陳睿 閆俊崗 郁軍建

1）河南省地震局，鄭州市鄭東新區(qū)正光路10號 450016

2）邯鄲中心地震臺，河北邯鄲 056006

0 引言

河南省處于華北斷塊、太行山斷塊、秦嶺斷塊和大別山斷塊的交接部位。燕山運動第三和第四兩個構(gòu)造幕，使中朝中地臺蓋層發(fā)生褶皺和斷裂，形成臺褶斷陷和菱形斷塊構(gòu)造格局（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。燕山運動還造成本省大規(guī)模的酸性巖漿上侵和噴溢，形成一定規(guī)模的中酸性火山巖系和大量的各種花崗巖體的金屬礦產(chǎn)，致使原先穩(wěn)定的中朝準(zhǔn)地臺開始轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^活動的構(gòu)造單元，而比較活動的秦嶺褶皺系則趨于穩(wěn)定。自燕山運動第四幕以后，本省地殼活動出現(xiàn)了新的變化，即開始發(fā)生東西分異：西部和南部邊緣急劇隆起，東部大幅度陷落，華北坳陷及西部山間斷（坳）陷盆地開始形成。

這種近SN向展布的西隆東坳構(gòu)造格局和西高東低的現(xiàn)代地貌形態(tài)與地殼的深部結(jié)構(gòu)引起了很多學(xué)者的關(guān)注，并利用人工地震、重、磁資料的反演結(jié)果進(jìn)行了地殼深度的研究，取得了豐富的研究成果，但重力資料的解釋結(jié)果與人工地震資料對比，在某些局部起伏較大的地段，深度誤差較大（鄒雪雁等，1995）。與其它地球物理學(xué)方法相比，接收函數(shù)方法具有較高的橫向分辨率，因此成為地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個非常重要的手段。它不僅可以用于殼幔分層速度反演（Langston，1979；吳慶舉等，1998；Ai et al，2005；李永華等，2009）、泊松比估算（張洪雙等，2009；樓海等2010；Wang，2010），還可以用于殼幔結(jié)構(gòu)成像研究（Wu et al，1998；Tian et al，2005）。

地殼厚度和泊松比是描述地殼結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的2個重要參數(shù)，研究地幔過渡帶的厚度變化可以為地震的孕震機(jī)制研究和揭示地殼深處的地質(zhì)演化提供深部動力過程約束（徐強(qiáng)等，2009）。地殼陡變帶的深部大多存在成束的斷裂或多條近平行斷裂，頻繁的地震活動也與此密切相關(guān)；地殼厚度及泊松比梯度帶的分布位置和兩者之間的正、負(fù)相關(guān)性特征，反映出區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造類型是逆沖推覆、正斷或拆離滑脫構(gòu)造。這對于研究太行山地塊和大別山地塊內(nèi)的板塊運動、斷裂帶的構(gòu)造性質(zhì)及地震活動特征具有重要意義。

本文利用接收函數(shù)對河南及鄰區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)的26個寬頻帶地震臺站記錄的遠(yuǎn)震資料，采用Zhu等（2000）的接收函數(shù)H-κ方法計算每個臺站下方地殼厚度和泊松比，結(jié)合前人的研究成果分析和探討河南及鄰區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)及各主要塊體的活動關(guān)系。

1 方法和原理

接收函數(shù)方法最早由 Phinney（1964）提出，目的是用遠(yuǎn)震體波來研究臺站下方的地殼及上地幔結(jié)構(gòu)。其方法為在頻率域?qū)⑦h(yuǎn)震記錄的垂向分量與水平分量進(jìn)行反疊積，從而提取遠(yuǎn)震P波在速度間斷面上的轉(zhuǎn)換S波及其多次波信息。由于波速比κ對于地殼縱波速度變化不敏感，因此在假設(shè)臺站下方P波速度情況下，理論上可以根據(jù)P波和S波的到時差來計算地殼平均厚度與橫波速度，以獲得縱橫波速比，Zhu等（2000）等對頻率域內(nèi)提取接收函數(shù)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，其通過在地殼厚度域和波速比域搜索轉(zhuǎn)換S波（Ps）及多次地震震相轉(zhuǎn)換波（PpPs、PpPp＋PpPs）的疊加振幅最大值，同時獲得 2個參數(shù)的估計平均值（H-κ疊加法），頻率域內(nèi)提取接收函數(shù)的方法可表示為

