Constraining Moho characteristics with frequency-dependence of receiver function and its application
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摘要:
基于不同莫霍面模型的全波形理论地震图，计算了不同频率的接收函数，分析对比了不同形态莫霍面在不同频率上的接收函数变化特征。数值试验结果显示，当莫霍面的形态复杂时，高频接收函数上P−S转换波和多次波会出现多峰值特征。之后对不同形态莫霍面的模型在不同频率的接收函数进行了分类总结，据此判别实际观测资料所表征的莫霍面性质。以位于青藏高原东北缘的高台（GTA）地震台为例，分析了该台站不同频率的接收函数。结果表明，该台站下方莫霍面总体为遵循同一变化规律的速度过渡带，但在沿龙首山断裂方向附近速度变化不同于主要变化方式。基于此，通过对观测结构进行拟合构建了该台站下方地壳及莫霍面模型，并结合地质学和岩石学等方面的结果对这种莫霍面形成的原因进行了探讨，进而推断此种莫霍面是由于多种构造因素以及上地幔热物质上涌引起地区壳幔物质的分异与交换所导致。
Abstract:Based on the full-waveform theoretical seismograms of different Moho velocity models, the receiver functions of different frequencies are calculated, and the performances of different Moho morphologies on receiver functions at different frequencies are analyzed and compared. The numerical results show that when the Moho is complex, the P-S converted wave and the multiple wave will have multi-peak characteristics on the high-frequency receiver functions. Receiver functions of different frequencies based on different Moho velocity models are classified and summarized, and the Moho properties revealed by the actual observation data can be discriminated. Taking the seismic station Gaotai （GTA） in the northeastern margin of Tibe-tan Plateau as an example, this paper analyzed the effects of the receiver functions of different frequencies on the Moho morphology beneath the station. The results show that Moho beneath the station is a velocity transitional zone in which velocity varies in a dominant regular, except for the velocity varies at the azimuth along the Longshoushan fault. Furthermore, we built the Moho velocity model beneath the station by fitting the observation structure. Combining the results of geology and petrology, the causes of this Moho morphology were discussed. It is inferred that various tectonic factors and the upwelling and bottom invasion of the upper mantle thermal materials give rise to the differentiation and exchange of crust-mantle materials in this area, and then the Moho morphology mentioned above is resulted in.
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Keywords:
- receiver function /
- frequency /
- Moho morphology /
- velocity model
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引言
北京八宝山断裂因在八宝山一带出露而得名，与作为北京凹陷西边界的黄庄—高丽营断裂走向大致平行，该断裂呈NE向展布，总体走向为NE40°—50°；南起河北涞水，向北经牛口峪、房山、磁家务、北车营、晓幼营、大灰厂、八宝山、清河到东三旗，全长约为100 km （北京市地质矿产局，1991；车兆宏，范燕，2003）。该断裂在平原区除了少数地段有地表出露外，大部分均被第四系覆盖，在八宝山处表现为蓟县系雾迷山组逆掩于寒武系—下侏罗统之上，上盘的老地层逆掩至下盘之上。该断裂的糜棱岩带在有些地段宽20—30 m，显示为压扭性断裂，断层面倾向SE，倾角较缓，断层产状随地段不同有所差异。
