核幔界面衍射波Pdiff震相最大記錄震中距探討

秦滿(mǎn)忠 李順成 劉旭宙 張淑珍 張?jiān)?/p>

1）中國(guó)蘭州730000中國(guó)地震局蘭州地震研究所

2）中國(guó)蘭州730000中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

3）中國(guó)北京100029中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

核幔界面衍射波Pdiff是一個(gè)極遠(yuǎn)震弱震相，單脈沖型，振幅較小，僅為PP的1／10—1／5，一般在當(dāng)MS≥7.0且干擾背景較小時(shí)才能夠在長(zhǎng)周期地震記錄中得以分辨（李克，2007）.丹麥地震學(xué)家萊曼1936年首次在地震圖上識(shí)別出核幔界面衍射波Pdiff震相（Lehmann，1936）（圖1），并討論了震中距為100°—140°的核幔界面上的衍射波Pdiff問(wèn)題.Rial和Cormier定量地研究了地球?qū)︴劈c(diǎn)（178°≤Δ≤180°）附近的Pdiff，PKIKP及PP等震相的基本特征，發(fā)現(xiàn)對(duì)跖點(diǎn)附近的Pdiff和PP震相具有聚焦效應(yīng)（振幅放大現(xiàn)象），而 PKIKP 沒(méi)有聚焦效應(yīng)（Rial，1978；Rial，Cormier，1980）.

Pdiff震相在全球長(zhǎng)周期地震數(shù)據(jù)疊加的觀測(cè)走時(shí)曲線中的最大記錄震中距約150°（Astiz et al，1996）.唐燕娟（1997）使用1980—1995年全國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)極遠(yuǎn)震資料得到Pdiff震相記錄范圍在100°—158°附近.據(jù)趙榮國(guó)（1987）觀測(cè)研究表明，使用長(zhǎng)周期763型地震儀可記錄到弱幅度的Pdiff震相，其最大震中距為175.6°（成都臺(tái)）.許健生等（2012）使用寬頻帶數(shù)字地震記錄對(duì)蘭州地震臺(tái)記錄的極遠(yuǎn)震進(jìn)行了分析，得到Pdiff震相的記錄范圍為114.2°—175.7°.

2010年2月27日在智利中南部發(fā)生MS8.8特大地震，甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣記錄到該地震豐富的（210個(gè)臺(tái)站）高質(zhì)量觀測(cè)波形，其記錄震中距范圍在170°—180°之間.本文通過(guò)讀取智利地震初至震相的觀測(cè)走時(shí)，計(jì)算該震相的觀測(cè)慢度，并與Pdiff震相理論慢度相比較來(lái)判定初至震相是否為核幔界面衍射波震相，進(jìn)一步探討Pdiff震相的記錄特征、最大記錄震中距以及不同方位傳播的Pdiff震相觀測(cè)走時(shí)與核幔界面復(fù)雜形態(tài)之間的關(guān)系.

圖1 核幔界面衍射波Pdiff震相和PKIKP震相射線路徑傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of ray paths of seismic phases Pdiffand PKIKP

1 臺(tái)網(wǎng)資料

甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣均布設(shè)于青藏高原東北緣.甘肅“十五”數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)自2008年6月正式運(yùn)行，由蘭州、高臺(tái)、安西、嘉峪關(guān)和天水等5個(gè)有人值守的國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)和39個(gè)區(qū)域遙測(cè)數(shù)字地震臺(tái)組成（馮建剛等，2012），目前擁有包括鄰?。▽幭?、陜西、四川、青海、內(nèi)蒙）在內(nèi)的76個(gè)數(shù)字測(cè)震臺(tái)站；甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣由中國(guó)地震局地質(zhì)研究所和中國(guó)地震局蘭州地震研究所共同合作在甘東南地區(qū)勘址架設(shè)，共設(shè)有7條測(cè)線，150個(gè)流動(dòng)臺(tái)站，平均臺(tái)間距約10km（圖2）.使用REF TEK-130型數(shù)據(jù)采集器和Guralp公司生產(chǎn)的CMG-3ESPC寬頻帶地震計(jì)，其頻帶范圍為60—0.02s.甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣運(yùn)行期間（2009年11月—2011年12月）積累了連續(xù)、可靠、高質(zhì)量的地震觀測(cè)波形數(shù)據(jù)，為深入研究地球內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)提供了寶貴的資料.

