秦滿忠 張元生 沈旭章 魏從信

1）中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所

2）中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

小孔徑臺陣垂直分量P波接收函數(shù)研究及應(yīng)用＊

秦滿忠1）張元生1，2），沈旭章1，2）魏從信1，2）

1）中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所

2）中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

嘗試用垂直分量P波接收函數(shù)技術(shù)，分離莫霍面多次反射透射震相PpPmp，以此確定臺陣下方的地殼厚度.利用蘭州小孔徑臺陣記錄的16次深遠地震資料，分離了PpPmp震相，根據(jù)其到時計算臺陣下方的地殼厚度約（51.6±1.8）km，與前人研究結(jié)果一致.

垂直分量 接收函數(shù) PpPmp震相 蘭州地震臺陣 反褶積

引言

遠震P波震相之后約100s以內(nèi)的波形數(shù)據(jù)中包含了臺站下方地殼、上地幔間斷面所產(chǎn)生的P－S轉(zhuǎn)換震相和多次反射透射震相（如PmsPms、PmpPms和PpPmp等），這些震相攜帶了深部結(jié)構(gòu)的信息，是研究臺站下方速度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)資料.由此產(chǎn)生的接收函數(shù)方法（Langston，1979；Owenset al，1984）已被廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)或者全球地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)的研究中，并取得了較多具有重要科學(xué)意義的結(jié)果（Owenset al，1984；劉啟元等，1997a，b，2000）.

傳統(tǒng)的3分量接收函數(shù)，主要通過研究P－S轉(zhuǎn)換波震相（Ps）及其多次波震相來確定地殼厚度（吳慶舉，曾融生，1998；Wuet al，2007；Zhu，Kanamori，2000），或者反演地殼上地幔的速度結(jié)構(gòu).

隨著臺陣觀測資料的積累，目前出現(xiàn)了利用單分量臺陣資料計算接收函數(shù)的方法（Langston，Hammer，2001）.該方法原理簡單，可以有效分離出多次反射透射震相PpPmp.該震相走時與S波速度、波速比無關(guān)，只取決于P波速度和地殼厚度.因此，該方法與3分量接收函數(shù)方法相比，在確定地殼厚度方面具有一定優(yōu)勢.

Yu和Schuster（2001）以及Sheng等（2003）指出，PpPmp震相在自由表面的反射點可以看作是一個實際的源，因此我們可以用PpPmp震相來構(gòu)建P波垂直分量接收函數(shù)（圖1）.傳統(tǒng)的接收函數(shù)主要使用水平分量中的P－S轉(zhuǎn)換波震相（如Ps），而單分量P波接收函數(shù)主要用垂直分量中的PpPmp震相.Tseng和Chen（2006）將該方法應(yīng)用于南印度地區(qū)，成功分離出了PpPmp震相，與該區(qū)域已有的研究結(jié)果較為一致.

本文應(yīng)用蘭州臺陣的9個子臺的垂直分量遠震數(shù)據(jù)資料，通過單分量臺陣P波接收函數(shù)分離了莫霍面多次波震相PpPmp，根據(jù)該震相與直達P波的走時差計算了蘭州臺陣下方的地殼厚度.

1 垂直分量P波接收函數(shù)

傳統(tǒng)的徑向分量和橫向分量接收函數(shù)是通過徑向分量和橫向分量各自與垂直分量做反褶積.這將有效地消除遠震的震源時間函數(shù)，突出P－S轉(zhuǎn)換波震相（Ps），且不同地震事件的接收函數(shù)可以進行直接對比疊加（Langston，1979）.該方法同時也消除了存在于垂直分量之中的相關(guān)P波多次波（如PmsPms、PmpPms和PpPmp等）重要信息.而垂直分量P波接收函數(shù)可以通過垂直分量與震源時間函數(shù)的反褶積，將原本存在于垂直分量中能量比較弱的P波多次波信息突出，有利于研究單臺或臺陣下方的殼－幔結(jié)構(gòu).該方法原理如下：

在時間域，垂直分量遠震P波波形數(shù)據(jù)可表示為儀器響應(yīng)、震源時間函數(shù)及介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的卷積

式中，D（t）表示遠震垂直分量P波波形記錄，I（t）表示儀器的脈沖響應(yīng)，S（t）表示入射平面波的有效震源時間函數(shù)，E（t）表示介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng).

由于各子臺的儀器響應(yīng)函數(shù)差異不大，對同一地震事件，儀器響應(yīng)和震源信息可近似用P波初動之后的2.0—4.5s波形做聚束（beam）提取.對具有n個子臺的臺陣，其臺陣聚束波形Ds（t）（Li，Nabelek，1999）可以表示為

因此

式（2）中，τi表示直達P波到達臺陣每個子臺的相對延遲時間.首先應(yīng)用臺陣聚束獲得震源時間函數(shù)，在此基礎(chǔ)上把時間域變換成頻率域可以獲得臺陣每個子臺的介質(zhì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)：

本文中我們采用的是帶水準(zhǔn)因子的頻率域反褶積方法（Langston，1979）.

