當涂地震站地方震Sc震相分析及康拉德面特征

陳江琴

1）中國安徽 233500 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站

2）中國安徽 243000 馬鞍山市應急管理局（地震局）

0 引言

地震波在傳播過程中，攜帶著大量來自震源及傳播路徑上的地球內部構造信息。研究地震波的性質、特征，是研究地殼結構的有效辦法（董奇珍等，1989），而震相分析對深入研究地球內部構造和探查地震活動規律具有重要意義（陳祥開等，2018）。有學者在地震觀測中發現地殼中存在康拉德面及其反射波，并用于地震研究，如：董奇珍等（1989）在甘肅成縣爆破中發現來自地殼中間界面的反射波PD、SD，且較其他界面反射波阻抗大、反射力強；郭曉然等（2016）在西沙地塊地殼中也發現了康拉德面反射波Pc；許健生等（1999）利用蘭州地震臺記錄的永登地區17 個地震的康拉德面反射波Sc 走時特性，測算出該地區地殼中間層深度為（24.9±2.0）km；郭杰等（2013）利用河南濮陽地震臺記錄，觀測到康拉德面反射波Pc，并認為對于震中距約40 km 的地震，地震臺站可清晰記錄到康拉德面反射波。

康拉德面是指地殼內花崗巖與玄武巖的分界面，其存在與否與研究區地殼結構及其形成和演化的歷史密切相關。由于康拉德面是不連續面，在地震觀測中來自該面的震相記錄并不常見，且易被誤認為來自莫霍面，不僅影響地震定位結果，還嚴重影響對地殼內部結構的認識。

胡德昭等（1989）發現，中國東南部地區地殼內廣泛存在康拉德面，其分布深度由內陸向沿海逐漸變淺。戚浩等（2012）在安徽地震臺網地方震記錄中發現了來自康拉德面的Pb震相，鄭曄等（1989）在隨縣—馬鞍山人工源地震探測資料中發現馬鞍山—六安剖面上存在Pb 震相，進一步驗證了安徽地區地殼中應存在康拉德面。馬鞍山測震臺網囊括安徽省8 個地震臺站（臺站代碼CHZ、HEF、HSH、MAS、DTT、TOL、JIX、WHU）和江蘇省3個地震臺站（臺站代碼GC、LSH、LY），可記錄馬鞍山地區ML1.0 以上地震。安徽省馬鞍山市和蕪湖市地處長江南岸，地質構造分區屬下揚子斷塊，位于郯廬斷裂帶東側、揚州—銅陵地震帶中段。對于該區發生的地震，在滿足一定條件下，馬鞍山測震臺網可記錄到康拉德面上的反射波。文中采用當涂地震站對2016 年蕪湖市弋江區ML2.1 地震的數據記錄，分析Sc 震相特征，并利用馬鞍山測震臺網記錄的6 個具有Sc 震相的典型震例，分析康拉德面特征，為地震研究和地球深部構造研究提供參考。

1 Sc 震相判定

據安徽地震臺網測定，2016 年2 月13 日4 時17 分58 秒蕪湖市弋江區發生ML2.1 地震，震源深度8 km，當涂地震站（震中距Δ=43.75 km）清晰記錄到此次地震波形，且Pg、Sg 震相到時確定，見圖1。由圖1 可見Pg、Sg 及i 三個明顯震相，其中i 震相位于Sg 波段后，見圖1 中方框所示，其振幅比Sg 振幅大，而周期相近。

圖1 2016 年2 月13 日4 時17 分蕪湖市弋江區ML 2.1 地震波形Fig.1 The waveform of the ML 2.1 earthquake in Yijiang District,Wuhu City at 4:17 on February 13,2016

圖1 所示地震波似雙震波形，由馬鞍山測震臺網波形記錄可知當地未發生雙震，排除雙震可能。因地方震無面波，僅產生直達波和反射波，由此確定該不明震相應為橫波反射波。一般，莫霍面上的反射波在震中距70—80 km 時達到全反射，但此次地震距當涂地震站43.75 km，表明地震波在更小距離上發生了全反射，說明反射波走時縮短，由此推斷出在莫霍面上方存在一個使地震波發生全反射的界面，且該界面波阻抗大、上下面速度對比強、反射力強。

