安徽馬鞍山周邊地區(qū)Pb震相識別和康拉德面特征

陳江琴

(1.馬鞍山市應(yīng)急管理局,安徽 馬鞍山 243000;2.安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,安徽 亳州 233500)

0 引言

康拉德面是奧地利學(xué)者康拉德1923年發(fā)現(xiàn)的，該面不連續(xù)[1]，Pb震相是來自康拉德面的首波。有的臺站不能記錄到來自該面的Pb震相，又因其在傳播過程中能量損失較多，在記錄圖上表現(xiàn)為振幅較小的波動，不易被發(fā)現(xiàn)。正確分辨Pb震相能提高地震定位精度和了解地殼結(jié)構(gòu)及康拉德面特征[2]。

胡德昭等[3]發(fā)現(xiàn)中國東南部地殼內(nèi)廣泛存在康拉德面，分布深度由內(nèi)陸向沿海逐漸變淺。鄭曄等[4]在隨縣—馬鞍山人工源地震探測資料中發(fā)現(xiàn)馬鞍山—六安剖面上有P*波，認(rèn)為是來自第二界面下方的首波，也就是Pb震相。近20年來，在首都圈、山西、海南、上海、河北等[5-9]地區(qū)均有對Pb震相的研究成果，各區(qū)域Pb震相的特征描述一致。戚浩等[10]在安徽臺網(wǎng)地方震波形分析中發(fā)現(xiàn)Pb震相，郭杰等[11]在河南濮陽市、許健生等[12]在甘肅永登地區(qū)、董其珍等[13]在甘肅成縣均發(fā)現(xiàn)來自康拉德界面的反射波，陳江琴[14]在馬鞍山臺網(wǎng)震相記錄中也發(fā)現(xiàn)來自該面的反射波。

馬鞍山臺網(wǎng)共有11個臺站，臺間距約50 km，對200 km范圍內(nèi)ML≥2.0地震均有記錄。在日常分析近震時，可看到振幅、周期和Pg、Pn不同的震相，且易將Pb震相定為Pg震相。因此，需對Pb震相的特征和出現(xiàn)的震中距范圍進(jìn)行分析研究，提高震相分析的準(zhǔn)確性和地震定位精度。

1 馬鞍山地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境與Pb震相

安徽省地處華北斷塊區(qū)、下?lián)P子斷塊區(qū)和秦嶺—大別山斷褶帶3個大地構(gòu)造單元的接壤地帶，是一個地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的地區(qū)。郯城—廬江斷裂帶斜貫全省，在斷裂格局上起主導(dǎo)作用。全省的地殼結(jié)構(gòu)具有明顯的層狀特征，新構(gòu)造運(yùn)動較活躍，主要表現(xiàn)在大面積的塊體升降運(yùn)動、斷裂活動及相伴的巖漿噴溢、溫泉出露和地震活動。歷史上，安徽的破壞性地震大都分布于不同塊體差異運(yùn)動的交接地帶、斷陷盆地的邊緣及活動性斷裂的端點或交匯處，均屬于淺源地震[15]。馬鞍山市地處蘇皖交界中部，郯廬斷裂帶東側(cè)，揚(yáng)—銅地震帶中段，其東南方向有茅山斷裂和溧陽老震區(qū)(見第40頁圖1)。有儀器記錄以來，馬鞍山地區(qū)發(fā)生有感地震較少，主要以1.0級以下的弱震為主，MS≥3.0地震有2次，分別是1967年7月11日采石發(fā)生的4.6級和1991年9月12日博望區(qū)的3.1級地震；其周邊發(fā)生過有較大影響的地震帶主要有溧陽老震區(qū)，分別在1974年和1979年發(fā)生5.5級、6.0級地震，2021年常州市發(fā)生4.2級地震，2012年揚(yáng)州高郵發(fā)生4.9級地震；周邊其他地區(qū)發(fā)生的地震大多在3.0級以下。

圖1 馬鞍山及其周邊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

Pb是康拉德面上的縱波性首波，其在地殼內(nèi)的傳播路徑如第40頁圖2所示。

圖2 體波傳播路徑圖

該文選取馬鞍山地震臺網(wǎng)(共11個臺站)2014年1月至2021年1月記錄的ML≥2.0地震事件波形資料，且地震震源均在上地殼。根據(jù)前人對 Pb震相波形特征的研究和理論到時，對震相進(jìn)行分析，最終從99個天然地震中識別出163條Pb震相。

