帕米爾—興都庫(kù)什深俯沖殘留體對(duì)410km間斷面起伏形態(tài)的影響

眭怡，周元澤＊，王曉冉

1 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049

1 引言

地震波可以直接帶來(lái)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，人們利用強(qiáng)體波震相、面波乃至地球自由振蕩等的信息，獲得了一系列可靠的一維徑向分層地球模型，如PREM （Dziewonski and Anderson，1981），IASP91（Kennett and Engdahl，1991），AK135（Kennett et al.，1995）.410km間斷面作為地幔轉(zhuǎn)換區(qū)的上界面出現(xiàn)在這三個(gè)速度模型中，其精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部物質(zhì)組成及地球內(nèi)部運(yùn)移的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要意義（Deuss，2009）.

人們利用長(zhǎng)周期PP和SS前驅(qū)波（Flanagan and Shearer，1998a，1998b；Deuss，2009）、ScS多次反射波（Revenaugh and Jordan，1991）等，獲得了410間斷面的全球性存在及其大尺度上的起伏形態(tài).結(jié)合高溫高壓礦物物理實(shí)驗(yàn)和理論分析，410km間斷面被認(rèn)為是α相橄欖石到β相橄欖石（也稱(chēng)瓦茲利石）的放熱相變界面（如，Bina and Helffrich，1994；Collier et al.，2001；金振民等，2013）.在熱地幔柱地區(qū)410km間斷面相變線表現(xiàn)為下降；而在冷的俯沖板片及其殘留物存在的情況下，410km間斷面相變線表現(xiàn)為上升（Bina and Helffrich，1994；Song et al.，2004；Obayashi et al.2006；Deuss，2009）.

隨著世界上受地震災(zāi)害影響比較嚴(yán)重且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或相對(duì)發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)于測(cè)震工作的重視，美國(guó)、日本、歐洲部分地區(qū)和中國(guó)均開(kāi)展了高密度、高質(zhì)量固定或流動(dòng)地震臺(tái)網(wǎng)布設(shè)工作，以加強(qiáng)地震活動(dòng)監(jiān)測(cè).近些年來(lái)，大量高密度臺(tái)網(wǎng)的高質(zhì)量觀測(cè)波形資料不斷積累，為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究提供了觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐.基于接收函數(shù)方法提取到相對(duì)低頻的PdS轉(zhuǎn)換震相（d為轉(zhuǎn)換深度），人們對(duì)于區(qū)域尺度上的410km間斷面的存在形態(tài)有了更多的認(rèn)識(shí)（如Zhang et al.，2010；Tian et al.，2010，2011），但相比于受冷或熱物質(zhì)影響的局部大起伏而言，這些結(jié)果顯示的起伏則要小得多（如Li et al.，2000）.進(jìn)一步利用相對(duì)短周期波形資料來(lái)研究受冷或熱的局部溫度異常影響下的410km間斷面小尺度上的結(jié)構(gòu)形態(tài)就顯得很重要.

基于臺(tái)網(wǎng)／臺(tái)陣資料疊加方法提取離源弱次生震相是研究地幔間斷面小尺度起伏形態(tài)的主要方法之一（Rost and Thomas，2002）.弱次生轉(zhuǎn)換震相SdP是以S波離源到達(dá)深度為d的間斷面之后轉(zhuǎn)換為P波，并為遠(yuǎn)處地震臺(tái)站所記錄.一般而言，考慮到減少橫向不均勻的影響，常用30～90°震中距范圍內(nèi)的地震記錄來(lái)提取SdP（臧紹先和周元澤，2002；Rost and Thomas，2002）.中、深源地震的波形記錄中的SdP因震源深度與附近間斷面距離較小，因而相應(yīng)的地震射線具有較小的Fresnel區(qū)，這有助于從觀測(cè)波形的疊加圖像中識(shí)別到該震相，從而能夠確認(rèn)地幔間斷面的小尺度上的存在及起伏形態(tài).

西太平洋俯沖區(qū)擁有全球最豐富的中、深源地震資源，部分地區(qū)密集地震臺(tái)網(wǎng)可以在合適的震中范圍內(nèi)記錄這些地震.很多研究者基于這些資料，利用傾斜疊加方法來(lái)提取轉(zhuǎn)換震相SdP，很好地確認(rèn)了西太平洋地區(qū)（主要是伊豆—小笠原和湯加—斐濟(jì)地區(qū)）冷俯沖物質(zhì)影響下的410km間斷面的相變線深度的變化及復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如Collier et al.，2001）.陸陸碰撞區(qū)下方的俯沖殘留物質(zhì)較之持續(xù)俯沖過(guò)程中的海洋巖石圈俯沖帶來(lái)滯留物質(zhì)要少（Fukao and Obayashi，2013），溫度異常也會(huì)弱，因而，410km間斷面相變深度所受到的影響也會(huì)小.

