宁夏北部及邻近地区地壳结构特征研究

Research on Deep Structure in the Northern and Adjacent Regions of Ningxia

摘要: 采用水准量反卷积方法处理了宁夏北部及邻近地区12个宽频带地震仪记录的远震接收函数，通过H-k方法计算了区域台站下方的地壳厚度和波速比，得出宁夏北部及邻近地区的地壳厚度从东向西、从北向南呈逐渐增厚的特点，地壳厚度范围约为40~50 km，泊松比处于大陆均值水平。结果显示研究区地壳存在明显的分层结构，地壳厚度变化剧烈，分析认为该地区主要受青藏高原东北缘推挤作用，致使研究区地壳应力集中，地质结构复杂。

Abstract: By using the level deconvolution method, the receiver functions recorded by 12 wide-band seismographs sited in northern Ningxia and its adjacent areas are processed, and the crustal thickness and wave velocity ratio under the regional stations are calculated by using the H-k method, it is concluded that the crustal thickness in northern Ningxia and its adjacent areas is gradually thickened from east to west and from north to south. The crustal thickness ranges from 40 km to 50 km and Poisson ratio is at the continental average. The results show that the crustal structure in the study area is obviously stratified and the crustal thickness changes sharply. It is considered that the crustal stress is concentrated and the geological structure is complicated in the study area because of the pushing of the northeastern margin of the Qinghai-Tibet plateau.

1. 引言

宁夏北部地区位于我国南北地震带的北段，边界上在南北方向一般是指从宁夏中部的大小罗山、牛首山一带向北，至内蒙古乌海地区；在东西方向则是从甘肃民勤、景泰地区至鄂尔多斯西缘的宁夏盐池等区域范围(图1(a))。地质上，这一段是祁连地槽褶皱系与华北地台的西部边缘接触形成的过渡带，发育了一系列规模较大的活动断裂，地质状态不稳定，造成了本地区具有地震频发、强度大和灾害严重的基本特点[1]。

(a) 宁夏北部及邻近地区宽频带站点及断层分布

(b) 自有史料记载以来6级以上地震

Figure 1. Distribution of broadband stations, faults and historical earthquakes in northern Ningxia and its adjacent areas

图1. 宁夏北部及邻近地区宽频带站点、断层及历史地震分布

宁夏地区深部构造探测和研究最早始于上世纪70年代，国家地震局兰州地震研究所等单位陆续在宁夏及周边地区开展了若干次大地电磁探测[2] [3] [4] [5]。随着地震学、大地测量、重力学科、多学科交叉的不断发展和创新，以及新方法、新技术的引入，使得本地区深部构造的研究得到极大推动。马禾青等[6]利用宁夏6个宽频带数字地震台记录，对6级以上的远震的SKS震相进行了S波分裂分析，采用Silver-Chan方法获得了宁夏地区上地幔各向异性结果，认为宁夏地区上地幔各向异性普遍存在，各向异性可归结为“化石”各向异性或构造运动，且认为青藏高原东北缘–阿拉善块体及银川断陷区壳、幔的运动是耦合的；王静等[7]利用GPS速度场、跨断层速度剖面以及基准站基线时间序列数据，认为自2010年10月至2014年9月期间，银川地堑呈拉张特性，且西部拉张程度大于东部，南段形变较小，并进一步指出香山–天景山断裂北部呈现挤压变形特征；谢辉等[8]利用利用宁夏及邻区90个地震观测台站记录2年的地震波形数据，采用噪声成像技术得到了区域瑞利面波群速度频散资料，获得了研究区下方地壳上地幔三维S波速度结构，认为银川地堑下方呈现出低速异常体，区域地壳及上地幔三维S波速度结构存在明显的横向不均匀性；此外，罗艳等[9]、常利军等[10]、谢晓峰等[11]、许晓庆等[12]、许英才等[13]分别采用数字波形技术对本地区深部结构进行了深入研究，并得到了有益结果。

