利用远震接收函数计算库尔勒地震台下方地壳厚度和泊松比.pdf
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1、SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.004第一作者简介:李姗姗(1990),女,工程师,主要从事地震监测工作。E-mail:基金项目:新疆地震科学基金课题(项目编号:202124)本文收到日期:2022-11-10利用远震接收函数计算库尔勒地震台 下方地壳厚度和泊松比李姗姗 李晓东 张小飞 单晓琳 刘青山(中国新疆维吾尔自治区 84100
2、0 库尔勒地震监测中心站)摘要 基于 20192020 年库尔勒地震台记录的远震波形数据,使用时域内反褶积方法提取 P 波径向接收函数,并采用 H-叠加搜索法扫描计算台站下方地壳的平均厚度和泊松比。结果表明,库尔勒地震台站下方地壳厚度约为 50.3 km,泊松比值为 0.28,与前人研究结果基本一致。该研究结果有助于更详细地了解库尔勒区域的莫霍面分布,可为该区地质构造的深入研究提供参考。关键词 接收函数;H-叠加;地壳厚度;泊松比0 引言使用天然地震记录中的震相探究地球内部结构是地震学研究的基本课题,其中接收函数方法是研究台站下方地壳、上地幔结构的重要手段之一(陈九辉,2007)。1979 年
3、,Langston(1979)综合前人研究,提出以等效震源去除震源及地震波传播路径对观测台站下方地球内部结构的影响,成功在远震体波中分析出 P 波脉冲响应。在此基础上,Owens 等(1984)用频率域时间反褶积法将接收函数应用于宽频带记录,采用线性反演得到研究台站下方地壳上地幔 S 波速度结构。此后,接收函数方法广泛用于地震台站下方地球结构的研究,并在使用中得到发展和改进。2000 年,Zhu 等(2000)提出 H-叠加法,利用径向接收函数的莫霍面一次转换波、多次反射波和初至 P 波的到时关系,与从接收函数结果上量取该震相的幅值进行叠加计算,得到台站下方莫霍面深度与地壳平均泊松比。H-叠加
4、方法简洁高效,所得结果稳定,被认为是目前求解地壳厚度与速度比最有效的方法之一,在地壳分层、地壳上地幔 S 波速度结构反演、岩石圈地幔间断面等研究中得到广泛应用。库尔勒地震观测台站(下文简称库尔勒台)位于天山南部支脉霍拉山南麓,北轮台断层与库尔勒北山山前断层交会处,紧邻塔里木盆地东北缘区域,整体处于新疆地区地震活动较为频繁的南天山东段区域。台站附近主要发震构造为霍拉山前断裂、北轮台断裂、辛格尔断裂、库尔勒隐伏断裂、兴地断裂等,以上断裂自晚更新世以来新活动强烈,发生多次中强地震(罗福忠等,2002)。库尔勒台周边 200 km 范围内历史地震活动水平较高,从1927 年以来,该区共发生 5 级及以
5、上地震 48 次,其中 6 级及以上地震 6 次,最大地震为1949 年 2 月 24 日轮台 7.3 级地震。因此,分析地壳构造基本特征,是研究该区域地震成地震地磁观测与研究44 卷 28因及地震活动的重要前提。文中基于库尔勒台 2019 年 1 月 2020 年 12 月记录的远震波形数据,采用时间域内反褶积法提取远震 P 波中体波的接收函数,采用 H-叠加法计算得到台站下方平均地壳厚度、波速比及泊松比,为该区域地壳结构的深入研究提供参考。1 方法原理文中采用时间域内反褶积法提取接收函数。在时间域内,三分向地震计在地表接收的P 波波形记录数据可表示为仪器响应、震源时间函数与传播路径响应的褶
6、积。对于台站而言,远震 P 波传播可看作近似于垂直入射,则介质结构相应的初至分量可近似为单位脉冲响应。在三分量地震计仪器响应一致的情况下,用垂直分量对径向和切向分量分别作反褶积处理,就可得到介质结构响应径向和切向的接收函数。接收函数扣除了震源效应和仪器响应的影响,只与地下介质信息相关,由观测台站下方地壳及上地幔速度间断面产生的转换波 Ps 及多次转换波 PpPs、PpSs+PsPs 震相组成。H-叠加法是基于水平层状均匀各向同性的地壳结构模型提出的,基本原理是,利用转换波和多次转换波走时,扫描求取地壳厚度 H 和波速比。基于该方法的假设,在远震记录中,经莫霍面到达地表的 P 波主要有 3 个信
7、号较强的后续震相,分别是莫霍面转换波Ps 和壳内多次反射转换波 PpPs、PpSs+PsPs。相对于初至 P 波,其震相到时分别为 =222P2P2PspvpvHt+=222P2P2PpPspvpvHt22P2PsPsPpSs2pvHt=+(1)式中,H为地壳平均厚度,为纵横波速比,vP为地壳内平均P波速度,p为射线参数。由式(1)可知,在 vP已知前提下,给定不同的 H 和,对应不同的转换震相理论到时 t,将多个接收函数理论到时对应震相的振幅进行叠加,则叠加函数 s(H,)可定义为 ()()()()PsPsPpSs3PpPs2Ps1,+=trtrtrHs(2)式中,i为相应震相的权重因子,且
8、 1+2+3=1;r(t)为径向接收函数振幅。在一定范围内,给定地壳厚度和波速比值进行搜索,当给定值与实际地壳结构最相符时,则相应到时的转换震相和多次转换震相的振幅值按一定比例累加之和最大,也就是 3 组震相在 H-域的曲线相交时的函数 s(H,)达到最大值。对同一台站记录的多个远震的接收函数做叠加处理,则可通过网格搜索法确定最大值相对应的地壳厚度 H 和波速比。最后,可根据泊松比 与波速比 的关系式求解泊松比,关系式如下 )1(2222=(3)29第 2 期2 资料选取及数据处理库尔勒台地理位置见图 1 所示,其地处霍拉山南麓北轮台断裂与霍拉山山前断裂之间,台基为黑云母片麻岩,海拔高程 1
