利用前驅(qū)波研究地幔間斷面的若干進(jìn)展

靳炎錫,秦滿忠,2,李少華,2

(1. 中國(guó)地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地球內(nèi)部間斷面的研究一直是地震學(xué)備受關(guān)注的科學(xué)問題[1]。了解在哪些深度存在間斷面以及間斷面的強(qiáng)弱、起伏形態(tài)和化學(xué)物理性質(zhì),對(duì)于建立客觀真實(shí)的地球模型及地幔對(duì)流形式的確定都具有重要的意義[2]。目前已知全球普遍存在410-km和660-km速度間斷面,對(duì)上地幔中這兩種速度間斷面的起伏形態(tài)、速度躍變的研究為地幔物理化學(xué)成分、溫度和合理的對(duì)流模型提供了重要的約束,研究表明間斷面與地幔物質(zhì)中橄欖石的多態(tài)相變有關(guān),這些間斷面的深度可能隨地幔溫度的橫向變化而變化[3]。

近年來,全球大量的地震學(xué)觀測(cè)使得地球上地幔的結(jié)構(gòu)變得更為清晰。地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上地幔具有層狀結(jié)構(gòu),上地幔的地震波速梯度陡峭,同時(shí)地震波速度和密度存在不連續(xù)的變化,即地幔間斷面。在地球科學(xué)界,普遍認(rèn)為全球在上地幔410 km和660 km深度處存在速度間斷面,在此深度處發(fā)生的變化主要涉及化學(xué)相變。礦物物理學(xué)解釋表明,410-km間斷面認(rèn)為是α相橄欖石向β相橄欖石轉(zhuǎn)變的結(jié)果,并且由熱力學(xué)研究得出,410-km間斷面的相變具有正的克拉珀龍斜率(即dP/dT),約為+2.5～+4.0 MPa/K[4-6],溫度較冷處,如冷的俯沖板塊會(huì)使410-km間斷面抬升,而在溫度較高的地區(qū),如洋中脊和地幔柱熱點(diǎn)區(qū)域會(huì)使410-km間斷面下沉[7]。而660-km間斷面表現(xiàn)為γ相尖晶石分解成鈣鈦礦和鎂鋁榴輝石[8-9],其間斷面的相變具有負(fù)的克拉珀龍斜率,約為-4.0～-0.5 MPa/K,冷的俯沖板塊會(huì)使660-km間斷面出現(xiàn)下沉[10],而洋中脊和地幔柱熱點(diǎn)區(qū)域會(huì)使660-km間斷面抬升。

多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的410-km間斷面有局部抬升和660-km間斷面的下沉[11-14]。Tibi等[14]研究了湯加俯沖帶410-km和660-km間斷面的起伏特征,發(fā)現(xiàn)410-km間斷面的起伏特征較為復(fù)雜,不能僅用橄欖石的相變來解釋,而660-km間斷面具有雙重下沉的特征,可能與該地區(qū)復(fù)雜的地震活動(dòng)有關(guān)。Flanagan等[15]在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)660-km間斷面的下沉與該地區(qū)的俯沖帶有關(guān),而410-km間斷面沒有明顯的深度變化。

除了上地幔存在410-km和660-km間斷面以外,一些學(xué)者在上地幔220～250 km、300 km等深度也發(fā)現(xiàn)了速度間斷面[16-17],300-km間斷面表現(xiàn)為柯石英石轉(zhuǎn)換為斯石英石[18],也有學(xué)者認(rèn)為此間斷面是斜方輝石轉(zhuǎn)換為單斜輝石形成的[19]。地震學(xué)家也成功地在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了上地幔520 km深度處的間斷面[20-22],520-km間斷面表現(xiàn)為β相尖晶石轉(zhuǎn)換為γ相尖晶石[15]。更有學(xué)者在一些地區(qū)下地幔800～900 km和1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km深度也觀測(cè)到了間斷面的存在[23-26]。

