基金项目:国家自然科学基金(40674042)和云南省自然科学基金(2006D0011M)联合资助.
(Department of Geophysics, Yunnan University, Kunming 650091, Yunnan, China)
receiver function; normal moveout correction; stacking; surface of discontinuity; West Yunnan
备注
基金项目:国家自然科学基金(40674042)和云南省自然科学基金(2006D0011M)联合资助.
在对台站下方的径向接收函数进行分析和对比的基础上,通过基于动校正的接收函数叠加方法,利用云南数字地震台网记录的保山、畹町、沧源和腾冲4个台站的三分量宽频数据,计算出了各台站下方的SV分量接收函数。结果 表明,在保山、畹町和沧源台下方清楚地显示出了深度700 km处的间断面,较全球平均660 km要深。另外,在深度290~500 km之间可能还存在多个间断面; 腾冲台下方700 km处的间断面不太清楚,而且上地幔间断面仅为210 km深,较其它三个台要浅。
Through introducing the moveout correction technique in exploration seismology, we obtained a method to compute the receiver function beneath a station by stacking receiver function after normal moveout correction. We used the method to determine the SV-component receiver functions from 3-component broad-band digital recordings which were recorded by the Baoshan, Wanding, Cangyuan, Tengchong stations. The results show that, at the Baoshan, Wanding, Cangyuan stations, the depth of discontinuity is 700 km and it is deeper than the average of 660 km over the globe, meanwhile, there may be existed several discontinuities between 290 km and 500 km; however, the discontinuity beneath the Tengchong station is not clear at the depth of 700 km, and the depth of discontinuity in upper mantle is only 210 km, shallower than that beneath other 3 stations.
引言
探明上地幔410 km和660 km深度附近的间断面的埋藏深度及其横向变化,对于推断地幔对流的规模、板块迁移特征和力源以及物质成分等问题都有着很重要的意义。目前,对这两个间断面的全球性探查和对某些俯冲带地区、青藏高原地壳结构的高分辨率研究已取得了明显的进展(杨毅等,2001; 吴庆举等,1998; 刘启元等,1996,2000)。近年来,在一些以固定或流动高密度台阵所提供的远震记录为基础的研究中,研究人员通过使用类似于倾斜偏移的技术,得到了以某个台站为参照的接收函数剖面图(Shaw等,1985; Ammon,1990; Randall,1989; Owens等,1987)。图中间断面上的透射转换震相Ps波与P波的走时差在各台的变化,形象地显示了间断面的相对起伏情况。
滇西地区是特提斯构造带东部向南突出的弧形岛弧的组成部分,即濒临环太平洋构造带的交切带。由于多个板块在此汇聚、俯冲碰撞,以致区域内深大断裂发育,所以多年来一直是地学界研究的热点地区。
接收函数(Langston,1979)作为一种研究地壳上地幔结构的有效手段,随着其信噪比增强技术、约束手段和反演方法的快速发展,目前已被广泛应用。
笔者在对接收函数进行理论分析的基础上,以云南保山地震台为例,对比分析了Q分量和SV分量接收函数削弱直达P波影响的效果,并以IASP91模型为基础,进行射线追踪,将不同射线参数得到的接收函数校正到距参考震中67°处,然后再进行叠加,以确定台站下方间断面的深度。应用上述动校正接收函数叠加方法,对云南数字地震台网的保山、畹町、沧源和腾冲子台下方的径向接收函数进行了计算。
