利用前驅(qū)波研究地幔間斷面的若干進(jìn)展

靳炎錫,秦滿忠,2,李少華,2

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地球內(nèi)部間斷面的研究一直是地震學(xué)備受關(guān)注的科學(xué)問題[1]。了解在哪些深度存在間斷面以及間斷面的強弱、起伏形態(tài)和化學(xué)物理性質(zhì),對于建立客觀真實的地球模型及地幔對流形式的確定都具有重要的意義[2]。目前已知全球普遍存在410-km和660-km速度間斷面,對上地幔中這兩種速度間斷面的起伏形態(tài)、速度躍變的研究為地幔物理化學(xué)成分、溫度和合理的對流模型提供了重要的約束,研究表明間斷面與地幔物質(zhì)中橄欖石的多態(tài)相變有關(guān),這些間斷面的深度可能隨地幔溫度的橫向變化而變化[3]。

近年來,全球大量的地震學(xué)觀測使得地球上地幔的結(jié)構(gòu)變得更為清晰。地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上地幔具有層狀結(jié)構(gòu),上地幔的地震波速梯度陡峭,同時地震波速度和密度存在不連續(xù)的變化,即地幔間斷面。在地球科學(xué)界,普遍認(rèn)為全球在上地幔410 km和660 km深度處存在速度間斷面,在此深度處發(fā)生的變化主要涉及化學(xué)相變。礦物物理學(xué)解釋表明,410-km間斷面認(rèn)為是α相橄欖石向β相橄欖石轉(zhuǎn)變的結(jié)果,并且由熱力學(xué)研究得出,410-km間斷面的相變具有正的克拉珀龍斜率(即dP/dT),約為+2.5～+4.0 MPa/K[4-6],溫度較冷處,如冷的俯沖板塊會使410-km間斷面抬升,而在溫度較高的地區(qū),如洋中脊和地幔柱熱點區(qū)域會使410-km間斷面下沉[7]。而660-km間斷面表現(xiàn)為γ相尖晶石分解成鈣鈦礦和鎂鋁榴輝石[8-9],其間斷面的相變具有負(fù)的克拉珀龍斜率,約為-4.0～-0.5 MPa/K,冷的俯沖板塊會使660-km間斷面出現(xiàn)下沉[10],而洋中脊和地幔柱熱點區(qū)域會使660-km間斷面抬升。

多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的410-km間斷面有局部抬升和660-km間斷面的下沉[11-14]。Tibi等[14]研究了湯加俯沖帶410-km和660-km間斷面的起伏特征,發(fā)現(xiàn)410-km間斷面的起伏特征較為復(fù)雜,不能僅用橄欖石的相變來解釋,而660-km間斷面具有雙重下沉的特征,可能與該地區(qū)復(fù)雜的地震活動有關(guān)。Flanagan等[15]在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)660-km間斷面的下沉與該地區(qū)的俯沖帶有關(guān),而410-km間斷面沒有明顯的深度變化。

除了上地幔存在410-km和660-km間斷面以外,一些學(xué)者在上地幔220～250 km、300 km等深度也發(fā)現(xiàn)了速度間斷面[16-17],300-km間斷面表現(xiàn)為柯石英石轉(zhuǎn)換為斯石英石[18],也有學(xué)者認(rèn)為此間斷面是斜方輝石轉(zhuǎn)換為單斜輝石形成的[19]。地震學(xué)家也成功地在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了上地幔520 km深度處的間斷面[20-22],520-km間斷面表現(xiàn)為β相尖晶石轉(zhuǎn)換為γ相尖晶石[15]。更有學(xué)者在一些地區(qū)下地幔800～900 km和1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km深度也觀測到了間斷面的存在[23-26]。

由于前驅(qū)波震相在參考震相之前到達(dá),可以避免其他震相的干擾,通過疊加大量觀測波形數(shù)據(jù)可以有效提取前驅(qū)波震相。許多地震學(xué)家利用SS震相的前驅(qū)波[27-34]、PP前驅(qū)波[35-40]、sP和pP震相的前驅(qū)波[41-46]、PKPPKP(P′P′)震相的前驅(qū)波[47-50]開展了全球地幔間斷面的研究工作,并對地幔間斷面的起伏形態(tài)特征做了詳細(xì)合理的解釋。本文收集整理了近些年來地震學(xué)者利用前驅(qū)波(S410S、S660S、P410P、P660P,sMP、pMP、s410P、p410P,PKP410PKP、PKP660PKP等)研究地幔間斷面的研究成果,并對不同參考震相[長周期反射震相SS或PP、深震震相sP、pP和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)等]前驅(qū)波的特征、優(yōu)缺點及地幔間斷面的相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