由于前驅(qū)波震相在參考震相之前到達(dá),可以避免其他震相的干擾,通過疊加大量觀測(cè)波形數(shù)據(jù)可以有效提取前驅(qū)波震相。許多地震學(xué)家利用SS震相的前驅(qū)波[27-34]、PP前驅(qū)波[35-40]、sP和pP震相的前驅(qū)波[41-46]、PKPPKP(P′P′)震相的前驅(qū)波[47-50]開展了全球地幔間斷面的研究工作,并對(duì)地幔間斷面的起伏形態(tài)特征做了詳細(xì)合理的解釋。本文收集整理了近些年來地震學(xué)者利用前驅(qū)波(S410S、S660S、P410P、P660P,sMP、pMP、s410P、p410P,PKP410PKP、PKP660PKP等)研究地幔間斷面的研究成果,并對(duì)不同參考震相[長(zhǎng)周期反射震相SS或PP、深震震相sP、pP和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)等]前驅(qū)波的特征、優(yōu)缺點(diǎn)及地幔間斷面的相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

1 不同反射震相的前驅(qū)波研究

在研究地震波的傳播過程時(shí),發(fā)現(xiàn)地震波在傳播時(shí)遇到不同深度的間斷面會(huì)發(fā)生反射或者轉(zhuǎn)換,從而產(chǎn)生不同的反射波或轉(zhuǎn)換波。比如SS、PP、sP、pP、PKPPKP等震相在410-km和660-km間斷面底部會(huì)產(chǎn)生S410S、S660S、P410P、P660P、s410P、p410P、PKP410PKP、PKP660PKP等反射或轉(zhuǎn)換震相[15,42,51],這些產(chǎn)生的新震相在參考震相之前到達(dá),因此叫做前驅(qū)波。通常來說,前驅(qū)波震相普遍較弱,振幅或能量很小,如pP震相的前驅(qū)波振幅不到pP震相的5%,SS震相的前驅(qū)波振幅僅為SS震相振幅的2%～5%,因此可以通過疊加多條地震觀測(cè)波形數(shù)據(jù)有效壓制噪聲,來達(dá)到清楚識(shí)別前驅(qū)波震相的目的,從而可以利用前驅(qū)波與參考震相的到時(shí)差來研究上地幔間斷面的起伏特征[52-54]。

1.1 SS和PP前驅(qū)波研究

SS震相是S波在地表發(fā)生一次反射并繼續(xù)以S波傳播到觀測(cè)臺(tái)站的震相。SS前驅(qū)波(SdS,其中d表示間斷面的深度)與SS震相具有相似的傳播路徑,其反射點(diǎn)在震源與觀測(cè)臺(tái)站之間地球內(nèi)部間斷面(如410-km、660-km等)的底部,由于前驅(qū)波傳播路徑較短,故早于參考震相SS到達(dá)觀測(cè)臺(tái)站(圖1),PP震相及其前驅(qū)波PdP也有相似的射線傳播路徑。

SS和PP前驅(qū)波是目前唯一在海洋和大陸區(qū)域都有顯著覆蓋的體波震相,具有長(zhǎng)周期的性質(zhì),且對(duì)弱的間斷面敏感,因此常用來探究1 200 km以上地幔間斷面的存在及特征。而且SS和PP前驅(qū)波走時(shí)與振幅對(duì)SS和PP反射點(diǎn)下方的結(jié)構(gòu)敏感,研究區(qū)域不受地震與臺(tái)站分布的局限,大大提高了對(duì)海洋等臺(tái)站分布稀疏地區(qū)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[7,55]。

圖1 SS震相及其前驅(qū)波SdS、PP震相及其前驅(qū)波PdP射線傳播路徑示意圖[其中星號(hào)代表震源位置,三角形代表接收臺(tái)站位置,藍(lán)色實(shí)線和藍(lán)色虛線分別為SS震相及其前驅(qū)波SdS射線傳播路徑,紅色實(shí)線和紅色虛線分別為PP震相及其前驅(qū)波PdP射線傳播路徑,d表示間斷面深度(如410 km、660 km等),0°、60°、120°、180°代表震中距,震源深度為30 km]Fig.1 Ray propagation paths of SS phase and its precursor wave SdS, and PP phase and its precursor wave PdP