近年来，随着数字地震台网的不断建设，在台站布局优化、仪器灵敏度提升等方面都有了显著提升，新积累的观测资料和新增台站资料需要充分利用，宁夏地区深部构造需要更多精细研究。接收函数方法作为一种数字波形处理技术，是研究地壳、上地幔间断面、地壳各向异性的有效的地震学方法之一。该方法通过远震波形资料，采用反褶积处理，分离出间断面的相关震相，进而达到研究地壳和上地幔间断面的目的。目前，该方法已被国内外学者大量应用于大陆地壳的组成和演化、地壳深部结构及动力学过程等方面的研究[14]-[26]。本文利用远震接收函数，通过提取宁夏数字台网远震波形资料计算宁夏宁夏北部地区台站下方地壳厚度和波速比，为本地区地壳深部构造研究提供资料积累。

2. 观测资料及方法

2.1. 研究区地质背景和强震活动

根据新构造特征的不同，大体可将研究区划分为华北和青藏两大块体。始新世以来，由于受青藏块体向北东推挤作用的影响下，华北块体鄂尔多斯西缘拗陷带开始了新一轮裂陷作用，燕山运动形成的古贺兰山隆起解体，其一部分陷落成银川地堑，鄂尔多斯西缘拗陷带银川地堑以东的部分则与鄂尔多斯台拗拼接，组成新的鄂尔多斯块体，贺兰山隆起和银川地堑、吉兰泰盆地组成的盆岭构造，成为环绕鄂尔多斯块体断陷盆地带的一部分(图1)。

图1(a)中，宁夏北部及邻区新构造分区主要由阿拉善块体、银川–吉兰泰断陷区、鄂尔多斯块体及青藏高原东北缘弧形构造区四个区域组成，其中阿拉善和鄂尔多斯块体以及夹持其间的银川–吉兰泰断陷区属于华北块体，牛首山(NSS)以南的弧形挤压走滑构造区则属于青藏块体东北缘的一部分。区域内主要的活动断裂有：噔口–本井断裂(F1)、正谊关断裂(F2)、贺兰山东麓断裂(F3)、黄河–灵武断裂(F4)、牛首山断裂(F5)、香山–天景山断裂(F6)。公元876年以来，宁夏地区发生过15次6级以上破坏性地震，其中发生在北部且震级大于7的地震有3次，分别为1561年中宁7 1/4级、1709年中宁南7 1/2级、1739年银川–平罗间8级(见图1(b))，现代中等地震活动也很频繁[1]。

2.2. 基本理论

远震(震中距 ≥ 30˚) P波通过地幔近似于垂直入射大台站下方，垂向Z(t)、径向R(t)、切向T(t)可以表示为震源时间函数、介质传播路径和仪器脉冲相应的褶积(Langston, 1977; 1979)，可表示如下：

$\begin{array}{l}{D}_Z\left(t\right)=I\left(t\right)\ast S\left(t\right)\ast E_Z\left(t\right)\\ D_R\left(t\right)=I\left(t\right)\ast S\left(t\right)\ast E_R\left(t\right)\\ D_T\left(t\right)=I\left(t\right)\ast S\left(t\right)\ast E_T\left(t\right)\end{array}$ (1)

式中$D\left(t\right)$ 为远震P波位移，下标Z、R、T分别表示垂向、径向和切向分量，$I\left(t\right)$ 为仪器脉冲相应，$S\left(t\right)$ 为远震P波波形的等效震源时间函数，$\ast$ 为卷积。由于30˚以上的远震P波的入射角较小，近似于对台站的垂直入射，因此可将垂向介质相应近似为$\delta \left(t\right)$ 函数[27]：

$E_Z\left(t\right)\approx \delta \left(t\right)$ (2)

进一步垂向分量可以近似表示为：

$D_Z\left(t\right)\approx I\left(t\right)\ast S\left(t\right)$ (3)

假定等效震源因子和仪器响应是相同的，则有：

$D_R\left(t\right)\approx D_Z\left(t\right)\ast E_R\left(t\right)$ (4)

将$D_R\left(t\right)$ 对$D_Z\left(t\right)$ 进行反褶积处理就得到了R向的相应$E_R\left(t\right)$ 。由于实际观测信号的频谱并非$\left(-\infty ,+\infty \right)$ 且包含噪声，垂直分量的频谱也含有近零成分，这导致了频谱相除的不稳定性。因此在实际运算工程中，采用“水准量反褶积”的处理：

