李大偉 教智浡 胡寶慧

（中國(guó)黑龍江 154100 鶴崗地震臺(tái)）

0 引言

伊舒斷裂帶是郯城—廬江斷裂帶北延段進(jìn)入黑龍江省以后的一個(gè)分支，大體NNE走向，從松遼盆地與三江盆地之間穿過，并沿著走向一直延展到俄羅斯境內(nèi)。大多研究者認(rèn)為，該斷裂是由太平洋板塊俯沖變化所形成的，在中生代時(shí)期其主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方式為以EW向拉張形成近SN向裂陷，其間也存在著太平洋板塊俯沖引起的斷裂帶兩側(cè)持續(xù)擠壓作用（陳洪洲等，2001）；在新生代時(shí)期，斷裂帶則以走滑拉分運(yùn)動(dòng)方式為主（許浚遠(yuǎn)，1997）。本文研究區(qū)域是伊舒斷裂帶北段，即依蘭—蘿北一段（朱玉瑛等，1991）。歷史上，該區(qū)域多次發(fā)生較大震級(jí)地震，其中，1963年6月21日蘿北發(fā)生5.8級(jí)地震；1964年3月29日在蘿北再次發(fā)生4.3 級(jí)地震；自1975年黑龍江省地震臺(tái)網(wǎng)建成起，該區(qū)域發(fā)生4級(jí)以下地震200多次，1990年靠近蘿北的俄羅斯境內(nèi)又發(fā)生5.1級(jí)地震。因此，該區(qū)域已被劃入黑龍江省地震跟蹤監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域之一（吳寶峰等，2012，2015）。

利用伊舒斷裂帶北段4個(gè)固定地震臺(tái)站記錄到的遠(yuǎn)震事件波形，采用頻率域反褶積方法提取P波接收函數(shù)，采用H—κ疊加方法獲得研究區(qū)域的莫霍面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及殼內(nèi)物質(zhì)泊松比分布，以期為進(jìn)一步確定殼內(nèi)物質(zhì)，探討該區(qū)域孕震機(jī)理、動(dòng)力學(xué)模式提供可靠的地球物理學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 接收函數(shù)提取方法

三分量地震計(jì)記錄到的遠(yuǎn)震事件時(shí)間序列，在不考慮背景噪聲的情況下，主要由震源時(shí)間函數(shù)、射線傳播路徑、地震計(jì)本身的儀器響應(yīng)等決定（Phinney，1964），所以，遠(yuǎn)震P波在時(shí)間域中地表位移卷積表達(dá)式為

其中，DV(t)、DR(t)、DT(t)分別為垂直、徑向和切向3個(gè)分量的波形記錄；t為時(shí)間；I(t)為儀器響應(yīng)；S(t)為震源時(shí)t間函數(shù)；E(t)為臺(tái)站下方介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。再利用“等效震源假設(shè)”假定（Langston，1979），臺(tái)站下方介質(zhì)對(duì)遠(yuǎn)震P波垂直分量在時(shí)間域記錄中沒有影響，介質(zhì)響應(yīng)可簡(jiǎn)單地看作1個(gè)狄拉克函數(shù)

將式（2）代入式（1）中的遠(yuǎn)震P波垂直向分量記錄卷積表達(dá)式中，可得

即DV(t)可理解為因近似遠(yuǎn)震平面P波垂直入射，所以P波垂直向分量記錄不受介質(zhì)響應(yīng)的影響，將式（3）代入式（1）中的徑向、切向分量記錄表達(dá)式中得到

將式（4）進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)間域上的遠(yuǎn)震P波徑向、切向分量記錄轉(zhuǎn)換到頻率域，再應(yīng)用卷積定理可得到

再將式（5）進(jìn)行傅里葉逆變換，變換到時(shí)間域上，最終得到介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)在時(shí)間域上的遠(yuǎn)震P波徑向、切向接收函數(shù)。

1.2 莫霍面深度、泊松比的計(jì)算

當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^莫霍界面進(jìn)行傳播時(shí)，由于兩側(cè)介質(zhì)波速不同，P波部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換成S波進(jìn)行傳播，甚至?xí)霈F(xiàn)自由表面與莫霍面之間多次轉(zhuǎn)換和反射。利用上述震相與直達(dá)P波的到時(shí)差計(jì)算莫霍面深度的公式為

其中，tPs、tPpPs、tPpSs+PsPs分別為這些震相相對(duì)于直達(dá)P波的到時(shí)差；H為莫霍面深度；vP、vS分別為P、S波在地殼中平均速度；p為射線參數(shù)。當(dāng)給定射線參數(shù)值時(shí)，到時(shí)差也可以從接收函數(shù)上得到，因此，式（6）可以理解為莫霍面深度與縱波、橫波波速比（κ=vP/vS）之間的關(guān)系式。

