接收函数与青藏高原岩石圈构造
发布网友
发布时间：2022-04-27 03:43
共1个回答
热心网友
时间：2022-06-25 16:27
吴庆举 曾融生
（国家地震局地球物理研究所，北京 100081）
摘要 利用根据中美合作“青藏高原深部构造及其动力学研究”布设的11个PASSCAL地震仪记录到的宽频带远震体波波形资料，得到了全部11个PASSCAL台站接收函数，对台站接收函数进行反演，获得了每个台站下方的一维S波速度结构。台站接收函数的测定采用了较频域稳定、分辨高的时域最大熵谱反褶积，并对同一方向、震中距基本相当的一组远震作同相叠加，提高了接收函数的信噪比。接收函数的波形拟合应用了Kennett合成地震图方法及Randall微分地震图快速算法。反演过程中采用了“Jumping”算法，并引入光滑度准则对模型参数施加约束。反演结果揭示出在班公错缝合带附近Moho界面存在明显的错断，一种可能的地质推论是班公错缝合带是印度地壳插入欧亚下地壳的前沿。
关键词 接收函数 青藏高原 波形反演 S波速度结构
1 引言
青藏高原以其无以伦比的独特构造，一直是地球科学的研究热点。青藏高原的隆升和巨厚地壳的形成普遍认为是印度板块向欧亚板块挤入引起的，但高原隆升的机制迄今众说纷纭，已提出的具代表性的模式主要有两类：①地壳俯冲模式[1～6]，②地壳缩短和增厚模式[7]。
S波速度分布是揭示岩石圈动力学演化过程的一个非常重要的地震学参数，但难以用其它手段很好地加以约束。远震P波波形提供了研究S波速度的极佳途径，原因在于远震P波波形含有台站下方速度界面的转换波及多次波的丰富信息。到达观测台站附近的远震P波可近似为陡角度入射平面波，在台站下方较小的范围内传播，在一定的频带范围内，接收介质的横向不均匀性对远震体波的散射效应可忽略不计，因此，可以近似用水平分层结构模型对远震P波波形作较为合理的模拟。
远震P波波形含有关于震源时间函数、源区介质结构、地幔传播路径、接收区介质结构的综合信息，必须从中消除震源及传播路径的影响，才能有效地利用波形数据来反演台站下方的速度。依据等效震源因子假设，可以从成因复杂的远震P波波形中提取接收介质响应。接收函数是用三分量远震P波波形的垂直分量对水平分量作反褶积后得到的时间序列[8,9]。一般认为，接收函数仅与台站下方的介质结构有关，特别对S波速度的垂向变化最为敏感，而基本上与震源和传播路径无关。
2 方法
三分量远震P波波形数据可表示成如下的褶积形式[8]:
岩石圈构造和深部作用
其中S（t）代表入射平面波的有效震源时间函数，I（t）代表仪器的脉冲响应，EV（t）、ER（t）、ET（t）分别代表介质结构脉冲响应的垂直分量、径向分量和切向分量。
理论计算与实际观测表明，远震P波波形的垂直分量主要由直达波构成，其中的续至波能量较弱，可忽略不计，换言之，EV（t）可近似为Dirac函数，即：
岩石圈构造和深部作用
于是远震记录的垂直分量可以近似为仪器响应和有效震源时间函数的褶积：
岩石圈构造和深部作用
显然，在（1）的假设条件下，DV（t）可近似为远震P波波形中与接收介质无关的影响效应。将（1）变换到频率域，作如下的反褶积运算：
岩石圈构造和深部作用
将ER（ω）和ET（ω）分别反变换回时间域，就可得到介质结构响应的径向分量ER（t）和切向分量ET（t），也就是所谓的接收函数。
由于实际地震资料是有限带宽的，且包含随机噪声，垂直分量的频谱常含有近零点成分，从而导致频率域除法运算的不稳定，在实际的频率域反褶积过程中，常引入“水准量”来压制近零值频谱，确保频率域除法运算的稳定[10]，但反过来又降低了接收函数的分辨率。为克服频率域反褶积的固有缺陷，我们发展了两种时间域的反褶积算法Wiener滤波反褶积和最大熵谱反褶积，合成数据和实际资料的检验表明，这两种时间域的反褶积方法是行之有效的[11]。
对同一方向震中距大体相当的一组远震接收函数，作同相叠加，进一步增强接收函数信噪比，得到接收函数的均值及标准偏差，对均值加减一个标准偏差，还可得到接收函数的上下限，用于评估接收函数的反演效果。
进一步的研究表明，接收函数是消除P波多次反射后的水平分量，含有大量台站下方速度界面产生的PS转换波及多次波[12]，对S波速度结构的垂向变化非常敏感[9]。
宽频带远震体波波形反演利用接收函数来获取台站下方的S波速度模型。接收函数合成地震图可表示成：