帕米爾—興都庫(kù)什地區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞的西構(gòu)造結(jié)是世界上少有的陸陸碰撞中、深源地震區(qū)（如寧杰遠(yuǎn)和臧紹先，1990；孫文斌等，2009；Negredo et al.，2007；Sippl et al.，2013）.基于震源機(jī)制和高精度地震重定位結(jié)果（Pegler and Das，1998；Sippl et al.，2013；Bai and Zhang，2015）表明，興都庫(kù)什地區(qū)板片向北俯沖是重力引起的，而帕米爾地區(qū)板塊向南俯沖則是由上地幔流所決定的，這樣的雙向俯沖（如圖1所示）構(gòu)成了喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)區(qū)域復(fù)雜的高原地貌（張浪平等，2014）.由于帕米爾—興都庫(kù)什地區(qū)海洋板塊俯沖進(jìn)入了上地幔深部，直至地幔轉(zhuǎn)換區(qū)處（Negredo，et al.，2007），而大陸巖石圈俯沖則緊隨其后，因而在本區(qū)域具有豐富的中－深源地震最深可以到達(dá)380km左右（Pegler and Das，1998）.選擇本區(qū)域研究410km間斷面受俯沖滯留物質(zhì)影響下的起伏形態(tài)，可以很好地與海洋巖石圈俯沖板塊對(duì)該間斷面的影響進(jìn)行對(duì)比分析.

本文基于高密度的日本 Hi－net地震臺(tái)網(wǎng)和Earth Scope計(jì)劃組成部分的USArray流動(dòng)臺(tái)陣（TA：Transportable Array）所記錄的地震波形數(shù)據(jù)，利用N次根傾斜疊加方法，提取P尾波中的SdP次生轉(zhuǎn)換震相，分析了帕米爾—興都庫(kù)什地區(qū)俯沖板塊物質(zhì)影響下的410km間斷面的存在及形態(tài).

2 數(shù)據(jù)處理

由于震源過(guò)于復(fù)雜或者來(lái)自地表反射的強(qiáng)pP和sP震相及多次波震相會(huì)對(duì)弱次生SdP震相的拾取帶來(lái)很大的干擾，因而我們?cè)谑占卣鸩ㄐ钨Y料時(shí)需要限制地震事件的震級(jí)，以保證所使用的波形資料具有相對(duì)簡(jiǎn)單的震源時(shí)間函數(shù)，從而有助于提取次生震相.本文中選用的地震事件震級(jí)范圍為Mb5.6～6.4，震源時(shí)間函數(shù)時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)4s，且具有足夠高的信噪比.雖然本區(qū)域有較多的中、深源地震，但受限于臺(tái)網(wǎng)記錄時(shí)間以及波形資料選擇的要求，我們收集了2004年以來(lái)的6個(gè)地震的Hi－net臺(tái)網(wǎng)（圖2a）短周期波形資料；同時(shí)還收集了其中一個(gè)地震的TA臺(tái)陣（圖2b）寬頻帶波形資料.地震分布如圖1所示，相關(guān)地震參數(shù)見(jiàn)表1.本文中所用到的地震波形資料來(lái)自于日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（http：／／www.hinet.bosai.go.jp）和美國(guó)地震學(xué)聯(lián)合會(huì)（IRIS，http：／／www.iris.edu）.

表1 本文使用的地震事件相關(guān)參數(shù)Table 1 Paramets of the events used

圖1 地震分布圖以沙灘球表示的矩張量解來(lái)自http：／／www.globalcmt.org，沒(méi)有矩張量解的地震事件以大圓點(diǎn)表示，等值線給出的是Wadati－Benioff帶在地幔中存在的深度分布 （Gudmundsson and Sambridge，1998），等值線上的白色數(shù)字為深度，單位為km.Fig.1 The distribution of the events usedThe focal mechanisms labeled with beach balls are the CMT solutions from http：／／www.globalcmt.org and the solid circle for another one without CMT solution.The contours are for the extension of the Wadati－Benioff slab（Gudmundsson and Sambridge，1998）.The white numbers are the depths of the contous with units in km.

