不同俯沖區(qū)域中部地幔速度界面差異性分析

地球深部速度結(jié)構(gòu)為地球動(dòng)力學(xué)、地球化學(xué)和礦物物理提供了直接而重要的限制?，F(xiàn)有的三維地球速度模型，如prem、iasp91和ak135，對(duì)于人類的地球勘探和地殼活動(dòng)提供了非常重要的幫助，但對(duì)動(dòng)態(tài)地球的理解存在明顯的缺陷。板塊的滑動(dòng)、來(lái)自海洋中心末的火山噴發(fā)意味著地球深部的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程被描述為對(duì)地幔的類比?；诘卣疸t帶的分析結(jié)果和wadati-boffer帶的存在，在地球深部的許多彎曲地區(qū)，如巖豆-小井原的滑動(dòng)區(qū)和薩哈林島的滑動(dòng)區(qū)，切割線的深度為660km。有些沖浪板帶位于660公里的間歇內(nèi)，位于下地幔的深處，如唐加脈沖和秘魯沖浪板沖浪板。這種不同的對(duì)稱過(guò)程導(dǎo)致了混合地幔對(duì)稱模型的理論。一些區(qū)域的對(duì)稱處理能力只能阻止660公里的中斷面，而另一些區(qū)域的緩沖區(qū)是深度的間歇性面。9001100km附近的速度變化面，甚至深度至17001700km的深度，是分層對(duì)稱的邊界。9001100km深度的速度界面的存在，不僅符合地幔中存在摩擦板塊的事實(shí)，而且滿足了各地球水平面和各地球邊界的動(dòng)態(tài)起伏形狀的要求。研究人員同意，地幔層的對(duì)邊界是一種化學(xué)界面。相對(duì)于偽裝界面，化學(xué)界面具有一定的起伏和很小的抗逆性。現(xiàn)在，一般認(rèn)為9001200km是中部的地幔，而下降到2850km附近是中下地幔。因此，研究中地幔內(nèi)速度界面的存在及其性質(zhì)對(duì)理解深度過(guò)程、闡明地殼和闡明礦質(zhì)化學(xué)有重要意義。由于地幔對(duì)流下邊界很有可能是化學(xué)界面,相應(yīng)的次生震相較弱,人們通常使用疊加技術(shù)來(lái)提取這樣的震相,進(jìn)而研究地幔深部的間斷面的存在以及性質(zhì).Castle和vanderHilst利用波形資料疊加處理獲得的離源次生轉(zhuǎn)換震相掃描了全球多個(gè)區(qū)域800～2000km深度范圍內(nèi)的速度界面,沒(méi)有找到S波速度差超過(guò)2%且轉(zhuǎn)換寬度小于20km的界面.Courtier和Revenaugh利用ScS多次震蕩波(Reverberation)發(fā)現(xiàn)西南太平洋和美拉尼西亞地區(qū)下部約852和1100km深度附近的轉(zhuǎn)換區(qū)存在反射體,而北美地區(qū)則在大陸中部的下方發(fā)現(xiàn)在約1380和1530km處存在反射體,且其深度越往東則越淺,反射體的深度接近于940和1130km.Shen等給出的冰島和夏威夷下方接收函數(shù)結(jié)果則顯示在1050km深度附近應(yīng)該有一個(gè)速度界面;而一些研究者則利用少量地震資料對(duì)多個(gè)俯沖地區(qū)850～1200km深度處的中部地幔存在速度界面進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)可能的界面與俯沖物質(zhì)的殘留或者中部地幔的化學(xué)界面有關(guān)[16,17,18,19,20,21].考慮到深震資料有助于提取來(lái)自中地幔間斷面的次生震相,而深震又只存在于俯沖區(qū),俯沖物質(zhì)在地幔深處的存在會(huì)對(duì)于中地幔間斷面的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生一定的干擾.因此,通過(guò)不同俯沖形態(tài)的俯沖地區(qū)深震的波形資料來(lái)研究中部地幔間斷面的存在及其與俯沖殘留物質(zhì)間的相互影響是非常有意義的.湯加和伊豆-小笠原地區(qū)是全球深震最豐富的地區(qū),且這兩個(gè)地區(qū)的俯沖板塊在地球深部的存在形態(tài)有著明顯的差異.由于相關(guān)簡(jiǎn)單的俯沖板塊存在和豐富深震資料,伊豆-小笠原地區(qū)是研究地幔轉(zhuǎn)換區(qū)410和660km間斷面的存在及其起伏形態(tài)方面的首選區(qū)域,Helffrich和Collier等對(duì)此前相關(guān)工作進(jìn)行了全面總結(jié),并確認(rèn)了兩個(gè)間斷面為相變界面.