岩石圈构造和深部作用
其中dj，代表接收函数的第j个数据点，Rj代表作用在模型m上用以产生数据dj的泛函，m代表参数化后的S波层速度。式（5）是非线性的，可用Kennett算法合成[13]。
由于接收函数对S波速度的垂向变化最敏感，因此一般把台站下方介质结构简化成关于S波层速度的水平分层模型，层厚度保持不变，根据S波层速度β，依据经验公式α＝1.73β和ρ＝0.32α+0.77分别对P波层速度α和层密度p作相应调整。
广义线性反演从与真实模型比较接近的初始猜测出发，通过迭代求解，得到模型解。对泛函R在初始模型m0处作Taylor级数展开，得：
岩石圈构造和深部作用
其中δm是关于初始模型m0的微扰向量，D是泛函Rj，在m0处的偏导数矩阵，矩阵D的元素Dij代表第j层S波速度的微小变化引起的第i个采样值的相对变化，它们构成反演的数据核，其列向量构成所谓的微分地震图，可用Randall快速算法来合成[14]。
一般对公式（6）作相应修改以直接迭代求解模型向量m本身，称之为跳动算法[15]，其显著特点是可以对模型施加光滑度约束，压制速度模型的急剧变换，以期获得较为合理的解[16]。
3 数据及其反演结果
1991.7～1992.7月，中美合作在青藏高原布设了11个宽频带数字化台站[2.17]，图1给出了台站分布位置。在为期一年的地震观测中，共观测到来300多个方位角在0°～360°，震中距在35°～95°之间的远震事件，为利用远震体波波形研究青藏高原的岩石圈构造，特别是台站下方S波速度，提供了良机。格尔木台、温泉台以及日喀则台的接收函数的初步研究结果表明青藏高原南部的速度与其中北部有着显著差异[18]。本文给出全部11个PASSCAL台站下方接收函数反演结果。
我们筛选出大约70多个东北方向上、震中距约40°的远震事件用来反演S波速度。以P波初动前20s为起点，在长为120s的时窗内截取P波波形，这一时窗宽度足以包括来自最深界面（Moho面）的多次反射波震相，并对三分量的原始记录去均值，再将南北与东西的水平分量旋转到径向和切向。
采用最大熵谱反褶积，测定所有事件的台站接收函数，并选取高质量的波形进行叠加，得到各台站接收函数的均值及标准偏差，每个台站一般有10～20个远震事件参与叠加。
对台站下方的S波速度作水平分层，由于Gaussian滤波参数为2.5、1Hz以上的高频成分已从接收函数中滤除，故层厚度取为2km。结合人工地震测深、近震以及面波频散资料，我们分别选取了11个台站下方的初始速度模型，采用跳动反演算法，并引入光滑度约束，分别得到了11个台站下方的S波速度结构。
图1 青藏高原PASSCAL地震仪位置图
Xiga—日喀则；Lhsa—拉萨；Sang—桑雄；Amdo—安多；Wndo—温泉；Erdo—二道沟；Budo—不冻泉；Tunl—格尔木；Ganz—灵芝；Ushu—玉树；Maqi—玛沁
图2为温泉台的接收函数及其反演结果。温泉台接收函数的波形拟合非常之好，反演结果较为可靠。接收函数切向分量能量较弱，表明其地壳构造横向变化不大。Moho界面的PS转换波在直达P波后8.2s处出现。反演结果表明Moho界面深约km,S波速度由50km深度处的3.7km/s，逐渐增至Moho界面处的4.4km/s。另一显著特征是上地壳有一厚约10km的低速层。
本文不准备对各台的接收函数及反演结果作一一说明，而是对它们进行比较，以阐述青藏高原地壳构造的主要特征。
图2
a.温泉台接收函数均值及其上下限，实线—均值，虚线—上下限，R—径向；T—切向；b.温泉台接收函数反演结果，其中A—S波速度模型，虚线—初始模型，实线—反演结果；B反演效果评价，虚线—合成地震图，实线—实际地震图上下限；C—波形拟合对比，虚线—合成地震图，实线—实际地震图
全部11个PASSCAL台站的接收函数的波形模拟结果如图3所示，不难发现所有台站接收函数的Moho界面的PS转换波清晰可见，波形拟合效果较好。予以强调的是不同台站的接收函数有着明显差异，表明青藏高原内部岩石圈构造存在显著的横向变化。
把日喀则、拉萨、桑雄、安多、温泉、二道沟、不冻泉和格尔木的反演结果由南到北排列成一条速度剖面，并将灵芝、玉树和玛沁的反演结果构成另一条速度剖面（图4），可以从中揭示青藏高原岩石圈构造的基本特征。
