八五三地震台地壳结构与泊松比浅析

李大伟，教智浡，胡宝慧

（鹤岗地震台，黑龙江 鹤岗 154100）

0 引言

了解地球内部结构，一直是地学研究的重要目标之一。除了地质学方面研究外，国内外很多地震学专家学者根据地震计所能记录到的地震波，获取更深的地球内结构信息。接收函数方法是研究地壳和上地幔结构有效手段之一，随着几十年的发展完善，已得到学术界广泛认可。在此基础上，Zhu 等[1]提出了确定台站下方莫霍面深度和地壳内横纵波速度比（以下简称速度比） 的H-Kappa 叠加方法。该方法不需要人工识别震相到时等特点，目前已成为研究地壳结构最常用的方法之一，得到了广泛应用。

2016 年八五三地震台依托“深井”项目建立的无人值守台站，地处黑龙江省东北部三江盆地西缘，佳木斯地块与那丹哈达块体交接处；走向近乎南北，而且倾向向东的逆冲压性大和镇断裂为地块缝合带。大和镇断裂（也叫做跃进山断裂） 是否是独立存在的断裂带一直存在争议，有学者认为敦化—密山断裂在滑移过程中发展出了大和镇断裂，也有学者认为大和镇断裂的形成早于敦化—密山断裂，后与敦化—密山断裂交错叠加。总之，八五三地震台地理位置在黑龙江省地震台网布局中具有特殊意义[2-3]。

1 观测资料的选取

八五三地震台（BWS） 所使用的是北京港震机电技术有限公司生产的三分量（一个垂直向，南北、东西两个水平向） 力平衡电子反馈式宽频带地震计，具体型号为GL-S60B，其响应频率范围为60s～80Hz，响应曲线平坦，采样率为100 次/秒，与其配套的是型号为EDAS-24GN 数据采集器。自2016 年建立以来，仪器运行稳定，资料连续可靠，记录了大量地震观测数据波形。从中整理收集2017 年1 月—2018年9 月八五三地震台记录到的面波震级大于5.5，震中距30°～90°的远震地震事件，再人工筛选出P 波初动清晰，信噪比较高的事件261个，具体事件分布如图1 所示。可以看出，本文所用的远震事件震中位置在台站各个方位较好地覆盖，相对集中在反方位角120°～230°之间，集中在西南太平洋板块与澳大利亚板块交界地区。

图1 本文所用的地震事件分布图Fig.1 The distribution of the earthquake events used in this paper

2 数据处理与接收函数提取

我们对所筛选出来SEED 数据格式的远震事件波形数据， 利用 IRIS（Incorporated Research Institutions for Seismology） 提 供 的rdseed 程序做数据格式的转换，转换为SAC 格式。再使用SAC 地震数据处理软件做如下处理：首先从事件波形记录截取P 波到时前10s到后80s 共90s 的数据；然后去除仪器响应、去尖刺、去均值、去倾斜，分量旋转到RTZ（径向、切向和垂向） 坐标系下；最后利用Zhu等[1]改进的频率域反卷积计算程序对R 分量和T分量进行反卷积计算，完成提取远震P 波径向和切向接收函数工作。计算过程中，在设定高斯滤波因子α 和水准量（water level） C 方面，根据前人的经验，对比不同参数下的接收函数波形。依据接收函数的信噪比水平和分辨率，高斯滤波因子α 选取1.5，水准量C 选取0.01，作为本文研究中计算提取接收函数的参数值。

3 反演结果分析与讨论

经过上述处理过程，为了保证质量，再进行人工挑选，最终获得97 条高信噪比的P 波径向函数（图2）。根据每个事件的发震时刻和震中距计算出其射线参数；分别选取不同的地壳内P 波平均速度（Vp）进行测试，观察选择不同Vp 时，地壳厚度和速度比反演结果如何变化；结果表明，地壳厚度H 与Vp 为正比关系，而波速比κ 与Vp 却是反比关系[4-5]。结合分析整个东北地区人工地震剖面测深以及地球化学的结果，得出给定地壳内P 波平均速度为6.3km/s 最为合理[6-7]。地壳厚度H 和波速比κ 搜索范围分别设定为 20～60km 和 1.5～2.0 之间，且 H 和 κ的搜索步长分别为0.1km 和0.01。利用HKappa 叠加方法在设定范围内搜索振幅叠加值最大的点，也就是能量最强的格点，确定台站下方的地壳厚度与速度比，再根据速度比与泊松比关系公式，得出：

从而获得泊松比（σ）。反演得到八五三台下方的地壳厚度为34.6km，波速比为1.684（图2）；泊松比为0.226。本次研究地壳厚度结果与周稳生等[8]利用重力布格异常和航磁数据反演三江盆地莫霍面平均深度要厚4km；与Kai等[9]利用国际合作项目NECESS-Array 数据得到的三江盆地平均地壳厚度为34.0km 结果更接近。

图2 八五三台接收函数及H-Kappa 叠加反演结果Fig.2 The receiver function results and H-Kappa stacking inversion of Bawusan Seismic Station