湯加地區(qū)的俯沖板塊在地幔中的存在要復(fù)雜一些.Tibi和Wiens發(fā)現(xiàn)了湯加地區(qū)410和660km間斷面的存在以及660km間斷面的雙層結(jié)構(gòu).Zang等則進(jìn)一步證實(shí)了湯加地區(qū)的660km間斷面分層特性,認(rèn)為雙層結(jié)構(gòu)與γ-尖晶石到鈣鈦礦和方鎂礦以及鈦鐵礦到鈣鈦礦的相變有關(guān).相關(guān)的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)地球深部物質(zhì)組成以及地幔對(duì)流過(guò)程提供了非常有力的約束.本文利用湯加和伊豆-小笠原這兩個(gè)俯沖地區(qū)深震的臺(tái)網(wǎng)波形資料提取來(lái)自源下地幔深部速度界面的弱次生震相,從而對(duì)比研究在不同俯沖物質(zhì)殘留影響狀態(tài)下的中部地幔速度界面存在.美國(guó)西部的高密度地震臺(tái)網(wǎng)可以在80°的震中距范圍附近記錄到湯加和伊豆-小笠原地區(qū)的深震.這樣震中距范圍上的深震波形資料帶來(lái)的地球內(nèi)部橫向不均勻介質(zhì)相關(guān)信息較少,從而有助于提取來(lái)自下地幔速度界面的次生轉(zhuǎn)換震相.本文利用具有較高臺(tái)站密度的美國(guó)西北太平洋地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)(PNSN,記為UW),南加州地震臺(tái)網(wǎng)(SCSN,記為SC)和北加州地震臺(tái)網(wǎng)(NCSN,記為BK)記錄到的兩個(gè)俯沖區(qū)域深震短周期垂向分量波形資料,通過(guò)N-次根傾斜疊加方法提取來(lái)自中部地幔速度界面的轉(zhuǎn)換震相,并據(jù)此研究中部地幔速度界面的存在及其形態(tài).1資料處理方法由于本文關(guān)注的是中地幔速度界面的存在及其形態(tài),而小的Fresnel區(qū)有助于利用疊加方法獲得弱的次生震相,因此在本文中我們盡可能使用較深的地震來(lái)提取常用于中部間斷面研究的SdP次生轉(zhuǎn)換震相.該SdP為離源下行的S波在地幔速度界面(深度為d)上轉(zhuǎn)換為P波并傳播到達(dá)臺(tái)站被記錄下來(lái)的震相.另外,深震資料的強(qiáng)反射震相pP與直達(dá)P之間足夠的空窗使得次生震相的提取不會(huì)受到強(qiáng)震相的影響.我們?nèi)媸占?985～2009年底的湯加和伊豆-小笠原兩個(gè)俯沖地區(qū)的震源深度超過(guò)400km深震資料.考慮到震源時(shí)間過(guò)程簡(jiǎn)單的地震的波形資料有助于避免震源過(guò)程對(duì)次生震相識(shí)別的影響,因此我們從中選擇了震級(jí)足夠強(qiáng)(以保證信噪比高)且震源時(shí)間過(guò)程不超過(guò)4s的地震,見(jiàn)表1.前人對(duì)這兩個(gè)區(qū)域均有少量的研究,使用的地震震級(jí)也比較大復(fù)雜震源過(guò)程對(duì)次生震相拾取的干擾比較大.正是由于嚴(yán)格的資料選用要求,本文使用地震資料的數(shù)量并不多,而且相對(duì)于伊豆-小笠原俯沖地區(qū)較少地震而言,湯加地區(qū)的深震則要多些.本文的資料處理步驟包括:(1)地震篩選,去掉震源過(guò)程過(guò)于復(fù)雜的地震波形資料,一般選擇震源時(shí)間過(guò)程不超過(guò)4s的地震,以減少震源過(guò)程對(duì)震相識(shí)別的影響;(2)通過(guò)背景噪聲和包含噪聲的地震信號(hào)的Fourier譜對(duì)比分析,我們選擇0.2～1.0Hz的濾波窗對(duì)波形資料進(jìn)行濾波處理,該濾波窗可以獲得比較高的空間分辨率;(3)將具有非常規(guī)擾動(dòng)的單個(gè)地震波形剔除;(4)基于直達(dá)P的最大振幅位置進(jìn)行對(duì)齊,并利用各直達(dá)P對(duì)相應(yīng)的各波形記錄做相關(guān)處理以提高信噪比,從而選定大多數(shù)的直達(dá)P的起跳點(diǎn)作為相對(duì)零時(shí)刻;(5)在相對(duì)于直達(dá)P慢度的-1.0～1.0°s-1范圍內(nèi),對(duì)各地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行N-次根傾斜疊加處理并基于Hilbert變換求取包絡(luò)線,從而可以獲得走時(shí)差-慢度差域上的灰度圖(vespegram).