實(shí)際上，直接從接收函數(shù)上獲取轉(zhuǎn)換波與多次反射波到時(shí)是非常困難的。采用H—κ疊加方法（Zhu et al，2000）來求得莫霍面深度和地殼內(nèi)波速比。給出地殼內(nèi)縱波平均速度，再給定莫霍面深度H和波速比κ取值范圍，將掃描到的H和κ值代入式（6）算出各個(gè)震相相對(duì)于直達(dá)P波的到時(shí)差，同時(shí)可得到在接收函數(shù)上各個(gè)震相對(duì)應(yīng)振幅的大小，再將每個(gè)震相振幅按照以下目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行疊加

其中，r(t)為徑向接收函數(shù)；ω1、ω2、ω3為震相振幅疊加權(quán)重系數(shù)，并且滿足絕對(duì)值相加等于1。式（7）取得最大值，也就是震相疊加后的能量最大值，說明每一個(gè)震相的到時(shí)與實(shí)際到時(shí)是對(duì)應(yīng)的，此時(shí)得到的地殼厚度H和波速比κ也接近真實(shí)值的最佳結(jié)果（張寶文等，2015）。最后，根據(jù)波速比推算出泊松比，其關(guān)系式為

2 觀測(cè)資料的選取與處理

選取位于伊舒斷裂帶北段的蘿北地震臺(tái)（LBE）、鶴崗地震臺(tái)（HEG）、佳木斯地震臺(tái)（JMS）、雙鴨山地震臺(tái)（SYS）記錄到的，2017年1月至2018年9月面波震級(jí)大于5.5，震中距為30°—90°的遠(yuǎn)震地震事件。從中挑選P波初動(dòng)清晰、信噪比較高的事件，最終挑選得到261個(gè)地震事件（圖1）。由圖1可見，所選地震事件的震中位置相對(duì)研究區(qū)域臺(tái)站的反方位角有較好的覆蓋。利用SAC軟件截取各個(gè)臺(tái)站地震記錄P波到時(shí)前10 s到后80 s共90 s的波形數(shù)據(jù)，同時(shí)完成去儀器響應(yīng)、去趨勢(shì)、去均值、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；然后，運(yùn)用頻率域反卷積的方法提取所有遠(yuǎn)震事件的P波徑向接收函數(shù)。計(jì)算過程中，選擇不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)試后，高斯濾波系數(shù)選取1.0，水準(zhǔn)量選取0.01（呂睿等，2016）。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)臺(tái)站（a）與遠(yuǎn)震事件分布（b）Fig.1 Distribution of seismic stations (a) and teleseismic events used in the study (b)

在利用H—κ疊加方法計(jì)算莫霍面深度和波速比時(shí)，結(jié)合楊寶?。?999）的人工地震剖面測(cè)深結(jié)果進(jìn)行分析，得出給定地殼內(nèi)P波平均速度為6.3 km/s時(shí)最合理；莫霍面深度H和波速比κ搜素范圍分別設(shè)定為20—60 km和1.5—2.0，且H和κ的搜索步長(zhǎng)分別為 0.1 km和0.01。根據(jù)實(shí)際接收函數(shù)波形，最優(yōu)振幅加權(quán)系數(shù)分別給定為0.7、0.2、0.1。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過前文所述的數(shù)據(jù)處理流程后，得到伊舒斷裂帶北段區(qū)域內(nèi)4個(gè)固定地震臺(tái)站下方莫霍面深度及泊松比，并將其與張廣成（2012）研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表1）。

表1 與張廣成（2012）研究結(jié)果對(duì)比Table 1 The comparison with previous research results

從表1可見，2種方法所得的莫霍面深度，雙鴨山地震臺(tái)臺(tái)（SYS）的相差9.0 km，蘿北地震臺(tái)（LBE）的相差1.5 km，均在誤差范圍內(nèi)，其他臺(tái)站的莫霍面深度無太大差別。2種方法所得的波速比，相對(duì)其他臺(tái)的差異，鶴崗地震臺(tái)（HEG）差異較大，雙鴨山地震臺(tái)差異較小。為了探究其原因，再將2個(gè)臺(tái)的徑向接收函數(shù)按照反方位角從小到大排列（圖2）。從圖2可見，鶴崗地震臺(tái)（HEG）反方位角大于180°時(shí)，即P波從臺(tái)站西側(cè)入射時(shí)，在約2.8 s處有1個(gè)明顯波峰，利用反方位角小于180°的接收函數(shù)再進(jìn)行計(jì)算，得到莫霍面深度為32 km，波速比為1.642；雙鴨山地震臺(tái)（SYS）在反方位角為120°—280°、大致方向?yàn)閃N—ES向時(shí)，在3.0—4.8 s之間有明顯的震相疊加。在雙鴨山地震臺(tái)（SYS）觀測(cè)到的現(xiàn)象與張廣成（2012）的結(jié)果相似，符合其提出的雙莫霍界面結(jié)構(gòu)的推測(cè)。

