垂直分量P波接收函數(shù)確定寶清臺(tái)地殼厚度

劉 雙， 秦滿忠

（1.黑龍江省地震局， 哈爾濱 150090； 2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所， 蘭州 730000）

0 引言

遠(yuǎn)震體波波形包含了震源時(shí)間函數(shù)、 傳播路徑、 接收臺(tái)站下方的介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及儀器響應(yīng)等多種復(fù)雜信息， 而在地震波中提取相關(guān)的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息是地震學(xué)研究的目標(biāo)之一。 所謂接收函數(shù)， 可以認(rèn)為是從地震儀器所記錄的遠(yuǎn)震體波波形中去除震源、 儀器響應(yīng)、 地震波傳播路徑等因素的時(shí)間序列， 這個(gè)時(shí)間序列中主要包含了接收臺(tái)站下方地殼和上地幔速度間斷面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波（如P-S 或S-P）及多次波（如PmsPms、 PmpPms 和PpPmp 等）信息。 接收函數(shù)已經(jīng)成為研究臺(tái)站下方地殼、 上地幔速度間斷面有效的方法之一[1-4]。

傳統(tǒng)的接收函數(shù)需要三分量的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用轉(zhuǎn)換波Ps 及其多次波來(lái)確定地殼厚度。 隨著大量數(shù)字觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累， 出現(xiàn)了單分量觀測(cè)資料計(jì)算臺(tái)陣或臺(tái)站下方地殼結(jié)構(gòu)的方法[5]。 該方法主要是通過(guò)分量多次波震相PpPmp， 且該震相走時(shí)和S 波速度、 波速比無(wú)關(guān)， 僅決定于P 波速度和地殼厚度。 因此， 和三分量接收函數(shù)方法相比， 該方法本身就能減少解的非唯一性。

如圖1 所示， PpPmp 震相在自由表面的反射點(diǎn)可以看作是一個(gè)實(shí)際的源[6-7]， 因此我們可以用PpPmp 震相來(lái)構(gòu)建P 波垂直分量接收函數(shù)。 Tseng和Wang 使用P 波垂直分量接收函數(shù)研究了南印度地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)， 并取得了理想的結(jié)果[8]。 秦滿忠等利用蘭州小孔徑臺(tái)陣深遠(yuǎn)地震資料， 使用垂直分量P 波接收函數(shù)方法計(jì)算出蘭州臺(tái)陣下方地殼厚度約51.6 km， 與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致[9]

圖1 接收函數(shù)中主要震相的傳播示意圖。Fig.1 Ray paths of scrematic diagram major seismic phases commonly used in crustal receiver function.

本文將利用寶清臺(tái)記錄的9個(gè)同一方位（132°～139°）的深遠(yuǎn)地震波形， 使用垂直分量P 波接收函數(shù)技術(shù)估算寶清臺(tái)下方的地殼厚度。

1 垂直分量P 波接收函數(shù)

垂直分量P 波接收函數(shù)是研究單臺(tái)或臺(tái)陣下方殼/幔結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要研究方法。 傳統(tǒng)的徑向分量和橫向分量接收函數(shù)是通過(guò)徑向分量和橫向分量各自與垂直分量做反褶積， 這將有效地消除遠(yuǎn)震的震源時(shí)間函數(shù)， 突出轉(zhuǎn)換波震相Ps[1]。 但這樣同時(shí)消除了存在于垂直分量之中的相關(guān)P 波多次波（如PmsPms、 PmpPms 和PpPmp 等）重要信息。然而， 垂直分量P 波接收函數(shù)可以通過(guò)垂直分量與震源時(shí)間函數(shù)的反褶積， 將原本存在于垂直分量中能量比較弱的P 波多次波PpPmp 信息突出，進(jìn)一步用于研究單臺(tái)或臺(tái)陣下方的殼/幔結(jié)構(gòu)。

在時(shí)間域， 垂直分量遠(yuǎn)震P 波波形數(shù)據(jù)可表示為儀器響應(yīng)、 震源時(shí)間函數(shù)及介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的卷積：

式（1）中， D（t）表示遠(yuǎn)震垂直分量P 波波形記錄，I（t）表示儀器的脈沖響應(yīng)， S（t）表示入射平面波的有效震源時(shí)間函數(shù)， E（t）表示介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

由于遠(yuǎn)震P 波波形的垂直分量主要由直達(dá)波構(gòu)成， 尾隨波列能量較弱， 可忽略不計(jì)， 故可令：E（t）≈δ（t）， 即D（t）=I（t）*S（t）。

對(duì)于同一臺(tái)站（儀器）記錄的不同地震事件，儀器響應(yīng)和震源信息可以近似用P 波初動(dòng)之后的2.0～4.5 s 的波形提取， 即DS（t）=I（t）*S（t）

再通過(guò)DS（t）與垂直分量在頻率域的反褶積可以得到該臺(tái)站的介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)：