$r\left(t\right)=\left(1+c\right){\displaystyle \int \frac{R\left(\omega \right)z^{*}\left(\omega \right)}{{\left|z\left(\omega \right)\right|}^2+c{\sigma }_0^2}{\text{e}}^{-\frac{{\omega }^2}{4{\alpha }^2}}}{\text{e}}^{i\omega t}\text{d}\omega$ (5)

式中，${\text{e}}^{-{\omega }^2/4{\alpha }^2}$ 为高斯低通滤波器，$c{\sigma }_0^2$ 项为水准量，保证反褶积的稳定，$\left(1+c\right)$ 项恢复引入水准量带来的振幅减弱[9]。引入P波在Moho面的多次反射转换波并给定地壳的平均速度，则多次波的到时差$t_{Ps}$ ，$t_{PpPs}$ ，$t_{PsPs}$ ，$t_{PpSs}$ 与地壳厚度H、波速$V_p$ 、$V_s$ 以及射线参数p的关系分别为：

$t_{Ps}=\frac{H}{V_p}\left(\sqrt{{\left(V_p/V_s\right)}^2-p^2{V}_p^2}-\sqrt{1-p^2{V}_p^2}\right)$

$t_{PpPs}=\frac{H}{V_p}\left(\sqrt{{\left(V_p/V_s\right)}^2-p^2{V}_p^2}+\sqrt{1-p^2{V}_p^2}\right)$ (6)

$t_{PsPs}\left(t_{PpSs}\right)=\frac{2H}{V_p}\sqrt{{\left(V_p/V_s\right)}^2-p^2{V}_p^2}$

其中，PpPs，PsPs，PpSs为莫霍面与地表间的多次波到时。

资料选取宁夏北部及邻近地区的12个宽频带数字地震仪记录到的波形，目录采用美国地质勘探局(USGS)公开发布的全球地震目录。地震目录起始时间为2020年至今，搜索范围为全球Ms ≥ 5.5级地震，震中距选取为在30˚~90˚。为了提高资料的精度和可信度，在波形挑选上提取Ｐ波清晰，垂向分量初至向上，P波前后60秒内无干扰、无其他地震信号干扰的波形事件。如此筛选后，共得到约120条地震事件，地震震中分布如图2所示。随后针对各个台站的事件记录，截取P波到时的前10秒和P波到时后的100秒之间的地震波形，并对波形进行去除均值、去除倾斜和径向、切向及垂向的旋转等操作后，再将垂向分别与与切向、径向组合进行反褶积处理，就得到了切向和径向的接收函。由于高斯滤波因子α控制着高斯函数的带宽，α越大接收函数包含的细节信息也越多，但同时干扰也相应增加，α越小接收函数的噪声得以滤除，但同时也牺牲了精度，因此在兼顾信噪比和分辨率的前提下，本文高斯滤波因子取为2.5。

Figure 2. Distribution of stations and epicenters. Circles ○represent earthquakes and triangle ▲represents stations

图2. 台站及远震事件震中分布图。○：圆圈代表地震事件，▲：三角形代表台站

3. H-k方法

地壳的物质组成和横向变化对于了解相关的动力学过程和大陆地壳演化意义重大。而P波接收函数中的1次转化震相Ps和多次转换震相波PpPs、PsPs、PpSs包含大量的地壳属性信息，利用转换震相与直达P波的到时差可以对台站下方地壳的波速比k进行估计，从而进一步确定泊松比值。Zhu等[28]提出了计算台站下方莫霍面深度H和平均波速比k的方法(简称H-k方法)：

$S\left(\text{H},\text{k}\right)={\omega }_{1}R\left(t_{Ps}\right)+{\omega }_{2}R\left(t_{PpPs}\right)-{\omega }_{3}R\left(t_{PsPs+PpSs}\right)$ (7)

针对不同的转换波，H-k方法采用不同的权重，对深度和波速比进行约束折中。式中${\omega }_1$ 、${\omega }_2$ 、${\omega }_3$ 分别为Ps、PpPs、PsPs/PpSS的权重，本文使用H-k方法确定地壳厚度和波速比。

