謝彩霞，周元澤，王卓君，歐東新

1 桂林理工大學地球科學學院，桂林 541004

2 中國科學院研究生院地球科學學院，北京 100049

3 中國科學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049

湯加—斐濟地區(qū)300km間斷面的SdP轉換波證據(jù)

謝彩霞1，2，3，周元澤2，3＊，王卓君2，3，歐東新1

1 桂林理工大學地球科學學院，桂林 541004

2 中國科學院研究生院地球科學學院，北京 100049

3 中國科學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049

上地幔速度間斷面的存在形態(tài)及其性質的研究對于理解地球構造運動以及地球內部物質運移過程具有重要意義.針對上地幔中可能存在的300km速度間斷面，本文收集日本Hi－net地震臺網(wǎng)所記錄的2004年以來、震源深度在145～219km之間、且震級為mb5.0～6.0之間的6個湯加—斐濟地區(qū)地震的波形資料.利用4次根傾斜疊加方法對收集到的波形資料進行疊加處理，獲得了相應的疊加灰度圖，從中提取的離源下行的SdP次生轉換震相，進而據(jù)此確認了湯加—斐濟地區(qū)下方的300km深度附近的速度界面.因該界面起伏較小，更傾向于該界面為輝石的斜方到高壓單斜相變面；同時基于轉換震相的強度差異，我們發(fā)現(xiàn)該界面速度躍變量要大于410km間斷面，因而俯沖帶的化學分異和脫水過程產生的較輕物質可能在該界面處形成一定的聚集，使得湯加—斐濟地區(qū)的該界面更容易被觀測到.

湯加—斐濟地區(qū)，300km間斷面，N次根傾斜疊加

1 引 言

地球內部地震波速度結構是地球物理學家關注的重點之一，其為地球內部物質組成的研究提供基本的約束，而確切的物質組成有助于對地球內部物質運移以及地球表面構造運動過程的理解.地幔轉換區(qū)410和660km間斷面的全球性存在及其俯沖帶作用下的起伏形態(tài)與復雜結構都已經(jīng)得到了很好的了解，相關的高溫高壓礦物研究也對這樣的速度結構所對應的礦物相變或者成分構成及變化給出了較好的解釋［1－3］.

與地球淺表構造過程密切相關的上地幔淺部的速度界面也有很多報道，如220km深度處的Lehman面等［4－6］.基于特定震相多重路徑（triplication）走時曲線、特定強震相的前至震相（precursors）走時與慢度以及接收函數(shù)等給出的地幔速度結構信息，人們發(fā)現(xiàn)250至330km深度之間可能存在弱的速度界面［7－11］.這樣的速度界面與柯石英（coesite）到斯石英（stishovite）的轉換或者是含過量二氧化硅的單斜輝石中析出斯石英有關［10，12－13］.Matsukage等（2005）［14］則進一步指出，斜方輝石到單斜輝石的相變對應著300km深度速度界面，也即一些研究者給出的250～330km深度內的X間斷面［9，12］.

由于此前250～330km深度附近的速度界面研究所使用地震波形資料的頻率相對較低，對該界面存在形態(tài)的分辨能力較弱［13］，從而意味著對該界面起伏形態(tài)及相應的性質認識也就缺乏很好的約束.隨著高密度高敏感度地震臺網(wǎng)的布設，短周期乃至寬頻帶臺網(wǎng)資料不斷積累，對弱間斷面進行精細研究成為可能.基于臺網(wǎng)／臺陣資料的疊加處理可以有效地增強來自特定速度界面的弱次生震相.為了更好地研究上地幔間斷面的存在，中深源地震資料的使用是一個好的選擇.就中深源地震而言，地震波離開震源到達附近的地幔間斷面的深度距離比較小，因而具有較小的Fresnel區(qū)，有助于來自同一界面的轉換震相通過疊加方法來提取并確認，從而研究相應的速度界面的結構［15－16］.