在我们的反演模型中，作为一个主要的速度界面，Moho界面深度定在S波速度达到4.4～4.6km/s处，不难发现青藏高原的Moho界面以一阶速度不连续面或速度梯度带为特征。由接收函数得到的Moho界面速度与近震Sn走时得到的结果非常一致[5]。
青藏高原地壳巨厚，Moho界面深达60～80km，且存在明显的起伏变化。在班公错缝合带以南，Moho界面有渐渐的北倾趋势，安多附近Moho界面达到最深，约84km；跨过班公错缝合带后，Moho界面突然变浅，温泉附近Moho界面仅km深；然后向北逐渐变深，不冻泉附近Moho界面深达78km。格尔木附近Moho界面约km深。
根据接收函数的反演结果，壳内低速层看来并不是青藏高原地壳的普遍特征，仅在个别台站的上地壳或下地壳有低速层。在桑雄、安多、二道沟、不冻泉等台的上地壳存在明显的低速层，其底界面构成一条明显向北倾斜的速度界面；在日喀则和桑雄台的下地壳约5060km的深度范围内有一厚约10km的低速层；在不冻泉台40～60km的深度范围内，亦可观测到厚约20km的低速层。
青藏高原地壳内部有若干个较为明显的速度界面。界面h1作为桑雄、安多、二道沟、不冻泉等处上地壳低速层的底界面，由日喀则处的18km深增加至不冻泉处的30km深，具显著的速度跳跃，且明显向北倾斜。界面h2作为日喀则、桑雄、不冻泉等地下地壳低速层的上界面，以及安多、二道沟等地速度梯度带的边界，由日喀则处的50km深，减小到不冻泉处的40km深。界面h3作为日喀则、桑雄等处下地壳低速层的下界面，在班公错缝合带以南深约60km，在缝合带以北突然消失。关于青藏高原地壳内部界面，广角反射亦已发现[19～25]。
用宽频带远震体波波形反演青藏高原岩石圈构造，所得到的一个十分重要的结果是，在班公错缝合带附近，Moho界面有大约15km的错断，缝合带以南深，以北浅，安多附近S波速度由23km深处的3.5km/s逐渐增大到84km深处的5.0km/s。深地震测深[24,25]、面波频散[26]、近震走时[5,6]等均有明显证据表明，在班公错缝合带附近，Moho界面存在错断，特别是用接收函数反演得到的速度模型计算近震震相的理论到时，并与实测到时进行比较，发现两者惊人地吻合[27]。不同地球物理资料解释结果的一致性，增强了班公错缝合带附近Moho界面错断的可靠性。
图3 青藏高原台站接收函数的模拟结果
实线—实测接收函数；虚线—理论接收函数。
代号含义同图1
图4 青藏高原S波速度剖面
代号含义同图1
4 讨论
我们共选取了70余个震中位置相对集中、信噪比高的远震事件用于青藏高原岩石圈速度结构研究。采用高分辨率的最大熵谱反褶积，测定台站接收函数，对相关性好的10～20个远震事件叠加，提高了接收函数的信噪比，接收函数反演与其它地球物理手段所得结果的一致性，进一步增强了研究结果的可靠性。
青藏高原的地壳厚达60～80km,Moho界面有明显的起伏；地壳内部有若干条明显的速度界面；在一些地区，上地壳或下地壳存在低速层；跨越班公错缝合带，Moho界面南深北浅，出现约15km左右的错断；根据班公错缝合带附近Moho界面的错断现象，我们认为印度地壳向欧亚下地壳挤入的前沿可能在班公错缝合带附近，安多地壳速度梯度带可能是印度地壳插入欧亚下地壳过程中，两种地壳物质相互混杂的结果。当然，这一结论的可靠性尚待更加详细的地球物理和地质资料的验证。
致谢 本文是国家自然科学基金会和地震科*合基金会的资助项目。在工作过程中，得到了王椿镛研究员、丁志峰副研究员和吴建平副研究员的大力协助，冯锐研究员提出了有益的建议，作者谨向他们表示衷心的感谢。
参考文献
[1]W.L.Zhao and W.J.Morgan.Injection of Indian crust into Tibetan lower crust:a two-dimensional finite element model study.Tectonics,1987,6.4～504.
[2]曾融生，吴大铭，T.J.Owens.中美合作课题“青藏高原地壳上地幔结构以及地球动力学的研究”介绍.地震学报，1992,14（增刊），521～522.
[3]曾融生，朱介寿，周兵，丁志峰，何正勤，朱露培，骆循，孙为国.青藏高原及其东部邻区的三维地震波速度结构与*碰撞模型.地震学报，1992,14（增刊），523～533.