1 理论与方法
1.1 接收函数的定义及时间—深度转换接收函数是将三分量远震记录中的两个水平分量旋转成径向分量和切向分量,然后用垂直分量分别对它们作反褶积而得到的径向和切向上的时间序列,从而消除震源和地幔传播路径对远震体波波形的影响,使得接收函数仅与台站下方的介质结构有关,而基本与震源和传播路径无关。
如图1所示,若莫霍面是最深的反射界面,则接收函数反映了界面转换波Ps,PpPs及PsSs与直达P波之间的时差。
而Ps转换波和直达P波的走时差与地壳厚度H之间有如下关系:H=(tPs-tP)/((1/(vS2)-p2)1/2-(1/(vP2)-p2)1/2 ).(1)
式中,p为射线参数,vP和vS分别为纵、横波速度。同理,多次反射波PpPs与Ps转换波之间的时差也提供了如下的约束:
H=(tPpPs-tPs)/(2(1/(vS2)-p2)1/2).(2)
只要我们给出射线参数和纵、横波速度,以及Ps转换波与直达P波的走时差或者多次反射波与Ps转换波之间的时差,就可以计算出相应的转换深度。
1.2 Q分量和SV分量接收函数径向接收函数是利用图2a所示的径向分量与垂直分量进行反褶积得到的。为了更大限度地削弱直达P波的影响,一种比较普遍的方法是坐标几何旋转(LQT)方法(图2b),即先把三分量宽频数字地震记录旋转到径向和切向,然后再把坐标旋转到LQT方向,其中L方向为直达P波的射线路径方向,Q方向与L方向正交。对于各向同性介质,L方向分量主要是P波能量,Q方向分量是SV波能量。这种分量几何旋转的方法,可以最大限度地保障P波能量集中于L方向。
设T为切向分量,径向分量R垂直于纸面,入射到地表的入射角为之(图2a),则:
L=Zcosi+Rsini,
Q=Zsini+Rcosi.(3)
利用Q分量与L分量作反褶积,所得结果称之为Q分量接收函数。还有一种是波场矢量分解(PSH)方法(图2c),即把三分量数字地震记录旋转到径向和切向,得到频率—慢度域的三分量记录Z(p,w), R(p,w), T(p,w),然后根据下式分离出上行P,SV,SH波的贡献(Reading等,2003),其表达式为
(P(p,w)
S(p,w)
H(p,w))=(vPZ(p) vSZ(p) 0
vPR(p) vSR(p) 0
0 0 0)×(Z(p,w)
R(p,w)
T(p,w)).(4)
其中:
vPZ=-(1-2β02p2)/2α0qα0,
vPZ=-(1-2β02p2)/2α0qα0,
vPR=pβ02/α0, vSZ=pβ0, vHT=1/2,
qα0=(α0-2-p2)1/2, qβ 0=(β0-2-p2)1/2.
式中,p是水平方向的慢度,qα0和qβ0是垂直方向的慢度。α0和β0是地表的P波和S波速度。利用SV分量与P分量作反褶积,所得结果称之为SV分量接收函数。
为了验证以上两种方法的效果,我们选取了保山地震台接收到的一个远震三分量记录(图3),信号采样率为50点/s,持时为60 s,预置10 s,计算出了该台下方的接收函数(图4)。径向接收函数中,直达P波的影响较明显,与之相比,Ps转换波为弱信号; SV分量接收函数保证了大部分的P-S转换能量集中在S波矢量里,有效地抑制了直达P波脉冲的影响,突出了Ps转换波; 而Q分量接收函数虽然对直达P波起到了一定的抑制作用,但由于入射角不易精确估算,因此难以最大限度削弱直达P波的能量,从而突出了Ps转换波。1.3 基于动校正的接收函数叠加转换波与直达波的持时差随着震中距的减小而增加。例如,对于深度为660 km的不连续面产生的Ps震相,在震中距分别为30°和90°时与直达P波的持时差接近10 s。为了能够探测到接收函数中较弱的转换波震相,其中一个方法是对很多个地震事件的接收函数进行叠加。但由于各个地震事件的射线参数(或震中距)和转换深度的不同,必须先进行动校正。
为了进行接收函数的动校正和叠加,必须建立针对接收函数等价于勘探地震道的概念(Ryberg等,2000),即引入转换波等效偏移距和等效叠加速度。远震接收函数一般震中距在23°~80°之间,如果用标准地球模型IASP91(Kennett等,1991),则等价于P波在莫霍界面以37°~23°角入射,这个范围内正常时差可由下式计算:
TPs1-TPs2=(Z(vP-vS))/2(P12-P22),
TPs1=TPs2+Δ(t)/((5))
为了说明动校正对探测接收函数中较弱的转换波震相的有效性,我们用理论接收函数进行验证。单台的理论接收函数是以IASP91模型为基础计算出来的,IASP91模型被修正为含有一个厚度为60 km的均匀地壳,P、S波速度分别为6.5 km/s和3.75 km/s。这些理论接收函数的震中距在30°~90°之间,每隔2°计算一个接收函数,且震源深度均固定在600 km处,以避免深震震相(pP和sP)对转换波震相的干扰。各道接收函数进行简单叠加后如图5a所示,叠加后的地壳中的转换波震相增强了,但随着转换深度的增加,410 km和660 km不连续面处的Ps转换波被削弱甚至消失了。
