陳江琴

1）中國(guó)安徽 233500 安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

2）中國(guó)安徽 243000 馬鞍山市應(yīng)急管理局（地震局）

0 引言

地震波在傳播過(guò)程中，攜帶著大量來(lái)自震源及傳播路徑上的地球內(nèi)部構(gòu)造信息。研究地震波的性質(zhì)、特征，是研究地殼結(jié)構(gòu)的有效辦法（董奇珍等，1989），而震相分析對(duì)深入研究地球內(nèi)部構(gòu)造和探查地震活動(dòng)規(guī)律具有重要意義（陳祥開(kāi)等，2018）。有學(xué)者在地震觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)來(lái)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(qiáng)；郭曉然等（2016）在西沙地塊地殼中也發(fā)現(xiàn)了康拉德面反射波Pc；許健生等（1999）利用蘭州地震臺(tái)記錄的永登地區(qū)17 個(gè)地震的康拉德面反射波Sc 走時(shí)特性，測(cè)算出該地區(qū)地殼中間層深度為（24.9±2.0）km；郭杰等（2013）利用河南濮陽(yáng)地震臺(tái)記錄，觀測(cè)到康拉德面反射波Pc，并認(rèn)為對(duì)于震中距約40 km 的地震，地震臺(tái)站可清晰記錄到康拉德面反射波。

康拉德面是指地殼內(nèi)花崗巖與玄武巖的分界面，其存在與否與研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)及其形成和演化的歷史密切相關(guān)。由于康拉德面是不連續(xù)面，在地震觀測(cè)中來(lái)自該面的震相記錄并不常見(jiàn)，且易被誤認(rèn)為來(lái)自莫霍面，不僅影響地震定位結(jié)果，還嚴(yán)重影響對(duì)地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

胡德昭等（1989）發(fā)現(xiàn)，中國(guó)東南部地區(qū)地殼內(nèi)廣泛存在康拉德面，其分布深度由內(nèi)陸向沿海逐漸變淺。戚浩等（2012）在安徽地震臺(tái)網(wǎng)地方震記錄中發(fā)現(xiàn)了來(lái)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(cè)資料中發(fā)現(xiàn)馬鞍山—六安剖面上存在Pb 震相，進(jìn)一步驗(yàn)證了安徽地區(qū)地殼中應(yīng)存在康拉德面。馬鞍山測(cè)震臺(tái)網(wǎng)囊括安徽省8 個(gè)地震臺(tái)站（臺(tái)站代碼CHZ、HEF、HSH、MAS、DTT、TOL、JIX、WHU）和江蘇省3個(gè)地震臺(tái)站（臺(tái)站代碼GC、LSH、LY），可記錄馬鞍山地區(qū)ML1.0 以上地震。安徽省馬鞍山市和蕪湖市地處長(zhǎng)江南岸，地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)屬下?lián)P子斷塊，位于郯廬斷裂帶東側(cè)、揚(yáng)州—銅陵地震帶中段。對(duì)于該區(qū)發(fā)生的地震，在滿(mǎn)足一定條件下，馬鞍山測(cè)震臺(tái)網(wǎng)可記錄到康拉德面上的反射波。文中采用當(dāng)涂地震站對(duì)2016 年蕪湖市弋江區(qū)ML2.1 地震的數(shù)據(jù)記錄，分析Sc 震相特征，并利用馬鞍山測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的6 個(gè)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(gòu)造研究提供參考。

1 Sc 震相判定

據(jù)安徽地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2016 年2 月13 日4 時(shí)17 分58 秒蕪湖市弋江區(qū)發(fā)生ML2.1 地震，震源深度8 km，當(dāng)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(shí)確定，見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)Pg、Sg 及i 三個(gè)明顯震相，其中i 震相位于Sg 波段后，見(jiàn)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(shí)17 分蕪湖市弋江區(qū)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(cè)震臺(tái)網(wǎng)波形記錄可知當(dāng)?shù)匚窗l(fā)生雙震，排除雙震可能。因地方震無(wú)面波，僅產(chǎn)生直達(dá)波和反射波，由此確定該不明震相應(yīng)為橫波反射波。一般，莫霍面上的反射波在震中距70—80 km 時(shí)達(dá)到全反射，但此次地震距當(dāng)涂地震站43.75 km，表明地震波在更小距離上發(fā)生了全反射，說(shuō)明反射波走時(shí)縮短，由此推斷出在莫霍面上方存在一個(gè)使地震波發(fā)生全反射的界面，且該界面波阻抗大、上下面速度對(duì)比強(qiáng)、反射力強(qiáng)。

設(shè)震源距地面距離為h，臺(tái)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(tái)站接收的直達(dá)波為Pg、Sg，來(lái)自莫霍面的反射波為PmS、SmS，來(lái)自地殼中間界面的反射波為Pc、Sc，則直達(dá)波和反射波傳播路徑見(jiàn)圖2。

圖2 直達(dá)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(dá)波走時(shí)方程為

莫霍面上反射波走時(shí)方程為

假設(shè)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(tái)站所用華南走時(shí)表可知無(wú)對(duì)應(yīng)走時(shí)，可按照安徽地區(qū)地殼一維速度最優(yōu)模型（謝石文等，2016）（該模型更符合安徽地區(qū)實(shí)際情況）計(jì)算該該震相走時(shí)。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(jì)算得到tPg=7.24 s、tSg=12.46 s。由式（3）、（4）計(jì)算得到tPmP=11.25 s、tSmS=19.34 s。利用震相實(shí)際到時(shí)與發(fā)震時(shí)刻的差值，計(jì)算得到各震相實(shí)際走時(shí)為：tPg=7.04 s、tSg=12.23 s、ti=16.7 s。則莫霍面理論走時(shí)與實(shí)際走時(shí)差為：ΔtPg=0.20 s，ΔtSg=0.23 s，ΔtSmS=2.64 s。由于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地震射線(xiàn)路徑的差異，直達(dá)波走時(shí)差0.20 s 和0.23 s 均在正常范圍內(nèi)，而莫霍面反射波走時(shí)比實(shí)際走時(shí)長(zhǎng)2.64 s，差值太大，說(shuō)明該不明震相的反射界面不應(yīng)為莫霍面，而是深度比莫霍面更淺的界面。

