河北省地震臺短周期s波速度結(jié)構(gòu)的初步研究

河北省地震臺短周期s波速度結(jié)構(gòu)的初步研究

1波波速度結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展自20世紀(jì)80年代以來，利用p波方程理論圖與觀測圖的波形進(jìn)行了比較，并對地震臺下的縱波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛開展。眾所周知，波形適應(yīng)速度結(jié)構(gòu)的分解分析力與信號的波長有關(guān)。大多數(shù)破壞力地震發(fā)生在深度小于100km的地?；驇r石圈地震波中。因此，我們特別注意約100km地下幔中的薄結(jié)構(gòu)，然后模擬地震體波的短態(tài)分布模式來滿足這一需求。地震易發(fā)生在高低速塊體交界部位,與巖漿囊和上地幔物質(zhì)上涌也有關(guān)系,S波對熔融物質(zhì)的反應(yīng)比P波敏感,因此直接探求地下橫波速度結(jié)構(gòu)是人們追求的目標(biāo).位錯(cuò)震源同時(shí)激發(fā)P波和S波,S波能量更大.為了尋找對S波敏感的多孔含油氣介質(zhì)層,石油系統(tǒng)有專門S波激發(fā)裝置實(shí)施橫波勘探.受石油勘探啟發(fā),直接用地震記錄S波進(jìn)行波形擬合或許能直接求得殼幔橫波速度精細(xì)結(jié)構(gòu),王凱等曾用SS-S時(shí)差和763儀記錄波形擬合地震臺下方上地幔800kmS波速度的粗結(jié)構(gòu).用短周期S波直接擬合速度結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于首先要找到不受干擾的純S波記錄,其次是要研制模擬記錄的快速精確算法.本文將用導(dǎo)出的新方法模擬河北省紅山、涉縣2地震臺4個(gè)地震S波波形記錄,計(jì)算臺下方的橫波速度結(jié)構(gòu),探討與大地震的關(guān)系.2入射源擾動(dòng)下的波場特征用寬頻帶記錄地震波P波的接受函數(shù)反演臺下結(jié)構(gòu),前提是入射波不能混入別的震相,入射角要小,淺震因源區(qū)自由面強(qiáng)反射相pP緊尾隨P波導(dǎo)致混擾,這就是擬合P波要選深源遠(yuǎn)震的原因.同理用S波擬合臺下橫波速度結(jié)構(gòu)也必須保證入射波不能混入其他震相,與P波入射相反,徑向能使入射源函數(shù)保真地到達(dá)地震臺站,這是因?yàn)楫?dāng)入射角小于40°時(shí)透射波能量占絕大部分(圖1中表示經(jīng)界面反射或透射的能量與入射能量之比的平方根,因波能量與振幅平方成正比,實(shí)際上圖1表達(dá)了振幅與SV波入射角iSV的關(guān)系),這時(shí)將在垂向擬合S波波列求解臺站下方橫波速度結(jié)構(gòu).為了求得地震臺下100km左右殼幔S波速度結(jié)構(gòu),純S波輸入最慢到達(dá)的直達(dá)S波從底層到地表需時(shí)約30s.因此,本文使用深源遠(yuǎn)震S波震相波列32s長度.如果震源深度大于100km,sP相因大大超前S波不必考慮,sS波落后S波60s以上,可排除在外.若選擇震中距Δ=40°—60°,根據(jù)杰弗瑞斯-布倫走時(shí)曲線可知PS、PcS、PPS、ScS、SS等震相都不構(gòu)成干擾.如果是純S波近垂直入射臺下,從理論上可論證徑向主要反映的是入射源函數(shù),它不同于震源處初始源函數(shù),包含的是源發(fā)射經(jīng)長途地幔旅行畸變的綜合效應(yīng).經(jīng)過臺下方層狀介質(zhì)的多次轉(zhuǎn)換和多次反射然后疊加,波形變化將攜帶臺下方介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息,與P波輸入不同的是主要體現(xiàn)在垂直向記錄上.