郑雪刚　马学军　赵鹏毕

摘要：以新源地震台2016—2020年记录的震中距在30°～90°的远震波形数据为基础，用时间域迭代反褶积方法提取远震P波接收函数，采用一种具有谐波校正的广义接收函数H-k叠加方法H-k-c 计算台站下方的地壳厚度及泊松比。结果表明H-k-c方法明显改善地壳厚度和泊松比的估计，新源地震台下方地壳平均厚度约56.3 km，泊松比约0.25。

关键词：  接收函数； 地壳厚度； 泊松比； H-k-c

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.007

地震波数据常常被用来研究地球的内部构造，为获得更加接近实际的地壳厚度，国内外学者们发展了各种方法，如走时层析成像方法、人工震源探测和接收函数方法。与前2种方法相比，接收函数方法在地壳深部结构的分辨率和观测资料获取成本上具有较为显著的优势［1］。接收函数是地震台站下方的地球结构对入射远震波的响应，由在结构界面产生的一次转换波和多次反射波组成，通常用于对地球的主要界面进行成像［2-4］。来自入射P波的接收函数中Moho面转换的Ps震相长期以来一直用于确定地震台站下方的地壳厚度，这是了解区域地质和构造演化的重要参数，但与平均地壳波速比存在很强的权衡，通过在计算中加入Ps的地壳多次反射/转换波，可以减少权衡。Zhu和Kanamori发展的H-k方法已被广泛用于通过H和k值的网格搜索来估计地壳的厚度和平均波速比［4］。对于给定的地壳厚度和波速比值，在Ps及其地壳多次波（PpPs和PpSs+PsPs）的预测到时叠加接收函數的振幅。但是，该方法在计算地壳结构时往往存在对研究区域地壳各向同性及莫霍面平坦的假设，然而在地壳结构复杂、数据样本有限的情况下，H-k结果可能存在偏差。Li［5］等人合成测试表明，当存在方位各向异性或莫霍面倾斜的情况下，复杂地壳结构对地壳多次波到时的变化影响可以是Ps的5～6倍，这会使H-k的估计产生偏差。2019 年李江涛等［6］在传统H-k叠加的基础上发展了一种校正地壳各向异性和倾斜界面对P波接收函数H-k叠加影响的方法H-k-c，该方法可以更可靠地估算地壳厚度和地壳波速比，尤其是校正了地壳各向异性对波速比的影响，使地壳波速比的误差更小。李江涛等人采用H-k-c方法计算中国大陆40个不同地质环境的观测台站的地壳厚度及波速比，验证了其可行性，结果表明，谐波校正后，地壳多次波更清晰，叠加能量更强，H-k值更可靠。新方法与传统的H-k叠加所计算的地壳厚度（最大约5.0 km）和地壳波速比（最高约为0.09）在山区存在较大差异，而山区地壳结构往往更加复杂。

新源地震台位于新疆天山褶皱系西部的伊犁地块河谷东段。伊犁地块，北以伊犁盆地北缘断裂为界，南以那拉提断裂为界，包括伊犁盆地及周边山地，为三角形地带。区域内地形、地质构造复杂多样（图1）。已有研究表明，北天山区域地下存在复杂的各向异性结构［7］，而各向异性会造成H-k叠加方法结果的偏差。本文中选取新源地震台2016—2020年记录的三分量地震波形，应用接收函数H-k-c方法研究新源地震台下方的地壳厚度及泊松比，并分析讨论H-k-c方法对叠加结果的改进，同时也能为深入认识新疆天山地区的地壳结构和采用相同方法研究新疆其他区域的地壳结构提供必要参考。

1研究方法

接收函数Ps及其地壳多次波的谐波校正的广义H-k方法（H-k-c），主要是通过在叠加径向接收函数之前校正倾角和各向异性效应来改进地壳厚度和波速比的估计。该方法包括4个主要步骤：（1） 应用传统的H-k叠加得到Ps和地壳多次波的参考到达时间；（2） 对所有接收函数执行入射时差校正；（3） 获得莫霍面一次转换波Ps和地壳多次波反方位角变化的谐波拟合；（4） 执行H-k-c，使用（3）中的参数来校正Ps和多次波的径向接收函数，并使用校正后的径向接收函数重新进行H-k叠加计算地壳厚度和地壳波速比。

