秦滿忠 張?jiān)?劉旭宙 李順成

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

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利用甘肅地震臺(tái)網(wǎng)記錄的sP前驅(qū)波研究湯加—斐濟(jì)俯沖帶“410”間斷面深度

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

本文首先利用甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣記錄的湯加—斐濟(jì)俯沖帶深震震相sP， 使用傾斜疊加方法有效提取sP在近源區(qū)“410”速度間斷面底界面反射的弱前驅(qū)波s410P； 其次基于CRUST1.0修正的IASP91模型， 通過(guò)震相sP與其前驅(qū)波s410P的到時(shí)差對(duì)比， 給出了湯加—斐濟(jì)俯沖帶“410”速度間斷面底部反射點(diǎn)的深度約為398.5 km， 抬升約11.5 km， 這與俯沖帶與近源區(qū)“410”間斷面的相互作用有關(guān)； 最后得到了該區(qū)域新的地震波速度模型IASP91_Tonga. 本文結(jié)果將對(duì)更好地認(rèn)識(shí)該俯沖帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、 正確理解地球深部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要的參考價(jià)值．

sP震相 前驅(qū)波s410P 間斷面 俯沖帶 甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng) 甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣

引言

地震波(P， S， pP， sP等)在傳播過(guò)程中， 遇到間斷面會(huì)發(fā)生反射或轉(zhuǎn)換， 所產(chǎn)生的新震相(P410P， P660P， S410S， S660S， S410P， S660P， s410P等)為間斷面(“410”， “660”等)的深入研究提供了地震學(xué)基礎(chǔ)(Flanagan， Shearer， 1998a； Deuss， 2009； Schmerr， Thomas， 2011)． 這些前驅(qū)震相在單條記錄中的能量(幅度)往往很弱， 常淹沒(méi)于噪聲之中； 但是通過(guò)疊加大量的觀測(cè)波形數(shù)據(jù)， 則可以壓制噪聲， 更加有效地提取與間斷面相關(guān)的有用信號(hào)(Rost， Thomas， 2002； 臧紹先， 周元澤， 2002)．

很多研究者利用下行的轉(zhuǎn)換震相在間斷面的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度確定該間斷面的深度． 例如： Richards和Wicks(1990)使用SdP轉(zhuǎn)換波, 利用非線性疊加方法對(duì)湯加地區(qū)下方的“670”間斷面的深度和性質(zhì)進(jìn)行了深入研究； 謝彩霞等(2012)利用4次根傾斜疊加方法有效提取了離源下行的SdP次生轉(zhuǎn)換震相， 進(jìn)一步確認(rèn)了湯加—斐濟(jì)下方300 km附近速度間斷面的存在； Li等(2008)通過(guò)疊加S--P轉(zhuǎn)換波， 計(jì)算了中國(guó)東北地區(qū)“660”間斷面的深度， 并探討了俯沖帶對(duì)“660”間斷面的影響．

發(fā)生在俯沖帶中的深震會(huì)在近源區(qū)速度間斷面產(chǎn)生反射震相(p410P， s410P等)和轉(zhuǎn)換震相(S410P， S660P等)(Flanagan， Shearer， 1998b)． 長(zhǎng)周期震相(PP， SS)前驅(qū)波方法對(duì)狹窄俯沖帶間斷面的橫向分辨具有很大局限性(Flanagan， Shearer， 1998a； Schmerr， Thomas， 2011)． 接收函數(shù)方法是研究地球內(nèi)部間斷面的一種有效方法， 可以通過(guò)P波與其上行轉(zhuǎn)換波Pds的到時(shí)差來(lái)確定間斷面的深度(Langston， 1979)， 但其主要適用于三分量地震臺(tái)站下方殼、 幔間斷面的研究．

在深源地震(震源深度h>300 km)分布密集的俯沖帶(如湯加—斐濟(jì)俯沖帶)， 使用深震震相sP在近源區(qū)速度間斷面底界面反射的震相s410P確定狹窄俯沖帶間斷面的橫向變化具有很大的優(yōu)勢(shì)． 本文將通過(guò)傾斜疊加大量的觀測(cè)波形數(shù)據(jù)， 有效提取sP在近源區(qū)“410”速度間斷面底界面反射的弱前驅(qū)波s410P， 利用sP震相與其前驅(qū)波s410P震相的到時(shí)差計(jì)算湯加—斐濟(jì)俯沖帶“410”速度間斷面的深度．

1 臺(tái)網(wǎng)資料

甘肅地震臺(tái)網(wǎng)由甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣構(gòu)成， 二者均處于青藏高原東北緣． 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)， 目前擁有包括鄰省(寧夏、 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)陣是中國(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)間距約為10 km(圖1)． 所有臺(tái)站均使用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)． 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)提供了寶貴資料(秦滿忠等， 2015)．