Deuss等[31]使用SS前驅(qū)波(SdS)發(fā)現(xiàn)在海洋和大陸下方都存在Lehmann間斷面(220-km),并且在約260 km和310 km深度都觀測(cè)到較弱的間斷面。Rost等[36]采用短周期(1 Hz)臺(tái)陣數(shù)據(jù),利用PP的前驅(qū)波(PdP)研究了西北太平洋地區(qū)上地幔200-km間斷面,并發(fā)現(xiàn)該間斷面起伏變化明顯。Shearer等[56]利用PP前驅(qū)波在全球尺度觀測(cè)到了410-km間斷面,并發(fā)現(xiàn)410-km間斷面存在約30 km的起伏。An等[57]利用SS前驅(qū)波探測(cè)了太平洋東北部和加拿大西北部下方的間斷面,發(fā)現(xiàn)250～330 km、520 km、900～1 200 km深度范圍內(nèi)都存在一些較弱的反射體。Tian等[22]疊加了大量的SS前驅(qū)波數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)520-km間斷面是一個(gè)弱的全球性間斷面,而560-km間斷面只出現(xiàn)在特定的區(qū)域。Houser[33]利用SS的前驅(qū)波(S410S、S660S)發(fā)現(xiàn)410-km間斷面起伏與過渡帶內(nèi)的速度無關(guān),而660-km間斷面起伏變化與過渡帶內(nèi)的波速變化相關(guān)。Deuss[7]利用SS和PP的前驅(qū)波研究了上地幔不同深度的速度間斷面,發(fā)現(xiàn)410-km間斷面的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,520-km間斷面顯示出復(fù)雜的結(jié)構(gòu),而660-km間斷面在地震學(xué)和礦物物理學(xué)上都有更為復(fù)雜的特征,需要用橄欖石和石榴石的相變相結(jié)合來解釋其結(jié)構(gòu)。肖勇等[58]通過SS前驅(qū)波震相研究,發(fā)現(xiàn)阿留申—阿拉斯加俯沖帶西部410-km間斷面深度接近于全球平均值,而660-km間斷面出現(xiàn)明顯下沉,導(dǎo)致地幔過渡帶明顯加厚。

1.2 sP和pP等深震震相前驅(qū)波研究

sP是上行的S波到近地球表面發(fā)生反射并轉(zhuǎn)換成P波后到達(dá)觀測(cè)臺(tái)站的震相,pP是上行的P波到近地球表面發(fā)生反射到達(dá)觀測(cè)臺(tái)站的震相。其反射點(diǎn)在近源區(qū)速度間斷面(如Moho、LAB、410-km、660-km等)底部,在一些狹長(zhǎng)且深源地震分布密集的俯沖帶(如湯加—斐濟(jì)俯沖帶、馬里亞納俯沖帶等)利用pP、sP等深震震相的前驅(qū)波(sdP、pdP等,d為間斷面深度)來確定狹窄俯沖帶間斷面的橫向變化具有很大的優(yōu)勢(shì)。這些近源前驅(qū)波震相(sdP、pdP等)具有較小的菲涅爾區(qū),有利于對(duì)反射波和轉(zhuǎn)換波的識(shí)別,提高地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分辨率,因此可以更好地研究上地幔的間斷面結(jié)構(gòu)[52-53]。深源地震可以避免產(chǎn)生多次波和噪聲對(duì)研究震相的干擾,可以通過疊加大量地震觀測(cè)數(shù)據(jù)有效提取前驅(qū)波信號(hào),進(jìn)而得到前驅(qū)波與參考震相的到時(shí)差,計(jì)算轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的間斷面深度。通常使用N次根疊加方法[54,59]、PWD相位加權(quán)疊加法[60-61]來有效提取前驅(qū)波信號(hào)。

Schenk等[62]利用莫霍面反射的pP震相前驅(qū)波pMP,通過反射率方法計(jì)算了理論地震圖并與觀測(cè)波形進(jìn)行比較,得到地殼厚度和莫霍面的P波速度變化。并利用此方法對(duì)朝鮮北部地殼進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),從北到南約300 km,地殼厚度從27 km增加到32 km,同時(shí)莫霍面的速度變化量從1.3 km/s減少到0.9 km/s。Zheng等[63]利用pP、sP、sS在Moho反射的前驅(qū)波pMP、sMP和sMS研究了鄂霍次克海的地殼和上地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)鄂霍次克海大部分地區(qū)地殼厚度為19～25 km,并發(fā)現(xiàn)其下方上地幔頂部的vP/vS值在1.6～1.7之間,可能是由于地幔孔隙流體的存在和二氧化硅的富集造成了低vP/vS值的現(xiàn)象。Jia[64]等利用琉球弧大量的中深源地震,使用Moho底界面和殼內(nèi)界面反射的sP和pP前驅(qū)波研究了琉球弧下方地殼結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)沿著琉球弧Moho深度變化范圍為22～27 km,表明大陸地殼較薄,而在沖繩海槽之下地殼厚度從26 km向南逐漸減小到了15 km。崔清輝[46]利用sP震相與其在LAB底界面反射的前驅(qū)波sLABP走時(shí)差計(jì)算出反射點(diǎn)深度,發(fā)現(xiàn)南美中部地區(qū)從西到東LAB深度從60～63 km增加到了78～82 km,可能跟大陸巖石圈被改造的差異程度有關(guān)。

