第二影區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

作為地球內部結構最復雜、動力學過程最活躍的區域之一，核幔邊界及其附近結構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域，即核幔界面的“影區”，也稱第二影區。此時，地震波較發育，震相較多，主要是由復雜的地球內部結構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，記錄一個或數個完整的周期[2]。該文主要分析地震波在進入第二影區時各震相的特征變化，以便精確測定地震參數，用于資料分析及速度層結構等方面的研究，提高資料的可信度和使用價值。

1 數據選取

(1) 所用數據臺站的基本概況。

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

(2) 地震數據的選取條件。

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

一是臺網中單臺震中距介于第二影區前后；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，所用數據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,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，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)。當臺網記錄中各單臺震中距橫跨第二影區時，可針對橫跨影區即核幔過渡層各震相的傳播和變化規律進行分析。

圖3 2008年4月12日麥夸里島地區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

地震波形數據使用MSDP臺網版拾取震相，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，發生衍射現象。由于衍射，其能量消耗較快，在地震波形記錄中表現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，選用數據的臺站有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 ，選用數據的臺站有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，使用數據的臺站有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°以后逐漸發育。在進入核幔過渡層之前是P波后第二個出現的振幅較大震相，進入核幔過渡層后其振幅明顯超過Pdif波，變為第一個振幅較大的震相。如圖6所示，原始波形1 200 s，使用數據的臺站: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，使用數據的臺站有 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經過地表反射轉換為橫波的震相，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 ，使用數據的臺站有 CAD、LIZ、LSA。

4 結論與討論

對大量實際地震波形記錄進行處理(文中列舉出部分結果)，得出地震震相走時曲線圖，只體現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波震相未表現出明顯的分界，S波震相也未出現斷崖式消失，而是隨著震中距的增大還會出現，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育，周期振幅變大表現得越來越清楚。