圖2 甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣分布圖Fig.2 Distribution of the Gansu Digital Seismic Network（blue triangles）and southeastern Gansu temporary observation array（black triangles），where the red square is the position of the Lanzhou small aperture seismic array

2 數(shù)據(jù)處理

本文選取甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣共同記錄的2010年2月27日發(fā)生在智利中南部 MS8.8特大地震（36.12°S、72.90°W，h＝23km）數(shù)字觀測(cè)波形數(shù)據(jù).

首先截取智利特大地震數(shù)字觀測(cè)波形數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜、去平均處理，然后作濾波處理，去掉記錄畸形、信噪比差的觀測(cè)波形，最終選取震中距為170°—180°的155條垂直分量的觀測(cè)波形數(shù)據(jù).為了易于讀取初至震相走時(shí)，更好地顯示震相（Pdiff和PKIKP）和觀測(cè)波形數(shù)據(jù)，我們使用了30s的低通濾波（圖3）.

圖3 甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)到的智利中南部MS8.8地震波形Fig.3 Waveforms of a MS＝8.8event that occurred in south-central Chile on February 27，2010，recorded by the Gansu Digital Seismic Network and the southeastern Gansu temporary observation array

結(jié)合IASP91理論走時(shí)曲線，從圖3中1 215s附近很容易識(shí)別出極遠(yuǎn)震PKIKP震相.同時(shí)，在PKIKP震相之前存在一個(gè)較弱的初至震相，具有單脈沖型、振幅較小，周期約42s.Pdiff震相在IASP91理論模型的最大記錄震中距為159°，而本文中臺(tái)網(wǎng)記錄初至震相的震中距范圍為170°—180°.為了確定該初至震相是否為核幔界面衍射波震相Pdiff，我們分別讀取了初至震相的起始觀測(cè)走時(shí)和峰值觀測(cè)走時(shí)，并分別與對(duì)應(yīng)的震中距作了線性擬合（圖4）：

式中，t1為初至震相起始觀測(cè)走時(shí)，t2為初至震相峰值觀測(cè)走時(shí)，t3為Pdiff震相IASP91理論走時(shí)，單位為s；Δ為震中距，單位為度；相關(guān)系數(shù)分別為R1＝0.962，R2＝0.975，R3＝1.000.通過(guò)線性擬合初至震相起始觀測(cè)走時(shí)t1和峰值觀測(cè)走時(shí)t2，得到對(duì)應(yīng)的平均觀測(cè)慢度值分別為4.104s／°和3.980s／°，與Pdiff震相的理論慢度4.439s／°基本一致.由此可以確定，甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣記錄的初至震相為核幔界面衍射波Pdiff震相，其最大記錄震中距為179.7°.圖3中Pdiff震相紅色地震觀測(cè)波形的峰值點(diǎn)隨震中距的增大存在明顯的觀測(cè)走時(shí)超前和滯后現(xiàn)象，這與核幔界面凹凸不平的復(fù)雜形態(tài)有關(guān).

圖4 初至震相（Pdiff）起始觀測(cè)走時(shí)（R1，t1）和峰值觀測(cè)走時(shí)（R2，t2）的線性擬合Fig.4 Linear regression of origin and peak observational travel times for the first arrival phase（Pdiff）.R1，t1and R2，t2are correlation coefficients and linear regression equations of the origin observational travel time and the peak observational travel time，respectively

3 討論與結(jié)論

本文選取了2010年2月27日智利MS8.8特大地震，保證其在全球所有地震臺(tái)均具有清晰、良好的地震觀測(cè)波形記錄特征；甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣擁有大量、密集的地震臺(tái)站（210個(gè)），對(duì)此次特大地震有連續(xù)、可靠、高質(zhì)量的地震觀測(cè)波形，初至震相在臺(tái)網(wǎng)記錄中的震中距為170°—180°.