八宝山断裂是一条活动断裂，长期受到地震研究人员的关注（杨景春等，1981；张保民等，1981；孙叶等，1983；金凤英，严润娥，1985；赵刚，李军雄，1986；徐杰等，1992；焦青等，2005），关于该断裂的研究主要集中在地震活动性方面。杨景春等（1981）根据断层位移观测、地下水及小震活动等资料，认为该断裂有一定的活动性；王宋贤（1988）根据观测台站及测点的观测数据分析，认为该断裂近期仍在活动，且对地震活动具有一定的响应；车兆宏和范燕（2003）根据对形变、重力及地磁资料的分析，认为该断裂的活动与强震的发生密切相关，断裂所在地段是地震活动引起应力场变化的敏感地区；焦青等（2005）根据跨断层位移观测资料的分析，认为该断裂近期表现为北强南弱的继承性活动特点。但也有观点认为该断裂当前活动很弱甚至不再活动，例如徐杰等（1992）通过对断层线之上第四纪沉积物有无明显错断加以分析，认为八宝山断裂自早更新世后活动甚弱；赵刚和李军雄（1986）利用平面光弹性测试技术对八宝山断裂的活动量进行监测的结果显示，第四纪以来该断裂趋于稳定。上述关于断层基本产状特征方面的研究相对较少，另外，当前对隐伏断层产状基本性质的研究主要是通过地质地貌、钻探、重力、物探、人工地震等间接手段进行探测（徐杰等，1992；向宏发等，1996；赵希俊等，2000；马文涛等，2004；常旭等，2008；胡平等，2010）。
由于八宝山断裂大部分均被第四系覆盖，研究难度较大，所以对其认识尚不够充分，例如对于断层基本产状中的断层面倾角，北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院（2008a）认为一般处于20°—30°之间，徐杰等（1992）描述为25°—35°，尚未形成一致观点。因地表出露不多，对其研究主要是根据相关的物探资料及部分钻孔所揭示的地层情况进行一定的了解。由于各种物探方式均属于间接手段，解译结果一般具有多解性，且均存在相应的分辨率问题，因而依据物探所得结果的可信度一般；而钻孔岩芯是对深部地层及构造进行研究的最直接、最为可靠的手段，能够较好地揭示深部地层构造。以往钻孔的深度较小，这使得对于八宝山断层性质的了解较为有限。近年来，随着本地区对地热资源的开发，施工了一些较深的地热钻孔，积累了一定的深部地层资料，为我们对该断层的进一步了解提供了有利的条件，因此有必要根据这些深孔资料对该断层的性质进行更深入的研究总结，这对于基础地质、区域构造、地震监测、地下水及地热开发、工程建设等均具有重要的理论和现实意义。
八宝山断裂南北向延伸约100 km，大致以永定河断裂为界分为南北两段。由于该断裂长度较长，断层产状可能会存在较大的变化，尤其是南段，因受侵入岩体的影响，产状受后期干扰较大，变化相对复杂；北段受后期干扰相对较少，产状较为稳定，比较具有代表性，而且北段区域内的地热钻孔较多，资料相对丰富，便于研究。因此本文拟选取八宝山断裂北段部分（鲁谷—东三旗段）对其地层结构重点研究，以期能较好地揭示该断层的产状等基本特征。
1. 区域构造概况
八宝山断裂北段所在区域在构造单元上属于华北板块（Ⅰ级）冀辽断陷盆地（Ⅱ级）北京断陷（Ⅲ级）。北京断陷是多期构造作用形成的巨型断陷，该断陷内沉积厚约1 500 m的古近系和新近系。北京断陷为一地堑式凹陷，凹陷内有5条较大的平行断裂，分别为车公庄断裂、莲花池断裂、前门断裂、崇文门断裂和西红门断裂，其西北、东南边界分别为黄庄—高丽营断裂、南苑—通县断裂。根据白垩纪以来的沉积差异，北京断陷又可细分为琉璃河、丰台和东坝—天竺等3个小断陷盆地（北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质调查研究院，2008a）。本文重点研究的八宝山断裂中段即位于丰台断陷西部边界的外侧。
八宝山断裂大致与黄庄—高丽营断裂平行展布，两者相距仅1—5 km，其间地带受多期构造挤压，较为破碎，称之为八宝山断裂带。本区域的地质构造如图1所示。
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图 1 研究区基底地质构造示意图（修改自北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院，2008b）Figure 1. Schematic diagram of regional basement geological structure （revised from Beijing Geological and Mineral Exploration and Development Bureau and Beijing Institute of Geological Investigation and Research，2008b）2. 深层地质剖面与岩层接触关系分析
近年来，随着地热资源的开发，一些深井的施工为我们了解八宝山断裂北段区域的地层接触关系及地质构造提供了较多的地层资料。图2和图3分别给出了根据北京大学地热井（JR-119，深3 200 m）、中国农业大学地热井（JR-141，深3 671 m）、中国农业机械化科学研究院奥运公园地热井（奥热-1，深3 326 m）以及其它钻孔所绘制的横穿八宝山断裂与黄庄—高丽营断裂之间地带的地质剖面图。
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图 2 AA′剖面位置示意图（修改自北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院，2008b）Figure 2. Schematic diagram for location of the section line AA′ （revised from Beijing Geological and Mineral Exploration and Development Bureau and Beijing Institute of Geological Investigation and Research，2008b）![]()