該方法有效地避免了因震相識別和走時拾取所產(chǎn)生的人為誤差，具有較高的可信度。

Zhu等（2000）綜合利用莫霍面一次轉(zhuǎn)換震相 PS及多次轉(zhuǎn)換震相（PpSs，PsSs＋PpSs）疊加搜索能量最大值的方法確定地殼厚度（H）和縱橫波速比（κ），具體公式為

其中，r（t）為徑向接收函數(shù)的振幅，t1、t2、t3分別表示 Ps、PpSs、PsSs＋PpSs震相在預(yù)測地殼厚度條件下對應(yīng)的到時。ωt為Ps、PpSs、PsSs＋PpSs震相的權(quán)重系數(shù)，且有利用網(wǎng)格搜索方法可以確定函數(shù)r（H，κ）的最大值以及相應(yīng)的地殼厚度H和平均的地殼介質(zhì)的波速比κ，通過下式，可獲得相應(yīng)的平均地殼介質(zhì)泊松比σ

H-κ搜索法的誤差可以用

估計，這里，σH和σκ分別為地殼厚度H和波速比k的估計均方差，σS為疊加函數(shù)S的均方。

大部分臺站的接收函數(shù)顯示出比較清晰的多次波，地殼厚度疊加過程中，地殼厚度H的范圍取 25～45km，κ的范圍取 1.5～3.0。

2 數(shù)據(jù)的選取和處理

河南省數(shù)字地震臺網(wǎng)于2008年正式運行，全省數(shù)字化臺站有23個，其中安裝寬頻帶數(shù)字地震儀的臺站有13個。為了更詳細(xì)地反映河南省地殼結(jié)構(gòu)的全貌，我們補(bǔ)充了鄰近的河北、山西、安徽、山東、湖北、陜西等省13個臺站的資料，本文共用河南省及鄰區(qū)26個臺站的寬頻帶地震儀記錄的地震資料（圖1，表1），數(shù)字地震儀的頻帶寬度 60s，采樣率 100次/s。從河南省數(shù)字地震臺網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)中選取了2009年1月～2012年9月、震中距在30°～90°、M≥5.5、P波初動清晰的地震事件695件，然后篩選出均勻分布于研究區(qū)方位0°～360°的地震事件95個（圖2），進(jìn)行反演計算，大量的不同方位均勻分布的地震事件為獲得穩(wěn)定、可靠的分析結(jié)果提供了保證。

圖1 地震臺站分布圖

根據(jù)以上資料進(jìn)行接收函數(shù)提取，首先對原始波形記錄做去均值、去斜坡和去除儀器響應(yīng)等處理，再進(jìn)行時間域迭代反疊積（Ammon，1990；吳慶舉等，2003）得到徑向接收函數(shù)，使用系數(shù)為2.5的高斯濾波器對接收函數(shù)作低通濾波，然后挑選出相關(guān)性好、轉(zhuǎn)換波和多次波清晰的接收函數(shù)用于下一步的接收函數(shù)H-κ分析，共得到接收函數(shù)2367個。

表1 地震臺下方地殼厚度和波速比結(jié)果

圖2 地震事件分布圖

3 反演結(jié)果

用H-κ疊加方法所獲得26個地震臺站下方的地殼厚度H及波速比κ結(jié)果（表1）。圖3為臺站接收函數(shù)波形及H-κ疊加結(jié)果，疊加的振幅為正振幅，信噪比高的地震記錄可以清楚的識別出直達(dá)波震相、莫霍面的轉(zhuǎn)換S波震相Ps和多次波震相PpPs，其對應(yīng)的疊加振幅譜形態(tài)簡單、Ps和PpPs震相疊加振幅的線性趨勢明顯，所獲得的地殼厚度和波速比值比較可靠。

圖3 CHZ、HST地震臺下方的接收函數(shù)

