地震波探测地球内部结构

地震波探测地球内部结构

-----速度异常体

PB05007106 马晓静地震震相按照震中距的大小，可分为近震震相和远震震相。近震接收到的主要利用高频波，可用来研究地壳的结构构造，如近地表的倾斜界面的形态（反射、折射波），地壳的结构特点。远震接收到主要为衰减较小的低频波，研究地球深部构造，如地球速度垂向分布、间断面的特征(范围、形状、成因等）。

以下，着重讨论D”层的超低速区震相识别。

1.D”层的重要性

D”层是固态地幔和液态外核之间的边界，是地球内部重要的边界层之一；控制着核幔边界的物质、能量交换；与地球内部对流、板块运动、磁场变化有紧密联系。

D”层也是下地幔中最为复杂的区域，很多研究成果已表明，比如某些地区的D”层顶部速度跳跃及横向不均匀性，在某些地区D”是低速的，存在大量的散射体，存在尖锐的分界。

2、超低速区

D”中存在一种极为异常的结构，称为ULVZ（ultra low velocity zone)。它的厚度为5~60 km，横向尺度大约200 km。剪切波速(Vs ) 异常达-30%，压缩波速(Vp ) 异常达-l0% ，密度异常可达+l0 %，是一种高密度、低地震波速度的异常体。地幔其他地区的速度异常范围一般不超过3%，所以称这种异常体为超低速区。一般认为，超低速区是化学异常及后钙钛矿相变共同影响下的化学-热对流体系中形成的产物．在全球范围内都有广泛分布。

研究D”层的结构，一般选择来自核幔边界的反射波(ScS，ScP，PcP)、透射波(SKS，PKP等)以及沿着核幔边界传播的衍射波(Pdiff，SKPdS，SPdKS，ScPdiff)或者它们的组合。

下面介绍几种研究超低速区的地震学方法。

（1）SKS+SPdKS/SKPdS

SKS从震中距70°开始出现，但比较弱；在83°之后，成为径向分量上的主要震相；根据PREM 模型，地幔一侧：Vs=7.6 km／s，Vp=13.6 km／s；外核侧 Vp=8.0km／s)，在震中距超过105°后，外核中传播的P波经过核幔边界进入地幔

时，会发生全反射,形成沿着核幔边界传播的衍射波Pdiff，Pd在传播过程中有辐射能量进入地幔形成S波，台站接收到的就是SKPdS（SPdKS与SKPdS的形成原因一致，只是过程相反，两者等效，只是研究的区域不同）。

根据PREM模型，SKPdS从105°发展，SKS和SKPdS的波形到113°才能分开；如果核幔处有ULVZ,绕射波Pdiff又经过这一区域，SKPdS会被延迟，所以两个波分开得比较早，约110°就能看出来。

上图，(a)是根据PREM模型得到的两波的合成地震图，在113°时波形分开；（b）是核幔边界处速度正常时的地震图，与（a）一致；（c）、（d）分别是冰岛和非洲的地震图，大概在109°、110°就分开了，说明下面超低速区的存在。

Ganero和Helmberger通过对SPdKS的研究，首先发现了ULVZ的存在，后来，在对其他波的观测中得到验证。

（2）S+ScS

对于震中距小于100°、横向的地震波记录来说，最主要的震相是S和ScS。PREM模型预测在87°后，S和ScS会合并在一起，形成一个波。

如果在D”处存在低速异常体，ScS波就要走更多的路程来平均抵消低速体的影响，在震中距更大的时候，才能和S波合并到一块。

（3）PKIKP前趋波

对比上图的两条地震波，因为地幔一侧的Vp (约13.6km/s)大出外核中Vp (约8.2km/s)很多，所以，在D”层传播距离较大会比PKIKP先到，称为PKIKP前趋波(precursor）。但由于不满足Snell定律，由惠更斯原理，该波的能量即振幅很小，按照PREM模型，看到PKIKP前有小的波动。若D”层中有散射异常体，使满足Snell定律，则前趋波的能量变大，振幅变大，震相明显。下面是示意图：

研究前趋波的优势：震相在最前面，超出其他的波，干扰很小，观测方便清 晰。

（4）结合运用的一个例子：

因为检测超低速区的不同震相需要不同的距离，因此需要比较巧合的地震一台站的组合才能使不同震相结合起来研究超低速区成为可能，这些组合也更加确证了超低速区的存在。

上图为南美的地震在AAE台记录到的SKPdS和西太平洋的地震在MSKU台记录到的PKP前趋波，采样到同一超低速区。底部的图为顶部图的特写。

总结：

以上几种研究速度异常体的方法，主要是通过将实测地震图与模型合成图进行对照，做定性分析，根据对照的结果，设计异常体的形状、位置、大小范围、尖锐度、速度异常程度等（反演），得理论地震图，再反过来与实际图对比，验证设计的合理性（正演）；如此反复，并充分考虑到、排除掉其他因素的影响，最后得到与实际地震图最吻合的设计方案，即为推测的地球内部结构。

参考资料：

[1]超低速区研究进展与展望，倪四道，中国科学技术大学学报，Vol.37,No.8,Aug.2007

[2]地震学原理与应用，刘斌、徐文俊

[3]西太平洋地鳗底部及CMB区域的S波速异常及精细结构，万柯松、宋晓东、傅容珊

[4]A strong lateral shear velocity gradient and anisotropy heterogeneity in the lowermost mantle beneath the southern Pacific，Sean R. Ford, Edward J. Garnero, Allen K. McNamara， JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH，Vol.111，2006