考慮到湯加—斐濟地區(qū)具有豐富的中－深源地震可以在70°左右的震中距為日本高密度地震臺網(wǎng)（Hi－net）所記錄到，本文利用Hi－net臺網(wǎng)的波形資料的疊加圖像來尋找湯加—斐濟地區(qū)300km附近速度界面的SdP離源下行次生轉換震相（如圖1所示），并據(jù)此獲得間斷面速度躍變及起伏，以分析俯沖板塊存在而引起的溫度異常和物質差異對該界面存在及形態(tài)的影響.

圖1 射線路徑示意圖標有震相P和SdP對應的實線為P波，虛線為S波.Fig.1 Schematic illustration of ray paths of the direct P and SdP converted at depth dThe solid line with arrows is for P wave and the dashed line is for S wave.

2 資料收集與處理

Hi－net具有高密度的地震臺站覆蓋（如圖2）［17］.日本防災科學技術研究所通過網(wǎng)絡（http：／／www.hinet.bosai.go.jp）實時提供2004年以來的該臺網(wǎng)近800個地震臺站連續(xù)波形記錄.這些資料對認識地球深部物質運移過程有很大的幫助，尤其是日本及其周邊的西北太平洋地區(qū)［18－19］.

圖2 Hi－net臺網(wǎng)的臺站分布圖［17］Fig.2 Station distribution of Hi－net［17］

由于本文使用下行SdP次生轉換震相來研究300km附近的速度界面，這就需要一方面避免較強的多次波和反射震相pP等強震相的可能干擾，同時相對小的Fresnel區(qū)以保證波形資料疊加效果［15］，因此，我們選用了源深為145～219km之間的地震.一般地，震級較大的地震所具有的復雜源時間過程，其可能會對弱次生震相的識別形成干擾，而地震過弱又會導致相對的背景噪聲強，即使使用疊加處理也無法獲得清晰可信的次生震相，因此地震震級也受到一定的限制.本文中，我們選用震級為mb5.0～6.0，以保證震源時間函數(shù)相對簡單且一般時長不超過4s，同時又可以有足夠好的信噪比.基于這些限制，我們收集了2004年以來的6個湯加—斐濟地區(qū)地震（分布如圖3）為Hi－net記錄到的垂向短周期波形資料，相關的地震參數(shù)見表1.由于震源深度對轉換點深度的確定影響較大，而利用局部地區(qū)的地震臺網(wǎng)來進行震源深度確定并不能獲得很好的深度精度，因而本文中2006年（含2006年）的地震位置及深度參數(shù)來自具有較高深度定位精度的EHB［20］數(shù)據(jù)庫（http：／／www.isc.ac.uk／EHB／index.html），而2006年以后的地震參數(shù)則來自地震矩張量解報告（http：／／www.globalcmt.org）.

我們從日本防災科學技術研究所的數(shù)據(jù)網(wǎng)站提取了表1所列6個地震的Hi－net臺網(wǎng)記錄的波形資料.考慮到0.2～1.0Hz頻帶范圍內的信號對于地幔速度界面具有較好的分辨能力［21］以及很好的噪聲壓制能力，在波形資料預處理中，我們對所收集到的資料進行0.2～1.0Hz的帶通濾波處理，并人工篩選去除受脈沖噪聲或者其他干擾影響的波形記錄.

相對于一維地球速度模型PREM［22］，IASP91［23］以及AK135［24］模型中的強的速度界面，如Moho面、核幔邊界、內外核邊界等，地幔間斷面相對是比較弱的.在提取與之相關的SdP轉換震相時，一般利用疊加方法來壓制噪聲以提高該次生震相的識別能力.N次根傾斜疊加方法能夠非常有效地用于提取次生震相［25－28］.該方法常用于從單地震的臺網(wǎng)波形資料中提取近源一側的來自地幔間斷面的SdP次生震相［1，29］；也可以用于從單臺站多地震的波形資料中提取近臺一側的PdS次生轉換震相［30］.考慮到Hi－net實際可用臺站比較多，且資料質量較高，我們將信噪比超過3的波形資料按照質量和臺站分布情況進行分組并分別進行疊加處理，以期進行相同地震以及不同地震的疊加結果的對比分析，從而獲得速度界面的起伏特性.