1 不同反射震相的前驅(qū)波研究

在研究地震波的傳播過程時,發(fā)現(xiàn)地震波在傳播時遇到不同深度的間斷面會發(fā)生反射或者轉(zhuǎn)換,從而產(chǎn)生不同的反射波或轉(zhuǎn)換波。比如SS、PP、sP、pP、PKPPKP等震相在410-km和660-km間斷面底部會產(chǎn)生S410S、S660S、P410P、P660P、s410P、p410P、PKP410PKP、PKP660PKP等反射或轉(zhuǎn)換震相[15,42,51],這些產(chǎn)生的新震相在參考震相之前到達(dá),因此叫做前驅(qū)波。通常來說,前驅(qū)波震相普遍較弱,振幅或能量很小,如pP震相的前驅(qū)波振幅不到pP震相的5%,SS震相的前驅(qū)波振幅僅為SS震相振幅的2%～5%,因此可以通過疊加多條地震觀測波形數(shù)據(jù)有效壓制噪聲,來達(dá)到清楚識別前驅(qū)波震相的目的,從而可以利用前驅(qū)波與參考震相的到時差來研究上地幔間斷面的起伏特征[52-54]。

1.1 SS和PP前驅(qū)波研究

SS震相是S波在地表發(fā)生一次反射并繼續(xù)以S波傳播到觀測臺站的震相。SS前驅(qū)波(SdS,其中d表示間斷面的深度)與SS震相具有相似的傳播路徑,其反射點在震源與觀測臺站之間地球內(nèi)部間斷面(如410-km、660-km等)的底部,由于前驅(qū)波傳播路徑較短,故早于參考震相SS到達(dá)觀測臺站(圖1),PP震相及其前驅(qū)波PdP也有相似的射線傳播路徑。

SS和PP前驅(qū)波是目前唯一在海洋和大陸區(qū)域都有顯著覆蓋的體波震相,具有長周期的性質(zhì),且對弱的間斷面敏感,因此常用來探究1 200 km以上地幔間斷面的存在及特征。而且SS和PP前驅(qū)波走時與振幅對SS和PP反射點下方的結(jié)構(gòu)敏感,研究區(qū)域不受地震與臺站分布的局限,大大提高了對海洋等臺站分布稀疏地區(qū)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識[7,55]。

圖1 SS震相及其前驅(qū)波SdS、PP震相及其前驅(qū)波PdP射線傳播路徑示意圖[其中星號代表震源位置,三角形代表接收臺站位置,藍(lán)色實線和藍(lán)色虛線分別為SS震相及其前驅(qū)波SdS射線傳播路徑,紅色實線和紅色虛線分別為PP震相及其前驅(qū)波PdP射線傳播路徑,d表示間斷面深度(如410 km、660 km等),0°、60°、120°、180°代表震中距,震源深度為30 km]Fig.1 Ray propagation paths of SS phase and its precursor wave SdS, and PP phase and its precursor wave PdP