通過(guò)不同N-次根疊加結(jié)果的對(duì)比,從便于震相識(shí)別的角度,我們將N定為4.為了更準(zhǔn)確地讀取次生震相,我們進(jìn)一步將包絡(luò)線做了log10對(duì)數(shù)處理,并乘上20倍,即類似于信號(hào)處理中的增益(dB).考慮到各地震臺(tái)網(wǎng)記錄的資料質(zhì)量和疊加結(jié)果的可比性,在傾斜疊加處理過(guò)程中,我們根據(jù)信噪比的排序,選擇最好的前60道記錄進(jìn)行疊加處理;(6)基于相對(duì)于直達(dá)P的理論走時(shí)差和慢度差讀取可能的次生震相,并基于IASP91模型由識(shí)讀出的走時(shí)差和慢度差反算出轉(zhuǎn)換點(diǎn)的深度和位置.本文的轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度誤差在±10km之內(nèi).圖2所示為伊豆-小笠原(IB)和湯加(TG)俯沖區(qū)的各兩個(gè)地震的波形資料的傾斜疊加結(jié)果圖.圖2(a)和(b)給出的是伊豆-小笠原地區(qū)深震資料的疊加結(jié)果.圖2(a)顯示了660km間斷面較復(fù)雜,可以發(fā)現(xiàn)不弱于來(lái)自660km間斷面的1085km深度的次生震相,同時(shí)還可以看到相對(duì)弱的904和972km深度上的次生震相.圖2(b)也顯示了971km深度處的次生震相,這與圖2(a)所示的來(lái)自972km的次生震相相當(dāng),同時(shí)660km深度處的結(jié)構(gòu)也顯得簡(jiǎn)單.圖2(c)和(d)均為UW所記錄由的湯加俯沖地區(qū)深震波形資料的疊加結(jié)果,從中可以看出660km間斷面的復(fù)雜程度也是有差異的,圖2(c)中660km間斷面相對(duì)復(fù)雜,981km處存在一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn);圖2(d)中660km間斷面則要簡(jiǎn)單一些,而在951和989km處各有一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn).轉(zhuǎn)換點(diǎn)的存在意味著相應(yīng)的深度和相應(yīng)的區(qū)域附近存在著速度躍變面.為了更好地分析由疊加灰度圖上得到的轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布與可能存在于中部地幔處的速度界面或者散射體間的關(guān)聯(lián),我們進(jìn)一步地將轉(zhuǎn)換點(diǎn)投影到相應(yīng)的深度剖面上來(lái)予以分析討論.2sdp震相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布根據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)在深度上體現(xiàn)出的集中趨勢(shì),我們將從疊加圖上讀取的SdP震相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)投影到水平面上,從而分析在特定深度上的速度界面存在及起伏.2.19伊豆-小杉原地區(qū)基本前置上的速度縱向轉(zhuǎn)換點(diǎn).圖3(a)顯示伊豆-小笠原地區(qū)900km深度附近轉(zhuǎn)換點(diǎn)散布在877～917km深度范圍內(nèi),速度躍變面存在于910km深度附近.這里我們需要考慮去掉可能與散射體有關(guān)的兩個(gè)較淺的842和851km處的轉(zhuǎn)換點(diǎn).同時(shí)我們注意到對(duì)于圖3(b)所示的湯加地區(qū)普遍存在著840km附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn),更深處940～960km深度范圍內(nèi)存在著轉(zhuǎn)換點(diǎn)的相對(duì)集中.