9、090 m,监测点周围 1.5 km 内无明显干扰源,满足国家一级地震监测台的要求。台站配备 JCZ-1T 超宽频带地震计进行地震观测,观测频带为 50 HzDC,于 2008 年 6 月正式运行,观测数据连续可靠。选取库尔勒台 2019 年 1 月至 2020 年 12 月记录的震级 5.5、震中距在 30 90之间的远震事件,剔除 P 波初动不清晰及其他不合格波形数据,得到 149 个远震事件的波形记录,截取 P 波初动前 60 s 开始、时间长度为 200 s 的数据进行波形分析。将 SEED 格式文件转为 SAC 格式,并把地震事件信息添加到相应 SAC 文件头段变量中。对波形数据作去
10、倾斜、去均值和去仪器响应后,将 Z、N、E 三分向记录旋转到 ZRT(垂直向、径向、切向)坐标系下,在时间域内用垂直分量分别对径向分量和切向分量做迭代反褶积运算,从而得到消除传播路径和震源影响后台站下方的接收函数。计算中设置时域迭代拟合率大于 90%,最终得到 87 条高信噪比的接收函数,其对应地震事件分布见图 2。由图 2 可见,台站记录的远震事件多分布于环太平洋地震带,集中在印度尼西亚、菲律宾等地区,其中震中距较多分布在 40 60,占比 62.1%(表 1);反方位角较多位于 90 180,占比 67.82%(表 2)。图 1 库尔勒地震台及周边构造Fig.1 The geologica
11、l structures around the Korla Seismic Station 82838485868788 89 E45 N4443424140准葛尔盆地塔里木盆地库尔勒天山山脉图 2 库尔勒地震台记录的远震事件分布Fig.2 Distribution map of teleseismic events recorded by Korla Seismic Station3060根据接收函数中 Ps 转换波、PpPs 以及 PpSs+PsPs 多次转换波震相特征,经多次更改测试,同时参考前人研究结果,最终分别设置权重系数为 0.7、0.2、0.1;参考研究区转换波测深、宽频地震探测
12、等结果(邵学钟等,1996;王亚军等,2006;李海鸥等,2006),将研究区地壳平均速度取为 6.1 6.3 km/s,地壳厚度 H 搜索范围取 30 60 km(搜索步长 0.1 km),波速比 搜索范围取 1.5 2.0(搜索步长 0.01)。为压制高频噪声,使用高斯滤波器做低通滤波,将高斯滤波系数分别取为 1.5、2.5、3.5,进行反褶积运算。李姗姗等:利用远震接收函数计算库尔勒地震台下方地壳厚度和泊松比地震地磁观测与研究44 卷 30表 1 不同震中距的远震事件数量及占比Table 1 Number and proportion of teleseismic events with
13、 different epicentral distances震中距远震事件统计震中距远震事件统计数量占比(%)数量占比(%)3039.989.206069.91314.944049.93135.637079.91011.495059.92326.44809022.30表 2 不同反方位角的远震事件数量及占比Table 2 Number and proportion of teleseismic events in different back-azimuths反方位角远震事件统计反方位角远震事件统计数量占比(%)数量占比(%)089.91112.64180269.9 66.9090179.9
14、5967.822703601112.643 计算结果分析3.1 不同高斯滤波系数的反演结果设 P 波速度为 6.3 km/s,高斯滤波系数分别取为 1.5、2.5、3.5,则相应接收函数和 H-扫描叠加结果见图 3、图 4,具体数值见表 3。时间/s-5 05 10 15 20 25 30 35 40100806040(a)(b)PsPpPsPsPs震中距/()时间/s-5 05 10 15 20 25 30 35 40100806040PsPpPsPsPs震中距/()时间/s-505 10 15 20 25 30 35 40100806040PsPpPsPsPs震中距/()(c)图 3 P
15、波速度为 6.3 km/s 时的接收函数剖面(a)高斯系数取 1.5;(b)高斯系数取 2.5;(c)高斯系数取 3.5Fig.3 Receiver function profiles when P-wave velocity is 6.3 km/s表 3 P 波速度为 6.3 km/s 时不同高斯滤波系数下 H-计算结果Table 3 H-calculation results with different Gaussian filtering coefficients when the P-wave velocity is 6.3 km/s高斯系数地壳厚度/km波速比泊松比1.549.8
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