Deuss等[31]使用SS前驅(qū)波(SdS)發(fā)現(xiàn)在海洋和大陸下方都存在Lehmann間斷面(220-km),并且在約260 km和310 km深度都觀測到較弱的間斷面。Rost等[36]采用短周期(1 Hz)臺陣數(shù)據(jù),利用PP的前驅(qū)波(PdP)研究了西北太平洋地區(qū)上地幔200-km間斷面,并發(fā)現(xiàn)該間斷面起伏變化明顯。Shearer等[56]利用PP前驅(qū)波在全球尺度觀測到了410-km間斷面,并發(fā)現(xiàn)410-km間斷面存在約30 km的起伏。An等[57]利用SS前驅(qū)波探測了太平洋東北部和加拿大西北部下方的間斷面,發(fā)現(xiàn)250～330 km、520 km、900～1 200 km深度范圍內(nèi)都存在一些較弱的反射體。Tian等[22]疊加了大量的SS前驅(qū)波數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)520-km間斷面是一個弱的全球性間斷面,而560-km間斷面只出現(xiàn)在特定的區(qū)域。Houser[33]利用SS的前驅(qū)波(S410S、S660S)發(fā)現(xiàn)410-km間斷面起伏與過渡帶內(nèi)的速度無關(guān),而660-km間斷面起伏變化與過渡帶內(nèi)的波速變化相關(guān)。Deuss[7]利用SS和PP的前驅(qū)波研究了上地幔不同深度的速度間斷面,發(fā)現(xiàn)410-km間斷面的結(jié)構(gòu)相對簡單,520-km間斷面顯示出復(fù)雜的結(jié)構(gòu),而660-km間斷面在地震學(xué)和礦物物理學(xué)上都有更為復(fù)雜的特征,需要用橄欖石和石榴石的相變相結(jié)合來解釋其結(jié)構(gòu)。肖勇等[58]通過SS前驅(qū)波震相研究,發(fā)現(xiàn)阿留申—阿拉斯加俯沖帶西部410-km間斷面深度接近于全球平均值,而660-km間斷面出現(xiàn)明顯下沉,導(dǎo)致地幔過渡帶明顯加厚。

1.2 sP和pP等深震震相前驅(qū)波研究

sP是上行的S波到近地球表面發(fā)生反射并轉(zhuǎn)換成P波后到達(dá)觀測臺站的震相,pP是上行的P波到近地球表面發(fā)生反射到達(dá)觀測臺站的震相。其反射點在近源區(qū)速度間斷面(如Moho、LAB、410-km、660-km等)底部,在一些狹長且深源地震分布密集的俯沖帶(如湯加—斐濟(jì)俯沖帶、馬里亞納俯沖帶等)利用pP、sP等深震震相的前驅(qū)波(sdP、pdP等,d為間斷面深度)來確定狹窄俯沖帶間斷面的橫向變化具有很大的優(yōu)勢。這些近源前驅(qū)波震相(sdP、pdP等)具有較小的菲涅爾區(qū),有利于對反射波和轉(zhuǎn)換波的識別,提高地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分辨率,因此可以更好地研究上地幔的間斷面結(jié)構(gòu)[52-53]。深源地震可以避免產(chǎn)生多次波和噪聲對研究震相的干擾,可以通過疊加大量地震觀測數(shù)據(jù)有效提取前驅(qū)波信號,進(jìn)而得到前驅(qū)波與參考震相的到時差,計算轉(zhuǎn)換點處的間斷面深度。通常使用N次根疊加方法[54,59]、PWD相位加權(quán)疊加法[60-61]來有效提取前驅(qū)波信號。

Schenk等[62]利用莫霍面反射的pP震相前驅(qū)波pMP,通過反射率方法計算了理論地震圖并與觀測波形進(jìn)行比較,得到地殼厚度和莫霍面的P波速度變化。并利用此方法對朝鮮北部地殼進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),從北到南約300 km,地殼厚度從27 km增加到32 km,同時莫霍面的速度變化量從1.3 km/s減少到0.9 km/s。Zheng等[63]利用pP、sP、sS在Moho反射的前驅(qū)波pMP、sMP和sMS研究了鄂霍次克海的地殼和上地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)鄂霍次克海大部分地區(qū)地殼厚度為19～25 km,并發(fā)現(xiàn)其下方上地幔頂部的vP/vS值在1.6～1.7之間,可能是由于地?？紫读黧w的存在和二氧化硅的富集造成了低vP/vS值的現(xiàn)象。Jia[64]等利用琉球弧大量的中深源地震,使用Moho底界面和殼內(nèi)界面反射的sP和pP前驅(qū)波研究了琉球弧下方地殼結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)沿著琉球弧Moho深度變化范圍為22～27 km,表明大陸地殼較薄,而在沖繩海槽之下地殼厚度從26 km向南逐漸減小到了15 km。崔清輝[46]利用sP震相與其在LAB底界面反射的前驅(qū)波sLABP走時差計算出反射點深度,發(fā)現(xiàn)南美中部地區(qū)從西到東LAB深度從60～63 km增加到了78～82 km,可能跟大陸巖石圈被改造的差異程度有關(guān)。