因此相較于伊豆-小笠原地區(qū)而言,湯加地區(qū)存在著850和950km附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中,也就是可能存在著兩個(gè)深度上的速度躍變面.進(jìn)一步地,從地幔中存在的俯沖板塊殘留物質(zhì)來(lái)看,湯加地區(qū)的俯沖殘留物質(zhì)在這一深度上要比伊豆-小笠原地區(qū)的俯沖物質(zhì)復(fù)雜得多.因此,伊豆-小笠原地區(qū)910km處轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布形態(tài)表明在該深度上確實(shí)存在著一個(gè)速度間斷面,而湯加地區(qū)大量的俯沖殘留物質(zhì)在該速度界面附近的滯留,從而可以看到兩個(gè)躍變面,其應(yīng)該是在速度界面頂托下的殘留物質(zhì)體的上下面.2.21速度界面的分布如圖4(a)所示,伊豆-小笠原地區(qū)的1000km附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布顯示,該區(qū)域存在著3個(gè)位于971和972km以及1003km深度的轉(zhuǎn)換點(diǎn)相應(yīng)的SdP震相較強(qiáng).相較而言,圖4(b)所示的湯加地區(qū)在1000km附近(972～1025km)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布給出一個(gè)小范圍的起伏的速度界面.界面的深度從南部的972～1010km,再到中部的1005km附近,到北部的1020km附近的這樣一個(gè)變化趨勢(shì).整體上看,界面的深度差異并不大,體現(xiàn)了很好的平展性.另外在兩個(gè)地區(qū)均存在1033～1065km的轉(zhuǎn)換點(diǎn),尤其是湯加地區(qū)的中北部區(qū)域,且轉(zhuǎn)換點(diǎn)深度差異不明顯,應(yīng)該進(jìn)一步關(guān)注.2.31局部轉(zhuǎn)換點(diǎn)轉(zhuǎn)換圖5(a)給出了伊豆-小笠原地區(qū)的1070～1200km深度內(nèi)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的分布情況,6個(gè)疊加結(jié)果表明1168km附近存在轉(zhuǎn)換點(diǎn),在中部存在著局部的1085km附近的3個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn);而湯加地區(qū)(圖5(b))在更接近于1100km深度附近處存在著全區(qū)域性的速度界面,而19°S以北區(qū)域獨(dú)立地存在著1200km深度附近的界面.1150km附近的速度界面在伊豆-小笠原和湯加兩個(gè)地區(qū)均相對(duì)簡(jiǎn)單而明確,即伊豆-小笠原1168km深度附近及湯加的1100km深度附近的速度界面,兩者在深度上的差異性,滿足其作為化學(xué)界面的弱差異和起伏的特性.3資料的處理問(wèn)題經(jīng)過(guò)上面的分析,我們大致可以看到兩個(gè)區(qū)域均存在著3個(gè)深度差異比較明顯的速度界面,它們應(yīng)該與深部地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程和特定的物質(zhì)構(gòu)成有關(guān)系.考慮位于920km處的速度界面.湯加地區(qū)該深度上的速度結(jié)構(gòu)明顯復(fù)雜于伊豆-小笠原地區(qū),表現(xiàn)為850和950km深度的兩個(gè)速度界面.如果俯沖板塊在地球深部的存在形態(tài)像地震層析成像所示的那樣,伊豆-小笠原地區(qū)俯沖板片的在660km平臥的狀態(tài)要更清晰一些,尤其是伊豆-小笠原的中北部,而湯加地區(qū)俯沖物質(zhì)殘留要復(fù)雜得多.從而假如,伊豆-小笠原地區(qū)的910km深度是一個(gè)確實(shí)的化學(xué)界面,那么湯加地區(qū)的850和950km的兩個(gè)速度界面之一對(duì)應(yīng)著伊豆-小笠原的910km界面,另外一個(gè)則為俯沖殘留物質(zhì)的上界或者下界.由于目前使用的資料本身震級(jí)相對(duì)較低,只有通過(guò)傾斜疊加波形的包絡(luò)線才能比較清晰地看出相關(guān)的次生震相,而不能直接從地震資料上來(lái)識(shí)讀出,因此不容易從波形的極性上來(lái)分辨其實(shí)際是低速/高速或者是高速/低速界面.