在華南走時(shí)表中，震中距Δ=39.96 km 時(shí)即有對(duì)應(yīng)的康拉德面反射波走時(shí)。為此，查詢(xún)?nèi)A南走時(shí)表可知：tPg=7.39 s，tSg=12.53 s，tPc=9.64 s，tSc=16.39 s，與實(shí)際走時(shí)差分別為：ΔtPg=0.35 s，ΔtSg=0.30 s，ΔtSc=-0.31 s，可見(jiàn)差值0.31 遠(yuǎn)小于2.64。地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參與計(jì)算的速度值和深度值均為平均值，并非絕對(duì)精確值，且走時(shí)表并非絕對(duì)適合本地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)，對(duì)于某次地震而言，其地震波的實(shí)際走時(shí)和理論走時(shí)不可能絕對(duì)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(dāng)。

2 反射縱波位置確定

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

圖3 直達(dá)橫波Sg 和縱波反射波P反射走時(shí)曲線(xiàn)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(guān)。當(dāng)H=34 km（莫霍面深度）、h=8 km、vSg=3.57 km/s、vP反射=6.60 km/s 時(shí)，Δ′=41.77 km；當(dāng)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(shí)，Δ′=19.05 km。而當(dāng)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(dá)波之前到達(dá)，也就是說(shuō)，不明震相到時(shí)在直達(dá)橫波之前。

由圖1 所示波形可見(jiàn)縱波反射波不明顯，將波形進(jìn)行W.A.仿真，結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)NS 向波形在到時(shí)04:18:7.16 處可見(jiàn)較大波動(dòng)，如圖4 箭頭所指，垂直向波形在該處同樣可見(jiàn)較大振幅，計(jì)算得到該震相走時(shí)為9.16 s，查詢(xún)?nèi)A南走時(shí)表可知Pc 震相走時(shí)為9.64 s，二者相差0.48 s，可見(jiàn)兩震相走時(shí)相近，且上述已知莫霍面縱波反射波走時(shí)為11.25 s，與實(shí)際走時(shí)相差2.09 s。由此推斷此處應(yīng)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(shù)據(jù)

由于Sc 波比Sg 波到時(shí)晚，其波形多淹沒(méi)在Sg 波里，導(dǎo)致清晰的Sc 波初動(dòng)較少見(jiàn)。除蕪湖市弋江區(qū)地震外，筆者在馬鞍山測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄中統(tǒng)計(jì)得到5 個(gè)Sc 波初動(dòng)較清晰的震例，地震參數(shù)見(jiàn)表1。利用6 個(gè)地震的Sc 震相參數(shù)，分析康拉德面特征。受篇幅所限，只給出其中3 個(gè)地震的波形，見(jiàn)圖5。

表1 6 個(gè)含Sc 震相的地震參數(shù)Table 1 Parameters of 6 earthquakes with the Sc seismic phase

圖5 3 個(gè)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(yuǎn)地震；（c）2017 年11 月1 日23:43:31 常州溧陽(yáng)地震Fig.5 Waveforms of three earthquakes

3.2 康拉德面特征

6 個(gè)地震的Sc 波到時(shí)清晰，根據(jù)表1所列走時(shí)和震中距，設(shè)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(jié)果見(jiàn)圖6，可得擬合關(guān)系如下

圖6 6 個(gè)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(qū)地殼中間面上層的橫波速度3.57 km/s 基本一致。根據(jù)b值和h值，計(jì)算得到每個(gè)震例對(duì)應(yīng)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(cè)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(jì)算的安徽地區(qū)地殼中間層深度（HC=19 km）亦相差不大。由圖6 可見(jiàn)，6 個(gè)地震擬合效果較好，數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于擬合直線(xiàn)上或附近，說(shuō)明6 個(gè)Sc 波均為來(lái)自地殼同一個(gè)層面的反射波。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)馬鞍山測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震波形進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）地方震震中距在達(dá)到70—80 km 時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)振幅較大的莫霍面反射波。但是，當(dāng)?shù)胤秸鹫鹬芯嘣?0 km 上下時(shí)，也可能出現(xiàn)振幅較大的康拉德面反射波。

（2）就安徽地區(qū)而言，一般震源深度在10 km 左右，當(dāng)震中距約小于41 km 時(shí)，來(lái)自莫霍面的反射縱波PmP 比直達(dá)橫波到時(shí)晚，其震相容易淹沒(méi)在Sg 震相中，大于該震中距時(shí)，PmP 震相將在Sg 震相前出現(xiàn)。對(duì)于存在上地殼的地區(qū)，當(dāng)震中距小于19 km 時(shí)，康拉德面反射波Pc 震相比直達(dá)橫波Sg 震相到時(shí)晚，大于該震中距時(shí)，則Pc 波到時(shí)早。當(dāng)震中距大于干擾距離時(shí)，Sg震相前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)縱波反射波，其振幅比Pg震相大，但比Sg震相小。

（3）通過(guò)對(duì)6 個(gè)地震波形記錄中初動(dòng)較清晰的Sc 波走時(shí)進(jìn)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(qū)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(guò)程得到審稿專(zhuān)家的悉心指導(dǎo)，并得到安徽省地震局隆愛(ài)軍工程師的幫助，在此表示衷心的感謝。