河北省地震台短周期s波速度结构的初步研究

河北省地震台短周期s波速度结构的初步研究

1波波速度结构研究进展自20世纪80年代以来，利用p波方程理论图与观测图的波形进行了比较，并对地震台下的纵波速度结构进行了广泛开展。众所周知，波形适应速度结构的分解分析力与信号的波长有关。大多数破坏力地震发生在深度小于100km的地幔或岩石圈地震波中。因此，我们特别注意约100km地下幔中的薄结构，然后模拟地震体波的短态分布模式来满足这一需求。地震易发生在高低速块体交界部位,与岩浆囊和上地幔物质上涌也有关系,S波对熔融物质的反应比P波敏感,因此直接探求地下横波速度结构是人们追求的目标.位错震源同时激发P波和S波,S波能量更大.为了寻找对S波敏感的多孔含油气介质层,石油系统有专门S波激发装置实施横波勘探.受石油勘探启发,直接用地震记录S波进行波形拟合或许能直接求得壳幔横波速度精细结构,王凯等曾用SS-S时差和763仪记录波形拟合地震台下方上地幔800kmS波速度的粗结构.用短周期S波直接拟合速度结构关键在于首先要找到不受干扰的纯S波记录,其次是要研制模拟记录的快速精确算法.本文将用导出的新方法模拟河北省红山、涉县2地震台4个地震S波波形记录,计算台下方的横波速度结构,探讨与大地震的关系.2入射源扰动下的波场特征用宽频带记录地震波P波的接受函数反演台下结构,前提是入射波不能混入别的震相,入射角要小,浅震因源区自由面强反射相pP紧尾随P波导致混扰,这就是拟合P波要选深源远震的原因.同理用S波拟合台下横波速度结构也必须保证入射波不能混入其他震相,与P波入射相反,径向能使入射源函数保真地到达地震台站,这是因为当入射角小于40°时透射波能量占绝大部分(图1中表示经界面反射或透射的能量与入射能量之比的平方根,因波能量与振幅平方成正比,实际上图1表达了振幅与SV波入射角iSV的关系),这时将在垂向拟合S波波列求解台站下方横波速度结构.为了求得地震台下100km左右壳幔S波速度结构,纯S波输入最慢到达的直达S波从底层到地表需时约30s.因此,本文使用深源远震S波震相波列32s长度.如果震源深度大于100km,sP相因大大超前S波不必考虑,sS波落后S波60s以上,可排除在外.若选择震中距Δ=40°—60°,根据杰弗瑞斯-布伦走时曲线可知PS、PcS、PPS、ScS、SS等震相都不构成干扰.如果是纯S波近垂直入射台下,从理论上可论证径向主要反映的是入射源函数,它不同于震源处初始源函数,包含的是源发射经长途地幔旅行畸变的综合效应.经过台下方层状介质的多次转换和多次反射然后叠加,波形变化将携带台下方介质结构信息,与P波输入不同的是主要体现在垂直向记录上.图2验证了这一理论预测,图中V表示垂直向波形,R表示径向波形,径向波形显然要简洁得多,这一观测事实正是本文反演地震台下方横波速度结构的理论基础和观测依据.3+k/kc2p/kc2p/kc2b/k本文仅讨论深源远震S波入射台下壳幔层状介质结构情况,假设每层介质为水平、均匀、各向同性和完全弹性,如图3所示,第n界面是被拟合的台下介质的底界面,ϕ是P波的位移势函数,χ是SV波的位移势函数,上标“+”表示下行波,“-”表示上行波.由于只有S入射,故ϕ-n+1=0,地表自由面应力为0,在B,P,C坐标系中,在n层水平层状介质的地面位移的矩阵方程为式中Mn+1是使第n+1层的位移势矢量(ϕ-,ϕ+,χ-,χ+)变为位移应力矢量(RU/k,τP/(k2c2),RW/k,τb/(k2c2))T的转换矩阵,RU,RW,k分别为地表径向、垂向位移和波数,Kn,1为层状介质中把位移应力矢量从第n+1层上传到自由面的传播矩阵.而ϕ+n+1,χ+n+1由χ-n+1的反射引起.令H=MKn,1,矩阵H实际起到把第n+1层的位移势传递到地表并变换为位移的作用,取(1)式的第1,3列有由(2)可得到参照文献,S波发射的远场位移近似,即台站记录位移谱为式中Ai(λ,δ,θ)是震源方向发射系数,SVi(γ)是震源破裂时点源、偶极源和位错成分的权系数,它们分别为RU,RW包含各层介质的S波速度βj、层厚度dj(j=1,2…,n+1)和γ,ω因子,γ是S波离源角,λ,δ,θ分别为位错面的错滑角、倾角和方位角,而θ=θr(台站方位角)-θS(位错面走向),βS为源处S波速度,I(ω)为仪器响应谱,F(ω)为源函数谱,G(R)是几何扩散因子,R是震源距,M0是地震矩,ρS是源处密度.