2018, Vol. 61
2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
2. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
地球的自由振荡分为球形振荡和环形振荡.球形振荡是Rayleigh面波的驻波, 质点做垂直于水平面的椭圆运动, 质点的位移既有径向分量, 又具有水平分量; 环形振荡是Love面波的驻波, 环形振荡的质点在垂直于径向的同心球面上振动, 仅有水平向分量.地球的自由振荡只存在特定的频率, 称为地球的本征频率, 又称为简正模.球形简正模使用nSlm表示, 环形简正模使用nTlm表示, 其中n表示沿着径向方向的节点数, l、m分别表示余纬和经度方向的阶数.球形简正模和环形简正模都是偏振的, 且二者的偏振面相互垂直, 互不影响, 是解耦的.
自由振荡面波在传播的过程中受到传播介质各向异性、地球自转和椭型影响, 质点的偏振面会发生改变, 称为简正模的偏振异常.出现简正模偏振异常时, 线性极化的Love波转化为椭圆极化的Rayleigh(Quasi-love)波; Rayleigh波转化为线性极化的Love波(Quasi-Rayleigh).对于频率相差较小的相邻球形和环形简正模, 当简正模的质点出现偏振异常时, 二者的偏振面不再相互垂直, 质点的振动极容易耦合, 引起简正模频移.利用相邻简正模的耦合可以研究传播介质结构异常.
理论计算表明, 对于频率小于3 mHz的长周期简正模, 地球自转的科里奥力是导致0Sl和0Tl+1耦合的主要原因(Dahlen and Tromp, 1998; Masters et al., 1983).利用超导重力仪观测到的频率小于1 mHz的环形简正模的垂向分量是由地球自转引起, 该分量是由水平向分量偏振异常产生(Smith and Masters, 1989).地球自转对低频相邻简正模的耦合起主导作用(Backus and Gilbert, 1961; Geller and Stein, 1977; Park, 1986), 而地球的椭率仅为1/298, 其对耦合的影响不到自转影响的1/10(Zürn et al., 2000; Dahlen, 1968), 因此本文在研究上地幔结构异常对长周期简正模的影响时椭率的影响可以忽略.
大范围上地幔横向结构各向异性能够影响简正模质点的偏振.上地幔非均匀能导致长周期简正模0Sl和0Tl+1的耦合(Beghein et al., 2008), 对于低频(小于3 mHz)简正模信号, 全球性的上地幔结构异常会对0Sl+1和0Tl+1的耦合产生影响(Ritzwoller and Ritzwoller, 1998; Oda, 2005; Hu et al., 2009).在分析上地幔结构各向异性对长周期简正模的影响时, 主要关注全球范围上地幔结构异常对简正模的影响, 而本文选择分析小范围区域对简正模质点偏振的影响, 异常区域的面积小于简正模的波长.
体波和面波的观测资料均显示南极大陆上地幔存在方位各向异性:SKS、SKKS、PKS波分裂的结果显示南极大陆上地幔存在明显的地震各向异性, 利用面波层析的方法也得出了南极大陆地壳和上地幔存在明显的低速异常, 南极横贯南极山脉下方位各向异性的快轴方向垂直于横贯南极山脉(Müller, 2001; Sleep et al., 2002).
本文选择南极区域, 利用南极台站记录的0T10分析上地幔结构异常对它影响.在南极点, 地球的自转轴垂直于过极点的切平面, 地球转动的角速度方向垂直于过极点的切平面, 水平运动的质点所受科里奥力的方向是水平的, 因此在南极地区特别是靠近地理南极点区域, 地球的自转对环形自由振荡垂向偏振异常的影响很小, 科里奥力不会引起环形简正模的垂向偏振异常, 另外环形振荡受大气扰动、随季节变化大气压力的干扰很小.利用南极地区台站记录到的环形简正模的垂向偏振异常可以单独分析局部地区上地幔结构异常对长周期简正模的影响.
1 数据和方法 1.1 自由振荡观测和数据预处理2012年4月11日下午, 在印度尼西亚苏门答腊岛北部西海岸发生了一次MW8.6地震, 震中位于赤道附近.该地震由印度-澳洲板块海底洋壳上的走滑断裂活动造成, 震源破裂尺度达1200~1300 km, 其中600 km的同震位错达15 m以上, 是有历史记录以来世界上最大的一次走滑型地震(薛艳等, 2012).强烈的走滑型地震激发了显著的低频环形自由振荡, 为研究地球自由振荡提供了一次机会.