本文中，目標震相SdP位于強的直達P和pP震相之間.在疊加處理過程中，我們選擇直達P為參考震相，其走時值均歸為0，因而直達P在疊加圖上出現(xiàn)在走時差和慢度差均為0的位置，而其他后續(xù)震相的走時差和慢度差值均是相對于直達P出現(xiàn)位置而言的.在具體疊加處理中，我們將各分組的資料基于直達P最強的峰值進行對齊并分別對各波形資料進行歸一化處理，進而據(jù)此進行4次根傾斜疊加處理，可以獲得各地震－臺網(wǎng)分組的走時差－慢度差域的相對幅度分布.為了更清晰地顯示弱次生震相，我們進一步求取疊加圖的包絡線并求取20倍的以10底對數(shù)值，據(jù)此可以繪制出走時差和慢度差域的灰度圖（vespegram）.通過比較灰度下限，根據(jù)下行次生轉換震相SdP相對于直達P的理論走時差和慢度差的關系，可以從灰度圖中讀取出慢度差理論值±0.1s／（°）范圍內的次生震相SdP，進而基于一維全球模型IASP91反算出相應的轉換點深度及位置.為了更好地進行對比，我們保留了部分超出慢度差范圍但深度在300km附近的轉換點作為參考使用.更詳細的資料分析處理過程可以參看臧紹先和周元澤（2002）［27］.

表1 本文所用地震及相關參數(shù)列表Table 1 Events used and parameters estimated

3 結果分析

3.1 Hi－net臺網(wǎng)和子臺網(wǎng)資料傾斜疊加結果對比

圖3 本文使用的地震分布圖其中震源矩張量解來自http：／／www.globalcmt.org.地震EV.2沒有矩張量解以黑點表示.等值線給出的是俯沖帶在地幔中存在的深度分布［31］.Fig.3 The distribution of events usedThe focal mechanisms labeled with beach balls are the CMT from http：／／www.globalcmt.org and the solid circle for others.The contour lines are for the extension of the Benioff－Wadati slab in the Earth′s interior［31］.

為了分析整個Hi－net和分區(qū)子臺網(wǎng)資料的疊加結果的異同，我們選用了表1中的Ev.1作為示例來進行分析.將Hi－net臺網(wǎng)分成了7個子臺網(wǎng)，在圖4中以H1—H7表示，相應的子臺網(wǎng)記錄中選擇信噪比最好的60個波形資料進行4次根傾斜疊加處理.同時作為對比，我們自Hi－net臺網(wǎng)記錄中選用了信噪比最好的60個波形資料也進行同樣的疊加處理，相應的臺站分布在圖4中以HI表示.圖5a為HI子臺網(wǎng)資料的傾斜疊加結果，從該圖上可以看出在316km處對應著比較明顯的SdP次生震相.圖5b—5h給出了由南到北的各子臺網(wǎng)資料的疊加結果，從中可以看出310～322km深度處對應著比較明顯的且具有相當一致性的SdP次生震相.每個子圖上的深度差異與局部小的速度躍變的起伏以及走時差數(shù)據(jù)讀取造成的誤差有一定的關系［16］.同時我們注意到圖5c，5d，5f分別有一個與410km速度間斷面相關的次生震相SdP.該震相給出了410km間斷面在冷的俯沖帶影響下的抬升形態(tài)，即深度在368和392km深度附近.這跟相關研究結果給出的形態(tài)［32－33］是一致的.從各子圖疊加上次生震相強度的差異來看，300km深度附近的速度界面比410km間斷面的速度躍變量要大.