圖1 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

本文選取了甘肅數(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2011年9月15日發(fā)生在湯加—斐濟(jì)俯沖帶(21.61°S， 179.53°W，h=644 km，mB=7.3)的深遠(yuǎn)地震數(shù)字觀測(cè)波形數(shù)據(jù)， 定位結(jié)果參考了USGS(2011)地震目錄．

2 數(shù)據(jù)處理

深震震相sP與其前驅(qū)波s410P在地幔中的傳播路徑基本相同． sP是上行的S波在震中附近地表反射轉(zhuǎn)換的P波； s410P是上行的S波在震中附近“410”間斷面底界面反射轉(zhuǎn)換的P波(圖2)， 該震相在初至震相P與sP之間到達(dá)(圖3)．

圖2 射線(sP， s410P和P)傳播示意圖Fig.2 Ray paths of sP， s410P and P

首先對(duì)所選取的湯加—斐濟(jì)深遠(yuǎn)地震觀測(cè)波形數(shù)據(jù)作重采樣、 去傾斜、 去均值處理;然后作帶通濾波處理(0.1—0.01 Hz)， 同時(shí)去掉記錄畸形、 信噪比差的觀測(cè)波形； 最終選取了甘肅數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和甘東南野外觀測(cè)流動(dòng)臺(tái)陣共同記錄到的170條垂直分量觀測(cè)波形數(shù)據(jù)． 如圖3所示， 湯加—斐濟(jì)深遠(yuǎn)震在臺(tái)網(wǎng)記錄中的震中距為88°—102°．

圖3 甘肅地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的2011年9月15日發(fā)生在湯加—斐濟(jì)俯沖帶的深遠(yuǎn)地震的數(shù)字觀測(cè)波形sMohoP， sLABP和s410P震相分別表示sP在近源區(qū)莫霍面， 巖石圈和“410”的前驅(qū)波Fig.3 Waveforms of mB=7.3 event occurred in Tonga-Fiji on September 15， 2011， recorded by the Gansu Seismic Network The seismic phases sMohoP， sLABP and s410P are the precursors from near-source underside reflection off Moho， lithosphere-asthenosphere boundary，and “410”, respectively

通過(guò)傾斜疊加大量的觀測(cè)波形數(shù)據(jù)， 可以壓制噪聲， 有效地提取與間斷面相關(guān)的弱信號(hào)(Ritsemaetal， 1995； 臧紹先， 周元澤， 2002)． 在進(jìn)行傾斜疊加的過(guò)程中， 選取震中距為94°的臺(tái)站(紅崖山臺(tái))作為參考臺(tái)， sP為參考震相， 并以sP震相到時(shí)為零時(shí)刻(圖3)． 信號(hào)i(s410P)在任意臺(tái)s的到時(shí)為Δtir+ΔpΔDrs， 以紅崖山臺(tái)為參考臺(tái)的傾斜疊加結(jié)果為

(1)

式中， Δtir為參考震中距記錄的信號(hào)i(s410P)與參考震相sP之間的走時(shí)差， Δp為信號(hào)i在任意臺(tái)s的水平慢度與信號(hào)i(震中距為參考臺(tái)震中距)水平慢度之差， ΔDrs為任意臺(tái)s與參考臺(tái)的震中距之差，m為使用地震記錄的臺(tái)站數(shù)．

以sP為參考震相， 使用傾斜疊加方法獲得了在震中附近“410”間斷面底界面反射的前驅(qū)波信號(hào)s410P， 其反射點(diǎn)位置為(21.25°S， 179.99°W)． 該信號(hào)在傾斜疊加波形(圖3中紅色線條)中成像清晰， 與參考震相sP的觀測(cè)走時(shí)差為137.43 s， 使用TauP軟件結(jié)合理論IASP91全球速度模型得到的s410P與震相sP理論走時(shí)差為137.04 s； 通過(guò)使用基于CRUST1.0模型(Laskeetal， 2013)校正后的湯加—斐濟(jì)地區(qū)速度模型IASP91_Tonga(圖4)， 反算出“410”間斷面底部反射點(diǎn)的深度約為398.5 km， “410”間斷面抬升約11.5 km， 這與俯沖帶與近源區(qū)“410”間斷面的相互作用有關(guān)．

3 討論與結(jié)論

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)陣記錄的湯加—斐濟(jì)深震震相pP和sP均具有尖銳、 清晰和較大振幅的記錄特征， sP記錄振幅甚至超過(guò)了直達(dá)P波， 這為我們使用前驅(qū)波(sMohoP， sLABP和s410P等)對(duì)近源區(qū)間斷面(莫霍面， 巖石圈， “410”等)的深入研究提供了基礎(chǔ)資料．