图 3 AA′地质剖面示意图及钻孔柱状图Figure 3. Schematic daigram for the geological section AA′ and borehole histograms从地层剖面图（图3）中可以看出，JR-141和奥热-1两井虽然相距仅750 m，但地层存在较大的差异，主要特点如下：
1） 两井的地层很不连续，同组岩层的厚度相差较大。例如：蓟县系雾迷山组（Jxw）西侧比东侧厚度大，在西侧JR-141地热井中的厚度为1 559 m，在东侧的奥热-1地热井中的厚度为1 215 m；但侏罗统九龙山组（J2j）和南大岭组（J1n）在东侧的厚度较西侧大，九龙山组（J2j）在JR-141钻孔厚527 m，在奥热-1钻孔厚755 m，南大岭组（J1n）在JR-141钻孔厚253 m，在奥热-1钻孔厚282 m；
2） 西侧JR-141钻孔中的地层与东侧的奥热-1钻孔相比，缺失了石炭系（C）和三叠系（T），存在地层缺失现象；
3） 两井的地层厚度均不是正常的沉积厚度，各组的厚度普遍小于本区该层正常的沉积厚度，即层厚不完整，仅为其中一部分。例如：南大岭组（J1n）在JR-141钻孔中厚253 m，在奥热-1钻孔中厚282 m，区域正常层厚一般为300—500 m；九龙山组（J2j）在JR-141钻孔中厚527 m，在奥热-1钻孔中厚755 m，而正常层厚一般为1 000—1 540 m （北京市地质矿产局，1991）。这说明剖面中存在很多个不整合面，很不正常；
4） 西侧的76-3孔（清华大学）存在侏罗统髫髻山组（J3t）与蓟县系雾迷山组（Jxw）交互穿插出现的现象，也呈现出非正常的地层层序。
这样看来，两地热井的地层层序非常错乱，难以对比，因此只能用断层不连续加以拟合对比，其地层对比关系如图4所示。可以看出，在不同层位上存在着多条角度不一的逆断层，断层往往又同时受到后期断层的再切割。图中所绘出的断层是根据地层组间的厚度差异大致推断出的主要断层，尚不包括组内更小规模的断层。可以看出，本区地层中存在数量众多、规模不一的逆断层，且存在相互错动现象，这体现出八宝山断裂的逆冲作用非常强烈，同时活动具有多期性。
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图 4 北京凹陷田村－瀛海段的地质构造剖面示意图（修改自北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院，2008b）Figure 4. Sketch map of geological structure section of the Tiancun-Yinghai segment of Beijing depression （revised from the Beijing Geological and Mineral Exploration and Development Bureau and Beijing Institute of Geological Investigation and Research，2008b）3. 断裂特征分析
3.1 构造特征
通过对剖面中的地层接触关系分析，可以发现剖面中存在以下主要构造特征：
1） 逆冲作用强烈。从图4中可以看出，地层中存在多条规模不一、相互切割的逆断层，可见断层活动具有多期性。在逆冲推覆过程中会产生较强的挤压，且随着阻力的增大，断层会不断地调整倾角，减小阻力，继续前进，从而形成了倾角不一、规模不同的多条断层，后期断层会错断前期断层，从而对地层层序产生了较大的扰动。经多期倾角不一的逆断层的反复挤压、错断，最终形成了非常破碎的、巨厚层的断层破碎带，这反映出八宝山断裂逆冲作用非常强烈，从该断裂一直到黄庄—高丽营断裂之间的整个断块均属于断层破碎带。
顺便提及的是，黄庄—高丽营断裂以东的北京凹陷内广泛发育角砾岩，也反映出该区域挤压强烈以及断层活动频繁这一特点。例如：髫髻山组下部的砾岩层在JR-94孔（北辰绿色家园）厚约300 m，JR-130孔（北辰绿色家园）厚约330 m，JR-53新孔（奥体中心）厚580 m，JR-117孔（索家坟）厚1 300 m （柯柏林，2005）。
2） 存在两条主要断层。剖面中显示有两个较大的断层，一条是八宝山断裂带的主断层（F1），另一条是雾迷山组（Jxw）小断块被顶托至上部后与底部侏罗统所形成的不整合面（F2），其余断层相对规模较小。这两个不整合面两侧的地层差异较大，地层不连续较为明显，表现为内外两条断层线，本剖面处即是如此。但由于逆冲作用较为强烈，且两条断层线之间的距离较小，有时上部的雾迷山组岩块（图4中F2断层面之上部分）会逆冲至主断层F1之上，将前面的F1主断层线掩盖，从而地表仅有一条断层线出露，八宝山处即是如此。如图1所示，在八宝山处雾迷山组逆冲至下侏罗统之上，地表只有一条断层线，此处断层虽然是八宝山断层的命名地，但我们可以看出此断层并不是剖面中的主断层F1，F1被掩盖在雾迷山组之下，断层线位置应当位于地表所显示的断层线以东；而地表出露的断层，即我们平常所指的八宝山断层，则相当于剖面图中的F2，是雾迷山组断块继续向前逆冲所形成的次断层。这在对八宝山断裂带进行研究及监测过程中需要特别注意。我们以往对八宝山处地表所出露断裂所进行的活动性监测，体现出的可能只是浅表处次断层的活动性，而对于地震监测意义更为重大的是主断层的监测，今后可通过钻探手段揭示到主断层的断层面后再对其加以监测。