震源深度的確定直接影響到轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度反演的精度，因而準(zhǔn)確的震源深度是非常重要的.考慮到本文所使用的局部地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)來(lái)進(jìn)行震源深度確定并不能獲得很好的深度精度，因而本文選用了目前震源深度確定最好的EHB數(shù)據(jù)庫(kù)（http：／／www.isc.ac.uk／EHB／index.html）給出的2008年前（含2008年）的地震位置及深度參數(shù)（Engdahl et al.，1998），而2009年起的地震參數(shù)則來(lái)自于國(guó)際地震中心（http：／／www.isc.ac.uk）提供的地震位置及基于全球波形資料的pP震相確定的震源深度.

文中我們采用0.2～1.0Hz的濾波頻段對(duì)地震波形進(jìn)行濾波.這一濾波頻段可以很好地拾取出與地幔間斷面相關(guān)的SdP轉(zhuǎn)換震相（Castle and Creager，2000），同時(shí)壓制噪聲.在處理中，我們進(jìn)一步人工刪除受脈沖噪聲等影響的非正常波形記錄.

地幔間斷面比較弱，來(lái)自這樣速度界面的轉(zhuǎn)換震相SdP相對(duì)也是很弱的，一般地是無(wú)法直接觀察到的.圖3所示為Ev.5被 Hi－net子臺(tái)網(wǎng) H6（如圖2a）所記錄的波形資料圖.各記錄以直達(dá)P震相的最強(qiáng)峰值進(jìn)行歸一化處理，并將其到達(dá)時(shí)刻歸零.圖中我們以虛線標(biāo)識(shí)了直達(dá)P震相和后面傾斜疊加結(jié)果中識(shí)讀到的S376P次生轉(zhuǎn)換震相.該次生震相直接從波形圖上則很難觀測(cè)到，甚至應(yīng)該較強(qiáng)的pP震相也很難被清晰地識(shí)讀出.

為了有效地獲取SdP次生轉(zhuǎn)換震相，我們使用了N次根傾斜疊加方法來(lái)增強(qiáng)次生震相并壓制噪聲（Kanasewich et al.，1973；McFadden et al.，1986；臧紹先和周元澤，2002；Rost and Thomas，2002）.由于目標(biāo)震相SdP位于強(qiáng)直達(dá)震相P之后，因而N次根疊加處理中，我們選用直達(dá)P震相作為參考震相.本文所用的地震震源時(shí)間函數(shù)比較簡(jiǎn)單，疊加處理過(guò)程中，我們將直達(dá)P震相的峰值走時(shí)歸為0，并基于峰值對(duì)相應(yīng)的波形資料進(jìn)行幅度歸一化處理（如圖3），因而在疊加圖灰度圖上直達(dá)P震相的走時(shí)差和慢度差均為0.

圖2 地震臺(tái)網(wǎng)／臺(tái)陣的臺(tái)站分布圖（a）Hi－net臺(tái)網(wǎng)的分布，其中H1—H9為事件Ev.5可用資料對(duì)應(yīng)的各子臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖，圓點(diǎn)為所有的Hi－net臺(tái)站分布；（b）TA的臺(tái)站（三角形）分布圖.Fig.2 Station distributions of the Hi－net seismic network and the TA（a）The station distribution of the Hi－net.The sub－network distributions（H1—H9）of Hi－net which provided the waveform data of the Ev.5are labeled with different color legends，and the small dots are for all others.（b）The station distribution of TA labeled with triangles.