反演結(jié)果顯示，河南省地殼厚度的分布具有明顯的塊體特征，總體上東薄西厚。華北平原地塊地殼厚度為30～33km，橫向變化不大；太行山地塊地殼由東向西逐漸變厚，地殼厚度為33～40km；秦嶺地塊的地殼厚度為33～38km；東南部的大別山地塊的地殼厚度為32～35km。泊松比數(shù)值范圍為0.23～0.29，太行山地塊的泊松比為0.25～0.27，華北平原地塊泊松比為0.23～0.25，秦嶺-大別山地塊的泊松比變化較大，為0.24～0.29。其中在隨州臺附近出現(xiàn)局部高值，達(dá)0.29左右，在金寨臺、盧氏臺附近出現(xiàn)局部低值（0.24左右）（圖5）。

4 分析與討論

河南省地殼厚度及泊松比分布與地質(zhì)構(gòu)造存在密切關(guān)系。主要分為4個區(qū)域進(jìn)行闡述：

圖4 CHZ/HST地震臺站 H-κ反演結(jié)果

圖5 地殼厚度與泊松比分布

（1）太行山斷塊位于河南省北部，該地區(qū)地殼厚度分布總體趨勢是西部較厚，東部較薄，莫霍面總體呈小角度向西傾斜，與地表地貌互為鏡像（劉堯興等，2000）。西部長治盆地地殼最厚為40.2km，東部平原地區(qū)地殼較薄為31.8km，地殼變化落差約9km。根據(jù)接受函數(shù)反演地殼深度的結(jié)果顯示，林州盆地底部地殼厚度相對較?。?3.1km），盆地邊緣地殼逐漸變厚，東部邊緣地殼深度變化較?。?4.3km），向西莫霍面快速變陡；區(qū)域內(nèi)泊松比值變化不大，σ＝0.23～0.27，表明這一地區(qū)主要由中酸性巖組成。區(qū)域東北部永年臺（YON）及多數(shù)臺站的σ＝0.23～0.25，與較大范圍的花崗巖分布有關(guān)，主要是石英、長石含量高。焦作臺（JZ）、涉縣臺（SXT）、浚縣臺（XX）的σ＝0.26～0.27，表明長英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)成分含量相當(dāng)。

（2）東部黃淮海平原地塊，包括黃淮海凹陷南部。該區(qū)域安裝寬頻帶地震儀的臺站主要分布在黃淮海平原的北、西、南面的平原與丘陵過渡區(qū)，如駐馬店臺、尖山臺和浚縣臺，其地殼厚度分別為30.5km、34.9km和31.8km。平原中部及東部為第四沉積層，放置的是短周期的井下擺，由于利用其波形資料反演的結(jié)果不太準(zhǔn)確，在分析討論時暫時不予采用。根據(jù)前人在黃淮海平原使用重、磁等方法的研究資料，結(jié)合本文的研究成果，綜合認(rèn)為該區(qū)域地殼厚度為28～34km，開封凹陷是地殼最薄的區(qū)域為28km；該地區(qū)的泊松比變化比較穩(wěn)定，泊松比為0.24～0.25。華北平原地區(qū)的地殼較薄主要是由于軟流圈物質(zhì)的上涌激活了華北地區(qū)巖石圈，穩(wěn)定的克拉通地殼發(fā)生了褶皺變形，地殼變薄、巖漿活動活躍、地面發(fā)生沉降等（袁學(xué)成，2007）。該區(qū)域最近的一次破壞性地震是2010年10月24日的河南太康M4.7地震，其發(fā)生在周口凹陷的北部，周口凹陷在新近紀(jì)前后發(fā)生了多次地質(zhì)作用，形成了隆起與凹陷交替出現(xiàn)，以凹陷為主的地貌特征。

（3）秦嶺地塊位于河南省的西南部，南鄰揚(yáng)子地塊，東接大別山地塊，強(qiáng)烈的晉寧運動使秦嶺地槽再次全面褶皺，北秦嶺、桐柏-大別地區(qū)變?yōu)轳薨檸∑穑锨貛X地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槊暗夭?，由于斷裂活動?qiáng)烈，形成了規(guī)模較大的斷陷盆地（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。伏牛隆起區(qū)地殼中有大量侵入巖體，主要包括王屋山期中酸性、晉寧期基巖、酸性正長斑巖-粗面巖、加里東期和燕山期中酸性的侵入巖，其中花崗巖的含量占80%（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989），反演盧氏臺下方的地殼厚度為38.4km、泊松比為0.23，反映出燕山運動使該地區(qū)地殼蓋層產(chǎn)生了褶皺臺隆和地幔酸性巖漿的侵入活動。