1.1提取接收函数

1.2接收函数的H-k叠加搜索方法

1.3事件时差校正和反方位角分档

在对径向接收函数进行谐波拟合之前，先对接收函数事件进行时差校正［12］和反方位角分档，随着射线参数p的增加（由于震中距的减小导致入射角的增加）将导致径向接收函数中莫霍面Ps到时的增加和M1、M2多次波到时的减小，这也意味着Ps的正时差和M1、M2的负时差［12-13］。如果不进行校正，那么不同射线参数引起的到时变化会被错误的映射为倾斜界面和地壳各向异性的反方位角变化。使用一维速度模型IASP91分别计算Ps、M1和M2的到时差，并将其分别校正为0.06 s/km的参考射线参数［12］。随后，为了均衡各个方位角的权重，获得相对均匀的反方位角覆盖，同时避免径向接收函数在反方位角密集区过度加权，将校正后的径向接收函数按每5°的反方位角进行分档叠加［13］。

1.4谐波拟合和H-k-c叠加

2数据选取与计算

选取新疆地震台网中心新源地震台2016—2020年的远震波形数据，数据选取原则为P波清晰，震中距30°～90°，震级5.5以上（图2）。对各个地震事件截取P波到时前10 s之后60 s的三分向波形，去除仪器响应，去除波形数据中的均值和线性趋势并将其减采样至10 Hz，应用0.05～2 Hz的带通滤波器，然后利用反方位角把原始地震记录旋转到ZRT坐标系（垂向、径向和切向），采用时间域迭代反褶积算法计算台站下方的接收函数。在计算中采用高斯系数为2.5的滤波器对P波接收函数作低通滤波进而消除1.2 Hz以上的高频噪声。最后，挑选接收函数波形干扰较小的地震事件做H-k-c扫描与叠加，计算出新源台下方平均地壳厚度、波速比和泊松比。其中新源台下方的地壳P波平均速度参照肖序常等［17］、董连慧等［18］结果给定6.2 km/s，Ps、M1、M2的相对权重分别0.7、0.2、0.1，平均地壳厚度搜索范围为40～70 km，波速比的搜索范围为1.5～2.0。

3分析与讨论

对所有的径向接收函数按反方位角分类并进行检查以识别和去除接收函数中波形不一致或者是负振幅的直达P波，最终得到了119条径向接收函数用于H-k-c叠加计算。图3为新源台径向接收函数中Ps（a）、M1（b）和M2（c）到时的谐波拟合以及谐波校正前（d）后（e）的H-k叠加结果。由图3可以看出，新源台下方具有非常清晰的Ps相位，而地壳多次波M1和M2相对较弱，表明新源台下方地壳多次波较为复杂，同时所有相位都显示出明显的反方位角变化，但M1和M2的变化幅度明显大于Ps。图3d和3e显示了谐波校正前后的地壳厚度和地壳波速比的差异，可以看出谐波校正明显改善了H-k叠加图，校正后的结果误差椭圆小得多。

3.1地壳厚度

使用H-k-c叠加方法得到新源台下方平均地壳厚度为56.3±2.3 km，此结果与刘文学、唐明帅等人采用接收函数方法得到新源台地壳厚度约59.1 km［19］、53.7 km［20］，林关玲林关玲，刘春涌.新疆铜矿成矿预测研究课题研究报告.新疆地矿局地质矿产研究所，1995.采用布格重力异常资料得到的新源邻区地壳平均厚度54 km基本相一致。

由于采用的研究数据、使用的计算方法和速度模型等的不同，所得到的地壳厚度也有不同程度的差异，布格重力异常资料得到的是研究区域的地壳平均厚度，而接收函数方法得到的是一个站点下方的地壳厚度。相对来说，针对某一站点下方的地壳厚度，接收函数方法比布格重力异常资料得到的地区地壳平均厚度更准确。使用接收函数H-k-c叠加方法得到的地壳厚度与上述2位学者使用接收函数方法得到结果也略有差异，这可能是由选取的事件信噪比、反方位角覆盖范围和地壳P波平均速度等原因造成，但本次得到的地壳厚度在误差范围内与前2位学者得到的结果较为一致，这也验证了本次结果的准确性。

近年来，随着观测和研究的深入，倾斜界面和各向异性地层对接收函数H-k叠加方法的影响也受到重视。已有研究表明，复杂地壳结构往往会造成不同震中距和方位角接收函数的转换波和多次波震相的到时存在差异［21］，进而影响H-k叠加的可靠性，如存在下倾方向的倾斜界面会使地壳厚度估计偏小，波速比估计偏大，且偏离程度与界面倾斜角度正相关，而上倾方向的倾斜界面对地壳厚度和波速比影响不大。各向异性地层在水平对称轴时会使所有方位角的地壳厚度估计偏大，与快轴夹角较小方位角的波速比严重偏小，并且偏离程度与各向异性地层厚度及大小成正比，而在倾斜对称轴时会使不同方位角的地壳厚度估计可能偏大或偏小，而波速比的估计随方位角的变化与水平轴各向异性地层基本一致。