Gilbert等[65]利用pP前驅(qū)波研究了湯加—斐濟(jì)俯沖帶附近上地幔的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面在湯加俯沖板塊附近上升了30 km,660-km間斷面下降了20～30 km。Vidale等[66]利用pP震相及其前驅(qū)波對(duì)南美洲、湯加地區(qū)、小笠原地區(qū)和馬里亞納下方地幔結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)了410-km間斷面的局部抬升和660-km間斷面的局部下沉。Flanagan等[42]通過sS、sP和pP深震震相的前驅(qū)波研究觀測(cè)到湯加地區(qū)下方410-km間斷面橫向變化為33 km,并在410-km間斷面上方觀測(cè)到其他反射體的存在。蔣志勇等[2]利用前驅(qū)波sdP、pdP和轉(zhuǎn)換波SdP研究了鄂霍次克海下方的地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了410-km和660-km間斷面分別存在抬升和下沉現(xiàn)象,在鄂霍次克海北部俯沖板片穿透660-km間斷面并進(jìn)入下地幔,而在其南部俯沖板片停滯在660-km間斷面的上方。

圖2 sP及其前驅(qū)波s410P射線路徑示意圖(五角星代表震源位置,實(shí)線和虛線分別表示P波和S波。前驅(qū)波s410P為上行的S波在410-km間斷面底部反射并轉(zhuǎn)換的P波)Fig.2 Ray propagation paths of sP phase and its precursor wave s410P

1.3 PKPPKP(P′P′)前驅(qū)波的研究

PKPPKP震相又稱為P′P′波,是P波穿過地球外核到達(dá)地表經(jīng)過反射后再穿過地球外核最終到達(dá)觀測(cè)臺(tái)站的震相。Engdahl等[51]從多個(gè)地震事件波形中觀測(cè)到P′P′之前約150 s 處存在一個(gè)未知震相,將該震相解釋為650 km深度處間斷面的前驅(qū)波。與SS、PP、sP及pP等震相不同的是,P′P′波穿過地球外核,傳播路徑近似垂直,P′P′前驅(qū)波(PKPdPKP,d為間斷面的深度)只有在接近焦散點(diǎn)附近較小的震中距范圍(60°～75°)內(nèi)能夠被較好地觀測(cè)到[67]。P′P′前驅(qū)波攜帶有大量的高頻能量,同時(shí)射線入射方向近似垂直(圖3),這使得P′P′前驅(qū)波具有對(duì)間斷面結(jié)構(gòu)尤其是小尺度結(jié)構(gòu)非常敏感的特性,可用于研究間斷面是否尖銳等問題。Benz等[48]和Xu等[68]利用P′P′的前驅(qū)波P′410P′和P′660P′推斷印度洋、大西洋及南極洲地區(qū)下方410-km是一個(gè)漸變的間斷面(局部可能較為尖銳),而660-km是一個(gè)相對(duì)尖銳的間斷面,因此,P′410P′的振幅普遍弱于P′660P′,而且具有明顯的橫向差異,以至于 P′410P′只有在局部地區(qū)被觀測(cè)到。

圖3 PKPPKP及其前驅(qū)波PKPdPKP射線路徑示意圖[其中星號(hào)代表震源位置,三角形代表接收臺(tái)站位置,紅色實(shí)線和紅色虛線分別為PKPPKP震相及其前驅(qū)波PKPdPKP的射線傳播路徑,d表示間斷面的深度(如410 km、660 km等),0°、70°代表震中距,震源深度為30 km]Fig.3 Ray propagation paths of PKPPKP phase and its precursor wave PKPdPKP