為了確定初至震相Pdiff起始觀測(cè)走時(shí)的可靠性，對(duì)智利特大地震甘肅臺(tái)網(wǎng)SBC臺(tái)（Δ＝170.54°）垂直分量波形分別選用了2—10s、10—30s、30—100s帶通濾波和30s低通濾波，并與原始觀測(cè)波形進(jìn)行了比較（圖5）.結(jié)果表明，通過(guò)30s低通和30—100s帶通濾波處理后的觀測(cè)波形與原始觀測(cè)波形在頻率、相位和記錄波形特征上具有很好的一致性，30s低通濾波結(jié)果的初至震相Pdiff起始更為尖銳，更有利于讀取初至震相Pdiff起始觀測(cè)到時(shí)，其走時(shí)為1 151.1s.

許建生等（2013）利用中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)11個(gè)臺(tái)的寬頻帶長(zhǎng)周期數(shù)字記錄對(duì)極遠(yuǎn)震（震源深度≤100km）震相Pdiff走時(shí)與震中距關(guān)系作了線性擬合，我們利用其擬合關(guān)系式計(jì)算得到SBC臺(tái)Pdiff震相觀測(cè)走時(shí)為1 147.3s，與我們讀取的起始觀測(cè)走時(shí)僅差3.8s.由于本次智利地震震源深度為23km，這種差別應(yīng)是震源深度造成的，因?yàn)檎鹪瓷疃仍綔\，走時(shí)越大.由本文式（3）計(jì)算的SBC臺(tái)Pdiff震相IASP91理論走時(shí)為1 136.1s，與許健生等（2013）線性擬合關(guān)系計(jì)算的走時(shí)1 147.3s也相差11.2s.因此，本文中Pdiff震相的起始觀測(cè)到時(shí)應(yīng)該是可靠的.

通過(guò)分別進(jìn)行線性擬合初至震相的起始觀測(cè)走時(shí)、峰值觀測(cè)走時(shí)與震中距的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.961 9和0.975 2，獲得的平均觀測(cè)慢度值分別為4.104s／°和3.980s／°，與Pdiff震相IASP91理論模型的理論慢度值4.439s／°基本一致，故可確定甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣記錄的初至震相為核幔界面衍射波Pdiff震相.由于該震相傳播距離很大，高頻成分在傳播過(guò)程中逐漸被吸收，其周期達(dá)到42s，平均幅度不到PP震相的百分之一.當(dāng)Δ＞179°時(shí)，由于PKIKP震相與Pdiff震相的相互疊加作用，Pdiff震相表現(xiàn)為約1／2的孤峰（圖3）.本文中Pdiff震相最大記錄震中距為179.7°，為目前該震相的最大記錄震中距，記錄臺(tái)站位于甘肅省慶陽(yáng)市西南部的鎮(zhèn)原臺(tái)（ZYT）.

以PKIKP震相最大幅度（1 200—1 230s）歸一化觀測(cè)波形，與Pdiff震相最大幅度進(jìn)行比較.結(jié)果表明，Pdiff與PKIKP的相對(duì)最大振幅比在震中距為170°—177°時(shí)變化不大，在震中距為177°—180°時(shí)，最大振幅比隨震中距的增大而增大（圖6）.這可能與Pdiff震相在地球?qū)︴劈c(diǎn)的聚焦效應(yīng)有關(guān)（Rial，1978；Rial，Cormier，1980）.