为了增强上地幔不连续面的深部转换震相,一种延迟叠加的方法(Vinnik等,1997; Kind等,1988)被广泛运用,即沿着时差曲线对接收函数进行叠加,并挑选出一系列转换深度对时差影响进行校正。通过实验,得到一个用于校正的参考慢度,其值为6.4 s/(°)(对应的震中距为67°)。
一般情况下,动校正可以通过使用P、S波的三维速度模型进行射线追踪计算得到,实际应用中,动校正通过使用一维参考模型(一般使用IASP91)进行预测而获得足够的精确度。这些速度模型的区域性变化导致时差曲线产生不到1 s的变化,那就意味着,时差校正使所有的Ps走时曲线都平行于P波,并固定在选取的67°震中距上,校正的走时仅对这个震中距有效。
动校正之后的接收函数及其叠加结果如图5b所示,410 km和660 km处的不连续面被校准到一条垂直的线上,叠加后这两个深度处的微弱转换波明显增强,多次反射波的震相被削弱。
2 滇西地区的上地幔间断面
数字实验表明,动校正叠加技术有效地增强了深部转换信号。为了检验上述动校正接收函数叠加方法的实际的应用效果,笔者采用云南数字地震台网2000年1月1日至2005年12月30日之
间,保山、畹町、沧源和腾冲台(图6)记录到的震中距在30°~80°之间、震级在6.5级以上的远震事件,计算了台站下方的SV分量接收函数。George等(1995)研究发现,接收函数时间—深度转换过程中,在地壳内直达P波与Ps转换波的时差为1s时,转换界面的深度大致为8 km,在地幔中则为10 km,利用这一关系就可以估算台站下方的转换界面深度。
图7a是保山台73个接收函数通过动校正之后叠加的结果。从图中可以明显看出莫霍面Ps波与P波的时差为5 s,多次波PpPs的时差为15 s,估算得到地壳厚度为40 km。另外,在28 s、39 s、47 s和70 s处还分别存在明显的界面,其对应的深度分别为280 km、390 km、470 km和700 km。
图7b是畹町台66个接收函数通过动校正之后的叠加结果,从图中可以很明显的看出Moho面Ps波与直达P波的时差为4 s,多次波PpPs的时差为12 s,估算得到地壳厚度为32 km。另外,28 s和70 s处还分别存在明显的界面,其对应的深度分别为280 km和700 km。
图7c是沧源台67个接收函数通过动校正之后的叠加结果。从图中可以明显看出莫霍面Ps波与直达P波的时差为4 s,多次波PpPs的时差为12 s,估算得到地壳厚度为32 km。另外,在30 s、45 s、54 s和70 s处还分别存在明显的界面,其对应的深度分别为300 km、450 km、540 km和700 km。
图7d是腾冲台89个接收函数通过动校正之后的叠加结果。从图中可以明显看出莫霍面Ps波与直达P波的时差为5 s,多次波PpPs的时差为15 s,
估算得到地壳厚度为40 km。另外,在21 s处还存在明显的界面,其对应的深度为210 km。
3 结论与讨论
径向接收函数由于计算过程简单,被广泛用来反演地壳结构。然而,虽然是远震记录,P波以较小的传播角入射到地表,但径向分量和Z分量并不垂直,以致接收函数中不可能完全消除直达P波的影响。并且,接收函数中P波的能量相当强,以致掩盖了深部界面的微弱转换信号。另外,在反演过程中,程序优先拟合能量强的P波,而对弱的Ps波拟合程度较差,从而掩盖了反演的真正意图。为此,笔者通过计算SV分量接收函数,有效地压制了直达P波的影响,增强了深部界面转换波幅度。此外,笔者还引入了勘探地震学中的动校正技术,以IASP91模型为基础,将不同震中距的接收函数校正到67°处,使同一界面产生的转换波具有相同的走时,经叠加后信号得到增强。
保山、沧源、畹町和腾冲地震台的接收函数叠加结果表明,滇西地区地壳厚度在32~40 km之间,除腾冲台以外,全球普遍存在的660 km间断面上转换对较明显,只不过滇西地区该间断面的深度为700 km; 另外,在290~300 km处还存在一个明显的间断面。值得一提的是,腾冲地区700 km深处的间断面不明显,而滇西地区290~300 km深处存在的间断面在这里却只有210 km深。笔者认为腾冲地区地热发育、火山活动频繁,地幔物质上涌可能会改变间断面的结构。总之,滇西地区上地幔410 km间断面较全球浅、660 km间断面较全球深这一现象绝非偶然,它可能是深部物质运移的结果。因为本文仅用了4个台站的资料,所以更细致的问题还有待进一步研究。
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