Gilbert等[65]利用pP前驅(qū)波研究了湯加—斐濟(jì)俯沖帶附近上地幔的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面在湯加俯沖板塊附近上升了30 km,660-km間斷面下降了20～30 km。Vidale等[66]利用pP震相及其前驅(qū)波對南美洲、湯加地區(qū)、小笠原地區(qū)和馬里亞納下方地幔結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)了410-km間斷面的局部抬升和660-km間斷面的局部下沉。Flanagan等[42]通過sS、sP和pP深震震相的前驅(qū)波研究觀測到湯加地區(qū)下方410-km間斷面橫向變化為33 km,并在410-km間斷面上方觀測到其他反射體的存在。蔣志勇等[2]利用前驅(qū)波sdP、pdP和轉(zhuǎn)換波SdP研究了鄂霍次克海下方的地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了410-km和660-km間斷面分別存在抬升和下沉現(xiàn)象,在鄂霍次克海北部俯沖板片穿透660-km間斷面并進(jìn)入下地幔,而在其南部俯沖板片停滯在660-km間斷面的上方。

圖2 sP及其前驅(qū)波s410P射線路徑示意圖(五角星代表震源位置,實線和虛線分別表示P波和S波。前驅(qū)波s410P為上行的S波在410-km間斷面底部反射并轉(zhuǎn)換的P波)Fig.2 Ray propagation paths of sP phase and its precursor wave s410P

1.3 PKPPKP(P′P′)前驅(qū)波的研究

PKPPKP震相又稱為P′P′波,是P波穿過地球外核到達(dá)地表經(jīng)過反射后再穿過地球外核最終到達(dá)觀測臺站的震相。Engdahl等[51]從多個地震事件波形中觀測到P′P′之前約150 s 處存在一個未知震相,將該震相解釋為650 km深度處間斷面的前驅(qū)波。與SS、PP、sP及pP等震相不同的是,P′P′波穿過地球外核,傳播路徑近似垂直,P′P′前驅(qū)波(PKPdPKP,d為間斷面的深度)只有在接近焦散點附近較小的震中距范圍(60°～75°)內(nèi)能夠被較好地觀測到[67]。P′P′前驅(qū)波攜帶有大量的高頻能量,同時射線入射方向近似垂直(圖3),這使得P′P′前驅(qū)波具有對間斷面結(jié)構(gòu)尤其是小尺度結(jié)構(gòu)非常敏感的特性,可用于研究間斷面是否尖銳等問題。Benz等[48]和Xu等[68]利用P′P′的前驅(qū)波P′410P′和P′660P′推斷印度洋、大西洋及南極洲地區(qū)下方410-km是一個漸變的間斷面(局部可能較為尖銳),而660-km是一個相對尖銳的間斷面,因此,P′410P′的振幅普遍弱于P′660P′,而且具有明顯的橫向差異,以至于 P′410P′只有在局部地區(qū)被觀測到。

圖3 PKPPKP及其前驅(qū)波PKPdPKP射線路徑示意圖[其中星號代表震源位置,三角形代表接收臺站位置,紅色實線和紅色虛線分別為PKPPKP震相及其前驅(qū)波PKPdPKP的射線傳播路徑,d表示間斷面的深度(如410 km、660 km等),0°、70°代表震中距,震源深度為30 km]Fig.3 Ray propagation paths of PKPPKP phase and its precursor wave PKPdPKP