在具體疊加處理中，TA臺(tái)陣震中范圍相對(duì)較小，且可用臺(tái)站資料比較少，我們對(duì)所有資料直接進(jìn)行4次根疊加處理.日本Hi－net臺(tái)網(wǎng)具有很高的臺(tái)站密度，且質(zhì)量較高.根據(jù)資料的實(shí)際質(zhì)量情況，我們將Hi－net臺(tái)網(wǎng)的信噪比超過(guò)3的波形資料按照震中距和方位角范圍進(jìn)行分組，形成一個(gè)地震為多個(gè)Hi－net子臺(tái)網(wǎng)（如圖2a）所記錄的波形資料組.進(jìn)一步地，我們分別對(duì)各組資料進(jìn)行4次根傾斜疊加處理，獲得各地震－子臺(tái)網(wǎng)的走時(shí)差－慢度差域的相對(duì)幅度圖，從而可以對(duì)相同地震不同臺(tái)網(wǎng)／子臺(tái)網(wǎng)和不同地震相同子臺(tái)網(wǎng)的疊加結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而分析速度界面的起伏，并驗(yàn)證結(jié)果的可靠性.為更好地顯示弱次生震相的存在，進(jìn)一步求取疊加圖的包絡(luò)線并求取20倍的以10為底的對(duì)數(shù)值（dB），據(jù)此繪制出走時(shí)差－慢度差域的灰度圖（Vespegram）.參考理論走時(shí)差和慢度差，可以從灰度圖中讀取出慢度差理論值±0.1s／（°）范圍內(nèi)的次生震相SdP；在此基礎(chǔ)上基于IASP91模型反演出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度及位置.詳細(xì)的資料分析處理過(guò)程可以參看臧紹先和周元澤（2002）.

3 結(jié)果與討論

圖3 Hi－net子臺(tái)網(wǎng)H6記錄到的Ev.5地震垂向波形0s時(shí)刻虛線標(biāo)注了歸一化的直達(dá)P震相，標(biāo)有S376P的虛線為對(duì)應(yīng)著來(lái)自376km速度界面的次生轉(zhuǎn)換震相.Fig.3 Waveform data of Ev.5recorded by the sub－network H6of the Hi－netThe dashed line with“P”at 0sis for the peaks of the direct P phases and the dashed line with“S376P”is for the arrival times of the conversion phases from the 410km discontinuities.

我們以Ev.5為例分析臺(tái)網(wǎng)資料的4次根傾斜疊加結(jié)果.圖4是地震Ev.5為Hi－net各子臺(tái)網(wǎng)記錄波形的4次根傾斜疊加結(jié)果，H6子臺(tái)網(wǎng)記錄的波形資料見(jiàn)圖3.各疊加圖上方的箭頭對(duì)應(yīng)的數(shù)字標(biāo)注出了可能的次生轉(zhuǎn)換震相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度.由于震源深度的限制，較強(qiáng)的直達(dá)震相P和pP之間的次生轉(zhuǎn)換震相均與360～381km深度上速度躍變面有關(guān)系.

類(lèi)似地，我們將各地震為Hi－net不同子臺(tái)網(wǎng)和TA臺(tái)陣記錄到的波形資料進(jìn)行4次根傾斜疊加處理，共獲得36組能夠清晰地觀察到與410km間斷面相關(guān)SdP次生震相的4次根傾斜疊加灰度圖.相關(guān)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度見(jiàn)表2.不是每個(gè)子臺(tái)網(wǎng)都能識(shí)讀到具有很好的強(qiáng)度和符合走時(shí)差－慢度差關(guān)系的次生轉(zhuǎn)換震相，因而表中存在著部分子臺(tái)網(wǎng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度的缺失.

本文中只有一個(gè)地震（Ev.4）共同為T(mén)A臺(tái)陣和Hi－net臺(tái)網(wǎng)所記錄，并給出了很好的傾斜疊加結(jié)果.TA臺(tái)陣在95°左右的震中距記錄到該地震，而Hi－net則在40°～50°震中距上記錄到該地震.從轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均深度上來(lái)看，Hi－net臺(tái)網(wǎng)各子臺(tái)網(wǎng)給出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的平均深度則位于393km上，而TA給出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度是390km，這說(shuō)明各臺(tái)網(wǎng)／子臺(tái)網(wǎng)疊加結(jié)果具有很好的一致性.

表2 疊加圖給出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度列表Table 2 Conversion depths from the vespegrams

圖4 Hi－net所記錄地震Ev.5的波形資料各子臺(tái)網(wǎng)4次根傾斜疊加灰度圖灰度圖橫坐標(biāo)為相對(duì)于直達(dá)P的走時(shí)差Δt，縱坐標(biāo)為相對(duì)于直達(dá)P的慢度差Δp.箭頭所對(duì)應(yīng)的數(shù)字為轉(zhuǎn)換震相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換深度，單位為km.Fig.4 The vespegrams of the Ev.5derived from the 4－th root slant stacking with the data by Hi－net sub－networks.H1—H9were shown at Fig.2b The numbers above arrows are the conversion depths（in km）related to SdP phases.