圖2驗(yàn)證了這一理論預(yù)測,圖中V表示垂直向波形,R表示徑向波形,徑向波形顯然要簡潔得多,這一觀測事實(shí)正是本文反演地震臺下方橫波速度結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)和觀測依據(jù).3+k/kc2p/kc2p/kc2b/k本文僅討論深源遠(yuǎn)震S波入射臺下殼幔層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)情況,假設(shè)每層介質(zhì)為水平、均勻、各向同性和完全彈性,如圖3所示,第n界面是被擬合的臺下介質(zhì)的底界面,?是P波的位移勢函數(shù),χ是SV波的位移勢函數(shù),上標(biāo)“+”表示下行波,“-”表示上行波.由于只有S入射,故?-n+1=0,地表自由面應(yīng)力為0,在B,P,C坐標(biāo)系中,在n層水平層狀介質(zhì)的地面位移的矩陣方程為式中Mn+1是使第n+1層的位移勢矢量(?-,?+,χ-,χ+)變?yōu)槲灰茟?yīng)力矢量(RU/k,τP/(k2c2),RW/k,τb/(k2c2))T的轉(zhuǎn)換矩陣,RU,RW,k分別為地表徑向、垂向位移和波數(shù),Kn,1為層狀介質(zhì)中把位移應(yīng)力矢量從第n+1層上傳到自由面的傳播矩陣.而?+n+1,χ+n+1由χ-n+1的反射引起.令H=MKn,1,矩陣H實(shí)際起到把第n+1層的位移勢傳遞到地表并變換為位移的作用,取(1)式的第1,3列有由(2)可得到參照文獻(xiàn),S波發(fā)射的遠(yuǎn)場位移近似,即臺站記錄位移譜為式中Ai(λ,δ,θ)是震源方向發(fā)射系數(shù),SVi(γ)是震源破裂時(shí)點(diǎn)源、偶極源和位錯(cuò)成分的權(quán)系數(shù),它們分別為RU,RW包含各層介質(zhì)的S波速度βj、層厚度dj(j=1,2…,n+1)和γ,ω因子,γ是S波離源角,λ,δ,θ分別為位錯(cuò)面的錯(cuò)滑角、傾角和方位角,而θ=θr(臺站方位角)-θS(位錯(cuò)面走向),βS為源處S波速度,I(ω)為儀器響應(yīng)譜,F(ω)為源函數(shù)譜,G(R)是幾何擴(kuò)散因子,R是震源距,M0是地震矩,ρS是源處密度.(4)式中除RU及RW與I(ω)和F(ω)以外,對于一具體地震臺站和地震都是一個(gè)常數(shù)貢獻(xiàn),波形對比經(jīng)歸一化處理已不起作用.(4)式變換到時(shí)域分別是S波記錄的徑向位移u(t)和垂向位移w(t)理論圖,計(jì)算時(shí)可不斷改變介質(zhì)各層參數(shù),與實(shí)際S波記錄圖比照,選其形態(tài)比較最佳者,而且多個(gè)地震波形擬合對同一臺趨于一致,即認(rèn)為是所求地震臺下方的最終橫波速度結(jié)構(gòu).4經(jīng)過處理的橫波速度結(jié)構(gòu)，紅山縣和地震臺下方的橫波速度結(jié)構(gòu)4.1自方位地震波場地震資料取自河北省紅山、涉縣2個(gè)地震臺深源遠(yuǎn)震記錄波形,儀器為短周期DD-1型三分向地震儀,地震參數(shù)如表1所示.地震臺站所處位置和地震來自方位如圖4所示,地震選自于印尼斑達(dá)海4個(gè)深源地震.由于觀測波形是模擬記錄,為便于與理論地震圖進(jìn)行比較,先將三分量記錄波形離散數(shù)字化,兩個(gè)水平分量分別投影到臺站—震中大圓弧的徑向(R)上.