陳凱男，劉立申，王利兵，趙志遠(yuǎn)，宋 昭，羅 娜，賈 華

(1．河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北 邯鄲 056002)

0 引言

作為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、動(dòng)力學(xué)過(guò)程最活躍的區(qū)域之一，核幔邊界及其附近結(jié)構(gòu)一直是地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)[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(guò)渡帶。對(duì)于臺(tái)站記錄，當(dāng)震中距達(dá)到105°左右時(shí)，地震波開始進(jìn)入此區(qū)域，即核幔界面的“影區(qū)”，也稱第二影區(qū)。此時(shí)，地震波較發(fā)育，震相較多，主要是由復(fù)雜的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和速度層分布所決定。震中距介于105°～128°左右時(shí)，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(zhǎng)周期和長(zhǎng)周期儀器上，記錄一個(gè)或數(shù)個(gè)完整的周期[2]。該文主要分析地震波在進(jìn)入第二影區(qū)時(shí)各震相的特征變化，以便精確測(cè)定地震參數(shù)，用于資料分析及速度層結(jié)構(gòu)等方面的研究，提高資料的可信度和使用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)選取

(1) 所用數(shù)據(jù)臺(tái)站的基本概況。

文中選用的地震波形數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家測(cè)震臺(tái)站，各臺(tái)觀測(cè)環(huán)境背景噪聲小，觀測(cè)儀器動(dòng)態(tài)范圍大，分辨率高，記錄頻帶寬，覆蓋傳統(tǒng)地震計(jì)的短周期、中長(zhǎng)周期和長(zhǎng)周期頻帶。從記錄的原始數(shù)據(jù)中可用各種仿真濾波器獲得傳統(tǒng)地動(dòng)計(jì)的仿真數(shù)據(jù)，得到地動(dòng)的真實(shí)信息，數(shù)據(jù)可信度高。選用數(shù)據(jù)臺(tái)站的基本情況如表1所示。

(2) 地震數(shù)據(jù)的選取條件。

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

一是臺(tái)網(wǎng)中單臺(tái)震中距介于第二影區(qū)前后；二是在短周期、中長(zhǎng)周期記錄圖上可清晰識(shí)別各震相，得出PHASE結(jié)果，做出各震相走時(shí)曲線圖。如第2頁(yè)圖1為2010年9月4日新西蘭南島東海岸遠(yuǎn)海MS7.1地震各單臺(tái)的震中距，跨度為87°～124°。選取10個(gè)滿足條件的地震，地震目錄如表2所示，所用數(shù)據(jù)的臺(tái)站及震例分布如圖2所示。

圖1 新西蘭南島東海岸遠(yuǎn)海MS7.1地震各單臺(tái)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(tái)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(duì)于單臺(tái)，震中距不同的地震震相各有特點(diǎn)，特別是震相較多較復(fù)雜的第二影區(qū),在震相識(shí)別時(shí)存在將相鄰震相混淆的可能，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析。對(duì)于全國(guó)臺(tái)網(wǎng)，同一個(gè)地震，單臺(tái)的震中距各不相同，但各臺(tái)記錄到的震相基本一致。臺(tái)站的波形記錄可按震相到時(shí)順序排列(見圖3，選取部分臺(tái)站、部分震相)。當(dāng)臺(tái)網(wǎng)記錄中各單臺(tái)震中距橫跨第二影區(qū)時(shí)，可針對(duì)橫跨影區(qū)即核幔過(guò)渡層各震相的傳播和變化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖3 2008年4月12日麥夸里島地區(qū)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(shù)據(jù)使用MSDP臺(tái)網(wǎng)版拾取震相，仿真短周期wwssnsp拾取遠(yuǎn)震初動(dòng)P、PKP，仿真長(zhǎng)周期SK拾取初動(dòng)Pdif及后續(xù)S、PP、SS等震相。