3.2 子臺網(wǎng)傾斜疊加結果分析

經(jīng)過全臺網(wǎng)和子臺網(wǎng)資料的傾斜疊加結果對比，我們認為子臺網(wǎng)資料的疊加結果與全臺網(wǎng)的結果具有比較好的一致性，因而可以利用分區(qū)的子臺網(wǎng)資料來分析特定深度上速度界面的存在及可能的起伏形態(tài).由于震級以及背景噪聲上的差異，我們將6個地震分成了38組波形資料，通過疊加處理，獲得了相應的疊加灰度圖.各SdP次生震相所給出的300km深度附近的轉換點深度列于表1最后一列.圖6給出除Ev.1外的各地震一個子臺網(wǎng)資料的傾斜疊加結果作為典型示例.為了方便對照，我們選擇的灰度圖的下限都是一致的，均選為－60.可能由于震級及震源機制的因素，Ev.2的疊加結果不是很好，只有H3和H6子臺網(wǎng)資料的疊加結果給出了清晰的來自318和325km的次生震相，其他子臺網(wǎng)要不沒有看到相關震相，要不就是慢度差和走時差關系不能滿足本文對于SdP震相提取設定的要求，從而與該地震相關的轉換點分布存疑.地震Ev.3記錄的噪聲較大，我們僅將其分成了5個子臺網(wǎng)，其中H 1和H 3資料的疊加結果給出的深度接近313和314km；而另外三個則比較接近，分別為305，301和302km.這樣的深度差異大致對應于0.5s左右的走時差讀數(shù)誤差，基本上屬于無法避免的.地震Ev.4的疊加結果相對一致性好，而且跟地震Ev.1的結果有很好的對應.地震Ev.5的震級相對要小，mb5.0，資料的信噪比相對也要差一些，因而劃分出的子臺網(wǎng)是6個，但是次生震相還是清晰的，轉換點深度略淺.地震Ev.6的疊加結果給出的轉換點深度整體偏深，均超過320km.

圖6 地震Ev.2—6傾斜疊加灰度圖示例相關說明同圖5.Fig.6 The typical vespegrams from the stacked waveforms from different sub－networks for the events Ev.2—6More description are same as Fig.5.

將300km深度附近的轉換點投影到平面上，見圖7所示.對比由等值線給出的俯沖板塊在地球內部存在的平均形態(tài)［31］，轉換點分布于俯沖帶右側下方.考慮到俯沖板塊本身的厚度，速度界面的存在是受到了俯沖板塊物質的干擾.但是由于研究區(qū)域比較小，具體的干擾程度尚無法確定.

4 討 論

基于轉換點深度分布來看，300km深度附近存在著深度大致在300～325km之間轉換點分布.我們知道，震相識讀、震源深度確定及俯沖板塊速度異常等帶來的轉換點深度誤差大致在11km［1，23，34］.在這一誤差干擾下，本文所獲得的300km處速度界面在研究區(qū)域范圍內的起伏變化是很小的.考慮到湯加—斐濟是全球俯沖最快的俯沖地區(qū)［35］，橫向溫度異常的變化比較大，速度界面表現(xiàn)出如此小的起伏形態(tài)，這就說明該界面對深度比較敏感而對溫度則相對不敏感.從高溫高壓礦物物理學的角度看，250～300km深度范圍內存在著柯石英到斯石英的轉換或者斜方頑輝石（orthoenstatite）到高壓下斜頑輝石（high－clinoenstatite）的相變［9，13］，前者的Clapeyron斜率為2.5～3.1MPa／K［36－38］而后者為1.4MPa／K［39－41］.因而這一界面更有可能是斜方輝石到高壓相單斜輝石的相變面，而這與Matsukage等（2005）［14］的看法是一致的.

圖7 SdP震相對應的轉換點（以空圈表示）分布圖深度數(shù)值為各子臺網(wǎng)疊加結果給出的轉換點深度范圍，具體深度數(shù)值見表1最后一列.Fig.7 Conversion points（labelled with small circles）related to the SdP phases picked from vespegrams.The depths are from the different sub－networks and their values are listed at the last column of Table 1.

