呂宋海槽、琉球海溝對Lg震相記錄特征的影響研究

原 超，王九洋，李慧卿，張新航，成少云

（大連地震臺，遼寧 大連 116012）

0 引言

Lg波是在花崗巖性質(zhì)的地殼結(jié)構(gòu)中傳播的導(dǎo)波。由于花崗巖僅存在于大陸地殼結(jié)構(gòu)中［1］，因此在實(shí)測中，往往通過是否記錄到Lg震相來判斷傳播路徑上地殼結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。由于地殼中巖石的變質(zhì)作用以及部分熔融巖石的存在，導(dǎo)致低速層的存在［2-3］。當(dāng)震中距符合條件時(shí)，地震波傳播速度的衰減幅度比較明顯，根據(jù)Snell定律，地震波射線無法射出地表，即進(jìn)入低速層。此時(shí)P、S波往往不發(fā)育，而此時(shí)Lg震相則表現(xiàn)比較發(fā)育。J-B走時(shí)表給出的我國東部地區(qū)Lg震相最大震中距為30°。前人關(guān)于Lg震相做過大量的研究，如趙榮國在Lg波的波速方面［1］、陸南棟等在 Lg 波的震相特征方面［4］、葛煥稱在震級的測定方面［5］等多了大量研究。Lg震相還可以應(yīng)用于分析地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)等方面的研究［6］，是開展大陸地殼結(jié)構(gòu)研究中常用的震相。但將Lg的實(shí)測現(xiàn)象與地質(zhì)構(gòu)造相結(jié)合的研究則相對較少。

臺灣—琉球地區(qū)位于亞歐板塊、太平洋板塊、菲律賓海板塊相互作用的三聯(lián)點(diǎn)，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，位于琉球島弧—臺灣島弧—呂宋島弧轉(zhuǎn)折和突出部位［2］［7］，是世界上地震最頻繁的地區(qū)之一。該地區(qū)東北部的琉球海溝具有大洋深海溝的鮮明特點(diǎn)，最深處達(dá)7800余米，琉球海溝西南部與臺灣島東部外海相接觸［8］。

臺灣—琉球地區(qū)到大連地震臺的距離是產(chǎn)生Lg震相的優(yōu)勢震中距。然而大量的實(shí)測表明，該地區(qū)的Lg震相記錄特征隨空間分布存在劇烈變化。本文通過分析大連地震臺記錄的該地區(qū)近10年，M≥6.0的淺源地震記錄，分析該區(qū)域的Lg震相記錄特征隨空間分布的變化，并從地質(zhì)構(gòu)造上分析原因。

1 大連臺實(shí)測臺灣—琉球地區(qū)Lg震相記錄特征及頻譜分析

大連地震臺位于遼東半島最南端，大體位于臺灣地區(qū)正北方、琉球地區(qū)的西北方，與該地區(qū)的地震傳播路徑大體與琉球海溝垂直，震中距范圍約11°～18°，大連地震臺記錄到的臺灣及琉球地區(qū)地震屬影區(qū)地震，理論上是Lg震相最為發(fā)育的范圍。但由于臺灣及琉球地區(qū)位于大陸地殼與海洋地殼的交界處，又地處歐亞板塊、太平洋板塊、菲律賓板塊的三聯(lián)點(diǎn)地區(qū)，因此該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得在較小空間范圍內(nèi)，地震記錄特征出現(xiàn)了劇烈變化。該地區(qū)地理位置見圖1。

圖1 臺灣及琉球地區(qū)地理位置與構(gòu)造（據(jù)高祥林，2008）Fig.1 Geographical Position and Structure of Taiwan and Ryukyu Region （According to Gaoxianglin，2008）

本文選取大連地震臺記錄的該地區(qū)2006年—2016年，M≥6.0的淺源地震記錄資料進(jìn)行分析研究，將Lg震相按照發(fā)育與否分類成三組，如表2所示，圖中實(shí)心五角星表示Lg震相發(fā)育的地震事件，實(shí)心三角表示Lg震相較發(fā)育的地震事件，實(shí)心圓表示Lg震相不發(fā)育的地震事件，不規(guī)則曲線為板塊邊界線。現(xiàn)將Lg震相按照不同區(qū)域記錄的發(fā)育程度討論如下。

圖2 臺灣—琉球地區(qū)Lg震相發(fā)育情況Fig.2 Seismic development of Lg in Taiwan鄄Ryukyu region

1.1 臺灣西部地區(qū)