Whitcomb等[47]利用P′P′前驅(qū)波觀測(cè)到了地幔中不同深度(280 km、410 km、520 km、630 km、940 km及1 250 km等)的間斷面。Adams[67]利用P′P′前驅(qū)波研究了南極洲東部地區(qū)下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)420 km和650 km深度處都存在明顯的反射體。Nakanishi[69]利用P′P′前驅(qū)波發(fā)現(xiàn)在靠近大西洋中脊地區(qū)下方660 km深處存在著一個(gè)尖銳的間斷面。Xu等[70]利用P′P′的前驅(qū)波研究了非洲南部下方的上地幔間斷面,并發(fā)現(xiàn)了明顯的410-km間斷面和660-km間斷面。Wu等[50]使用P′P′前驅(qū)波研究表明玻利維亞地區(qū)下方410-km間斷面比較平坦,而660-km間斷面存在小尺度的起伏,這一結(jié)果支持地幔混合對(duì)流模型。Schultz等[71]對(duì)P′P′前驅(qū)波發(fā)展了一種基于反卷積、疊加、Radon變換和深度遷移的新型處理方法,并用此方法研究了納斯卡南美俯沖帶下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面與橄欖石和石榴石的相變有關(guān),而660-km間斷面存在下沉。

2 利用其他震相對(duì)地幔間斷面的研究

除了本文提到的SS、PP、sP、pP、PKPPKP(P′P′)等震相的前驅(qū)波,還有一些學(xué)者利用其他震相與不同的方法對(duì)地幔間斷面進(jìn)行了研究,包括SdP轉(zhuǎn)換波、核幔界面反射震相(ScS和ScP)、三重震相及接收函數(shù)等。

2.1 SdP轉(zhuǎn)換波

SdP轉(zhuǎn)換波是下行的S波在近源區(qū)地幔間斷面處(d為間斷面深度)轉(zhuǎn)換成下行的P波,震源與地幔間斷面之間距離較短,可用于研究震源下方地幔間斷面的起伏特征(圖4)。Chen等[17]使用N次根疊加方法提取SdP轉(zhuǎn)換波并對(duì)湯加地區(qū)地幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示在230 km存在一個(gè)平坦的速度間斷面,這表明湯加地區(qū)下方的Lehmann間斷面有逐漸下沉趨勢(shì)且沒有明顯的起伏波動(dòng)。謝彩霞等[16]利用SdP轉(zhuǎn)換波發(fā)現(xiàn)在湯加地區(qū)300 km左右存在一個(gè)明顯的速度間斷面,且該間斷面的起伏程度強(qiáng)于410-km間斷面。Cui等[72]利用寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)到的SdP轉(zhuǎn)換波研究了興都庫什—帕米爾地區(qū)下方的410-km間斷面,發(fā)現(xiàn)在興都庫什下方410-km間斷面平均深度為375 km,在帕米爾下方410-km間斷面平均深度為395 km,與IASP91模型相比,該地區(qū)410-km間斷面的隆起幅度更大,并認(rèn)為410-km間斷面的隆起可能是由于冷俯沖板片的下穿引起的。Richards等[41]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究了湯加—斐濟(jì)俯沖帶下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)湯加北部下方660-km間斷面的深度在660～680 km之間,湯加南部下方660-km間斷面的深度在660～700 km之間。Zhou等[44]利用下行轉(zhuǎn)換波SdP研究了Izu—Bonin地區(qū)下方660-km間斷面的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)北部地區(qū)670 km、710 km和730 km深度有三個(gè)明顯的間斷面,南部地區(qū)下方只有700 km和740 km兩個(gè)深度存在間斷面。Li等[73]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究了我國(guó)東北地區(qū)俯沖帶對(duì)660-km間斷面的影響,俯沖帶的下邊界與660-km間斷面相連。從研究區(qū)域向西,660-km間斷面受冷的俯沖帶的影響逐漸加深,研究區(qū)東部660-km間斷面較為平緩,沒有表現(xiàn)出受俯沖帶的明顯影響。Kawakatsu等[23]利用SdP轉(zhuǎn)換波研究發(fā)現(xiàn)湯加俯沖帶下方920 km處存在間斷面,在日本和弗洛雷斯海的俯沖帶下方同樣存在明顯間斷面,研究認(rèn)為920-km間斷面是一個(gè)化學(xué)界面,而660-km間斷面是一個(gè)相變界面。

圖4 轉(zhuǎn)換波S410P射線路徑示意圖(五角星代表震源位置,實(shí)線和虛線分別表示P波和S波。轉(zhuǎn)換波S410P為下行的S波在410-km間斷面轉(zhuǎn)換的P波)Fig.4 Ray propagation path of the converted wave S410P

2.2 核幔界面反射震相(ScS和ScP)