圖2 鶴崗地震臺(tái)、雙鴨山地震臺(tái)按反方位角排列的徑向接收函數(shù)（a）鶴崗地震臺(tái)；（b）雙鴨山地震臺(tái)Fig.2 Radial receiver functions of HEG and SYS stations arranged in back azimuth

根據(jù)上述討論，推測(cè)了鶴崗地震臺(tái)（HEG）、雙鴨山地震臺(tái)（SYS）下方簡(jiǎn)單的莫霍界面結(jié)構(gòu)模型（圖3）。鶴崗地震臺(tái)下方西側(cè)莫霍面深度為34 km，而且上方大約6 km處還存在1個(gè)速度間斷面，其東側(cè)的莫霍面深度為32 km；而雙鴨山地震臺(tái)WN—ES方向上，莫霍面出現(xiàn)了錯(cuò)斷層疊，有了一定的厚度，造成本文計(jì)算所得雙鴨山地震臺(tái)莫霍面深度與前人結(jié)果不同。

圖3 鶴崗地震臺(tái)（HEG）、雙鴨山地震臺(tái)（SYS）莫霍界面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of Moho beneath HEG and SYS stations

泊松比對(duì)巖石組成成分的變化非常敏感，因此泊松比的大小及變化常用來推斷地殼（尤其是下地殼）物質(zhì)成分組成及運(yùn)動(dòng)演變過程。一般認(rèn)為，低泊松比值（σ＜0.26）代表地殼中長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)居多；中間值（0.26≤σ≤0.28）代表地殼物質(zhì)中長(zhǎng)英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)礦物的含量相當(dāng)?shù)闹虚g型；高泊松比值（σ＞0.28）代表鐵鎂質(zhì)礦物含量高的物質(zhì)構(gòu)造（Holbrook et al，1992）。伊舒斷裂帶北段區(qū)域內(nèi)4個(gè)固定地震臺(tái)站泊松比為0.266—0.277，屬于中間值，說明臺(tái)站下方地殼物質(zhì)巖性為長(zhǎng)英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)含量相當(dāng)?shù)闹虚g型。因此推測(cè)，由于太平洋板塊俯沖作用，伊舒斷裂帶北段長(zhǎng)期處于強(qiáng)烈持續(xù)擠壓狀態(tài)，造成深切地殼的斷裂帶兩側(cè)巖石破碎，應(yīng)力得到了釋放，上地幔物質(zhì)上涌到下地殼中，甚至可能在下地殼中以部分熔融狀態(tài)存在，致使該斷裂帶附近的臺(tái)站下方地殼增厚，泊松比增大，這也說明了伊舒斷裂帶北段是一個(gè)地震活動(dòng)性較強(qiáng)的大規(guī)模巖石圈破裂區(qū)。

4 結(jié)論

選取伊舒斷裂帶北段4個(gè)地震臺(tái)記錄到的震中距為30°—90°、面波震級(jí)大于5.5的遠(yuǎn)震地震事件，提取P波徑向接收函數(shù)；再采用H—κ疊加方法計(jì)算各臺(tái)站下方的莫霍面深度和泊松比。得到以下結(jié)論。

（1）各臺(tái)站接收函數(shù)信噪比較高，關(guān)鍵震相清晰，反演得到的莫霍面深度及泊松比結(jié)果精確可靠。

（2）除雙鴨山地震臺(tái)外，其他臺(tái)站莫霍面較深，大于全球平均的33 km；且雙鴨山地震臺(tái)接收函數(shù)波形上有莫霍面錯(cuò)斷疊置的結(jié)構(gòu)發(fā)生，鶴崗地震臺(tái)西側(cè)莫霍面上方存在1個(gè)明顯的速度間斷面。

（3）各臺(tái)站下方泊松比較高，為0.266—0.277；地殼較厚，泊松比值較高，反映了上地幔鐵鎂物質(zhì)上涌到下地殼中。

（4）莫霍面結(jié)構(gòu)與泊松比值的特點(diǎn)也驗(yàn)證了在太平洋板塊俯沖作用的影響下塊體間的擠壓致使研究區(qū)域存在復(fù)雜的構(gòu)造背景。