設震源距地面距離為h，臺站與震中距離為Δ，地面與莫霍面距離為H，與莫霍面上方的中間界面C 的距離為HC。臺站接收的直達波為Pg、Sg，來自莫霍面的反射波為PmS、SmS，來自地殼中間界面的反射波為Pc、Sc，則直達波和反射波傳播路徑見圖2。

圖2 直達波和反射波的傳播路徑示意Fig.2 Schematic illustration of the propagation path of direct and reflected waves

直達波走時方程為

莫霍面上反射波走時方程為

假設該不明震相為莫霍面上的反射波，因震中距Δ＜48.96 km，由安徽地震臺站所用華南走時表可知無對應走時，可按照安徽地區地殼一維速度最優模型（謝石文等，2016）（該模型更符合安徽地區實際情況）計算該該震相走時。該模型地殼中間面上層的vPg=6.14 km/s，vSg=3.57 km/s，中間地殼深19 km，莫霍面上層的vPg=6.60 km/s，vSg=3.84 km/s，莫霍面深34 km，將Δ=43.75 km、h=8 km 代入式（1）、（2），計算得到tPg=7.24 s、tSg=12.46 s。由式（3）、（4）計算得到tPmP=11.25 s、tSmS=19.34 s。利用震相實際到時與發震時刻的差值，計算得到各震相實際走時為：tPg=7.04 s、tSg=12.23 s、ti=16.7 s。則莫霍面理論走時與實際走時差為：ΔtPg=0.20 s，ΔtSg=0.23 s，ΔtSmS=2.64 s。由于地下地質結構和地震射線路徑的差異，直達波走時差0.20 s 和0.23 s 均在正常范圍內，而莫霍面反射波走時比實際走時長2.64 s，差值太大，說明該不明震相的反射界面不應為莫霍面，而是深度比莫霍面更淺的界面。

在華南走時表中，震中距Δ=39.96 km 時即有對應的康拉德面反射波走時。為此，查詢華南走時表可知：tPg=7.39 s，tSg=12.53 s，tPc=9.64 s，tSc=16.39 s，與實際走時差分別為：ΔtPg=0.35 s，ΔtSg=0.30 s，ΔtSc=-0.31 s，可見差值0.31 遠小于2.64。地下地質結構復雜，參與計算的速度值和深度值均為平均值，并非絕對精確值，且走時表并非絕對適合本地區地殼結構，對于某次地震而言，其地震波的實際走時和理論走時不可能絕對吻合，由此推斷該不明震相i 為地殼中間層界面反射波更恰當。

2 反射縱波位置確定

近震震相一般成對出現，但在該地震波形圖上未觀測到明顯縱波反射波，究其原因可能是：①縱波反射波不發育；②縱波反射波可能在Sg 波之后到達，與直達橫波震相混在一起難以區分。當震中距達到一定距離時，反射縱波在直達橫波之前出現，小于該距離則被淹沒在直達橫波里，此距離即為干擾距離Δ′，即縱波反射波走時與直達橫波走時相等時的震中距。直達橫波Sg 和縱波反射波P反射走時曲線見圖3，可見：當Δ＜Δ′時，P反射在Sg 之后出現；當Δ＞Δ′時，P反射在Sg 之前出現；當Δ=Δ′時，有tSg=tPmP，則由式（2）、（3）可得

圖3 直達橫波Sg 和縱波反射波P反射走時曲線Fig.3 Travel time curves of direct shear wave Sg and reflected longitudinal wave P

因Δ=Δ′，則有

由式（5）可知，干擾距離Δ′與反射界面深度H、震源深度h及波速有關。當H=34 km（莫霍面深度）、h=8 km、vSg=3.57 km/s、vP反射=6.60 km/s 時，Δ′=41.77 km；當H=19 km（康拉德面深度）、h=8 km、vSg=3.57 km/s、vP反射=6.14 km/s 時，Δ′=19.05 km。而當涂地震站震中距Δ=43.75 km ＞ 41.77 km ＞ 19.05 km，因此，莫霍面或康拉德面的縱波反射波，均在直達波之前到達，也就是說，不明震相到時在直達橫波之前。