Whitcomb等[47]利用P′P′前驅(qū)波觀測到了地幔中不同深度(280 km、410 km、520 km、630 km、940 km及1 250 km等)的間斷面。Adams[67]利用P′P′前驅(qū)波研究了南極洲東部地區(qū)下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)420 km和650 km深度處都存在明顯的反射體。Nakanishi[69]利用P′P′前驅(qū)波發(fā)現(xiàn)在靠近大西洋中脊地區(qū)下方660 km深處存在著一個尖銳的間斷面。Xu等[70]利用P′P′的前驅(qū)波研究了非洲南部下方的上地幔間斷面,并發(fā)現(xiàn)了明顯的410-km間斷面和660-km間斷面。Wu等[50]使用P′P′前驅(qū)波研究表明玻利維亞地區(qū)下方410-km間斷面比較平坦,而660-km間斷面存在小尺度的起伏,這一結(jié)果支持地?；旌蠈α髂Ｐ?。Schultz等[71]對P′P′前驅(qū)波發(fā)展了一種基于反卷積、疊加、Radon變換和深度遷移的新型處理方法,并用此方法研究了納斯卡南美俯沖帶下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面與橄欖石和石榴石的相變有關(guān),而660-km間斷面存在下沉。

2 利用其他震相對地幔間斷面的研究

除了本文提到的SS、PP、sP、pP、PKPPKP(P′P′)等震相的前驅(qū)波,還有一些學(xué)者利用其他震相與不同的方法對地幔間斷面進(jìn)行了研究,包括SdP轉(zhuǎn)換波、核幔界面反射震相(ScS和ScP)、三重震相及接收函數(shù)等。

2.1 SdP轉(zhuǎn)換波

SdP轉(zhuǎn)換波是下行的S波在近源區(qū)地幔間斷面處(d為間斷面深度)轉(zhuǎn)換成下行的P波,震源與地幔間斷面之間距離較短,可用于研究震源下方地幔間斷面的起伏特征(圖4)。Chen等[17]使用N次根疊加方法提取SdP轉(zhuǎn)換波并對湯加地區(qū)地幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示在230 km存在一個平坦的速度間斷面,這表明湯加地區(qū)下方的Lehmann間斷面有逐漸下沉趨勢且沒有明顯的起伏波動。謝彩霞等[16]利用SdP轉(zhuǎn)換波發(fā)現(xiàn)在湯加地區(qū)300 km左右存在一個明顯的速度間斷面,且該間斷面的起伏程度強于410-km間斷面。Cui等[72]利用寬頻帶地震計觀測到的SdP轉(zhuǎn)換波研究了興都庫什—帕米爾地區(qū)下方的410-km間斷面,發(fā)現(xiàn)在興都庫什下方410-km間斷面平均深度為375 km,在帕米爾下方410-km間斷面平均深度為395 km,與IASP91模型相比,該地區(qū)410-km間斷面的隆起幅度更大,并認(rèn)為410-km間斷面的隆起可能是由于冷俯沖板片的下穿引起的。Richards等[41]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究了湯加—斐濟(jì)俯沖帶下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)湯加北部下方660-km間斷面的深度在660～680 km之間,湯加南部下方660-km間斷面的深度在660～700 km之間。Zhou等[44]利用下行轉(zhuǎn)換波SdP研究了Izu—Bonin地區(qū)下方660-km間斷面的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)北部地區(qū)670 km、710 km和730 km深度有三個明顯的間斷面,南部地區(qū)下方只有700 km和740 km兩個深度存在間斷面。Li等[73]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究了我國東北地區(qū)俯沖帶對660-km間斷面的影響,俯沖帶的下邊界與660-km間斷面相連。從研究區(qū)域向西,660-km間斷面受冷的俯沖帶的影響逐漸加深,研究區(qū)東部660-km間斷面較為平緩,沒有表現(xiàn)出受俯沖帶的明顯影響。Kawakatsu等[23]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究發(fā)現(xiàn)湯加俯沖帶下方920 km處存在間斷面,在日本和弗洛雷斯海的俯沖帶下方同樣存在明顯間斷面,研究認(rèn)為920-km間斷面是一個化學(xué)界面,而660-km間斷面是一個相變界面。

圖4 轉(zhuǎn)換波S410P射線路徑示意圖(五角星代表震源位置,實線和虛線分別表示P波和S波。轉(zhuǎn)換波S410P為下行的S波在410-km間斷面轉(zhuǎn)換的P波)Fig.4 Ray propagation path of the converted wave S410P

2.2 核幔界面反射震相(ScS和ScP)

