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地壳结构探测新方法—Pn波接收函数
2024-04-19 16:10:45

    由于观测成本低、深部信号信噪比高,接收函数目前是壳幔结构探测最常用的方法。但其分辨率远远低于深反射,通常仅能够提供地壳变形的基本特征,无法在壳内变形、发震构造、控矿构造等调查研究中发挥关键作用。虽然近年来,短周期密集台阵通过加密观测提高了接收函数成像的分辨率,但由于地震波频率的限制,这种提高是有限的。分辨率不仅与台间距有关,也与地震波的频率或波长有关。由于接收函数使用的远震体波信号传播了3000至1万公里,因此其高频成分衰减殆尽,低频限制了接收函数空间分辨率的提高。

    为了提高天然地震方法探测地壳速度结构的分辨率,中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室硕士研究生张良雨和导师田小波研究员提出了Pn波接收函数方法。地震学中常见的折射波是由壳内地震产生的P波以临界角由地壳向下进入地幔顶部并沿地幔顶部滑行,滑行的同时部分能量返回地壳、向上传播并被台站记录,也被成为Pn震相(如图1所示)。Pn主要出现在2°-15°震中距范围内,传播距离远小,衰减少,如图2所示,相对于远震体波(低于3Hz),Pn波富含高频成分(20-30Hz)。

图1 Pn波传播路径示意图。不同颜色虚线表示不同震中距Pn波的传播路径

图2 远震P波和Pn波的波形频率范围比较。蓝色和红色垂直虚线分别是长度为15秒和20秒的波形信号截取时窗。宽频带台站远震P波是西安台震中距为41.6°(约4500公里)的5.6级地震的P波记录。宽频带台站Pn波是该台震中距6.2°(约700公里)的5.6级地震的Pn波记录。由于宽频带台阵数据采样率限制,可分析的频率最高位10赫兹。短周期台站Pn波是震中距11.1°(约1200公里)的4.8级地震的Pn波记录

    传统的接收函数通过远震波形反褶积获得,需要满足平面波、无其它震相干扰和近垂直入射3个假设。而该项研究注意到Pn波有如下特点:(1)Pn折射波返回地壳时均以临界角进入地壳,在很长滑行传播距离内,返回地壳的折射波传播角度保持不变,也就是说折射波由上地幔返回地壳传播时是满足平面波要求的;(2)Pn波形在震中距5°-15°范围内可以避免其它震相的干扰;(3)通过波形记录的质点运动极化分析可以将Pn波和它的转换S波分离,不需要满足近垂直入射的要求。因而可以使用震中距5°-15°范围内的Pn波波形记录,通过合适的时窗长度截取波形,通过极化分析和坐标旋转分离Pn波分量和转换S波分量,再利用这两个分量的反褶积,可获得Pn波接收函数。如图3所示,通过双层地壳模型的波场数值模拟合成Pn波记录,通过反褶积运算获得的Pn波接收函数包含了莫霍面和康拉德界面的转换波。

    通过理论合成模型分析(图3)和实际宽频带台站的Pn波接收函数与远震接收函数的对比(图4),表明Pn波接收函数能够可靠的反应地壳速度结构。同时还可以看到,由于Pn波向上传播的角度远大于远震P波,导致Pn波接收函数中转换波的振幅明显大于在远震接收函数中的转换波振幅。这一特点,有助于通过Pn波接收函数对壳内速度差小的界面进行成像或速度反演。将新方法应用于跨阴山的南北向短周期密集台阵,获得Pn波接收函数时间剖面(如图5所示)。通过不同频率范围的比较可以看出,由于Pn波富含高频成分,可以极大地提升接收函数的波形频率。

 

图3 理论模型合成Pn波及其Pn波接收函数。(a)为简单的双层地壳模型,包含莫霍界面(Moho)和康拉德界面(Conrad);(b)为利用波场数值模拟合成的震中距12°的Pn波3分量波形,其中300秒以后的振幅被缩小了20倍;(c)为根据偏振方向进行坐标系旋转投影的Pn波分量和转换S波分量,这两个分量进行反褶积获得Pn波接收函数;(d)其中Pcs和Pms分别为来自康拉德界面和莫霍界面的转换波

 

图4 Pn波接收函数与远震接收函数对比。(a)和(b)分别是西安台和昆明台。Pn波接收函数(PnRF)与远震接收函数(tel-RF)的时间轴均已动校正的统一的射线参数。图中垂直的红色虚线和蓝色虚线是基于前人地壳速度模型的预测莫霍面转换波到时

 

图5 短周期密集台阵的Pn波接收函数时间剖面。(a)、(b)和(c)分别使用了高斯系数为5.0、10.0和15.0的低通滤波。红色虚线指示可连续追踪的转换波震相,其中6秒左右为莫霍面的转换波震相

    由于频率高,该方法可以将天然地震地壳结构探测的分辨能力提升到接近人工源深地震反射的水平(如图6所示)。目前的天然地震转换波方法(远震接收函数)频率低(<3.0Hz),而震中距为5°-15°的Pn波频率可以高达20Hz以上,该频率的Pn波接收函数在40公里以浅的横向和垂向分辨率分别为1-3公里和0.2公里,非常接近深地震反射的探测水平。因此,该方法有望成开展造山带精细结构、大型成矿带和大型地震带地壳精细结构探测的 “利器”。

 

图6 不同探测方法的分辨率。黑色实线、虚线和点线为远震接收函数(tele-RF)不同频率波形的分辨率随深度的变化;红色实线、虚线和点线为Pn波接收函数(PnRF)不同频率波形的分辨率随深度的变化;蓝色实线为深反射(DSR)的分辨率随深度的变化

转自:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1796047537242720185




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