3） 关于F1和F2的倾角和切割深度。剖面中钻孔所揭示的雾迷山组的最大深度为JR-141钻孔处的1 635 m，东侧受到后期断层的错动深度变小，由于目前钻孔资料较少，只能根据剖面大致估测次断层F2的最大深度约为1 800 m。结合地层剖面图（图4），根据76-3和JR-141两钻孔的雾迷山组的层厚及其间距计算出F2本段的断层面倾角大致为33°。
JR-141钻孔在2 900 m深处可见深部下盘的雾迷山组（Jxw），奥热-1钻孔在3 326 m深度处尚未见，据此推断主断层F1的倾角大于37°。从剖面图中可以看出，奥热-1钻孔也已基本接近雾迷山组（Jxw），因此目前只能大致估测本段F1的倾角为40°左右。若倾角按40°估算，则F1的最大切割深度约为5 000 m，底部呈铲状与黄庄—高丽营断裂交会。
3.2 成因与时代分析
北京凹陷是一地堑式凹陷（图4），在其形成过程中，首先是区域板块在拉张作用下产生断陷，形成八宝山、黄庄—高丽营等平行断层，初期为正断层，八宝山断裂与黄庄—高丽营断裂之间的断块下陷至左侧岩块雾迷山组以下深度；之后区域板块间又产生反向运动，挤压产生逆冲作用，八宝山主断层转变为逆断层，在其逆冲上升过程中，将一部分底部的雾迷山组岩块顶托至高处，从而出现了雾迷山组逆冲推覆至侏罗统之上的现象。
北京凹陷最初大约形成于燕山运动早期，其后一直不断发展，最终形成于燕山运动末期（北京市地质矿产局，1991；车兆宏，范燕，2003；北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院，2008a）。考虑到髫髻山组（J3t）被切断并被叠压，因此北京凹陷最终的形成时代应该是在晚侏罗世（J3）之后；东侧的凹陷基本控制了下白垩统大灰厂组（K1dh）的沉积，因此该凹陷应当最终形成于大灰厂组（K1dh）沉积之前。基于此本文推断，八宝山断裂带的最终形成时代应该是介于晚侏罗世（J3）与早白垩世（K1）之间，即中生代晚期。
4. 讨论与结论
以往对八宝山断裂的研究主要是根据相关的物探方法，多属于间接手段，解译结果也通常具有多解性，因而依据物探所得结论的可信度一般；而钻孔岩芯是对深部地层及构造加以研究分析的最直接证据，能够对深部地层构造加以较好地揭示，较为可靠。本文根据近些年来施工的地热井地层资料，对该断层性质进行了更加深入的研究。
通过构造分析，剖面中显示有两条较大的断层，一是八宝山断裂带的主断层；另一条是雾迷山组小断块被顶托至上部后形成的次断层。在八宝山处，后者推覆至主断层之上将其掩盖，地表只出露一条断层，即平常所指的八宝山断层，但它并不是本断裂带的主断层，这在监测中需要重点加以区分。
根据钻孔资料大致估算，本段上部的次断层断层面倾角约为33°，最大切割深度为1 800 m左右；下部的主断层倾角为40°左右，最大切割深度为5 000 m左右。
本次研究主要是根据一条剖面的深孔资料对八宝山断层北段的基本性质进行了探讨，并不一定能完全代表其它各段断层的特点。今后随着新地热钻孔的施工，应进一步对其各段的性质进行研究，这对于基础地质、区域构造、地震监测、工程建设等方面均具有重要的理论意义和现实意义。
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图 1 尖锐莫霍面模型的理论地震图和理论接收函数
（a） 尖锐的莫霍面速度模型；（b） 径向、垂直向理论地震图；（c） 归一化的径向理论接收函数
Figure 1. The synthetic seismogram and receiver function of velocity model with sharp Moho
（a） Velocity model with sharp Moho；（b） The synthetic radial and vertical seismogram；（c） Normalized synthetic radial receiver function
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图 2 H（ f ）＝0.1时α因子与频率f的对应关系
Figure 2. Relationship between α and frequency f with H（ f ）＝0.1
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图 3 尖锐的莫霍面速度模型（a）及其对应的不同频率理论接收函数 （b）
Figure 3. Velocity model with sharp Moho （a） and corresponding synthetic receiver functions with different frequencies （b）
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图 4 速度线性增加的莫霍面模型 （a）及其对应的不同频率理论接收函数 （b）
Figure 4. Velocity model with a gradient transition zone of the Moho （a） and corresponding synthetic receiver functions with different frequencies （b）
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图 5 速度非线性增加的莫霍面模型（左）及其对应的不同频率理论接收函数（右）
图（a）中46—50 km深度之间的速度为梯度变化与急剧变化的组合模型
Figure 5. Velocity models with different non-gradient transition zone of the Moho （left panels）and the corresponding synthetic receiver functions （right panels）