圖5 原始觀測(cè)波形與不同頻率濾波后的觀測(cè)波形的比較Fig.5 Comparison of the original observation waveform （thick line）with four filtered observation waveforms（thin lines）

圖6 Pdiff震相與PKIKP震相的最大振幅比Fig.6 The maximum amplitude ratio of Pdiffto PKIKP

表1 不同方位角Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)tPdiff與震中距Δ（單位：度）的線性擬合Table 1 Linear regression between origin observational travel time（tPdiff）and its epicentral distanceΔ （in unit of degree）for Pdiffphases with different azimuth range

表2 不同方位角Pdiff震相峰值觀測(cè)走時(shí)tpeak與震中距Δ（單位：度）的線性擬合Table 2 Linear regression between peak observational travel time（tpeak）and its epicentral distanceΔ （in unit of degree）for Pdiffphase with different azimuth range

甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣關(guān)于智利MS8.8特大地震的記錄為我們提供了頗為寶貴的研究資料，結(jié)合甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)記錄波形本文研究了此次地震不同方位（190°—340°）、震中距在175°—180°之間的148條地震記錄波形對(duì)Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)（表1）和峰值觀測(cè)走時(shí)（表2）的影響.將觀測(cè)走時(shí)按照方位角（190°—340°）劃分為7檔（表1，表2），分別作了不同方位角走時(shí)曲線的線性擬合，如圖7所示.可以看出，隨著方位角的逐漸增大，Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)和峰值觀測(cè)走時(shí)均存在較明顯的滯后現(xiàn)象.核幔界面是物理變化極其復(fù)雜的地帶，是一個(gè)凹凸不平的界面（Wysession et al，1992；Arthur，John，1993；Sze，van der Hilst，2003），下地幔普遍存在超低速區(qū)，其P波速度和S波速度分別驟降約10%和30%（Mori，Helmberger，1995；Helmberger et al，1998；McNamara et al，2010），超低速區(qū)之上D″區(qū)速度結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為低速，且厚度明顯加厚（唐群署，李麗紅，2006）.相關(guān)研究結(jié)果表明，富含鐵的氧化物可能分離結(jié)晶形成原始海洋巖漿停留在核幔界面之上，并在該界面之上形成高度約100km的穹狀結(jié)構(gòu)，這些少量富含鐵的氧化物的存在會(huì)明顯降低地震波速度（Labrosse et al，2007；Sun et al，2013）.因此，方位角的增大所引起的Pdiff震相觀測(cè)走時(shí)差異可能與核幔界面的復(fù)雜形態(tài)有關(guān).

與IASP91理論模型Pdiff震相走時(shí)曲線的延伸部分相比，本文線性擬合的Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)曲線存在明顯的滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間約15s（圖7）.而利用蘭州小孔徑臺(tái)陣（圖2）資料疊加觀測(cè)走時(shí)曲線結(jié)果（秦滿(mǎn)忠等，2014）表明，遠(yuǎn)震P震相觀測(cè)走時(shí)滯后于理論P(yáng)震相走時(shí)，并且這種差異在臺(tái)陣的東部和西部明顯不同，西部的觀測(cè)走時(shí)滯后現(xiàn)象更為明顯，其中蘭州小孔徑臺(tái)陣記錄的2003年1月22日墨西哥極遠(yuǎn)震（18.77°N、104.10°W，h＝24km，Δ＝119.5°，MS7.6，Az＝30.5°）Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)（916.4s）相對(duì)于理論觀測(cè)走時(shí)（909.5s）滯后6.9s.而智利MS8.8特大地震震中位于甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)西部，其記錄震中距（175°—180°）遠(yuǎn)大于墨西哥地震，且在核幔界面衍射傳播的距離更長(zhǎng)（75°左右）.因此，Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)的滯后不僅與地震波在低速的上、下地幔介質(zhì)中傳播有關(guān)（Soldati et al，2006；秦滿(mǎn)忠等，2014），同時(shí)與核幔界面存在超低速區(qū)及凹凸不平的復(fù)雜形態(tài)有關(guān).

圖7 不同方位角Pdiff震相起始觀測(cè)走時(shí)曲線和峰值觀測(cè)走時(shí)曲線與IASP91理論走時(shí)曲線延伸部分對(duì)比Fig.7 Comparison of Pdifforigin and peak observed travel time curves in different azimuth ranges with theoretical travel time curve of the IASP91model

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