在实验室中，对一个圆柱形岩石沿轴方向加载压力或者张力，在弹性形变阶段内，它的横截面直径（d） 发生伸长或者收缩变化，同时垂直于截面的长度（l） 也会发生收缩或者伸长变化，将截面直径的变化率（Δd/d） 与长度的变化率（Δl/l） 之比的负值定义为泊松比（σ）。泊松比对岩石组成成分非常敏感，所以泊松比的大小及变化，常常用来推断地壳物质成分组成及运动演变过程。对于一般常见的岩石，泊松比的变化范围在0.20 到0.35 之间[10]。低泊松比（σ＜0.26） 表示地壳中长英质矿物含量高的物质居多，中间值（0.26≤σ≤0.28） 表示地壳物质中，长英质与铁镁质矿物含量相当，高泊松比（σ＞0.28） 则代表铁镁质矿物含量高的物质构造[11]。一般来说，当岩石的二氧化硅的含量大于55%时，岩石的泊松比大小与岩石中的二氧化硅含量成反比[12]。由此可知，八五三台（BWS） 的泊松比属于低泊松比值，地壳物质岩性属于二氧化硅含量较高，熔融度低的长英质岩。

将八五三台本次研究得到的地壳厚度（H）、波速比（κ） 以及泊松比（σ） 结果与位于三江盆地西缘，依舒断裂带北段上的佳木斯台（JMS）、萝北台（LBE） 以及三江盆地南缘与张广才岭山区交界处宝清台（BAQ）、双鸭山台（SYS） 四个台站下方的地壳厚度、速度比以及泊松比进行比较[13]，如表1、图3 所示。

表1 与其他台站H-κ 反演结果对比

结合表1 和图3 可知，位于断裂带上的佳木斯台、萝北台、八五三台地壳厚度约在35km左右；但在泊松比值上，八五三台与佳木斯、萝北台差别较大，根据上述不同泊松比值范围所反映的岩石不同矿物组成，佳木斯台、萝北台下方的地壳岩石中，长英质矿物与铣镁质矿物含量相当，而八五三台下方，长英质矿物含量较高。在地质学方面，袁桂林[14]在研究分析泛三江地区盆地群构造演化时，发现大和镇断裂与其相邻的那丹哈达块体上广泛发育具有典型代表长英质矿物的云母花岗岩；反观三江盆地西缘，依舒断裂带北段发育有蛇绿岩为代表的构造混杂岩[15]，而蛇绿岩为铁镁-超铁镁质矿物为主的岩体，这也是火山活动的重要标志。

图3 所述台站在地形图上的位置Fig.3 The location of involved seismic stations on the topographic map

前人的研究表明，一般情况下，如果泊松比变化趋势与地壳厚度变化趋势相同，说明整个地壳的增厚原因是下地壳增厚引起的；相反，如果泊松比变化趋势与地壳厚度变化趋势相反，整个地壳的增厚原因是由上地壳增厚引起的[16]。综合上述推断，三江盆地西缘伊舒断裂带北段的佳木斯台、萝北台台站下方，是由于含有铁镁质矿物的地幔物质上涌到下地壳中，导致地壳厚度增厚，且高泊松比（σ＞0.28）情况的发生，这与前人研究得到的伊舒断裂带为深切地壳断裂带的结果一致[17]；而三江盆地东缘大和镇断裂上的八五三台下方可能出现了上地壳物质沉降作用，导致地壳厚度较厚，泊松比值较小的情况。而位于三江盆地南缘与张广才岭交界处的双鸭山台与宝清台地壳厚度较薄，均小于30km；泊松比值较高，表明台站下方壳物质长英质与铁镁质矿物含量较多。综合来看，三江盆地周缘地壳厚度，大体呈“东西边厚，南边薄”的对称关系，这也再一次说明了，西北太平洋板块向欧亚板块下持续俯冲的地球动力学机制，在地壳构造特征和物质成分变化过程中起到关键的作用。

4 结论

本文通过八五三地震台记录到的震中距30°～90°之间，面波震级大于5.5 的远震地震事件，提取的P 波径向接收函数；再采用HKappa 叠加方法计算台站下方地壳厚度和泊松比。分析得到如下结论：

（1）八五三地震台接收函数信噪比高，关键震相清晰，反演得到的莫霍面深度及泊松比结果精确可靠。

（2）八五三地震台下方的地壳厚度为34.6km，波速比为1.684，泊松比为0.226。泊松比值较低，反映了台站下方地壳物质岩性属于二氧化硅含量较高，熔融度低的长英质岩。

（3）通过上述地壳厚度与泊松比值的特点，推测八五三地震台地壳增厚是由地壳沉降作用引起的。

（4）三江盆地周缘地壳厚度，大体呈“东西边厚，南边薄”的对称关系，这是西北太平洋板块向欧亚板块下持续俯冲挤压的结果。

本研究尚为初步结果，有待于更深入的研究及实践检验。