臺灣西部地區(qū)位于歐亞大陸板塊邊緣，屬于亞歐板塊，以正斷層為主，主要分布有新竹斷陷地震帶、北港隆起地震帶、臺西南盆地地震帶等構(gòu)造。臺灣西部地區(qū)地震密度低于臺灣東部地區(qū)，同時(shí)該區(qū)北部的地震密度低于南部，以淺源地震為主，地殼運(yùn)動強(qiáng)度相對較弱［9］。

該區(qū)域地震記錄特征符合大陸地殼地震記錄特征，地震波形記錄規(guī)則、明顯［10］，Lg震相非常發(fā)育，但有時(shí)起始位置不清楚，有周期性變化，幅度變化比較穩(wěn)定，如圖3a中地震波形所示 （UTC：20130602 05：43：01）。

1.2 臺灣東部地區(qū)

臺灣東部地區(qū)屬于菲律賓板塊，以逆斷層與走滑斷層為主，主要分布有臺東縱谷地震帶、呂宋弧溝地震帶等構(gòu)造。地震活動性較強(qiáng)，震源深度由南向北逐漸變深，以淺源地震為主，北部存在少量中源地震，地殼運(yùn)動強(qiáng)度較大［9］。

臺灣東部地區(qū)地震波周期相對較大，Lg震相較臺灣西部地區(qū)明顯減弱。該區(qū)自北向南，Lg震相起始位置逐漸不清楚，震相特征漸趨不發(fā)育，如圖3b中地震波形所示（UTC：2006122612：26：19）。

圖3 臺灣西部和東部地震Lg震相Fig.3 Earthquakes in Western and Eastern Taiwan

1.3 琉球地區(qū)

琉球地區(qū)主要分布有琉球弧溝地震帶［9］，該地區(qū)地震波起始不清晰，但后續(xù)震相周期增大，且幅度有明顯變化。在較小的空間范圍內(nèi)，Lg震相發(fā)育情況出現(xiàn)劇烈變化，由北側(cè)到南側(cè)迅速減弱，從清晰可靠迅速轉(zhuǎn)化為幾乎記錄不到，如圖4中地震波形所示 （圖4a：UTC：2009092819：22：54； 圖 4b： UTC：20100526 08：53：07）。

圖4 琉球海溝北側(cè)和南側(cè)地震Lg震相Fig.4 Earthquakes on the West and East sides of the Ryukyu trench

1.4 臺灣及琉球地區(qū)Lg波的頻譜分析

地震信號數(shù)據(jù)是一種含有不同頻率的合成信號，有時(shí)需要根據(jù)地震數(shù)據(jù)中所含有的不同頻率成分，來判斷某一種震相的頻率分布特征及發(fā)育程度。通過對前文所選取的臺灣及琉球地區(qū)的四個(gè)地震事件中Lg波的頻譜進(jìn)行計(jì)算分析可知：由臺灣西部到東部、琉球北側(cè)到南側(cè)，Lg波的優(yōu)勢頻率呈遞減趨勢分布，如圖5所示。Lg波的頻率分布特征與Lg波在時(shí)域中震相分布特征是一致的。

圖5 臺灣及琉球地區(qū)Lg波頻譜對比分析Fig.5 Comparative Analysis of Lg Wave Spectrum in Taiwan and Ryukyu Region

2 其他臺站實(shí)測臺灣—琉球地區(qū)Lg震相記錄特征

由前述分析可知，大連地震臺記錄的臺灣—琉球地區(qū)地震Lg震相呈現(xiàn)如下特征：西部較東部發(fā)育、北部較南部發(fā)育，這一分布特征與Lg波的頻譜分析存在良好的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及Lg震相傳播的機(jī)理，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)是由琉球海溝、呂宋海槽的切斷效應(yīng)造成的：臺灣西部、琉球群島北部地震到大連地震臺的傳播路徑上雖然存在東海、黃河、渤海海峽等水域，但上述水域均為大陸架，本質(zhì)上仍屬于大陸地殼結(jié)構(gòu)，Lg震相得以傳播；臺灣東部、琉球群島南部地震到大連地震臺的傳播路徑上存在琉球海溝、呂宋海槽，本質(zhì)上屬于海洋地殼，花崗巖層被切斷，Lg震相的傳播路徑被阻斷，因此出現(xiàn)了Lg震相記錄特征的劇烈變化。如圖2所示，Lg震相隨空間變化的特征與地質(zhì)構(gòu)造取得了非常好的對應(yīng)關(guān)系。

