本文所用远震波形数据来源于布设在广东地区地震台网的49个固定台站(图1),台间距为100～200 km,基本涵盖了广东所有的地区。选取2014—2015年震中距在30°～90°、M>5.5、震相清晰且波形记录信噪比高的地震事件提取接收函数,最终共选取有效地震397个(图2),这些地震具有较好的方位和震中距覆盖,为获得稳定、可靠的研究结果提供了高质量的数据保障。根据地震发震时间截取原始波形,截取过程中利用PREM模型计算理论到时以协助直达P波的识别,截取P波到达前10 s至之后70 s的波形数据。数据处理过程如下:使用SAC软件对截取的原始三分向(Z、N和E)地震记录进行预处理,如重采样(0.1 Hz)、去均值、去线性趋势、仪器响应和去倾斜等; 使用频率为0.1～2 Hz的带通滤波进行滤波; 将地震波Z、N和E三分向旋转到Z、R和T方向。

图1 研究区断裂与台站分布
Fig.1 Distribution of the faults and seismic stations in the study area

图2 本文计算接收函数选取的远震事件分布
Fig.2 Distribution of teleseismic events selected for calculating the receiver function

接收函数是通过地震波三分量计算得到的时间序列,它代表了接收区的各种介质对远震P波的脉冲响应。远震P波数据中主要包含震源时间函数、近源结构和台站下方的地壳及上地幔速度间断面产生的Ps转换波以及多次反射波等大量地震波信息。因此,研究和分析接收函数是了解地壳结构的重要手段之一(吴庆举等,2004; 安张辉等,2004)。时域迭代反褶积法(Zhu,Kanamori,2000)是一种分辨率较高的接收函数提取方法,该方法能够对计算出的接收函数进行质量评价和分析,适合大量数据的自动处理。因此,本文使用高斯滤波系数为2.5及水准量为0.001的时域迭代反褶积法提取各个台站远震事件的接收函数波形,为了保证计算结果的精度,剔除时域迭代中拟合率在90%以下的接收函数。对所有的结果进行逐一人工检查,保证接收函数波形具有较高的质量。从图3可以清楚地看到,除了主要的震相P波之外,还可以识别Ps、PpPs和PsPs+PpSs 3种震相。

图3 合江(HEJ)台(a)和廉江(LNJ)台(b)的接收函数
Fig.3 The receiver functions at Hejiang station(a)and Lianjiang station(b)

Н-к叠加方法通过对不同的地壳厚度(Н)和波速比(к)进行组合,依据设定的地壳平均P波速度计算Ps、多次波(PpPs、PsPs+PpSs)的理论到时,再根据理论到时在接收函数上取对应的振幅加权求和,极大值对应的地壳厚度和波速比即为Н和к的最佳估计值(李海艳等,2021)。本文Н-к叠加过程中,设定地壳平均P波速度为6.2 km/s(郑圻森等,2003; 蔡学林等,2003),参考沈玉松等(2013)和黄海波等(2014)的研究结果,设定地壳厚度Н的搜索区域范围为20～45 km,间隔为0.1 km; 波速比к的搜索区域范围为1.5～2.0,间隔为0.01。设定叠加过程中Ps、PpPs、PsPs+PpSs加权系数分别为0.6、0.3和0.1,依据这3个震相的可识别程度赋予叠加权重,震相的可识别程度高、叠加权重大,反之,叠加权重小,本文中震相的可识别程度较高。利用Н-к叠加方法可以确定函数S(H,к)的最大值以及相应H和к。根据波速比与泊松比之间的数学关系式:σ=0.5[1-(к²-1)^-1],可进一步获得相应地壳介质的泊松比σ。

基于上述方法和步骤,对广东地区每一个地震台站的径向接收函数做Н-к叠加计算,求取每个台站下方的地壳厚度、波速比和泊松比。图4为珠海(ZHH)台、英德(YND)台、广州(GZH)台、紫金(ZIJ)台、中山(ZHS)台和花都(HUD)台使用Н-к叠加方法得到的结果,图中红圈标出了函数S(H,к)的最大值。