In Fig. （a） Moho is a combination of a gradient transition zone and a sharpness in the depth from 46 km to 50 km
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图 6 GTA台站位置及Pms震相在莫霍面的透射转换点分布
Figure 6. Location of the station GTA and topography of its adjacent areas as well as the transmission conversion point distribution of the Pms phase at Moho interface
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图 7 地震事件相对台站的震中距方位角分布图
Figure 7. Distribution of epicenter azimuths relative to the station
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图 8 实际观测到的径向、垂向地震波形（a）以及归一化的径向接收函数（b）
Figure 8. Radial and vertical components of an observation seismogram （a） and normalized radial receiver function （b）
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图 9 α为1 （a），4 （b）和9 （c）时GTA台站按方位角叠加的接收函数
Figure 9. Receiver functions stacking by back azimuth at the station GTA with α being 1 （a），4 （b） and 9 （c）
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图 10 GTA台站主要高频分裂特征接收函数示例
Figure 10. Examples of the observed receiver functions showing dominant high-frequency splitting features for the station GTA
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图 12 GTA台站下方两种莫霍面速度模型及对应的不同频率理论接收函数
图（a）和图（b）为主要莫霍面速度模型及其对应的不同频率理论接收函数；图（c）和图（d）为110°—120°后方位角范围内可能存在的另一种莫霍面速度模型及其对应不同滤波因子的理论接收函数
Figure 12. Two Moho models beneath the station GTA and their corresponding theoretical receiver functions with different frequencies
Figs. （a） and （b） are the dominant Moho velocity model beneath GTA and its corresponding theoretical receiver functions with different α；Figs. （c） and （d） are another Moho velocity model with back azimuth of 110°−120° and its corresponding theoretical receiver functions with different frequencies
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图 13 GTA下方主要莫霍面模型及110°—120°后方位角莫霍面模型对应的理论接收函数与实际接收函数的对比
图（a）和图（b）分别为α＝1和α＝10时图12a模型理论接收函数与三条实际观测接收函数的对比；图（c）和图（d）分别为α＝1和α＝10时12c模型理论接收函数与三条实际观测接收函数的对比
Figure 13. Comparison of the theoretical receiver functions and the observations with different α corres-ponding to the dominant Moho velocity model and the model at the 110°−120° azimuth beneath GTA
Figs. （a） and （b） show the comparison of the theoretical receiver function of the model of Fig.12a with three observations at α＝1 and α＝10，respectively；Figs. （c） and （d） give the comparison of the theoretical receiver function of the model of Fig.12c with three observations at α＝1 and α＝10，respectively
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