第二影區(qū)地震震相到時特征變化淺析

陳凱男，劉立申，王利兵，趙志遠，宋 昭，羅 娜，賈 華

(1．河北省地震局紅山基準地震臺，河北 邢臺 054000；2.河北省地震局邯鄲中心地震臺，河北 邯鄲 056002)

0 引言

作為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)最復雜、動力學過程最活躍的區(qū)域之一，核幔邊界及其附近結(jié)構(gòu)一直是地球科學研究的熱點[1]。下地幔底部和外核頂部之間約100～200 km的范圍稱為核幔過渡帶。對于臺站記錄，當震中距達到105°左右時，地震波開始進入此區(qū)域，即核幔界面的“影區(qū)”，也稱第二影區(qū)。此時，地震波較發(fā)育，震相較多，主要是由復雜的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和速度層分布所決定。震中距介于105°～128°左右時，記錄到較清晰的震相，通常是 PP、SKS、PS 和 SS。Pdif震相在仿真SK和763等中長周期和長周期儀器上，記錄一個或數(shù)個完整的周期[2]。該文主要分析地震波在進入第二影區(qū)時各震相的特征變化，以便精確測定地震參數(shù)，用于資料分析及速度層結(jié)構(gòu)等方面的研究，提高資料的可信度和使用價值。

1 數(shù)據(jù)選取

(1) 所用數(shù)據(jù)臺站的基本概況。

文中選用的地震波形數(shù)據(jù)均來自國家測震臺站，各臺觀測環(huán)境背景噪聲小，觀測儀器動態(tài)范圍大，分辨率高，記錄頻帶寬，覆蓋傳統(tǒng)地震計的短周期、中長周期和長周期頻帶。從記錄的原始數(shù)據(jù)中可用各種仿真濾波器獲得傳統(tǒng)地動計的仿真數(shù)據(jù)，得到地動的真實信息，數(shù)據(jù)可信度高。選用數(shù)據(jù)臺站的基本情況如表1所示。

(2) 地震數(shù)據(jù)的選取條件。

表1 研究選用臺站的基本概況Table 1 Basic situation of selected stations in this study

一是臺網(wǎng)中單臺震中距介于第二影區(qū)前后；二是在短周期、中長周期記錄圖上可清晰識別各震相，得出PHASE結(jié)果，做出各震相走時曲線圖。如第2頁圖1為2010年9月4日新西蘭南島東海岸遠海MS7.1地震各單臺的震中距，跨度為87°～124°。選取10個滿足條件的地震，地震目錄如表2所示，所用數(shù)據(jù)的臺站及震例分布如圖2所示。

圖1 新西蘭南島東海岸遠海MS7.1地震各單臺震中距跨度 Fig.1 The MS 7.1 earthquake off the east coast of New Zealand

表2 研究選用的地震目錄Table 2 Earthquake catalogs selected in this study

圖2 臺站及震例震中分布圖Fig.2 Distribution of stations and epicenter of earthquake cases

2 研究思路

對于單臺，震中距不同的地震震相各有特點，特別是震相較多較復雜的第二影區(qū),在震相識別時存在將相鄰震相混淆的可能，會導致錯誤的分析。對于全國臺網(wǎng)，同一個地震，單臺的震中距各不相同，但各臺記錄到的震相基本一致。臺站的波形記錄可按震相到時順序排列(見圖3，選取部分臺站、部分震相)。當臺網(wǎng)記錄中各單臺震中距橫跨第二影區(qū)時，可針對橫跨影區(qū)即核幔過渡層各震相的傳播和變化規(guī)律進行分析。

圖3 2008年4月12日麥夸里島地區(qū)MS7.1地震震中距跨度(84°～115°)Fig.3 The epicentral distance span (84°～115°) of the Macquarie island earthquake with MS 7.1 on April 12, 2008

3 震相特征變化分析

地震波形數(shù)據(jù)使用MSDP臺網(wǎng)版拾取震相，仿真短周期wwssnsp拾取遠震初動P、PKP，仿真長周期SK拾取初動Pdif及后續(xù)S、PP、SS等震相。

3.1 P波和Pdif波

進入核幔過渡帶之前的P波震相表現(xiàn)為地震波形記錄上的初至震相，一般周期在4～6 s[3]，振幅較大。隨著震中距的增大,P波周期也增大。在105°左右時，開始進入核幔過渡帶，發(fā)生衍射現(xiàn)象。由于衍射，其能量消耗較快，在地震波形記錄中表現(xiàn)出振幅越來越小直至淹沒在地脈動中。P波與Pdif波震相未表現(xiàn)出明顯的分界，在震中距達到105°左右之后，短周期記錄上P波衰減加速。如第3頁圖4a的仿真wwssnsp 300 s，選用數(shù)據(jù)的臺站有QZH、XSA、GZH、NJ2、GUL、DL2、HNS、LYN、KMI、XLT、TNC、YCH、LZH、CAD、GTA、LSA、AXX、WMQ、HTA、KSH。此時，長周期記錄衍射波Pdif震相特征越來越清楚。如圖4b的仿真SK 300 s ，選用數(shù)據(jù)的臺站有QZH、XSA、GZH、NJ2、GUL、DL2、HNS、LYN、KMI、XLT、TNC、YCH、LZH、CAD、GTA、LSA、AXX、WMQ、HTA、KSH，直至最后一條地幔穿透波消失。