3.1 P波和Pdif波

進(jìn)入核幔過(guò)渡帶之前的P波震相表現(xiàn)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(shí)，開始進(jìn)入核幔過(guò)渡帶，發(fā)生衍射現(xiàn)象。由于衍射，其能量消耗較快，在地震波形記錄中表現(xiàn)出振幅越來(lái)越小直至淹沒在地脈動(dòng)中。P波與Pdif波震相未表現(xiàn)出明顯的分界，在震中距達(dá)到105°左右之后，短周期記錄上P波衰減加速。如第3頁(yè)圖4a的仿真wwssnsp 300 s，選用數(shù)據(jù)的臺(tái)站有QZH、XSA、GZH、NJ2、GUL、DL2、HNS、LYN、KMI、XLT、TNC、YCH、LZH、CAD、GTA、LSA、AXX、WMQ、HTA、KSH。此時(shí)，長(zhǎng)周期記錄衍射波Pdif震相特征越來(lái)越清楚。如圖4b的仿真SK 300 s ，選用數(shù)據(jù)的臺(tái)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(jìn)入核幔過(guò)渡帶后，由于大部分能量穿透核幔過(guò)渡層進(jìn)入外核，少量能量沿著核幔過(guò)渡層衍射傳播。凡記錄到的衍射波Pdif波形孤立波動(dòng)，波數(shù)小于3，初始很弱，有一定的水平向初動(dòng)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(gè)標(biāo)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(yuǎn)震分析與震相解釋[R]，2013.，在中長(zhǎng)周期儀(SK、763)上可記錄到Pdif，表現(xiàn)為一個(gè)弱而周期相當(dāng)長(zhǎng)(10～20 s)的震動(dòng)，約早于PP波震相4 min以上。如圖5的仿真SK 1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺(tái)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(fā)育。在進(jìn)入核幔過(guò)渡層之前是P波后第二個(gè)出現(xiàn)的振幅較大震相，進(jìn)入核幔過(guò)渡層后其振幅明顯超過(guò)Pdif波，變?yōu)榈谝粋€(gè)振幅較大的震相。如圖6所示，原始波形1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺(tái)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(jìn)入核幔過(guò)渡帶之前都清晰可辨(暫不考慮深震)，周期、振幅較P波發(fā)育；開始進(jìn)入核幔過(guò)渡帶后，S波速度越來(lái)越慢，振幅也越來(lái)越小。如第4頁(yè)圖7a所示，仿真SK 1 200 s，使用數(shù)據(jù)的臺(tái)站有 HNS、LZH、GTA、CAD、AXX、WMQ。HNS臺(tái)在震中距為93°時(shí)，能正常記錄到S波震相。理論上，S波震相記錄可持續(xù)到震中距105°。圖7a方框顯示的LZH臺(tái)震中距為99°，CAD臺(tái)為101°，GTA臺(tái)為103°，已記錄不到S波震相；震中距分別為107°、114°的AXX臺(tái)、WMQ臺(tái)(箭頭所指)卻記錄到S波震相，印證核幔過(guò)渡帶的不均勻性。當(dāng)S波穿透核幔過(guò)渡帶到達(dá)液態(tài)的外核后，觀測(cè)不到S波(見圖7b)。

3.4 PS波、SS波

PS波是由縱波P經(jīng)過(guò)地表反射轉(zhuǎn)換為橫波的震相，SS波是在地表反射一次的橫波。在105°～128°時(shí)，S波迅速衰減，PS波比較發(fā)育，振幅較大，在地震波形記錄的水平分向上可清晰地識(shí)別。之后，振幅最大的是SS波震相，如第4頁(yè)圖8的仿真SK 2 400 s ，使用數(shù)據(jù)的臺(tái)站有 CAD、LIZ、LSA。

4 結(jié)論與討論

對(duì)大量實(shí)際地震波形記錄進(jìn)行處理(文中列舉出部分結(jié)果)，得出地震震相走時(shí)曲線圖，只體現(xiàn)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(dāng)震中距在105°時(shí)，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(xiàn)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(yuǎn)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(shí)際記錄的波形是在震中距增大到105°左右時(shí)，地震波進(jìn)入核幔過(guò)渡帶這一復(fù)雜的低速層中，地震波能量衰減加快，在波形記錄中表現(xiàn)出周期變大，振幅越來(lái)越小直至淹沒在地脈動(dòng)中；P波與Pdif波震相未表現(xiàn)出明顯的分界，S波震相也未出現(xiàn)斷崖式消失，而是隨著震中距的增大還會(huì)出現(xiàn)，這也間接印證這一低速層的不均勻性；反射波PP、PS、SS在遠(yuǎn)震記錄中常有，隨著震中距增大逐漸發(fā)育，周期振幅變大表現(xiàn)得越來(lái)越清楚。