2 臺陣和資料

蘭州臺陣由9個子臺組成，臺陣的幾何形狀為同心圓形，分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，如圖2所示.中心點A0設(shè)一個子臺，其余的子臺分布在兩個同心圓上，內(nèi)環(huán)有3個子臺，外環(huán)有5個子臺，內(nèi)環(huán)的平均半徑約416.13m，外環(huán)的平均半徑約1 369.11m，各子臺間最大高差為463m.臺陣各子臺安裝有CMG－3ESPV垂直向?qū)掝l帶地震計，其帶寬為0.02—50Hz.中心子臺增加了一套瑞士3分向甚寬頻帶STS－2地震計（但運行不正常）.近年來，利用該臺陣資料對該臺陣下方地殼中不均勻體和青藏高原東部核幔邊界的散射體進行了研究，并取得了較為重要的結(jié)果（Shen，Ritter，2010；沈旭章，周蕙蘭，2009）.

蘭州臺陣自2002年正式運行，積累了寶貴的地震波資料.以下為本文資料選取的依據(jù)：① 以滿足臺陣下方的入射波為近垂直入射，選擇震中距為30°—80°的地震；② 避免地表反射波（如pP和sP）和轉(zhuǎn)換波等震相對PpPmp震相的干擾，選擇震源深度大于200km的地震；③ 避免在一定震中距核面反射波PcP震相對PpPmp震相的干擾，舍去震中距為72°左右的地震；④選擇記錄波形簡單以及信噪比高的地震.為了滿足這些要求，共選出了2002—2008年的16個地震事件的記錄資料，其地震參數(shù)為USGS地震目錄參數(shù)（http：∥neic.usgs.gov／neis／epic／epic＿global.html），為本研究的數(shù)據(jù)源（表1，圖3）.

3 數(shù)據(jù)處理

我們以2004年7月25日的一次地震事件為例來說明數(shù)據(jù)預(yù)處理過程.①該事件的有效記錄有8個子臺（缺B5記錄），采用巴特沃斯濾波器進行濾波，其拐角頻率為0.1Hz和1.2Hz；②以P震相到時為準(zhǔn)將每道（子臺）的波形對齊，截取P震相前5s和后20s的波形數(shù)據(jù)；③ 將各道的波形數(shù)據(jù)做臺陣聚束，其結(jié)果如圖4a所示.在圖中可以看到莫霍面的多次波震相PpPmp的痕跡，但是由于背景噪聲的影響，該信號并不是很明顯.

3.1 提取震源時間函數(shù)

由于臺陣每個子臺震源時間函數(shù)（source wavelet time function）基本相同，且一般深震的震源項較淺源地震簡單.因此，可以通過每次地震事件的波形數(shù)據(jù)疊加來估計震源時間函數(shù).臺陣聚束方法可以看作是一個寬頻帶多道濾波器，利用視到時差的原理，使某一震相對齊疊加，使該震相突出，從而達到壓低噪聲的目的（黃顯良，朱元清，2005）.以P波初動之后2.0—4.5s范圍的波形數(shù)據(jù)作震源時間函數(shù)計算，但對不同地震可能取不同的數(shù)據(jù)窗長.對本次事件的數(shù)據(jù)窗長取為2.5s，其震源時間函數(shù)如圖4a所示.

表1 地震事件參數(shù)Table 1 Parameters of earthquakes

3.2 提取垂直分量P波接收函數(shù)

根據(jù)公式（4）提取P波接收函數(shù)可消除不同地震事件的震源時間函數(shù)以及射線路徑等對接收函數(shù)產(chǎn)生的影響.本文采用帶水準(zhǔn)因子的頻率域反褶積技術(shù)計算接收函數(shù)，以此突出PpPmp震相（圖4b，圖5），其結(jié)果顯示出了較清楚的PpPmp震相.

3.3 結(jié)果分析

直達P波后14.7s可以識別到比較清晰的莫霍面多次波PpPmp震相（圖5），7.8s附近震相可能對應(yīng)臺陣下方中地殼的一個速度間斷面.由于遠震直達P波與PpPmp震相具有幾乎相同的射線參數(shù)p，根據(jù)地震波走時的基本理論，通過直達P波與PpPmp震相在地殼內(nèi)的走時差，在給定地殼的平均P波速度的條件下，可以估計出間斷面的深度H.其公式如下：

式中，tPpPmp是直達P波與PpPmp震相的走時差，p是入射波的射線參數(shù)，H為地殼厚度.取射線參數(shù)p為0.07s／km，vP為6.3km／s，分別計算2.1，7.8和14.7s的對應(yīng)深度，結(jié)果為H1＝7km，H2＝27km和H3＝51.6km.H1可能對應(yīng)結(jié)晶基底，H2可能對應(yīng)中、下地殼分界面，H3對應(yīng)莫霍面.此外，從結(jié)果圖中還可以看到，直達P波與莫霍面多次波PpPmp之間存在許多具有不一致性的尾波.這可能與蘭州地震臺陣下方地殼淺部存在散射體有關(guān).