南陽-襄樊坳陷是斷裂強(qiáng)烈活動形成的褶皺坳陷，與秦嶺褶皺系原是統(tǒng)一的整體，自燕山回旋開始，周圍地區(qū)繼續(xù)上升隆起，該區(qū)域繼續(xù)下降，與周圍地區(qū)分開，成為疊置在秦嶺褶皺系上的斷（坳）陷盆地（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989）。盆地北部的南陽臺反演地殼厚度為28km，泊松比為0.29，說明該地區(qū)地殼主要以中性、基性巖石為主，部分地區(qū)受到地幔物質(zhì)強(qiáng)烈上隆影響，地殼巖石中鐵鎂質(zhì)成分明顯增加導(dǎo)致泊松比升高。其東部的信陽臺位于信陽盆地與桐柏-大別弱隆起的交接部位，接收函數(shù)反演地殼厚度為29.8km，泊松比為0.28，反映出其構(gòu)造形成、地殼巖性與南陽-襄樊坳陷的構(gòu)造特征具有一致性。

（4）大別山地塊位于河南、安徽、湖北的交界部位，揚(yáng)子板塊和華北地塊的陸陸碰撞形成了大別造山帶，揚(yáng)子板塊向華北板塊下方俯沖、折返并上隆形成了蘇魯-大別超高壓變質(zhì)帶（王椿鏞等，1997；徐紀(jì)人等，2004；徐佩芬等，2000），華北地塊地殼較薄，大別山北部的商城臺地殼厚度為31.8km，向南至大別山地塊內(nèi)的金寨臺地殼厚度迅速到達(dá)了35.8km，而泊松比卻從0.27下降到0.24，這是由于陸相褶皺帶內(nèi)的逆沖推覆構(gòu)造作用，使長英質(zhì)的上地殼巖石更容易在擠壓環(huán)境下縮短增厚，造成了地殼泊松比隨地殼厚度增加而明顯降低（黃海波，2014）。隨州臺下地殼的泊松比局部升高，可能是位于地殼深部的震群活動引起的破碎帶和流體作用導(dǎo)致。

5）地殼深部構(gòu)造與近期的地震活動。河南省東部的黃淮海平原地區(qū)由于受到上地幔軟流圈物質(zhì)的上涌，地殼變薄，地震活動趨強(qiáng)，如2010年10月24日在河南太康發(fā)生M4.7地震是河南省近30年來發(fā)生的最大地震；河南省東南部商城-金寨泊松比過渡帶附近，在2014年10月22日～2014年12月5日發(fā)生50次1.1～3.4級震群活動。近期的一系列地震事件的發(fā)生表明河南省東部及南部地震活動的明顯增強(qiáng)，推測可能是巖石圈上地幔的蘑菇云構(gòu)造運動增強(qiáng)了華北地區(qū)的擴(kuò)張應(yīng)力場及擴(kuò)張構(gòu)造運動（袁學(xué)誠，2007），造成了華北地塊內(nèi)部及邊緣地殼應(yīng)力的中小規(guī)模釋放。

5 結(jié)語

河南省有關(guān)地殼深部結(jié)構(gòu)研究的成果很多，如1∶20萬航磁圖說明書及1∶50萬區(qū)域重力調(diào)查報告。除了在石油和煤田礦區(qū)開展了面上的淺層地震外，河南省還有兩條深大地震大剖面。但重力資料的解釋結(jié)果與人工地震資料對比，在某些局部起伏較大的地段，其深度結(jié)果的誤差較大；接收函數(shù)方法對于橫向介質(zhì)的高度敏感，使其具有其他地球物理方法所不具備的優(yōu)勢，在地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域具有十分重要的作用，利用P波接收函數(shù)反演地殼深部結(jié)構(gòu)不僅是對該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)研究方法的補(bǔ)充，由于其反演結(jié)果的精度較高，還可對已有的研究結(jié)果進(jìn)行校正。

致謝：作者感謝朱元清教授、王俊斐老師等給予了指導(dǎo)和幫助！