(4)式中除RU及RW与I(ω)和F(ω)以外,对于一具体地震台站和地震都是一个常数贡献,波形对比经归一化处理已不起作用.(4)式变换到时域分别是S波记录的径向位移u(t)和垂向位移w(t)理论图,计算时可不断改变介质各层参数,与实际S波记录图比照,选其形态比较最佳者,而且多个地震波形拟合对同一台趋于一致,即认为是所求地震台下方的最终横波速度结构.4经过处理的横波速度结构，红山县和地震台下方的横波速度结构4.1自方位地震波场地震资料取自河北省红山、涉县2个地震台深源远震记录波形,仪器为短周期DD-1型三分向地震仪,地震参数如表1所示.地震台站所处位置和地震来自方位如图4所示,地震选自于印尼斑达海4个深源地震.由于观测波形是模拟记录,为便于与理论地震图进行比较,先将三分量记录波形离散数字化,两个水平分量分别投影到台站—震中大圆弧的径向(R)上.对于SV波,理论上预测,径向深源远震记录波形主要反映透射波,应相对简单,垂向(V)主要由多次转换、反射子波叠加形成,波形散布成列,因此介质模型的变动主要影响S波的垂直分量振幅和疏密分布,S波形拟合着重于垂直向的波形相似.4.2结构模型的确定红山地震台位于1966年邢台大地震震中附近,涉县台在其西南140km,在前人的工作基础上,选择靠近台站的地下速度结构模型作为初始模型,不断变动模型各层的速度和厚度计算其理论地震图,以求与观测S波形的最佳拟合效果.经过反复试错,选择与地震台多张地震图都拟合较好的模型作为该地震台下方的可接受的横波速度结构,图形拟合结果及速度结构见图5和图6,速度结构具体数值见表2.5植被结构界面由图5可见,红山地震台因岩石出露,第1层横波速度就比较大,中地壳则是高低速层相间,低速区出现了2个,低速层底面距地面分别为15km左右和26km左右,地壳厚度约为33.9km,这与邵学钟等通过转换函数和祝治平等通过测深曲线得到的邻近区域的速度结构是一致的.红山台处于地幔隆起区,地壳厚度比较薄,与周围地区所不同的地方是2个低速层速度都比较低,靠近地幔的低速层尤为明显.和涉县台相比,红山台下方上地幔顶部S波速度明显偏低,这可能是隆起的地幔物质侵入或加热出现熔融的结果,可看出S波速度比P波速度更明显地表达出来.由图6可见,涉县地震台下方地壳厚度约为38km,台下有2个低速层,低速层底面距地面分别为22km左右和32km左右,埋藏深度比红山台要深一些.第1个低速层可能相应于前震旦或太古代结晶基底面(地质界面G),第2个低速层可能相应于中地壳与下地壳的分界面(地质界面C).邵学钟等得到G界面深度为13km,C界面深度为24km;王椿镛等结合深地震反射结果得到邢台地震区内的二维速度结构存在一个距地面13km左右的低速层,对应于G节面;距地面23km左右存在另一低速层,与C界面相当.本文的研究结果与他们的一致.5.1毛桐恩等认为,板内地震发生在陆壳内,主要集中在10—25km的地壳深度,构成了板内震源层,而震源层的主层和辅层的顶、底界面相应于G、C和B、C地质界面.邢台震区1966年1月1日—1984年12月31日内MS≥4.0的541个地震事件其深度分布优势集中在15—20km,峰值分布在19—20km.对比本文给出的红山台下地壳内2个低速层所夹的高速层恰好对应邢台地震序列震源深度分布的峰值段.地壳和上地幔物质的动力学特征和地质特征可以由综合分析P波和S波速度结构的得到,对部分熔融体,期望低P波速度和低S波速度,同时随着物质熔融进程,S波速度的降低比P波速度的降低要快,Vp/VS波速比呈显高值.红山台下方岩石熔融程度的增强与1966年邢台大地震有对应关系,因此壳幔S波速度结构的研究结果可以为将要发生的强震的未来地点提供背景资料.5.2本文是利用短周期S波理论地震图去拟合深源远震S波震相波列观测图,直接求取台下横波速度结构的一次试验,它避开