從地震Ev.1的疊加灰度圖（圖5）的結果來看，來自300km深度附近轉換震相SdP的幅度要大于來自受到俯沖帶影響而起伏的410km間斷面的SdP的幅度.與此同時，現(xiàn)有的本區(qū)域410km間斷面研究結果顯示其速度躍變的深度范圍（sharpness）大致在2～10km［42］，而本文濾波頻帶范圍能夠對這一速度躍變的深度變化范圍有很好的反映［21］.因此相對而言，300km附近速度界面的速度躍變幅度要大過410km間斷面的強度，這不同于此前Williams ＆Revenaugh（2005）［13］的看法.這意味著，相對于全球意義上的300km間斷面而言，湯加—斐濟俯沖區(qū)域下方的300km速度界面不只是前人所認為的一般意義上的相變面；這一相變界面還可能對俯沖帶的化學分異和脫水過程產生的較輕的物質［14，43－44］產生一定的阻擋，從而輕的物質可能在該界面處造成聚集，使得該界面變得更容易被探測到.

5 結 論

本文收集日本Hi－net地震臺網(wǎng)記錄到的2004以來的、深度在145～219km之間、湯加—斐濟地區(qū)震級為mb5.0～6.0之間的地震的波形資料，利用4次根傾斜疊加方法獲得的相對幅度灰度圖，從中提取了離源下行的SdP次生轉換震相，進而據(jù)此發(fā)現(xiàn)湯加—斐濟地區(qū)下方的300km深度附近的速度界面.因其速度界面起伏較小，更傾向于該界面為輝石的斜方到高壓單斜相變面.同時考慮到該界面速度躍變量要大于鄰近的410km間斷面，因而俯沖帶的化學分異和脫水過程產生的較輕物質應該在該界面處形成一定的聚集，使得湯加—斐濟地區(qū)該界面更容易被觀測到.

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Evidence of SdP conversion phases for the 300km discontinuity beneath Tonga－Fiji region

XIE Cai－Xia1，2，3，ZHOU Yuan－Ze2，3＊，WANG Zhuo－Jun2，3，OU Dong－Xin1
1 College of Earth Sciences，Guilin University of Technology，Guilin541004，China
2 College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
3 Laboratory of Computational Geodynamics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China

The upper－mantle discontinuities are important for understanding the tectonics and the material transportation in the Earth′s interior.In order to retrieve the SdP conversion phases from the possible 300km discontinuity，the waveform data of six earthquakes with focal depths between 145and 219km and mb5.0～6.0since 2004are collected from Hi－net of Japan.The data are processed by 4－th root slant stack method to get the vespegrams which are used to pick the SdP phases based on the theoretical differential times and slownesses.The conversion points related to the SdP phases show that there is a clear and flat velocity interface around 300km which means the interface is preferred as the orthorhombic to high－pressure monoclinic phase transition of（Mg，F(xiàn)e）SiO3pyroxene.What′s more，the velocity contrast of the interface is largerthan the 410km discontinuity，which means that the light chemical differentiation or slab dehydration from the subduction zone accumulated at the interface and makes the interface beneath the Tonga－Fiji more detectable.

Tonga－Fiji region，300km discontinuity，N－th root slant stack

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P315

2011－10－07，2012－04－15收修定稿

國家自然科學基金項目（41074065）資助.

謝彩霞，桂林理工大學碩士研究生，主要從事地震信號分析和地球內部結構研究.E－mail：xcx4233＠126.com

＊通訊作者周元澤，男，1972年生，固體地球物理學博士，主要從事地球內部結構與地震波傳播以及地震信號分析等方面的教學科研工作.E－mail：yzzhou＠gucas.ac.cn

謝彩霞，周元澤，王卓君等.湯加—斐濟地區(qū)300km間斷面的SdP轉換波證據(jù).地球物理學報，2012，55（5）：1591－1600，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.017.

Xie C X，Zhou Y Z，Wang Z J，et al.Evidence of SdP conversion phases for the 300km discontinuity beneath Tonga－Fiji region.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1591－1600，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.017.

（本文編輯 何 燕）