2.1 驗(yàn)證性臺站Lg震相記錄特征

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，我們選取了國內(nèi)其他地區(qū)臺站的實(shí)測波形進(jìn)行分析驗(yàn)證。選取其他臺站的原則如下：相對于討論區(qū)盡量分布在較大空間范圍內(nèi)；位于可觀測到Lg震相的優(yōu)勢震中距范圍內(nèi)。基于上述原則，我們共選取了昆明、貴陽、重慶、西安、洛陽、太原、紅山、延邊、牡丹江共計(jì)9個(gè)臺站，并選取臺灣西部、臺灣東南海域、琉球群島北側(cè)、琉球群島南側(cè)4個(gè)地震事件，分析各個(gè)臺站的Lg震相記錄特征。上述臺站（含大連臺）、地震分布見圖6，其中實(shí)心五角星代表臺站，實(shí)心圓代表地震事件，最小震中距12.4°，最大震中距24.4°，由于時(shí)間跨度較大，各臺對每次地震事件的保存情況有所差異，因此實(shí)際共提取出32條地震記錄。

圖6 驗(yàn)證臺站與地震事件分布Fig.6 Identification Station and Distribution of Earthquake Events

通過對上述臺站的地震記錄分析發(fā)現(xiàn)，各臺所記錄的Lg震相發(fā)育情況與大連地震臺的記錄情況一致性很好，即臺灣西部地區(qū)的Lg震相較臺灣東部地區(qū)發(fā)育，部分臺站對臺灣東部地區(qū)的Lg震相甚至無明顯記錄；琉球海溝北側(cè)Lg震相較琉球群島南側(cè)發(fā)育，但延邊、牡丹江對琉球群島北側(cè)Lg記錄特征較弱，這可能是其部分傳播路徑經(jīng)過日本海所致，而日本海屬于海洋地殼。各臺對驗(yàn)證性地震事件的Lg震相記錄特征見表1。

表1 各臺站實(shí)測驗(yàn)證地震事件Lg震相發(fā)育情況

2.2 驗(yàn)證性臺站Lg震相特征分析結(jié)果

在分析昆明、牡丹江等其他臺站的實(shí)測波形時(shí)，有部分實(shí)測波形與統(tǒng)計(jì)規(guī)律存在差異，詳述如下：

（1）延邊、牡丹江臺對琉球群島北側(cè)的Lg震相記錄特征較弱，這可能是其傳播路徑經(jīng)過日本海所致，而日本海屬于海洋地殼；

（2） 昆明、貴陽、重慶臺對臺灣西部和臺灣東南海域兩次驗(yàn)證地震事件的Lg震相記錄特征差異不大。這可能是上述臺站對地震的傳播路徑大體與琉球海溝平行，切斷效應(yīng)不顯著所致；

（3）整體而言，Lg震相在臺灣西部到臺灣東部的變化幅度不及琉球群島北側(cè)到琉球群島南側(cè)顯著。這可能是呂宋海槽對Lg震相傳播的影響不及琉球海溝的影響顯著所導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

本文分析了大連地震臺實(shí)測的臺灣—琉球地區(qū)M6.0以上淺源地震的Lg震相發(fā)育情況。結(jié)果表明，該地區(qū)是Lg震相的優(yōu)勢震中距，但在較小的空間范圍內(nèi)，Lg震相呈現(xiàn)了明顯的空間分布變化：臺灣西部地區(qū)較臺灣東部地區(qū)Lg震相發(fā)育，琉球群島北側(cè)較琉球群島南側(cè)Lg震相發(fā)育，其變化趨勢劇烈。結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征及Lg震相的傳播機(jī)理，造成這一現(xiàn)象的根本原因是琉球海溝、呂宋海槽的切斷效應(yīng)。臺灣西部地區(qū)、琉球群島北側(cè)及傳播路徑均屬于大陸地殼，因此Lg震相得以順利傳播并被大連地震臺記錄下來，而臺灣東部地區(qū)、琉球群島南側(cè)屬于海洋地殼，琉球海溝、呂宋海槽使得海底地形迅速發(fā)生變化，Lg震相的傳播路徑被切斷，因此在實(shí)測中普遍不發(fā)育甚至無法記錄到。通過分析昆明、牡丹江等國內(nèi)較大空間范圍內(nèi)其他臺站的實(shí)測波形，上述結(jié)論得到了很好的驗(yàn)證。在實(shí)際工作中，可根據(jù)實(shí)測波形是否存在Lg震相迅速判斷地震事件較為精確的位置。