ScS和ScP 震相都是核幔界面反射震相(圖5)。其中ScS震相是S波在核幔界面發(fā)生反射產(chǎn)生的震相,ScSScS(ScS2)震相是ScS震相再次在核幔界面發(fā)生反射產(chǎn)生的震相。ScP震相是S波在核幔界面發(fā)生反射并轉(zhuǎn)換成的P波,利用ScS及ScP震相可以研究下地幔間斷面及核幔邊界速度結(jié)構(gòu)。Revenaug等[74]利用ScS 震相多次反射波在日本海、黃海和亞洲最東部下方探測到410-km間斷面頂部低速層的存在。Courtier等[75]利用ScS震相研究了塔斯曼海和珊瑚海(Tasman and Coral Seas)下方的地幔結(jié)構(gòu),并在410-km間斷面上方觀測到低速層的存在,其平均深度為352 km。Kato等[76]利用ScS震相研究了日本下方的地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)660-km間斷面下沉了約10 km,而410-km間斷面沒有明顯變化。Wang等[77]利用ScS震相研究了日本海及其鄰近地區(qū)下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)660-km間斷面下沉了10～20 km,這種下沉可能是太平洋俯沖板片造成的。Roth等[78]通過ScS震相發(fā)現(xiàn)了湯加俯沖帶下方西部地區(qū)660-km間斷面下沉了約30 km。Li等[79]利用ScS震相在太平洋大型低速區(qū)(LLVP)的北緣發(fā)現(xiàn)了一個巨型超低速帶(ULVZ)。

Castle等[25]通過對ScP震相在阿拉斯加地區(qū)和墨西哥灣下方1 800 km到核幔邊界(CMB)之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的速度間斷面。Rost等[80]利用ScP震相研究了在湯加—斐濟(jì)和澳大利亞之間的CMB的結(jié)構(gòu),表明CMB上方存在一個超低速帶(ULVZ),其厚度約5～20 km。Garnero等[81]利用ScP震相研究了西南太平洋下方地幔底部的結(jié)構(gòu),證實有ULVZ的存在。Persh等[82]利用加利福尼亞州北部和南部地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)未提取到與ULVZ相關(guān)的前驅(qū)波信號,在前驅(qū)波應(yīng)該出現(xiàn)的時間窗內(nèi),發(fā)現(xiàn)核幔邊界(CMB)的反射震相(PcP和ScP)疊加振幅比前人所提出的ULVZ模型預(yù)測的振幅低。

圖5 ScS、ScS2、ScP、PcP震相傳播路徑示意圖(黑色虛線代表ScS及ScS2震相,紅色虛線及實線代表ScP震相,藍(lán)色實線代表PcP震相)Fig.5 Ray propagation paths of ScS,ScS2,ScP, and PcP phases

2.3 三重震相

地震波經(jīng)過不同速度間斷面時由于速度跳變在某些震中距會產(chǎn)生“三重震相”(圖6),三重震相分別對應(yīng)間斷面之上的直達(dá)波(AB)、 間斷面處的廣角反射波(BC)和穿透到間斷面之下的折射波(CD),其到時差和振幅比對間斷面附近的速度結(jié)構(gòu)敏感,因此,利用P波和S波的三重震相可以研究不同地區(qū)地幔過渡帶的速度結(jié)構(gòu)[83]。李國輝等[84]基于P波三重震相研究了揚子克拉通地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面上方存在低速層,并對其成因進(jìn)行了分析討論。崔輝輝等[83]研究了華北克拉通東部660-km間斷面附近的P波速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)華北克拉通東部660-km間斷面下沉約15～20 km。呂苗苗等[85]利用P 波三重震相對華南地區(qū)上地幔間斷面進(jìn)行了研究,得出660-km間斷面下沉約11 km,可能與后尖晶石相變的克拉珀龍斜率為負(fù)有關(guān)的結(jié)論。王秀姣等[86]研究了西北太平洋俯沖地區(qū)410-km間斷面,研究結(jié)果表明410-km 間斷面上方存在厚約(47±14) km,異常值約2%的低速層,橫向展布近700 km。李嘉琪等[87]對千島俯沖板塊內(nèi)部及附近410-km間斷面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性反演,研究結(jié)果表明410-km間斷面在研究區(qū)域有著不同程度的抬升(10～70 km),但俯沖帶內(nèi)部似乎不存在大量的亞穩(wěn)態(tài)橄欖石。Li等[88]研究了千島地區(qū)410-km間斷面及俯沖板塊的結(jié)構(gòu),得到了410-km間斷面的深度為(420±15) km,在410-km間斷面下方50～70 km的深度為俯沖板塊上界面的結(jié)論。