ScS和ScP 震相都是核幔界面反射震相(圖5)。其中ScS震相是S波在核幔界面發(fā)生反射產(chǎn)生的震相,ScSScS(ScS2)震相是ScS震相再次在核幔界面發(fā)生反射產(chǎn)生的震相。ScP震相是S波在核幔界面發(fā)生反射并轉(zhuǎn)換成的P波,利用ScS及ScP震相可以研究下地幔間斷面及核幔邊界速度結(jié)構(gòu)。Revenaug等[74]利用ScS 震相多次反射波在日本海、黃海和亞洲最東部下方探測(cè)到410-km間斷面頂部低速層的存在。Courtier等[75]利用ScS震相研究了塔斯曼海和珊瑚海(Tasman and Coral Seas)下方的地幔結(jié)構(gòu),并在410-km間斷面上方觀測(cè)到低速層的存在,其平均深度為352 km。Kato等[76]利用ScS震相研究了日本下方的地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)660-km間斷面下沉了約10 km,而410-km間斷面沒有明顯變化。Wang等[77]利用ScS震相研究了日本海及其鄰近地區(qū)下方地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)660-km間斷面下沉了10～20 km,這種下沉可能是太平洋俯沖板片造成的。Roth等[78]通過ScS震相發(fā)現(xiàn)了湯加俯沖帶下方西部地區(qū)660-km間斷面下沉了約30 km。Li等[79]利用ScS震相在太平洋大型低速區(qū)(LLVP)的北緣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型超低速帶(ULVZ)。

Castle等[25]通過對(duì)ScP震相在阿拉斯加地區(qū)和墨西哥灣下方1 800 km到核幔邊界(CMB)之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的速度間斷面。Rost等[80]利用ScP震相研究了在湯加—斐濟(jì)和澳大利亞之間的CMB的結(jié)構(gòu),表明CMB上方存在一個(gè)超低速帶(ULVZ),其厚度約5～20 km。Garnero等[81]利用ScP震相研究了西南太平洋下方地幔底部的結(jié)構(gòu),證實(shí)有ULVZ的存在。Persh等[82]利用加利福尼亞州北部和南部地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)未提取到與ULVZ相關(guān)的前驅(qū)波信號(hào),在前驅(qū)波應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)間窗內(nèi),發(fā)現(xiàn)核幔邊界(CMB)的反射震相(PcP和ScP)疊加振幅比前人所提出的ULVZ模型預(yù)測(cè)的振幅低。

圖5 ScS、ScS2、ScP、PcP震相傳播路徑示意圖(黑色虛線代表ScS及ScS2震相,紅色虛線及實(shí)線代表ScP震相,藍(lán)色實(shí)線代表PcP震相)Fig.5 Ray propagation paths of ScS,ScS2,ScP, and PcP phases

2.3 三重震相

地震波經(jīng)過不同速度間斷面時(shí)由于速度跳變?cè)谀承┱鹬芯鄷?huì)產(chǎn)生“三重震相”(圖6),三重震相分別對(duì)應(yīng)間斷面之上的直達(dá)波(AB)、 間斷面處的廣角反射波(BC)和穿透到間斷面之下的折射波(CD),其到時(shí)差和振幅比對(duì)間斷面附近的速度結(jié)構(gòu)敏感,因此,利用P波和S波的三重震相可以研究不同地區(qū)地幔過渡帶的速度結(jié)構(gòu)[83]。李國(guó)輝等[84]基于P波三重震相研究了揚(yáng)子克拉通地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)410-km間斷面上方存在低速層,并對(duì)其成因進(jìn)行了分析討論。崔輝輝等[83]研究了華北克拉通東部660-km間斷面附近的P波速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)華北克拉通東部660-km間斷面下沉約15～20 km。呂苗苗等[85]利用P 波三重震相對(duì)華南地區(qū)上地幔間斷面進(jìn)行了研究,得出660-km間斷面下沉約11 km,可能與后尖晶石相變的克拉珀龍斜率為負(fù)有關(guān)的結(jié)論。王秀姣等[86]研究了西北太平洋俯沖地區(qū)410-km間斷面,研究結(jié)果表明410-km 間斷面上方存在厚約(47±14) km,異常值約2%的低速層,橫向展布近700 km。李嘉琪等[87]對(duì)千島俯沖板塊內(nèi)部及附近410-km間斷面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性反演,研究結(jié)果表明410-km間斷面在研究區(qū)域有著不同程度的抬升(10～70 km),但俯沖帶內(nèi)部似乎不存在大量的亞穩(wěn)態(tài)橄欖石。Li等[88]研究了千島地區(qū)410-km間斷面及俯沖板塊的結(jié)構(gòu),得到了410-km間斷面的深度為(420±15) km,在410-km間斷面下方50～70 km的深度為俯沖板塊上界面的結(jié)論。