由圖1 所示波形可見縱波反射波不明顯，將波形進行W.A.仿真，結果見圖4，可見NS 向波形在到時04:18:7.16 處可見較大波動，如圖4 箭頭所指，垂直向波形在該處同樣可見較大振幅，計算得到該震相走時為9.16 s，查詢華南走時表可知Pc 震相走時為9.64 s，二者相差0.48 s，可見兩震相走時相近，且上述已知莫霍面縱波反射波走時為11.25 s，與實際走時相差2.09 s。由此推斷此處應為Pc 震相。

圖4 仿真后地震波形Fig.4 Seismic waveforms after simulation

3 康拉德面特征分析

3.1 選取數據

由于Sc 波比Sg 波到時晚，其波形多淹沒在Sg 波里，導致清晰的Sc 波初動較少見。除蕪湖市弋江區地震外，筆者在馬鞍山測震臺網記錄中統計得到5 個Sc 波初動較清晰的震例，地震參數見表1。利用6 個地震的Sc 震相參數，分析康拉德面特征。受篇幅所限，只給出其中3 個地震的波形，見圖5。

表1 6 個含Sc 震相的地震參數Table 1 Parameters of 6 earthquakes with the Sc seismic phase

圖5 3 個震例波形（a）2020 年12 月25 日17:54:56 南京江寧地震；（b）2018 年12 月26 日16:16:18 滁州定遠地震；（c）2017 年11 月1 日23:43:31 常州溧陽地震Fig.5 Waveforms of three earthquakes

3.2 康拉德面特征

6 個地震的Sc 波到時清晰，根據表1所列走時和震中距，設Δ2=y，t2=x，v2=a，-（2H-h）2=b，采用式（4），利用最小二乘法擬合，得到b=-1 272.6、v=3.59 km/s，擬合結果見圖6，可得擬合關系如下

圖6 6 個震例的Sc 震相t2—Δ2 擬合圖Fig.6 The t2—Δ2 fitting diagram of the Sc seismic phase of 6 earthquakes

所得波速v=3.59 km/s 與謝石文等（2016）所得安徽地區地殼中間面上層的橫波速度3.57 km/s 基本一致。根據b值和h值，計算得到每個震例對應的康拉德面深度HC：20.35 km、21.85 km、22.85 km、20.85 km、21.85 km、23.85 km（表1），與滕吉文等（1985）測算的馬鞍山—常熟間康拉德面深度（HC=22.38 km）距離接近，與謝石文等（2016）計算的安徽地區地殼中間層深度（HC=19 km）亦相差不大。由圖6 可見，6 個地震擬合效果較好，數據點均位于擬合直線上或附近，說明6 個Sc 波均為來自地殼同一個層面的反射波。

4 結論

通過對馬鞍山測震臺網記錄的近震波形進行分析，可以得出以下結論。

（1）地方震震中距在達到70—80 km 時，常會出現振幅較大的莫霍面反射波。但是，當地方震震中距在40 km 上下時，也可能出現振幅較大的康拉德面反射波。

（2）就安徽地區而言，一般震源深度在10 km 左右，當震中距約小于41 km 時，來自莫霍面的反射縱波PmP 比直達橫波到時晚，其震相容易淹沒在Sg 震相中，大于該震中距時，PmP 震相將在Sg 震相前出現。對于存在上地殼的地區，當震中距小于19 km 時，康拉德面反射波Pc 震相比直達橫波Sg 震相到時晚，大于該震中距時，則Pc 波到時早。當震中距大于干擾距離時，Sg震相前會出現一個縱波反射波，其振幅比Pg震相大，但比Sg震相小。

（3）通過對6 個地震波形記錄中初動較清晰的Sc 波走時進行擬合，得出：地殼中間面上橫波速度為3.59 km/s，康拉德面深度HC在20.35—23.85 km 之間。由2016 年2 月13日蕪湖市弋江區ML2.1 地震記錄，得出HC=21.85 km，證明該不明震相（橫波反射波）為康拉德面反射波。

研究分析過程得到審稿專家的悉心指導，并得到安徽省地震局隆愛軍工程師的幫助，在此表示衷心的感謝。