圖6 P波三重震相傳播路徑示意圖(AB、BC、CD分別代表直達(dá)波、反射波和折射波)Fig.6 Ray propagation paths of the P-wave triplications

2.4 接收函數(shù)方法

接收函數(shù)方法主要基于遠(yuǎn)震P波或S波近似垂直入射的特點,利用其在臺站下方間斷面處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波(Ps、 Sp 等)研究臺站下方地殼和上地幔間斷面(Moho、LAB、410-km、660-km等)的速度結(jié)構(gòu)(圖7)。Heit等[89]利用S波的接收函數(shù)方法研究發(fā)現(xiàn)南美地區(qū)LAB深度約為50～160 km,而Moho從大陸海岸下方的18 km逐漸變深到安第斯地區(qū)下方的80 km。Vinnik等[90]利用P和S波接收函數(shù)方法發(fā)現(xiàn)芬蘭地區(qū)LAB深度在160 km。薛光琦等[91]利用S波接收函數(shù)方法研究了青藏高原西部下方上地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)位于塔里木巖石圈和青藏高原巖石圈匯聚處下方200 km深度存在S波低速異常。Zhu等[92]用P-S轉(zhuǎn)換震相接收函數(shù)反演得出南加州地區(qū)Moho深度為21～37 km。Li等[93]用P-S轉(zhuǎn)換震相接收函數(shù)研究了北美克拉通區(qū)域東緣的地幔間斷面,清楚地觀測到了270～280 km深度的間斷面。吳慶舉等[94]利用遠(yuǎn)震體波偏移疊加方法,研究發(fā)現(xiàn)在西藏南部下方存在一個傾斜界面,自100 km深度由南向北俯沖到410-km間斷面附近,說明印度—歐亞板塊在碰撞時地殼(上巖石圈)與上地幔巖石圈拆離后向更深的亞歐上地幔俯沖。Ai等[12]采用P波接收函數(shù)對中國東北地區(qū)660-km間斷面進(jìn)行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)660-km間斷面在128.0°～130.5°E、40.0°～44.0°N區(qū)域內(nèi)下沉,并在周圍地區(qū)呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài),推測可能是由于上地幔和俯沖板塊之間的相互作用導(dǎo)致了這種現(xiàn)象。Cui等[95]在天山地區(qū)使用P波接收函數(shù),發(fā)現(xiàn)在造山過程中地殼存在不同程度的增厚現(xiàn)象,認(rèn)為熱地幔物質(zhì)上涌使得殼內(nèi)發(fā)生部分熔化從而導(dǎo)致了地殼的增厚。

圖7 P波接收函數(shù)射線傳播路徑示意圖Fig.7 Ray propagation path of the P-wave receiver function

3 總結(jié)與展望

隨著全球地震觀測數(shù)據(jù)的極大豐富,地震學(xué)家利用不同震相[長周期反射震相SS或PP、深震震相sP、pP和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)等]的前驅(qū)波、SdP轉(zhuǎn)換波、核幔界面反射震相(ScS和ScP)及三重震相及接收函數(shù)等方法全面研究了全球上地幔間斷面結(jié)構(gòu)。由于前驅(qū)波震相在參考震相之前到達(dá),可以避免其他震相的干擾,通過疊加大量觀測波形數(shù)據(jù)可以有效提取前驅(qū)波震相,是研究全球地幔間斷面結(jié)構(gòu)的重要手段。本文闡述了不同震相前驅(qū)波(S410S、S660S、P410P、P660P,sMP、pMP、s410P、p410P,PKP410PKP、PKP660PKP等)的研究成果,并對不同震相前驅(qū)波的特征進(jìn)行歸納總結(jié):