4. 结果和讨论

将经预处理后的12个数字台站的远震波形资料，进行水准量反褶积处理，得到R向的接收函数，地壳厚度范围取30~60 km，纵横波速比范围取1.6~2.0，地壳厚度步进为1 km、波速比步进为0.01，进行H-kappa叠加。计算结果见表1，接收函数按照不同震中距的排列结果如图3、图4所示。

Figure 3. The results of BYT station’s H-k stack for different gauss factor

图3. 不同高斯滤波因子H-k叠加结果

Table 1. H-k method stacking results

表1. H-k叠加结果

台站名称	高斯滤波因子α = 2.5			台站名称	高斯滤波因子α = 2.5
	H (km)	K	σ		H (km)	K	σ
WUH	38	1.84	0.29	ZHW	50	1.68	0.23
BYT	51	1.67	0.22	SZS	40	1.89	0.31
YCH	48	1.73	0.25	TXN	39	2.00	0.33
YCI	41	1.75	0.26	JTA	47	1.80	0.28
TLE	47	1.68	0.23	XSH	49	1.72	0.24
LWU	50	1.67	0.22	NSS	30	1.81	0.28

Figure 4. H-k stack receiver functions arranged by epicenter distance

图4. H-kappa叠加按震中距排列的接收函数

以图3巴音浩特台(BYT)为例，为远震P波事件水准量反褶积后按照震中距排列结果。可以看出代表地壳厚度的Ps震相清晰，理论Ps到时与观测结果相符较好，在2.5 s左右位置即地壳上部存在明显分层现象，显示该台下方、地壳以上存在明显上地壳结构；在20 s左右亦能观察到较为明显的多次波PpPs震相，但由于信号衰减、介质复杂等因素，致使PpSs、PsPs多次波信号微弱，这也反映了宁夏北部地区地壳结构的具有复杂的结构和各向异性性质。由于不同的信号具有不同的传播路径、不同的偏振性质，而路径、偏振性质又影响了信号的强弱，进而影响了信噪比，而H-k方法正是基于此原因，在对多个接收函数叠加时，同时使用Ps、PpPs、PpSs震相对H、K进行约束，解决了单独使用Ps震相对H、K存在折中的问题。本文在计算中分别取值为${\omega }_1=6$ ，${\omega }_2=3$ ，${\omega }_3=1$ 。

结合图4，可以看出位于宁夏北部的银川–吉兰泰断陷区的乌海(WUH)、巴音浩特(BYT)、银川(YCH)、盐池(YCI)台，位于宁夏南部青藏高原东北缘弧形构造带的景泰(JTA)、中卫(ZHW)台，在5~6 s均可清晰地观察到Moho面的透射转换震相Pms，地表反射转换震相PpPs也较为清晰，但地表反射转换震相PmpSms (或PmsPms)不明显。由于我们将地壳厚度和波速比搜索步进设置较大(地壳厚度步进为1 km，波速比步进为0.01)，加之地表反射转换震相PmpPms也较为清晰，因此我们认为上述台站H-k叠加结果是比较准确的。

由于BYT、YCH等台站由于分布在银川–吉兰泰断陷区，从接收函数叠加结果看，深部结构确实具有相似性，存存在明显的上地壳分层结构，例如多次波PpPs出现时间较为一致均在20 s左右，可观测明显上地壳分层结构，地壳厚度约为45~51 km范围，但WUH、YCI台情况较为特殊，H-k叠加结果显示地壳厚度分别为38、41 km，这可能是因为这2台已经属于银川–吉兰泰断陷区的边缘位置，说明银川盆地内地壳厚度明显加厚，而盆地边缘位置莫霍面厚度迅速变薄，这也反映了银川盆地地质条件的复杂。