[4]曾融生，孙为国.青藏高原及其东部邻区的地震活动性和震源机制以及高原物质东流的讨论.地震学报，1992,14（增刊），534～5.
[5]曾融生，丁志峰，明跃红.近震震相与青藏高原的岩石圈构造.地震学报，1996.
[6]R.S.Zeng,Z.F.Ding,and Q.J.Wu.A review on the lithospheric structures in the Tibetan plateau and constraints for dynamics.PAGEOPH,1995.145,425～443.
[7]J.F.Dewey and J.M.Bird.Mountain belts and the new global tectonics.J.Geophys.Res.,1970,75,2625～27.
[8]C.A.Langston.Structure under Mount Rainier,Washington,inferred from teleseismic body waves.J.Geophys.Res.,1979,84,4749～4762.
[9]T.J.Owens,G.Zandt,and S.R.Taylor.Seismic evidence for an ancient rift beneath the Cumberland Plateau,Tennessee:A detailed analysis of broadband teleseismic P waveforms.J.Geophys.Res.,1984,,7783～7795.
[10]R.A.Wiggins and D.V.Helmberger.Upper mantle structure of the western United States.J.Geophys.Res.,1973,78,1870～1880.
[11]吴庆举.宽频带远震体波波形反演与青藏高原岩石圈速度结构研究，博士学位论文，国家地震局地球物理所，1996.
[12]G.J.Ammon.The isolation of receiver effects from teleseismic P waveforms.Bull.Seismol.Soc.Am.1991,81,2504～2510.
[13]B.L.N.Kennett.Seismic Wave Propagation in Stratified Media,Cambridge University Press,New York,1983.
[14]G.E.Randall.Efficient calculation of differential seismograms for lithospheric receiver functions.Geophys.J.Int.，19,99,469～481.
[15]S.C.Constable,R.L.Parker,and C.G.Constable.Occam's inversion:a praetical algorithm forgenerating smooth models from electromagnetic sounding data.Geophysics,1987,52,2～300.
[16]C.J.Ammon,G.E.Randall and G.Zandt.On the nonuniqueness of receiver function inversions.J.Geophys.Res.,1990,15,303～318.
[17]T.J.Ownes,G.E.Randall,F.T.Wu,and R.S.Zeng.PASSCAL Instrument performance ring the Tibetan plateau passive seismic experiment.Bull Seismol.Soc.Am.,1993,83（6）,1959～1970.
[18]朱露培，曾融生，吴大铭.利用宽频带远震体波波形研究青藏高原地壳上地幔速度结构的初步结果.地震学报，1992,14（增刊），580～591.
[19]J.W.Teng,K.Z.Sun,S.B.Xiong,Z.X.Yin,H.Yao,and L.F.Chen.Deep seismic reflection waves and structure of the crust from Dangxung to Yadong on the Xizang plateau（Tibet）.Phys.Earth Plant.Int.,1983,31,293～306.
[20]滕吉文，尹周勋，熊绍柏.喜马拉雅山北部地区的地壳结构模型和速度分布特征.地球物理学报，1983,26,525～540.
[21]J.W.Teng,S.B.Xiong,X.Z.Yin.,X.J.Wang,and D.Y.Lu.Structure of the crust and upper mantle pattern and velocity distributional characteristics in the northern Himalayan Mountain region.J.Phys.Earth,1985,33,157～171.
[22]滕吉文，尹周勋，熊绍柏.*高原北部地区色林—蓬错—那曲—奈县地带地壳结构与速度分布.地球物理学报，1985,28（增刊），28～42.
[23]J.W.Teng.Explosion study of the structure and seismic velocity distribution of the crust and upper mantle under the Xizang（Tibet）plateau.Geophys.J.R.Astron.Soc.,1987,,405～414.
[24]熊绍柏，滕吉文，尹周勋.*高原地区的地壳厚度和莫霍界面的起伏.地球物理学报，1985,28（增刊），16～27.
[25]卢德源，王香泾.青藏高原北部沱沱河—格尔木地区的地壳结构和深部作用过程.中国地质科学院院报，1990,21,227～237.
[26]C.Brandon and B.Romanowicz.A“no-lid”zone in the central Chang Thang platform of Tibet:evidence from pure path phase velocity measurements of long period Rayleigh waves.J.Geophys.Res.,1986,91,6547～65.
[27]R.S.Zeng,Z.F.Ding,and Q.J.Wu.Lateral variation of crustal structure from Himalaya to Qilian and its implication on continental collision process,in“Structure of the Lithosphere and Deep Process”.Proc.30th IGC,1996.