(1) SS和PP具有長周期震相特征,其反射點在震源和接收臺站位置的中心點附近,SS和PP前驅(qū)波走時與振幅對SS和PP反射點下方的結(jié)構(gòu)敏感,受地震和臺站的空間分布局限性較小,可以提高海洋等臺站分布稀疏地區(qū)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。SS和PP前驅(qū)波的振幅還可以約束間斷面(410-km、660-km)兩側(cè)的速度、密度比值。SS前驅(qū)波研究適用于震中距110°～170°之間(在這個范圍內(nèi)受其他震相干擾較少),且對弱間斷面很敏感,因此常用來研究1 200 km以上地幔間斷面的結(jié)構(gòu)特征,但其前驅(qū)波橫向分辨率較低。PP前驅(qū)波的觀測較為困難,其受到其他震相的干擾較為嚴(yán)重,故而較難觀測到P410P、P660P等前驅(qū)波 。

(2) sP和pP是遠(yuǎn)震深震震相,其反射點在近源區(qū)速度間斷面(如Moho、LAB、410-km及660-km等)底部,其前驅(qū)波具有較小的菲涅爾區(qū),對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分辨率較高。sP和pP前驅(qū)波研究一般適用于震中距在70°～95°之間的中、深源遠(yuǎn)震(此范圍內(nèi)其前驅(qū)波能被更好地提取),在狹窄俯沖帶(如湯加—斐濟(jì)俯沖帶、馬里亞納俯沖帶等)間斷面的橫向變化研究具有很大的優(yōu)勢。

(3) PKPPKP(P'P')震相具有高頻(可達(dá)1 Hz)特征，同時射線入射方向近似垂直，有近乎對稱的菲涅爾區(qū)，橫向分辨率大，對間斷面結(jié)構(gòu)和小尺度結(jié)構(gòu)非常敏感。P′P′波穿過地球外核,傳播路徑近似垂直,其前驅(qū)波只有在接近焦散點附近較小的震中距范圍(60°～75°)內(nèi)能夠被較好地觀測到,可對間斷面的精細(xì)特征進(jìn)行分析,如判斷間斷面是否尖銳等。但在對地幔間斷面的多數(shù)研究中,P′410P′的振幅普遍弱于P′660P′,而且具有明顯的橫向差異,P′660P′比P′410P′更能清晰地被識別,在局部地區(qū)才能觀測到P′410P′。

地震學(xué)者們通常認(rèn)為410-km間斷面的形成是由橄欖石(Olivine)α相到β相的相變造成,660-km間斷面是γ相橄欖石(Ringwoodite)到鈣鈦礦(Perovskite)和鎂方鐵礦(Magnesio-Wustite)的相變造成的。410-km和660-km間斷面的起伏并非僅如巖石實驗預(yù)測結(jié)果呈現(xiàn)單一相關(guān)性,可能與溫度及化學(xué)物質(zhì)成分都有關(guān),410-km的起伏主要成因為相變,而660-km界面則不完全是相變面,還有一部分區(qū)域是化學(xué)變化,并且由于俯沖帶的存在會引起溫度和物質(zhì)變化,從而影響地幔間斷面。地震學(xué)者們在不同地區(qū)的不同深度(220～250 km、300～350 km、520 km,560 km、800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km和2 400 km)發(fā)現(xiàn)了地幔間斷面。

盡管許多地震學(xué)者們對地幔間斷面的研究取得了長足進(jìn)展,但對特殊區(qū)域(如狹窄的俯沖帶、海洋區(qū)域和觀測臺站分布稀疏區(qū)域等)地幔間斷面精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果還存在一定分歧。因此,隨著地震觀測數(shù)據(jù)的不斷積累,技術(shù)方法的不斷創(chuàng)新,綜合研究區(qū)域不同深度的速度間斷面、地震分布和觀測臺站的位置等信息,結(jié)合不同震相前驅(qū)波、反射波和轉(zhuǎn)換波特征研究地幔間斷面精細(xì)結(jié)構(gòu),探討地幔間斷面結(jié)構(gòu)與溫度、水含量、礦物相變及俯沖板塊的影響等因素,并與礦物物理學(xué)、地球動力學(xué)和地球化學(xué)等學(xué)科開展交叉融合研究,對于正確理解地球內(nèi)部溫度分布特征和化學(xué)結(jié)構(gòu),確定地幔間斷面成因及地幔對流模式等地球動力學(xué)問題具有重要的意義。