圖6 P波三重震相傳播路徑示意圖(AB、BC、CD分別代表直達(dá)波、反射波和折射波)Fig.6 Ray propagation paths of the P-wave triplications

2.4 接收函數(shù)方法

接收函數(shù)方法主要基于遠(yuǎn)震P波或S波近似垂直入射的特點(diǎn),利用其在臺(tái)站下方間斷面處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波(Ps、 Sp 等)研究臺(tái)站下方地殼和上地幔間斷面(Moho、LAB、410-km、660-km等)的速度結(jié)構(gòu)(圖7)。Heit等[89]利用S波的接收函數(shù)方法研究發(fā)現(xiàn)南美地區(qū)LAB深度約為50～160 km,而Moho從大陸海岸下方的18 km逐漸變深到安第斯地區(qū)下方的80 km。Vinnik等[90]利用P和S波接收函數(shù)方法發(fā)現(xiàn)芬蘭地區(qū)LAB深度在160 km。薛光琦等[91]利用S波接收函數(shù)方法研究了青藏高原西部下方上地幔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)位于塔里木巖石圈和青藏高原巖石圈匯聚處下方200 km深度存在S波低速異常。Zhu等[92]用P-S轉(zhuǎn)換震相接收函數(shù)反演得出南加州地區(qū)Moho深度為21～37 km。Li等[93]用P-S轉(zhuǎn)換震相接收函數(shù)研究了北美克拉通區(qū)域東緣的地幔間斷面,清楚地觀測(cè)到了270～280 km深度的間斷面。吳慶舉等[94]利用遠(yuǎn)震體波偏移疊加方法,研究發(fā)現(xiàn)在西藏南部下方存在一個(gè)傾斜界面,自100 km深度由南向北俯沖到410-km間斷面附近,說明印度—?dú)W亞板塊在碰撞時(shí)地殼(上巖石圈)與上地幔巖石圈拆離后向更深的亞歐上地幔俯沖。Ai等[12]采用P波接收函數(shù)對(duì)中國(guó)東北地區(qū)660-km間斷面進(jìn)行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)660-km間斷面在128.0°～130.5°E、40.0°～44.0°N區(qū)域內(nèi)下沉,并在周圍地區(qū)呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài),推測(cè)可能是由于上地幔和俯沖板塊之間的相互作用導(dǎo)致了這種現(xiàn)象。Cui等[95]在天山地區(qū)使用P波接收函數(shù),發(fā)現(xiàn)在造山過程中地殼存在不同程度的增厚現(xiàn)象,認(rèn)為熱地幔物質(zhì)上涌使得殼內(nèi)發(fā)生部分熔化從而導(dǎo)致了地殼的增厚。

圖7 P波接收函數(shù)射線傳播路徑示意圖Fig.7 Ray propagation path of the P-wave receiver function

3 總結(jié)與展望

隨著全球地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的極大豐富,地震學(xué)家利用不同震相[長(zhǎng)周期反射震相SS或PP、深震震相sP、pP和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)等]的前驅(qū)波、SdP轉(zhuǎn)換波、核幔界面反射震相(ScS和ScP)及三重震相及接收函數(shù)等方法全面研究了全球上地幔間斷面結(jié)構(gòu)。由于前驅(qū)波震相在參考震相之前到達(dá),可以避免其他震相的干擾,通過疊加大量觀測(cè)波形數(shù)據(jù)可以有效提取前驅(qū)波震相,是研究全球地幔間斷面結(jié)構(gòu)的重要手段。本文闡述了不同震相前驅(qū)波(S410S、S660S、P410P、P660P,sMP、pMP、s410P、p410P,PKP410PKP、PKP660PKP等)的研究成果,并對(duì)不同震相前驅(qū)波的特征進(jìn)行歸納總結(jié):