本文所获得的远震波形数据受到台站周边环境、地壳结构的复杂性和台站记录质量和数量等诸多因素的影响,存在一定程度的误差,梅州(MEZ)台和南彭岛(NAP)台的接收函数波形太过嘈乱或者是太复杂,不易识别,因此,剔除此类数据,最终获得49个台站的接收函数。为使研究结果更加接近真实值,本文采用bootstrap方法对偏差统计分析。该方法从地震单台的数据中随机抽取可重复的接收函数作为样本,对样本进行Н-к叠加计算,得到地壳厚度与波速比,以上步骤重复进行200次,对得到的结果求取标准差,即可得到地震单台的偏差范围。由表1可见:广东地区地壳厚度为24.8～31 km,平均地壳厚度为28.3 km,地壳厚度误差为0.4～0.9 km,平均地壳厚度误差为0.6 km; 泊松比为0.220～0.287,平均泊松比为0.244,泊松比误差为0.01～0.03,平均泊松比误差为0.01。各台站的误差估算结果也表明了本文计算结果的可靠性。

图4 不同台站的Н-к叠加结果
Fig.4 Results from the Н-к superposition of the radial receiver functions at 6 seismic stations

表1 广东地区49个台站的地壳厚度H、波速比к和泊松比σ
Tab.1 Crustal thickness H,wave velocity ratio к and Poisson's ratio σ at 49 seismic stations in Guangdong

将本文结果与沈玉松等(2013)和黄海波等(2014)研究结果进行对比,三者所采用相同台站共计41个(表2)。由表2可见,3种结果有一定的差异,本文得到广东地区平均地壳厚度为28.3 km,平均波速比为1.72; 沈玉松等(2013)得到平均地壳厚度为29 km,平均波速比为1.72; 黄海波等(2014)得到的平均地壳厚度为28.6 km,平均波速比为1.73。3种结果均在合理的误差范围之内,数据变化趋势基本一致(图5a-1、5b-1),表明本文结果的准确性。

为了进一步分析本文结果与其他学者结果的可靠性和差异性,再对三者得出的地壳厚度和波速比进行一致性分析(图5a-2、5b-2),图中蓝色实线表示本文结果同前人结果完全一致; 图5a-2中红色实线内的区域表示本文结果同其它两种结果地壳厚度的偏差不超过1.5 km; 图5b-2中红色实线内的区域表示本文结果同其它两种结果波速比的偏差不超过0.06。

表2 3种研究得出的广东地区地壳厚度H、波速比к对比
Tab.2 The thickness of the Earth's crust H and the wave velocity ratio к in Guangdong obtained in this paper and from other sources

图5 3种研究得出的广东地区地壳厚度(a)和波速比(b)对比及一致性分析
Fig.5 Consistency of the crustal thickness(a)and the wave velocity ratio(b)in Guangdong obtained in this paper and from other sources

广东地区地壳厚度分布图(图6a)显示:①地壳厚度由北向南、自西向东减薄,整体上变化范围较小,与该地区具有内陆区域向大洋区域过渡的地壳—上地幔结构特征相一致(赵明辉等,2007; 夏少红等,2010),也与华南地区地壳厚度变化的趋势相一致。②广东地区地壳厚度呈区域性带状分布,与研究区内山脉隆起、平原和山地相间的地质构造相关。该地区的主要断裂呈NE和NW走向,且一部分断裂相互交错,在断裂交会地区地壳厚度较大,出现较明显的区域性带状分布特征。该地区东南部、沿海地区的地壳厚度较薄,东北部地壳厚度较大,地壳厚度沿主要断裂带突变明显。③揭西、龙潭口、连平和紫金等周边地区地壳厚度较厚,为30.0～31.0 km; 韶关、南澳、潮州和肇庆等周边地区地壳厚度较薄,为27.0～30.0 km; 湛江、遂溪、上川岛和珠海等周边地区地壳厚度较薄,为24.8～27.0 km。

图6b显示:①广东地区泊松比呈区域性块状分布,从整体上来分析,泊松比呈区域性带状分布,与断裂的分布对应较好。因此,本文推测泊松比呈区域性块状分布与地壳中主要的深大断裂切割的地质块体有一定的关联性,这也与李海艳等(2021)的研究结果相吻合。②泊松比横向不均匀性明显,北部整体偏高,南部整体偏低,且沿着主要断裂带的突变明显。③Zandt和Ammon(1995)研究发现:对于下地壳岩石而言,当泊松比小于0.26时,表明地壳介质中含有长英质; 当泊松比介于0.26～0.28时,表明地壳介质中长英质向铁镁质的过渡阶段; 当泊松比大于0.28时,表明地壳介质中含有铁镁质。广东地区的泊松比为0.220～0.287,平均泊松比为0.244,表明该区地壳介质中铁镁质含量很少。潮州、南澳和遂溪等周边地区泊松比高,为0.262～0.287,表明此区域为地壳介质中长英质向铁镁质的过渡阶段; 韶关、广州、深圳和南雄等周边地区泊松比较低,为0.249～0.262,龙川、阳江、肇庆和珠海等周边地区泊松比低,为0.220～0.249,表明此区域地壳介质中长英质含量居多。