位于宁夏南部青藏高原东北缘弧形构造带的景泰(JTA)、中卫(ZHW)台与上面位于银川盆地的台站又有明显不同，尽管这2台地下地壳厚度分别为47和50 km，与银川盆地内台站下地壳厚度基本一致，但这两台并不存在明显的上地壳分层结构。地壳厚度虽然基本一致，但二者的动力成因不同，其中位于宁夏南部青藏高原东北缘弧形构造带的景泰、中卫台，主要受位于青藏高原东北缘向东北方向挤压作用导致该地区产生弧形构造带并产生了较厚的Moho面深度，而位于宁夏北部的银川–吉兰泰断陷区的巴音浩特、银川等台较深的Moho面主要受断陷区的下沉所致。板块的加压、拉涨均会导致Moho面深度的加厚。

上世纪80年代，原中国地震局组织完成了阿拉善左旗–定边剖面探测，该段测线跨越了阿拉善地块、银川地堑和鄂尔多斯地块3个构造性质不同的地质单元，其剖面方向大体沿着巴彦浩特、银川、盐池，该探测结果认为区域地壳总厚度为42~46 km，莫霍面自东向西有逐渐加深的趋势，认为银川地堑下方莫霍面约为37~40 km。本文得出的“宁夏北部地壳厚度大体呈西部(BYT)略厚于东部(TLE)”的结论与上述“莫霍面自东向西有逐渐加深的趋势”结论一致，针对盐池台(YCI)，本文给出的地壳厚度为38~41 km，也基本与之的40~43 km相一致。

关于泊松比和波速比结果(见表1)。泊松比σ是介质在外力作用下，沿着外力垂直方向上的形变与沿外力方向上的形变的比值，反映了物体本身的弹性属性，通过波速比k可以唯一确定泊松比σ。大陆正常地壳平均波速比是1.73，泊松比是0.25，而大洋基岩下地壳波速比接近1.9，泊松比约为0.3。本文得出的波速比和泊松比处在大陆均值附近，但同心台(TXN)波速比和泊松比分别为2.0和0.33，显然与大陆平均结果相差较大，因此该台站的计算结果还需要进一步论证。

岩石物理实验表明，地壳范围内的温亚条件下，泊松比对岩石的组分十分敏感，泊松比小于0.26意味着长英质占优；泊松比大于0.28为铁镁质，大于0.26小于0.28介于两者之间。由于地幔物质富含铁镁，而一般认为地幔物质的侵入是地壳增厚的重要途径之一(罗艳等，2008)。本文计算结果显示SZS、JTA、NSS、WUH的泊松比 > 0.28，而BYT、YCH、TLE、LWU、ZHW、XSH的泊松比 < 0.26。更进一步分析认为，SZS、NSS、WUH位于银川盆地边缘，YCH、TLE、LWU处于银川盆地内，JTA、ZHW处于青藏高原东北缘弧形构造带上，因此上述各台泊松比的分布可能意味着银川盆地内受盆地断陷拉张控制，导致Moho面深度较深(41~50 km)；盆地边缘位置具有较浅的Moho面厚度(30~40km)且伴有地幔物质侵入现象；针对位于弧形构造带上的JTA、ZHW，理论上应该是主要受板块挤压力控制，尽管地壳厚度相差不大(分别为47和50 km)但是泊松比相差较大(分别为0.23和0.28)，这意味着弧形构造带可能是由地幔侵入、板块挤压双重作用的结果。

最后，注意到图4中灵武(LWU)台接收函数叠加结果较差。分析认为这可能是由于该台背景噪声较高，仪器灵敏较低，导致波形记录不清晰，分辨率低，从而导致可用远震事件记录太少，因此无法形成有效的分析。

5. 结论

本文以水准量反卷积方法提取了宁夏北部及邻近地区宽频带地震仪记录的远震接收函数，采用H-k方法得到了研究区台站下方的地壳厚度和波速比。分析认为宁夏北部地壳厚度大体呈西部略厚于东部、南部略厚于北部的特点，地壳厚度范围约为40~50 km，处于银川盆地的泊松比和盆地边缘的泊松比显著不同，认为这主要是受盆地形成机理和青藏块体板块挤压的动力源的不同而导致上地幔物质分布的不同而体现的结果。综合分析认为该研究区主要受青藏高原东北缘推挤和盆地沉降作用，致使研究区地壳应力集中、地壳分层结构明显，地质结构复杂。

基金项目

宁夏回族自治区科技厅自然科学基金项目2022AAC03691、2020AAC03440联合资助。