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 資料選取

寶清臺(tái)（BAQ）位于黑龍江省東北部， 使用BBVS-60 型力平衡反饋式寬頻帶地震計(jì)， 該地震計(jì)由三個(gè)獨(dú)立分向傳感器（一個(gè)垂直向、 兩個(gè)水平向）一體化安裝組成， 使用了高靈敏度的差分電容位移換能器， 內(nèi)置力平衡電子反饋電路、 控制電路、 電源變換電路， 噪聲水平底、 動(dòng)態(tài)范圍大，容易安裝使用， 其頻帶寬度為50 Hz～60 s， 使用EDAS-24IP 數(shù)據(jù)采集器[10]， 在臺(tái)站運(yùn)行期間記錄了大量的近震、 遠(yuǎn)震觀測(cè)波形數(shù)據(jù)。 以確保臺(tái)陣下方的入射波波前近乎是垂直入射我們選擇了震中距大于72°的深遠(yuǎn)地震； 震源深度大于200 km，避免震中附近地表反射波（如pP 和sP）和轉(zhuǎn)換波等震相對(duì)PpPmp 震相的干擾； 所選擇的地震數(shù)據(jù)波形簡(jiǎn)單、 具有較低的背景噪聲。 以此標(biāo)準(zhǔn)， 我們共選取了2008～2013年的9個(gè)地震事件， 以上的地震目錄是參考USGS 的地震目錄， 表1 為選取地震事件的具體參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

我們首先對(duì)選取的9個(gè)地震事件觀測(cè)數(shù)據(jù)做拐角頻率為0.5 Hz 和1.0 Hz 的巴特沃斯濾波， 以P 震相到時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)將每道的波形對(duì)齊， 截取了P 震相到時(shí)前5 s 和后15 s 的波形。 在圖2A 中可以識(shí)別出微弱的多次波震相PpPmp， 但是由于背景噪聲的影響， 它的幅度并沒(méi)有很好的表現(xiàn)出來(lái)。

震源時(shí)間函數(shù)（Source Wavelet Time Function）通常選取初動(dòng)P 之后的2.0～4.5 s 的波形， 一般深震的震源相對(duì)淺源地震較為簡(jiǎn)單， 本文中震源時(shí)間函數(shù)選取了初動(dòng)P 之后的4.0 s 的波形（如圖2A中的震源子波）。

表1 按震中距排序的地震事件參數(shù)（地震目錄源自USGS）Table 1 Parameters of the earthquake events with epicentral distance listed（the earthquake catalogue from USGS）

為了能夠降低背景噪聲并將PpPmp 震相很好的表現(xiàn)出來(lái)， 我們采用帶水準(zhǔn)因子的頻率域反摺積方法[11-12]。 圖2B 為我們提取的震源時(shí)間函數(shù)分別與其對(duì)應(yīng)的觀測(cè)記錄波形在頻率域的反褶積結(jié)果， 并對(duì)所有反褶積結(jié)果做了疊加平均（AVE），在圖中我們可以識(shí)別出更為清晰的PpPmp 震相，并且背景噪聲得到了很好的壓制。

在圖2B 中的垂直分量P 波接收函數(shù)結(jié)果中，直達(dá)P 波之后的10.0 s 附近可以識(shí)別出比較清晰一致的Moho 面多次波PpPmp 震相。 假定直達(dá)P 波和PpPmp 震相具有相同的射線參數(shù)， 根據(jù)地震波走時(shí)的基本理論， 通過(guò)直達(dá)P 波和PpPmp 震相在地殼內(nèi)的走時(shí)差， 再給定地殼的平均P 波速度的條件下， 可以估計(jì)出間斷面的深度H， 公式如下：

圖2 9個(gè)不同地震事件的垂直分量P 波接收函數(shù)結(jié)果， 其中AVE 是疊加的平均結(jié)果。Fig.2 The receiver function results of the vertical comontent P-wave of the 9 different earthquake events， AVE is the stackong average result

式（2）中， tPpPmp是直達(dá)P 波與PpPmp 震相的走時(shí)差， p 是入射波的射線參數(shù)， H 代表地殼厚度。取射線參數(shù)為0.044 km/s 和6.2 km/s， 根據(jù)垂直分量P 波接收函數(shù)中得到的10.4 s 的數(shù)值， 最終得到寶清臺(tái)下方的平均地殼厚度約為33.5 km。

3 結(jié)論與討論

本研究使用垂直分量P 波接收函數(shù)同樣用反褶積的方法來(lái)消除震源時(shí)間函數(shù)以及射線路徑等的影響， 與傳統(tǒng)三分量接收函數(shù)相比， 該方法在反褶積過(guò)程中并沒(méi)有將有用的多次波信息消除，反而增強(qiáng)了。

本文所選取的數(shù)據(jù)都屬于同一方位（132°～139°）的深遠(yuǎn)地震波形， 這些地震數(shù)據(jù)都具有震源項(xiàng)簡(jiǎn)單、 信噪比高的特點(diǎn)， 同時(shí)也避免了地震波在不同方位傳播路徑上帶來(lái)的差異， 增強(qiáng)了結(jié)果的可靠性。

由于遠(yuǎn)震的直達(dá)P 波和多次波PmPmp 都是近乎垂直入射的， 對(duì)PpPmp 的走時(shí)影響很小， 所以我們沒(méi)有做偏移處理。 本文使用垂直分量P 波接收函數(shù)得到寶清臺(tái)下方的平均地殼厚度為33.5 km， 三分量接收函數(shù)H-κ 疊加方法得到的寶清臺(tái)下方地殼厚度約為36.9 km， 兩者結(jié)果基本一致。因此， 可以使用垂直分量P 波接收函數(shù)方法研究深遠(yuǎn)地震記錄豐富的臺(tái)站下方地殼結(jié)構(gòu)。

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