但是如果使用強(qiáng)地震資料,由于其震源過(guò)程過(guò)于復(fù)雜,而無(wú)法區(qū)分這樣的復(fù)雜形態(tài)是復(fù)雜的速度結(jié)構(gòu)造成的還是復(fù)雜源時(shí)間函數(shù)造成的,所以需要進(jìn)一步尋找新的方法或者更合適的資料對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)一步研究并討論.伊豆-小笠原和湯加俯沖區(qū)均存在著1000km深度附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中.兩個(gè)地區(qū)的一致性顯示速度界面與俯沖物質(zhì)殘留的存在之間的關(guān)聯(lián)性不是很大,而湯加地區(qū)中北部的1033～1065km深度之間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中則可能體現(xiàn)了俯沖物質(zhì)的存在.如果結(jié)合湯加地區(qū)更淺一些的850和950km深度處的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中來(lái)看,這也是個(gè)成對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象,值得進(jìn)一步考慮.就1150km深度附近的速度界面而言,伊豆-小笠原地區(qū)存在著1085km深度附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中,而湯加地區(qū)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)更接近于1100km.相對(duì)于轉(zhuǎn)換點(diǎn)在兩個(gè)區(qū)域分布水平尺度來(lái)看,這樣的深度差不算大;同時(shí),伊豆-小笠原地區(qū)1170km深度附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中與湯加地區(qū)的1200km深度處的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中.因而,兩個(gè)區(qū)域在兩個(gè)深度上均存在著速度界面,分別位于1100和1200km深度附近,且伊豆-小笠原地區(qū)的速度界面較湯加地區(qū)略淺.對(duì)比3個(gè)深度附近的轉(zhuǎn)換點(diǎn)集中,如果考慮中地幔存在多個(gè)速度界面,且伊豆-小笠原和湯加俯沖地區(qū)的界面有著類似的形態(tài),那么我們可以看出,伊豆-小笠原地區(qū)的速度界面分別位于910,1000,1080和1170km深度上;而湯加地區(qū)的速度界面則分別位于950,1000,1100和1200km深度處,850和1033～1065km處的界面則直接與湯加地區(qū)俯沖殘留物質(zhì)的存在有關(guān).相較于前人由幾個(gè)較強(qiáng)地震資料給出的湯加俯沖區(qū)920km和伊豆-小笠原地區(qū)970km及880km深度上轉(zhuǎn)換點(diǎn)分布來(lái)看,這兩個(gè)地區(qū)的中地幔確實(shí)存在著俯沖板塊殘留物質(zhì).其對(duì)于中部地幔間斷面的存在分析確實(shí)有相當(dāng)?shù)挠绊?對(duì)比本文的結(jié)果來(lái)看,俯沖殘留物質(zhì)的影響不足以掩蓋在中部地幔中存在的速度界面.同時(shí)結(jié)合Shen等分辨率相對(duì)低的接收函數(shù)得出的冰島和夏威夷兩個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)的1050km深度附近速度界面來(lái)看,在排除單純俯沖物質(zhì)影響的情況下,中部地幔中存在一個(gè)全球性的化學(xué)速度界面應(yīng)該是沒(méi)有疑議的.其他區(qū)域關(guān)于中地幔速度界面的研究結(jié)果,如印度尼西亞俯沖區(qū)940～1080km附近的速度界面,馬里亞納俯沖1115km深度附近中地幔傾斜地震反射體,而vanderMeijde等給出的地中海下部的860,900以及1200km速度界面也從側(cè)面進(jìn)一步證實(shí)了中部地幔的