進入核幔過渡帶后，由于大部分能量穿透核幔過渡層進入外核，少量能量沿著核幔過渡層衍射傳播。凡記錄到的衍射波Pdif波形孤立波動，波數(shù)小于3，初始很弱，有一定的水平向初動振幅。隨后很快趨于平靜，或中斷幾十秒至幾分鐘(依震中距而定)，未看出有明顯尾波。衍射波Pdif不同于PKP等震相的另一個標志是周期較大，初至周期和波列中最大振幅的周期相差很小(1)趙永.遠震分析與震相解釋[R]，2013.，在中長周期儀(SK、763)上可記錄到Pdif，表現(xiàn)為一個弱而周期相當長(10～20 s)的震動，約早于PP波震相4 min以上。如圖5的仿真SK 1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺站有CLI、BJT、HNS、MCG、MCH、WHN。

圖4 2008年9月29日克馬德克群島MS7.2地震震中距跨度(95°～120°)Fig.4 The epicentral distance span (95°～120°) of the Kmadek Islands earthquake with MS 7.2 on September 29, 2008

圖5 2014年4月18日墨西哥格雷羅海岸近海MS7.6地震震中距跨度(91°～125°)Fig.5 The epicentral distance span of the MS 7.6 earthquake off the coast of Guerrero, Mexico on April 18, 2014 (91°～125°)

3.2 PP波

PP波是在地表反射一次的縱波，在70°以后逐漸發(fā)育。在進入核幔過渡層之前是P波后第二個出現(xiàn)的振幅較大震相，進入核幔過渡層后其振幅明顯超過Pdif波，變?yōu)榈谝粋€振幅較大的震相。如圖6所示，原始波形1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺站:MDJ、BNX、NZN、CLI、BJT 、HNS。

圖6 2014年4月18日墨西哥格雷羅海岸近海MS7.6地震震中距跨度(91°～125°)Fig.6 The epicentral distance span of the MS 7.6 earthquake off the coast of Guerrero, Mexico on April 18, 2014 (91°～125°)

3.3 S波

S波震相在進入核幔過渡帶之前都清晰可辨(暫不考慮深震)，周期、振幅較P波發(fā)育；開始進入核幔過渡帶后，S波速度越來越慢，振幅也越來越小。如第4頁圖7a所示，仿真SK 1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺站有 HNS、LZH、GTA、CAD、AXX、WMQ。HNS臺在震中距為93°時，能正常記錄到S波震相。理論上，S波震相記錄可持續(xù)到震中距105°。圖7a方框顯示的LZH臺震中距為99°，CAD臺為101°，GTA臺為103°，已記錄不到S波震相；震中距分別為107°、114°的AXX臺、WMQ臺(箭頭所指)卻記錄到S波震相，印證核幔過渡帶的不均勻性。當S波穿透核幔過渡帶到達液態(tài)的外核后，觀測不到S波(見圖7b)。

3.4 PS波、SS波

PS波是由縱波P經(jīng)過地表反射轉(zhuǎn)換為橫波的震相，SS波是在地表反射一次的橫波。在105°～128°時，S波迅速衰減，PS波比較發(fā)育，振幅較大，在地震波形記錄的水平分向上可清晰地識別。之后，振幅最大的是SS波震相，如第4頁圖8的仿真SK 2 400 s ，使用數(shù)據(jù)的臺站有 CAD、LIZ、LSA。

4 結(jié)論與討論

對大量實際地震波形記錄進行處理(文中列舉出部分結(jié)果)，得出地震震相走時曲線圖，只體現(xiàn)出部分變化特征比較明顯的震相。

圖7 2008年9月29日克馬德克群島MS7.2地震震中距跨度(82°～120°)Fig.7 The epicentral distance span (82°～120°) of the Kmadek Islands earthquake with MS 7.2 on September 29, 2008

理論上，當震中距在105°時，記錄到地幔折射波與核幔分界面相切的P波、S波，是地幔折射波的最后一條射線。此后，地幔折射波消失，出現(xiàn)衍射波(Pdif)、地核穿透波等。

圖8 2010年9月4日新西蘭南島東海岸遠海MS7.1地震震中距跨度(87°～124°)Fig.8 The epicentral span (87°～124°) of the MS 7.1 earthquake off the east coast of the South Island of New Zealand on September 4, 2010

實際記錄的波形是在震中距增大到105°左右時，地震波進入核幔過渡帶這一復雜的低速層中，地震波能量衰減加快，在波形記錄中表現(xiàn)出周期變大，振幅越來越小直至淹沒在地脈動中；P波與Pdif波震相未表現(xiàn)出明顯的分界，S波震相也未出現(xiàn)斷崖式消失，而是隨著震中距的增大還會出現(xiàn)，這也間接印證這一低速層的不均勻性；反射波PP、PS、SS在遠震記錄中常有，隨著震中距增大逐漸發(fā)育，周期振幅變大表現(xiàn)得越來越清楚。