2 Pb震相識別與特征分析

2.1 Pb震相識別

根據(jù)馬鞍山臺網(wǎng)記錄的163條Pb震相出現(xiàn)的位置不同，分三種情況討論其波形特征。

(1) 作為初始震相。

Pb出現(xiàn)的最小、最大震中距分別為72 km、132 km,振幅一般小于Pg，周期大于Pg[16]，表現(xiàn)為首波特征；與Pn震相類似，波形呈正弦形[8-9](見第41頁圖3)。一般Pb波為初至波時，縱波段會有3個震相，即Pb、Pg、P11，且在此震中距范圍內(nèi)的反射波P11都較明顯。安徽地震臺網(wǎng)使用的走時表為華南走時表，各震相實際走時和理論走時較一致。

圖3 Pb為初始震相的波形

(2) 作為續(xù)至震相。

在馬鞍山臺網(wǎng)中找到滁州臺記錄的長豐地震有Pb出現(xiàn)在Pg之后、PmP之前的情況。2014年7月10日20:37:18 滁州臺記錄到長豐地震，其P波系列有3個明顯的波段(見第41頁圖4a)，該地震的震中距為109 km。當(dāng)震源深度為5 km時，開始記錄到Pn為初始震相的震中距約160 km，達(dá)不到Pn作為初始震相的距離，因此，初始震相不是Pn；第3個波段的振幅明顯大于前兩個，且PmP走時比Pg長，到時比Pg晚，符合反射波的特征；中間波段呈鋸齒狀，周期、振幅均小于左右兩個波段，不符合Pg震相特征，與Pb震相特征較一致；另外，按照華南模型計算出該地震Pg波、Pb波、反射波走時分別為18.15 s、18.84 s、20.78 s,將實際走時減去發(fā)震時刻，得出其實際走時與理論走時較一致。由此推測，中間段的波形不是Pg波和反射波，是Pb波。同理，圖4b記錄的這一地區(qū)地震有同樣特征。

圖4 Pb在Pg、PmP之間的波形

當(dāng)首波與直達(dá)波走時相同時，其震中距為Δ1，當(dāng)Δ>Δ1時，首波將先于直達(dá)波到達(dá)臺站。根據(jù)首波與直達(dá)波的走時方程可得出：

(1)

按照華南模型，v1=6.01 km/s,v2=6.88 km/s,H=21 km(康氏面深度)。當(dāng)h為5 km、10 km、15 km時，Δ1分別為142 km 、120 km、64 km。2014年7月10日的長豐地震深度h為5 km,表明當(dāng)Δ>142 km時，Pb才會在Pg之前到達(dá)臺站，該地震Δ為109 km,說明Pb在Pg之后到達(dá)，驗證該地震震相分析是正確的。

(3) Pb震相出現(xiàn)在Pn之后、Pg之前。

其出現(xiàn)的最小震中距為141 km，振幅、周期一般小于Pn、Pg，呈鋸齒狀[8-9](見第42頁圖5)。這是由于康拉德面上下層的速度梯度小于莫霍面附近，下地殼及莫霍面速度均大于上地殼及康拉德面速度，導(dǎo)致Pb振幅小于Pn振幅[9]。有時Pb振幅大于Pn，如圖5b和5g所示，此時Pb明顯，是由于Pn和Pb疊加在一起的緣故[8-9]。

圖5 Pb在Pn與Pg之間的波形

2.2 Pb震相特征分析

Pn、Pg和Pb均可能是第一個到達(dá)的震相，取決于震中距、震源深度和康拉德面深度,對照式(1)可以看出，H(康拉德面深度)越大，Pb作為初始震相出現(xiàn)的震中距就越大；震源深度h越大，Pb作為初始震相出現(xiàn)的震中距就越小。當(dāng)Δ<Δ0(康面首波“盲區(qū)”范圍)時，無Pb震相，只有Pg與PmP；當(dāng)Δ0<Δ<Δ1(康面首波與直達(dá)波走時相同時的震中距)時，Pb在Pg與PmP之間；當(dāng)Δ1<Δ時，Pb為初始震相；當(dāng)Pn作為初始震相時，Pb在Pn與Pg之間。

當(dāng)Pb為初始震相時，其特征類似于Pn，周期大于Pg,振幅較弱且小于Pg；當(dāng)Pb為后續(xù)震相時，其波形大部分均為鋸齒狀，周期、振幅多數(shù)情況下均小于Pn、Pg與PmP，受傳播路徑影響有時振幅也會大于Pn。由馬鞍山臺網(wǎng)記錄的Pb震相波形可知，其較靠近Pn，遠(yuǎn)離Pg；隨著震中距的增大，Pb會遠(yuǎn)離Pn，與Pg相比，與Pn的到時差較小。