圖4 全球速度模型IASP91以及修改后的湯加—斐濟(jì)地區(qū)速度模型IASP91_Tonga Fig.4 IASP91 velocity model and modified velocity model (IASP91_Tonga) of the Tonga-Fiji zone in this paper

鑒于前驅(qū)波震相在單條記錄中的能量(振幅)往往很弱， 本文通過(guò)傾斜疊加大量的觀測(cè)波形數(shù)據(jù)， 獲得了在近源區(qū)“410”間斷面底界面反射的前驅(qū)波震相s410P， 并使用CRUST1.0模型校正后的湯加—斐濟(jì)地區(qū)速度模型IASP91_Tonga， 反算出“410”間斷面底部反射點(diǎn)的深度約為398.5 km．

圖3中震相sLABP和sMohoP相對(duì)于參考震相sP的走時(shí)差分別為23.16 s和10.62 s. 我們同樣對(duì)震源區(qū)的地殼及巖石圈結(jié)構(gòu)作了修改(圖4)， 使用TauP軟件計(jì)算得到近源區(qū)巖石圈的深度約為46 km， 莫霍面深度約為10 km．

俯沖帶對(duì)“410”和“660”的影響是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)(Lietal， 2008)． 該研究涉及到間斷面的性質(zhì)， 又能反映地幔對(duì)流的性質(zhì)和形式． 俯沖帶是冷的下沉物質(zhì)， 其通過(guò)間斷面時(shí)會(huì)引起間斷面的形態(tài)變化． 若“410”為相變界面， 俯沖帶會(huì)使它抬升(Vidale， Benz， 1992； Collier， Helffrich， 1997); 若“660”為相變界面， 俯沖板塊中的冷物質(zhì)將使它下沉． 因此， 湯加—斐濟(jì)俯沖帶中冷的物質(zhì)與“410”作用時(shí)， 俯沖帶及相鄰地幔中的橄欖石-尖晶石的相變界面會(huì)上升(蔣志勇等， 2003)． 本文中得到的湯加—斐濟(jì)俯沖帶“410”間斷面抬升約11.5 km與該結(jié)論一致．

本文使用傾斜疊加技術(shù)成功提取了sP前驅(qū)波(s410P， sLABP和 sMohoP)， 獲得了俯沖帶間斷面的深度， 給出了湯加—斐濟(jì)俯沖帶新的地震波速度模型(IASP91_Tonga)． 本文結(jié)果將為深入研究該區(qū)域的地球結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)資料， 對(duì)正確認(rèn)識(shí)俯沖帶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及深入理解地球深部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要的參考價(jià)值．

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On “410” discontinuity depth of the Tonga-Fiji subduction zone by the sP precursor recorded by Gansu seismic network

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)LanzhouBaseofInstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China3)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

The sP seismic phase of the Tonga-Fiji subduction zone have a clear image in the Gansu Digital Seismic Network and southeastern Gansu temporary observation array. In this paper， we extracted the weak precursors s410P by slant stack method， and the s410P precursors are produced by deep focus earthquakes that result from near-source underside reflection off “410”. We compute the depth of “410” discontinuity by using the differential travel time between sP and its precursor s410P near Tonga-Fiji subduction zone based on the modified velocity model (IASP91_Tonga) in this zone based on CRUST1.0 model. The depth of “410” discontinuity is about 398.5 km， and uplifted about 11.5 km， which maybe relate to the interaction of the subduction zone and the “410” discontinuity in the near-source zone. This result is of great significance to recognize the complex structure of subduction zones and objectively understand the dynamic process of the deep Earth.

seismic phase sP; precursor s410P; discontinuity; subduction zone; Gansu Digital Seismic Network; southeastern Gansu temporary observation array

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012IESLZ09)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41504050)聯(lián)合資助.

2015-06-06收到初稿， 2015-08-25決定采用修改稿.

e-mail: manzhongqin@eyou.com

10.11939/jass.2016.01.005

P315.63

A

秦滿忠, 張?jiān)? 劉旭宙, 李順成. 2016. 利用甘肅地震臺(tái)網(wǎng)記錄的sP前驅(qū)波研究湯加—斐濟(jì)俯沖帶“410”間斷面深度. 地震學(xué)報(bào), 38(1): 53--58. doi:10.11939/jass.2016.01.005.

Qin M Z， Zhang Y S， Liu X Z， Li S C. 2016. On “410” discontinuity depth of the Tonga-Fiji subduction zone by the sP precursor recorded by Gansu seismic network.ActaSeismologicaSinica, 38(1): 53--58. doi:10.11939/jass.2016.01.005.