(1) SS和PP具有長(zhǎng)周期震相特征,其反射點(diǎn)在震源和接收臺(tái)站位置的中心點(diǎn)附近,SS和PP前驅(qū)波走時(shí)與振幅對(duì)SS和PP反射點(diǎn)下方的結(jié)構(gòu)敏感,受地震和臺(tái)站的空間分布局限性較小,可以提高海洋等臺(tái)站分布稀疏地區(qū)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。SS和PP前驅(qū)波的振幅還可以約束間斷面(410-km、660-km)兩側(cè)的速度、密度比值。SS前驅(qū)波研究適用于震中距110°～170°之間(在這個(gè)范圍內(nèi)受其他震相干擾較少),且對(duì)弱間斷面很敏感,因此常用來研究1 200 km以上地幔間斷面的結(jié)構(gòu)特征,但其前驅(qū)波橫向分辨率較低。PP前驅(qū)波的觀測(cè)較為困難,其受到其他震相的干擾較為嚴(yán)重,故而較難觀測(cè)到P410P、P660P等前驅(qū)波 。

(2) sP和pP是遠(yuǎn)震深震震相,其反射點(diǎn)在近源區(qū)速度間斷面(如Moho、LAB、410-km及660-km等)底部,其前驅(qū)波具有較小的菲涅爾區(qū),對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分辨率較高。sP和pP前驅(qū)波研究一般適用于震中距在70°～95°之間的中、深源遠(yuǎn)震(此范圍內(nèi)其前驅(qū)波能被更好地提取),在狹窄俯沖帶(如湯加—斐濟(jì)俯沖帶、馬里亞納俯沖帶等)間斷面的橫向變化研究具有很大的優(yōu)勢(shì)。

(3) PKPPKP(P'P')震相具有高頻(可達(dá)1 Hz)特征，同時(shí)射線入射方向近似垂直，有近乎對(duì)稱的菲涅爾區(qū)，橫向分辨率大，對(duì)間斷面結(jié)構(gòu)和小尺度結(jié)構(gòu)非常敏感。P′P′波穿過地球外核,傳播路徑近似垂直,其前驅(qū)波只有在接近焦散點(diǎn)附近較小的震中距范圍(60°～75°)內(nèi)能夠被較好地觀測(cè)到,可對(duì)間斷面的精細(xì)特征進(jìn)行分析,如判斷間斷面是否尖銳等。但在對(duì)地幔間斷面的多數(shù)研究中,P′410P′的振幅普遍弱于P′660P′,而且具有明顯的橫向差異,P′660P′比P′410P′更能清晰地被識(shí)別,在局部地區(qū)才能觀測(cè)到P′410P′。

地震學(xué)者們通常認(rèn)為410-km間斷面的形成是由橄欖石(Olivine)α相到β相的相變?cè)斐?660-km間斷面是γ相橄欖石(Ringwoodite)到鈣鈦礦(Perovskite)和鎂方鐵礦(Magnesio-Wustite)的相變?cè)斐傻摹?10-km和660-km間斷面的起伏并非僅如巖石實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)單一相關(guān)性,可能與溫度及化學(xué)物質(zhì)成分都有關(guān),410-km的起伏主要成因?yàn)橄嘧?而660-km界面則不完全是相變面,還有一部分區(qū)域是化學(xué)變化,并且由于俯沖帶的存在會(huì)引起溫度和物質(zhì)變化,從而影響地幔間斷面。地震學(xué)者們?cè)诓煌貐^(qū)的不同深度(220～250 km、300～350 km、520 km,560 km、800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km和2 400 km)發(fā)現(xiàn)了地幔間斷面。

盡管許多地震學(xué)者們對(duì)地幔間斷面的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,但對(duì)特殊區(qū)域(如狹窄的俯沖帶、海洋區(qū)域和觀測(cè)臺(tái)站分布稀疏區(qū)域等)地幔間斷面精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果還存在一定分歧。因此,隨著地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的不斷積累,技術(shù)方法的不斷創(chuàng)新,綜合研究區(qū)域不同深度的速度間斷面、地震分布和觀測(cè)臺(tái)站的位置等信息,結(jié)合不同震相前驅(qū)波、反射波和轉(zhuǎn)換波特征研究地幔間斷面精細(xì)結(jié)構(gòu),探討地幔間斷面結(jié)構(gòu)與溫度、水含量、礦物相變及俯沖板塊的影響等因素,并與礦物物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)和地球化學(xué)等學(xué)科開展交叉融合研究,對(duì)于正確理解地球內(nèi)部溫度分布特征和化學(xué)結(jié)構(gòu),確定地幔間斷面成因及地幔對(duì)流模式等地球動(dòng)力學(xué)問題具有重要的意義。