3 康拉德面反演

從馬鞍山臺網(wǎng)2014年1月至2021年1月記錄到的ML≥2.0地震事件中找到99個含有Pb震相的地震，識別出177條Pb震相。對提取的177個Pb震相應(yīng)用臺網(wǎng)分析軟件進(jìn)行“單純型定位”，得出震中距和發(fā)震時刻，通過到時計算出Pb震相走時，運(yùn)用走時和震中距擬合出Pb波速度,擬合直線的斜率為速度的倒數(shù)。第43頁圖6a為177個Pb震相擬合出的直線，斜率為0.145 1，Pb波速度為6.891 8 km/s?？梢钥闯觯袔讉€地震的走時并不在直線上或其附近，距離較遠(yuǎn)，表明該震相可能不是Pb震相或到時標(biāo)注錯誤，將其剔除。剔除后的震相有163個，圖6b為剔除后的擬合直線圖(*代表不同事件的到時)。可以看出，擬合較好，直線斜率為0.144 6，Pb波速度為6.915 6 km/s，與華南模型的Pb波速度6.88 km/s較接近。

圖6 Pb速度線性擬合圖

第43頁圖7為含有Pb震相的地震射線分布圖，可以看出，射線分布遍及安徽絕大部分地區(qū)、江蘇中南部及其東部近海和周邊省份少數(shù)地區(qū)。有射線通過的地方表明地下存在康拉德面，可以得出，馬鞍山及其周邊地區(qū)康拉德面發(fā)育較好。由于安徽、江蘇及周邊省份均是地震少發(fā)地區(qū)，且絕大部分都是MS3.0以下的小震，中強(qiáng)地震少；另外，皖北地區(qū)距離馬鞍山較遠(yuǎn)，一般ML≤2.0地震記錄不到，因此，馬鞍山臺網(wǎng)能清晰記錄的地震并不多。

圖7 Pb線段分布圖

由于康拉德面的平均深度大約在20 km，其深度范圍在10～40 km之間[6]，Pb波的走時方程為：

,

(2)

式中：t為Pb波走時；H為康拉德面深度；h為震源深度;V1為P波在上地殼的傳播速度；V2為P波在下地殼的傳播速度；Δ為震中距。設(shè)Pb震相的走時殘差為C=t理論-t實測，將康拉德面深度H以1 km為步長，從10 km依次增大到40 km，把Pb震相的實測震中距代入式(2)，可得出理論走時t理論，將其與實測走時t實測做差，得出走時殘差Ck為：

。

(3)

當(dāng)Ck取最小值時，對應(yīng)的H值即為所求的康拉德面埋深。通過計算得出，當(dāng)H=21 km時，殘差Ck最小，其值為0.057 531 1，此時康拉德面埋深平均為21 km，與華南模型上地殼深度為21 km一致；與謝石文等[17]算出的安徽地區(qū)最優(yōu)模型第1層的埋深19 km有一點差距，主要原因可能是謝石文等研究的是整個安徽地區(qū)，使用的數(shù)據(jù)及反演方法也不同，此處研究的是馬鞍山市及其周邊地區(qū)。用同樣的方法得到馬鞍山—肥東間康面埋深為17 km,馬鞍山—六安間康面埋深為18 km。

4 結(jié)論與討論

基于馬鞍山臺網(wǎng)2014年1月至2021年1月記錄的ML≥2.0地震事件，根據(jù)pb震相特征和理論識別技術(shù)提取出163條Pb震相，分析不同震中距的pb震相特征和出現(xiàn)規(guī)律，分別計算出每個震相的震中距和走時，采用最小二乘法擬合出Pb波的速度；通過計算163個Pb震相理論走時和實際走時的殘差，得出康拉德面的平均深度。

(1) Pb作為初始震相出現(xiàn)的最小震中距為72 km，波形特征與Pn相似，周期大，振幅小，似正弦形；作為續(xù)至震相，Pb還可能出現(xiàn)在Pg和P11之間，震中距約106～109 km,波形特征周期小、振幅小，呈鋸齒狀；Pb還可能出現(xiàn)在Pn與Pg之間，最小震中距為141 km,振幅和周期都小于Pn，少數(shù)情況下由于Pn與Pb振幅的疊加使其振幅大于Pn，波形呈鋸齒狀。

(2) 該區(qū)域Pb波速度為6.915 6 km/s，康拉德面平均深度為21 km。

(3) 目前，發(fā)現(xiàn)Pb在Pg和P11之間的震例較少，需持續(xù)關(guān)注。