對于SV波,理論上預(yù)測,徑向深源遠(yuǎn)震記錄波形主要反映透射波,應(yīng)相對簡單,垂向(V)主要由多次轉(zhuǎn)換、反射子波疊加形成,波形散布成列,因此介質(zhì)模型的變動(dòng)主要影響S波的垂直分量振幅和疏密分布,S波形擬合著重于垂直向的波形相似.4.2結(jié)構(gòu)模型的確定紅山地震臺位于1966年邢臺大地震震中附近,涉縣臺在其西南140km,在前人的工作基礎(chǔ)上,選擇靠近臺站的地下速度結(jié)構(gòu)模型作為初始模型,不斷變動(dòng)模型各層的速度和厚度計(jì)算其理論地震圖,以求與觀測S波形的最佳擬合效果.經(jīng)過反復(fù)試錯(cuò),選擇與地震臺多張地震圖都擬合較好的模型作為該地震臺下方的可接受的橫波速度結(jié)構(gòu),圖形擬合結(jié)果及速度結(jié)構(gòu)見圖5和圖6,速度結(jié)構(gòu)具體數(shù)值見表2.5植被結(jié)構(gòu)界面由圖5可見,紅山地震臺因巖石出露,第1層橫波速度就比較大,中地殼則是高低速層相間,低速區(qū)出現(xiàn)了2個(gè),低速層底面距地面分別為15km左右和26km左右,地殼厚度約為33.9km,這與邵學(xué)鐘等通過轉(zhuǎn)換函數(shù)和祝治平等通過測深曲線得到的鄰近區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)是一致的.紅山臺處于地幔隆起區(qū),地殼厚度比較薄,與周圍地區(qū)所不同的地方是2個(gè)低速層速度都比較低,靠近地幔的低速層尤為明顯.和涉縣臺相比,紅山臺下方上地幔頂部S波速度明顯偏低,這可能是隆起的地幔物質(zhì)侵入或加熱出現(xiàn)熔融的結(jié)果,可看出S波速度比P波速度更明顯地表達(dá)出來.由圖6可見,涉縣地震臺下方地殼厚度約為38km,臺下有2個(gè)低速層,低速層底面距地面分別為22km左右和32km左右,埋藏深度比紅山臺要深一些.第1個(gè)低速層可能相應(yīng)于前震旦或太古代結(jié)晶基底面(地質(zhì)界面G),第2個(gè)低速層可能相應(yīng)于中地殼與下地殼的分界面(地質(zhì)界面C).邵學(xué)鐘等得到G界面深度為13km,C界面深度為24km;王椿鏞等結(jié)合深地震反射結(jié)果得到邢臺地震區(qū)內(nèi)的二維速度結(jié)構(gòu)存在一個(gè)距地面13km左右的低速層,對應(yīng)于G節(jié)面;距地面23km左右存在另一低速層,與C界面相當(dāng).本文的研究結(jié)果與他們的一致.5.1毛桐恩等認(rèn)為,板內(nèi)地震發(fā)生在陸殼內(nèi),主要集中在10—25km的地殼深度,構(gòu)成了板內(nèi)震源層,而震源層的主層和輔層的頂、底界面相應(yīng)于G、C和B、C地質(zhì)界面.邢臺震區(qū)1966年1月1日—1984年12月31日內(nèi)MS≥4.0的541個(gè)地震事件其深度分布優(yōu)勢集中在15—20km,峰值分布在19—20km.對比本文給出的紅山臺下地殼內(nèi)2個(gè)低速層所夾的高速層恰好對應(yīng)邢臺地震序列震源深度分布的峰值段.地殼和上地幔物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特征和地質(zhì)特征可以由綜合分析P波和S波速度結(jié)構(gòu)的得到,對部分熔融體,期望低P波速度和低S波速度,同時(shí)隨著物質(zhì)熔融進(jìn)程,S波速度的降低比P波速度的降低要快,Vp/VS波速比呈顯高值.紅山臺下方巖石熔融程度的增強(qiáng)與1966年邢臺大地震有對應(yīng)關(guān)系,因此殼幔S波速度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果可以為將要發(fā)生的強(qiáng)震的未來地點(diǎn)提供背景資料.5.2本文是利用短周期S波理論地震圖去擬合深源遠(yuǎn)震S波震相波列觀測圖,直接求取臺下橫波速度結(jié)構(gòu)的一次試驗(yàn),它避開