相較于其他地震，Ev.5給出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度要淺得多.一般地，轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度誤差來(lái)源于震源深度誤差（±5km）、相對(duì)走時(shí)識(shí)讀誤差（±5km）以及俯沖板塊速度異常引起的誤差（±1km），總體而言，轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度誤差在±11km（Collier and Helffrich，1997）.各子臺(tái)網(wǎng)相應(yīng)的傾斜疊加結(jié)果圖上的次生震相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度的差異與局部區(qū)域的速度躍變和走時(shí)差讀取誤差有一定關(guān)系（Zang et al.，2006）.因此，該地震給出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度有些許存疑.

我們將各轉(zhuǎn)換點(diǎn)投影到地球平面上，可以看到410km間斷面存在的深度位于372～398km附近（圖5），即在俯沖板塊及其殘留物質(zhì)的影響下抬升約20～50km.一般地，410km間斷面附近的克拉伯龍（Clapeyron）斜率為－2.9MPa／K（Bina and Helffrich，1994），那么每抬升8km則約有100K的低溫異常（Flanagan and Shearer，1998b），因而相對(duì)于周?chē)蒯６员疚难芯繀^(qū)域下方俯沖物質(zhì)導(dǎo)致了250～630K的低溫異常.

圖5 410km間斷面相關(guān)的SdP轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度分布三角形為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置，其附近的數(shù)字為轉(zhuǎn)換點(diǎn)平均深度（表2）.其他說(shuō)明同圖1.Fig.5 The SdP conversion points related to the 410km discontinuityTriangles are for the conversion points locations and the related numbers are for the average depths of the conversion points（Table 2）.All others are same as Fig.1.

基于地質(zhì)學(xué)與地球化學(xué)的研究成果，本文研究區(qū)域陸陸碰撞的時(shí)間大致在102～85Ma（Ali et al.，2002），因而海洋巖石圈俯沖殘留應(yīng)該在此之前就已經(jīng)進(jìn)入地球深部了.同時(shí)，從地震層析成像結(jié)果來(lái)看（Koulakov and Sobolev，2006；Villase?or et al.，2003，轉(zhuǎn)引自Negredo et al.，2007），帕米爾—興都庫(kù)什俯沖板塊在地球內(nèi)部250km深度處存在著減薄形態(tài)，表明俯沖板塊處于拆離過(guò)程中，最深部可能到達(dá)地幔轉(zhuǎn)換區(qū)中.俯沖板塊的殘留體會(huì)給地球深部帶來(lái)不同的物質(zhì)，如石榴子石、輝石，甚至水等揮發(fā)分物質(zhì)（Weidner and Wang，2000），這會(huì)導(dǎo)致在α相橄欖石到β相橄欖石相變之外，還有石榴子石和輝石等的相變；同時(shí)水的存在也會(huì)導(dǎo)致部分熔融的發(fā)生，進(jìn)而影響到410km間斷面相變線的起伏形態(tài).

因而，相比于410km間斷面抬升達(dá)60～70km（如 Collier and Helffrich，1997；Collier et al.，2001）的西太平洋俯沖區(qū)域而言，本研究區(qū)域下方的俯沖殘留體帶來(lái)的低溫異常要小，相應(yīng)的抬升也就要小不少.當(dāng)然俯沖殘留物質(zhì)本身也會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域物質(zhì)構(gòu)成的調(diào)整，而這需要進(jìn)一步更精細(xì)的地震學(xué)工作，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高溫高壓礦物學(xué)成果進(jìn)行分析.

4 結(jié)論

本文利用日本Hi－net地震臺(tái)網(wǎng)和美國(guó)TA臺(tái)陣記錄的帕米爾—興都庫(kù)什俯沖區(qū)域的6個(gè)震源深度為154.0～220.9km、震級(jí)為Mb5.6～6.4的中、深源地震的短周期／寬頻帶波形資料，經(jīng)過(guò)4次根傾斜疊加處理，獲得了36組Hi－net子臺(tái)網(wǎng)和TA記錄資料的傾斜疊加灰度圖，從中提取了與410km間斷面相關(guān)的次生轉(zhuǎn)換震相SdP，發(fā)現(xiàn)受俯沖殘留體影響下的410km間斷面的深度位于372～398km.較之持續(xù)俯沖的西太平洋地區(qū)海洋巖石圈對(duì)于410km間斷面的相變線的影響要小得多.

致謝 感謝兩位評(píng)閱人寶貴意見(jiàn).

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