(gòu)不止一種，且相對(duì)復(fù)雜，說(shuō)明本區(qū)的殼幔耦合又具有明顯的橫向不均勻性。從所得結(jié)果可明顯看出，絕大多數(shù)斷層兩側(cè)的區(qū)域具有不同的接收函數(shù)頻率特征，這說(shuō)明斷層兩側(cè)地殼的物性結(jié)構(gòu)具有差異。例如，L1—L6剖面都穿過(guò)了本區(qū)最深大的斷裂——西秦嶺北緣斷裂，由圖18 知，每條剖面的結(jié)果都顯示斷裂兩側(cè)的頻率特征發(fā)生了變化。西秦嶺北緣斷裂為一條大型左旋走滑逆沖型活動(dòng)斷裂帶，同時(shí)作為分界線隔開(kāi)了北側(cè)的隴西盆地和南側(cè)的秦嶺山地(陳鵬，2016)。這條斷裂兩側(cè)區(qū)域的頻率特征變化說(shuō)明西秦嶺北緣下方可能存在莫霍面錯(cuò)斷或斷裂貫穿了地殼，并且發(fā)生了殼幔物質(zhì)交換(熊小松，2010)，這與本區(qū)強(qiáng)烈的各向異性所揭示的結(jié)果一致(邵若潼等，2019)。值得注意的是，在L4、 L5、 L6剖面跨越的西秦嶺北緣斷裂東側(cè)，斷裂以南的地殼具有相似的結(jié)構(gòu)，且頻率特征都為Ⅱ1型，雖然L4—L6剖面的距離比較接近，其相似度高似乎也在情理之中，但卻與L2、 L3剖面在此斷裂以南的頻率特征不同。該現(xiàn)象則反映了西秦嶺北緣斷裂以南自西向東的地殼結(jié)構(gòu)存在差異性變化。

3.2 與此區(qū)已有的地球物理研究結(jié)果的對(duì)比

層析成像結(jié)果揭示此區(qū)域不同深度處的速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不一致，同一深度處的S速度結(jié)構(gòu)具有明顯差異(李敏娟等，2018)，這與我們得到的結(jié)果也是一致的。深地震反射剖面得到的研究區(qū)的莫霍面深度為42～56km(李英康等，2015)。多條跨越青藏高原東北緣與鄂爾多斯地塊之間過(guò)渡區(qū)的剖面研究表明，此區(qū)域的莫霍面深度變化劇烈(陳九輝等，2005； 劉明軍等，2008； 張先康等，2008； 李少華等，2012)。西秦嶺構(gòu)造帶下方的地殼不僅厚度變化大(李英康等，2015)，而且比南部的松潘-甘孜塊體和以北的祁連構(gòu)造帶都薄(Wangetal.，2017)，說(shuō)明研究區(qū)的莫霍面上凸，其原因可能是青藏高原隆升時(shí)受到穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊的阻擋發(fā)生擠壓，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的形變。因此，在此區(qū)域觀測(cè)到的多種接收函數(shù)頻率特征以及其交替出現(xiàn)間接反映了青藏高原隆升并向東北緣擴(kuò)展等地質(zhì)作用導(dǎo)致的地殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

3.3 莫霍面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與巖石學(xué)

由擬合觀測(cè)得到的此區(qū)域莫霍面的5種速度結(jié)構(gòu)可知(圖18 右側(cè)子圖)，此區(qū)域的莫霍面大致均為速度隨深度逐漸增加的過(guò)渡帶，這說(shuō)明隨著深度增加，巖石的中SiO2含量逐漸減少，鎂鐵成分逐漸增加(劉明軍等，2008)，也可認(rèn)為在殼幔邊界存在一些鎂鐵質(zhì)物質(zhì)(滕吉文，2006)，這與前人研究得到的“此區(qū)域中下地殼由鎂鐵質(zhì)成分組成，具有高泊松比”的觀點(diǎn)一致(劉明軍，2007； Wangetal.，2017)。接收函數(shù)頻率特征Ⅰ表征的莫霍面存在一個(gè)躍變界面，其余4種具有約15km的寬度(圖18 右側(cè)子圖Ⅱ1—Ⅱ4中2條虛線之間的距離)。臺(tái)站下方地震波速度隨深度呈正梯度增加，可能表明臺(tái)站下方的地殼具有高黏滯性(張洪雙等，2015)，不利于下地殼物質(zhì)的流動(dòng)。一直以來(lái)，研究者認(rèn)為幔源巖漿及其分異產(chǎn)物通過(guò)各種地質(zhì)過(guò)程添加到陸殼中，從而造成了地殼的生長(zhǎng)。源于地幔流的超鎂鐵質(zhì)液體或巖漿侵入最下部地殼，原始莫霍面便會(huì)變成過(guò)渡帶，而非尖銳邊界。莫霍面梯度可能反映了從大部分鎂鐵質(zhì)巖石到大部分超鎂鐵質(zhì)巖石的逐漸過(guò)渡(Thyboetal.，2012； Wangetal.，2013)。因此，該地區(qū)的殼幔邊界表現(xiàn)為復(fù)雜過(guò)渡帶的特征，可以認(rèn)為是上地幔熱物質(zhì)上涌和底侵作用所致(王椿鏞等，2008)。

4 結(jié)論

本研究基于接收函數(shù)莫霍面Ps轉(zhuǎn)換波和多次波的頻率特征數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，利用青藏高原東北緣甘肅東南部地區(qū)的高密度流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣數(shù)據(jù)，通過(guò)觀測(cè)和理論接收函數(shù)擬合構(gòu)建了研究區(qū)下方的莫霍面S波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地質(zhì)學(xué)及巖石學(xué)相關(guān)結(jié)果對(duì)此區(qū)域的莫霍面性質(zhì)進(jìn)行了探討，得到以下主要結(jié)論：

(1)首先，此區(qū)域的莫霍面并非一個(gè)尖銳的界面，反映了研究區(qū)殼幔構(gòu)造的強(qiáng)烈活動(dòng)性。其次，此區(qū)域具有多種莫霍面結(jié)構(gòu)，說(shuō)明本區(qū)殼幔耦合又具有明顯的橫向不均勻性。

(2)由得到的5種莫霍面的S波速度結(jié)構(gòu)可知，此區(qū)域的殼幔邊界是隨深度增加速度逐漸增大的過(guò)渡帶，這說(shuō)明隨著深度增大巖石中的鎂鐵成分逐漸增加、 SiO2含量逐漸減少，也可認(rèn)為在殼幔邊界存在一些鎂鐵質(zhì)物質(zhì)。

(3)基于得到的5種莫霍面的S波速度結(jié)構(gòu)推斷，研究區(qū)下方的地震波速度隨深度增加呈正梯度增加，可能表明研究區(qū)下方的地殼具有高黏滯性，不利于下地殼物質(zhì)的流動(dòng)。

(4)本區(qū)絕大多數(shù)斷裂帶兩側(cè)具有不同的接收函數(shù)頻率特征，特別是西秦嶺北緣斷裂，表明該斷裂切穿了地殼。

(5)該地區(qū)殼幔邊界的復(fù)雜過(guò)渡帶特征可能源自上地幔熱物質(zhì)上涌和底侵作用。

致謝參與高密度流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣布設(shè)以及數(shù)據(jù)采集的野外工作人員付出了辛勤勞動(dòng)； 審稿專家對(duì)本文提出了建設(shè)性意見(jiàn)； 本文部分圖件由GMT繪制(Wesseletal.，2019)。在此一并表示感謝！