地質(zhì)地球所建立分離Pn波幾何擴(kuò)展和衰減的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法

  Pn波通常是區(qū)域范圍內(nèi)的初至震相，該震相的傳播涉及Moho界面的折射和上地幔頂部P波速度梯度等影響。Pn波的到時(shí)和振幅信息可用于研究震源特性，或建立上地幔頂部速度、衰減和各向異性等圖像，提供對(duì)上地幔頂部物質(zhì)組成、溫壓狀態(tài)等的地震學(xué)約束。有關(guān)Pn速度和各向異性的研究已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。但是，由于Pn波幾何擴(kuò)展與衰減耦合在一起，分離起來(lái)非常困難，從而影響了對(duì)衰減的研究。

　　中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過(guò)程研究室副研究員趙連鋒及其合作者利用朝鮮核爆的觀測(cè)資料（圖1），研究了Pn波的幾何擴(kuò)展和衰減，建立了一種分離Pn波幾何擴(kuò)展和衰減的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法（圖2），獲得了中國(guó)東北和朝鮮半島地區(qū)與頻率相關(guān)的對(duì)數(shù)域拋物線(xiàn)型Pn波幾何擴(kuò)展模型（圖3）。以高質(zhì)量的朝鮮核爆資料為基礎(chǔ)，建立了中國(guó)東北和朝鮮半島地區(qū)寬頻帶高分辨率的上地幔頂部P波衰減模型（圖4）。此外，他們還建立了一種2D上地幔頂部Pn波衰減層析成像方法。他們通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)火山分布與上地幔頂部P波的強(qiáng)烈衰減區(qū)相對(duì)應(yīng)。大陸巖石圈與海洋巖石圈無(wú)論在地震波速度還是地震衰減，都存在明顯的差異。

　　該研究結(jié)果近期發(fā)表在國(guó)際地學(xué)期刊Journal of Geophysical Research 上(Zhao et al. Pn wave geometrical spreading and attenuation in Northeast China and the Korean Peninsula constrained by observations from North Korean nuclear explosions, Journal of Geophysical Research, 2015, 120, doi:10.1002/2015JB012205)。

　　圖1 朝鮮核試驗(yàn)場(chǎng)（紅色五角星）和地震觀測(cè)臺(tái)站分布，包括中國(guó)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站（倒三角）、全球地震臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站（實(shí)心圓點(diǎn)）、韓國(guó)流動(dòng)地震臺(tái)站（方塊）、東北地震測(cè)深的流動(dòng)臺(tái)站（空心圈）和日本F-NET臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站（正三角）。

圖2 基于模型優(yōu)化得到的Pn波振幅理論值與實(shí)際觀測(cè)值的比較。

　　圖3 Pn波幾何擴(kuò)展模型。(a) 2.1 Hz和(b) 9.1 Hz Pn波幾何擴(kuò)展函數(shù)隨震中距的變化，(c) 500 km和(d) 1200 km Pn波幾何擴(kuò)展函數(shù)隨頻率的變化。其中實(shí)線(xiàn)表示中國(guó)東北和朝鮮半島地區(qū)的Pn波幾何擴(kuò)展模型，虛線(xiàn)是用于比較的理論預(yù)測(cè)模型。

　　圖4 中國(guó)東北和朝鮮半島地區(qū)上地幔頂部P波衰減成像模型。(a) 單頻率3.0 Hz和(b) 寬頻帶2.0-10.0 Hz上地幔頂部P波Q值模型，(c) 3.0 Hz的射線(xiàn)覆蓋，藍(lán)色和粉色線(xiàn)條分別為單臺(tái)和雙臺(tái)路徑，(d) 2.0° ´ 2.0°分辨率檢測(cè)板測(cè)試。