地球的本性是各向异性的，从地震学角度来说， 地震各向异性是地球介质的基本特征，广泛存在于地球内部。如Burlini和Fountain的研究表明［22］，在地壳和上地幔岩石中的普遍存在高达10%的速度各向异性，有些岩石，如变质泥岩甚至高于15%。从图3a、b和c中能够清晰看到谐波拟合后径向接收函数中莫霍面转换波Ps、M1和M2呈现明显的随反方位角的周期变化，且M1和M2的振幅变化幅度明显大于Ps，这也表明新源地震台下方存在倾斜界面或各向异性地层。而当地震台站下方地壳存在较高的各向异性值时，那么使用传统的H-k叠加方法时就需要考虑地壳各向异性地层对莫霍面一次转换波Ps及地壳多次波到时的影响［23］。接收函数H-k-c叠加方法的一个显著优点是在对径向接收函数进行谐波拟合前，先对接收函数事件进行时差校正，并通过谐波函数对每个相位移动到其参考到时A0来校正径向接收函数，这里的时差校正并不是相位走时的移动，而是对波形的拉张，该方法减少了因莫霍面倾斜或地壳各向异性带来的莫霍面转换波Ps及地壳多次波走时的偏差，使得校正后的Ps及地壳多次波走时更加近似于H-k叠加方法所使用的地壳各向同性及莫霍面平坦假设，这也有效减小了接收函数H-k叠加方法估计地壳厚度及波速比的误差。

3.2波速比与泊松比

泊松比是研究地壳介质力学性质和地壳物质成分的重要参数［24］。研究表明，大陆的地壳岩石成分可以分为酸性岩、中性岩和超基性岩以及富含流体的空隙/破裂或者部分熔融，其对应的泊松比为［0，0.26）、［0.26，0.28）、［0.28，0.30）、［0.30，∞］［25］。使用H-k-c叠加方法得到的波速比为1.72，其对应的泊松比为0.25。此结果也与刘文学得到的波速比1.72［18］相一致。一般认为，泊松比与介质中所含的石英矿物与铁镁质矿物的相对含量存在对应的联系，在含有相对较高石英矿物成分的介质中泊松比小于0.25；若大于0.25则表明介质中存在较多的铁镁质成分，同时当泊松比值较大时可能表明与上地幔铁镁质成分侵入有关，而较小的泊松比则与后期的地壳运动改造有关［24，26］。本次计算得到新源台的泊松比为0.25，与中国大陆的地壳的泊松比平均值0.24［10］相当，这或许表明该地区下地壳受上地幔铁镁质成分侵入影响较小，区域内地壳物质成分组成主要是以长英质岩石为主。

4结束语

本文中使用接收函数H-k-c叠加方法得到的新源地震台下方的地壳厚度为56.3 km，泊松比约为0.25。从研究结果看，该方法明显改善了地壳厚度和泊松比的估计，因研究方法、使用数据、参数选取及速度模型等的不同所得到的结果也略有差异。新源区域介质泊松比约为0.25，与中国大陆的地壳的泊松比平均值0.24相当，结合新源地震台下方较厚的地壳厚度推断，該地区地壳物质组成主要是以长英质岩石成分为主，其地壳增厚的方式可能是上地壳的层间叠置所造成。本次研究所使用的H-k-c方法是一种对接收函数中Ps及其地壳多次波进行谐波校正的广义H-k叠加方法，该方法校正了地壳各向异性和倾斜界面对P波接收函数H-k叠加的影响，可以更可靠地估算地壳厚度和地壳波速比。

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RESEARCH ON CRUSTAL THICKNESS AND POISSONS

RATION UNDER XINYUAN SEISMIC STATION

BY RECEIVE FUNCTION H-k-c METHOD

ZHENG Xue-gang， MA Xue-jun， ZHAO Peng-bi

（Xinyuan Seismic Station of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur  Autonomous Region，Xinyuan 835800，Xinjiang，China）

Abstract： Based on the teleseismic waveform data recorded by Xinyuan Seismic Station from 2016 to 2020 with a Epicentral distance of 30°～90°， the teleseismic P-wave receiver function is extracted by time domain iterative deconvolution method， and the crustal thickness and Poissons ratio under the station are calculated by using a generalized receiver function H-k stacking method H-k-c with harmonic correction. The results indicate that the H-k-c method significantly improves the estimation of crustal thickness and Poissons ratio， with an average crustal thickness of about 56.3 km and a Poissons ratio of about 0.25 below Xinyuan Seismic Station.

Key words： Receiver function; Crustal thickness; Poissons ratio; H-k-c Method