图6 广东地区地壳厚度(a)和泊松比(b)分布
Fig.6 Distribution of crustal thickness(a)and Poisson's ratio(b)in Guangdong Area

广东地区主要发育NE向、NW向和近EW向断裂(图1),这些断裂是地貌单元的主要分界,形成平原山地、断陷盆地及褶皱隆起等构造地貌特征,本文分别在这3种走向断裂中各选取一条与地貌特征进行对比。①五华—深圳断裂为NW走向,所经过的地区地壳厚度成条带状减薄,从北部的30 km减至滨海地区的29 km左右,推测可能受到断裂的影响。泊松比表现出相反的变化趋势,即由内陆地区的0.24向沿海地区增至0.26左右,表明地壳中镁铁物质的增加。②西江断裂为NE走向,与广州—从化断裂相交,地壳厚度自北向东变化幅度不大,但断裂两侧有较明显的变化,可能是由于断裂两侧地块经历了不同的地质年代,分属不同年代的地层,导致断裂两侧的莫霍面深度不同。泊松比自北部向海滨地区减小,推测北部地区可能存在破碎带或者流体活动,从而导致泊松比的增加。③罗浮山—瘦狗岭断裂为近EW走向,与广州—从化断裂、西江断裂和白泥—沙湾断裂相交,泊松比由西向东增大,揭示了地壳中镁铁物质的增加,地壳厚度也由西向东增厚。分析其原因为,断裂交会区域岩石松散破碎,易成为岩浆上侵或喷出的通道,导致地壳活动活跃,而且部分断裂今仍具有活动性,使得地壳厚度与泊松比由西向东增大。

综上,地壳厚度和泊松比分布与断裂的分布有较好的对应关系,地壳厚度与泊松比在断裂附近变化明显。广东地区断裂主要分布在中南部,地壳厚度自西北往东南减薄,地壳厚度与地貌特征有明显的对应关系,沿海地区泊松比高于内陆地区,中南部的断裂交会处地壳岩石中镁铁成分明显增加,导致泊松比升高。

地壳厚度与泊松比之间的关系反映出大陆地壳形成和构造演化进程情况。大陆地壳岩石组成在水平方向上是不均匀的,所以当其增厚或变薄时,地壳厚度与泊松比之间会呈现出某种线性关系(嵇少丞等,2009)。

广东地区地壳厚度与泊松比的相关性如图7所示,图7a显示:地壳厚度与泊松比呈负相关性,即泊松比随着地壳厚度的增大而减小,对该现象分析认为:古太平洋板块在大洋地壳演化过程中向广东大陆方向推进,大量的幔源物质流入地壳内,在地壳深部存在部分熔融,导致地壳岩石中镁铁成分的含量上升,从而引起广东地区泊松比的升高。为了进一步验证地壳厚度与泊松比的相关性,将本文结果与沈玉松等(2013)和黄海波等(2014)的结果进行对比分析,如图7b、c所示。本文与黄海波等(2014)得出的地壳厚度与泊松比的相关性一致,与沈玉松等(2013)得到的相关性相反。针对以上现象,分析认为:①在接收函数反演中,存在极大的不唯一性,反演结果的好坏对数据的选取有一定的依赖性。数据的选取受场地条件、台站记录质量和数量等诸多因素的影响。因此,本文与沈玉松等(2013)的地壳厚度与泊松比相关性呈现相反结果。②以萍乡—广丰断裂为界,华夏地块的泊松比与地壳厚度呈负相关趋势,扬子块体的泊松比与地壳厚度呈正相关趋势(赵延娜等,2017)。由于广东地区位于华夏板块(王雅迪等,2021),因此该地区地壳厚度与泊松比呈负相关。

图7 本文(a)、黄海波等(2014)(b)和沈玉松等(2013)(c)得出的广东地区地壳厚度与泊松比的相关性
Fig.7 The crustal thickness and Poisson's ratio in Guangdong area obtained in this paper(a),from Huang et al(2014)(b)and Shen et al(2013)(c)and their correlation