4 討論與結(jié)論

傳統(tǒng)的接收函數(shù)方法是用3分量遠震記錄的垂直分量和水平分量得到的時間序列，通過P－S或S－P轉(zhuǎn)換震相來研究地震臺站下方地殼、上地幔速度間斷面.但該方法消除了存在于垂直分量原始波形中的多次波（如PmsPms、PmpPms和PpPmp）等信息.本文使用的P波垂直分量接收函數(shù)方法可以消除震源時間函數(shù)和射線路徑等因素產(chǎn)生的影響，但與傳統(tǒng)3分量接收函數(shù)相比，垂直分量P波接收函數(shù)可以增強多次波震相信息.

本文使用的地震資料為深遠地震波形資料.其資料特點是波形簡單，不受地表反射波（如pP和sP）和轉(zhuǎn)換波等震相對PpPmp震相的干擾.

使用聚束技術(shù)提取震源時間函數(shù)時，其震源時間函數(shù)寬度為P波初動后2.0—4.5s之間取值.為了嘗試不同時間長度震源時間函數(shù)影響，采取從P波初動后1s起，以0.5s的步長作震源時間函數(shù)提取，截止時間長度為P波初動后5.0s；同時用直接疊加方法進行了震源時間函數(shù)提取，其結(jié)果基本一致，對接收函數(shù)的結(jié)果影響較?。▓D6）.其可能的原因是臺陣孔徑小，對不同震中距和不同方位的地震的處理結(jié)果差別較小.聚束和直接疊加結(jié)果也如此.如果臺陣孔徑和臺間距較大，其結(jié)果可能存在一定的差異.

由于遠震直達P波和多次波PpPmp是近垂直入射，對PpPmp的走時影響很小，所以本文未做走時校正.在2003年6月14日和2005年2月5日的地震資料處理結(jié)果中，直達P波與PpPmp震相的到時差分別為14.2和14.8s，對應(yīng)的地殼深度分別為49.8和51.9km，其深度誤差為3.5km／s，經(jīng)平均處理得地殼厚度為（51.6±1.8）km.這一結(jié)果與劉啟元等（1997a）利用中國數(shù)字地震臺網(wǎng)（CDSN）三分量接收函數(shù)結(jié)果（54km）和周民都（2006）利用青藏高原東北緣人工地震剖面的莫霍面等值線圖結(jié)果（52.5km）基本一致.這表明僅用垂直分量的地震數(shù)據(jù)通過分離多次波PpPmp震相來提取P波接收函數(shù)的方法是可行的.

本文利用蘭州小孔徑臺陣記錄到的16次深遠地震資料，使用P波垂直分量接收函數(shù)成功分離出多次波PpPmp震相，得到了蘭州臺陣下方的地殼厚度為（51.6±1.8）km.該結(jié)果表明應(yīng)用垂直分量臺陣P波接收函數(shù)方法研究地殼速度結(jié)構(gòu)是有效的.

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秦滿忠 中國地震局蘭州地震研究所固體地球物理專業(yè)在讀碩士研究生.2003年河北省三河市燕郊防災(zāi)技術(shù)高等?？茖W(xué)校應(yīng)用地球物理專業(yè)畢業(yè).當(dāng)前主要從事地震學(xué)和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面的研究.

注：孟令媛、李宇彤、鄭建常、蔣海昆、王秀英、宋美琴等的簡介分別見本刊：Vol.33，No.4；Vol.30，No.4；Vol.29，No.4；Vol.17，No.4；Vol.31，No.6；Vol.33，No.5.

A study on vertical－component P－wave receiver function of small－aperture seismic array and its application

Qin Manzhong1）Zhang Yuansheng1，2），Shen Xuzhang1，2）Wei Congxin1，2）
1）Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou730000，China
2）Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Lanzhou73000，China

The vertical－component P－wave receiver function technique is used to extract the Moho multiples（PpPmp phase）and determine thickness of the crust beneath the Lanzhou Seismic Array.The multiples（PpPmp phase）are determined with waveforms from 16teleseismic deep earthquakes，and then the average crust thickness is estimated，which value is about（51.6±1.8）km.This result is also consistent with the result of previous studies.

vertical－component；receiver function；PpPmp phase；Lanzhou Seismic Array；deconvolution

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.01.004

P315.3＋1

A

秦滿忠，張元生，沈旭章，魏從信.2012.小孔徑臺陣垂直分量P波接收函數(shù)研究及應(yīng)用.地震學(xué)報，34（1）：44－51.

Qin Manzhong，Zhang Yuansheng，Shen Xuzhang，Wei Congxin.2012.A study on vertical－component P－wave receiver function of small－aperture seismic array and its application.Acta Seismologica Sinica，34（1）：44－51.

國家自然科學(xué)基金項目（40874029，40904014）和中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項

（2009A19）資助.

2010－12－11收到初稿，2011－05－30決定采用修改稿.

e－mail：zhangys＠gssb.gov.cn