本文利用此次大地震激发的长周期0T10简正模研究南极上地幔各向异性对长周期自由振荡的影响.由横向均匀的PREM地球模型(Dziewonski and Anderson, 1981)计算得到的0T10简正模理论频率为1.61491 mHz, 波长4002.4 km(Tsuboi et al, 1985), 其相邻的球形简正模是0S9和1S7.观测数据表明环形简正模偏振异常后很容易和相邻的球形简正模耦合, 在频谱曲线中出现频移.在随后的数据处理中发现南极26个台站记录的1S7简正模能量很小, 基本看不到谱峰, 而0T10的频率与PREM模型理论频率的相对误差均小于0.1%, 表明0T10受到相邻球形简正模的影响很小, 未和0S9和1S7耦合.0T10的理论频率与0S9和1S7分别相差34.98 μHz和42.25 μHz, 较大的频率差使得0T10偏振异常后几乎不受相邻球形振荡的影响.偏振异常后0T10简正模是独立的, 受干扰很小, 可以通过0T10简正模的偏异常来分析南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响.
长周期简正模的能量能够进入上地幔区域, 图 1是由PREM地球模型计算得到的0T10、0S9简正模的能量密度图, 图中的竖实线是PREM模型中的上地幔间断面, 主要间断面有660 km、410 km、220 km、110 km, 在这些间断面处, 简正模的密度分布曲线会有跃变.0T10只有剪切能量, 能量主要分布在70~660 km范围内.而0S9既有剪切能量又有压缩能量, 它的敏感区域位于660~2000 km.0T10和0S9的敏感区域重叠的部分很小, 在随后的数据处理中发现在0T10出现强烈偏振异常的情况下0S9却几乎未受影响.
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图 1 0T10、0S9简正模能量密度分布图 图中横轴是地球半径, 实线是剪切波能量, 虚线是压缩波能量, 计算所用的模型为PREM模型. Fig. 1 Energy densities for 0T10 and 0S9 in model PREM Abscissa is Earth′s radius.The solid line is shear energy density and dashed line is compressional energy density. |
从IRIS(The Incorporated Research Institutions for Seismology, 地震学联合研究组织)数据中心获取震后72 h内所有南极台站的LHZ、LHE和LHN记录数据(Long Period High Broad Band Z、E、N, 长周期宽频带垂向、北向、东向, 采样率1 sample/s), 对于非南北向放置的仪器, 水平向的两个正交分量使用LH1和LH2表示.对原始三分量数据去除仪器响应, 并将水平LHE、LHN记录数据分别旋转到台站与震源连线的径向(R)和切向(T)方向, 对Z、R和T向的时间序列做快速傅里叶变换(FFT)得到简正模的振幅谱图, 时间长度为20 h.对得到的振幅谱逐一检查, 将含有较大微振噪声、简正模谱峰不清晰和未记录到有效地震数据的台站舍掉.
1.2 南极台站南极大陆处于60°S—90°S, 面积1390 km2, 平均海拔2350 m, 年平均温度-25 ℃, 常年冰雪覆盖, 地区因环境恶劣, 地震观测资料少.2012/4/11苏门答腊地震发生时, 除7个永久台站外, 南极区域恰好布置了29个临时台站, 较多的台站能够为研究南极上地幔各向异性对0T10的影响提供充足的数据, 并能够确定异常区域的范围.这些台站均由宽频带地震仪组成, 这些台站中有26个能够清晰地记录到苏门答腊大地震激发的长周期简正模信号, 它们覆盖了南极75%的地区, 尤其横贯南极山脉两侧布置了很多台站, 其中永久台站QSPA位于南极点处, QSPA台站编号为00、10、60、70、80的5台宽频带地震仪均清晰地记录到了0T10简正模的偏振异常.南极可用的26个台站详细信息见表 1和图 2.
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表 1 南极台站统计 Table 1 Seismic stations in the South Polar |
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图 2 南极台站分布 图中三角形标志表示地震台, 根据台站记录到的0T10的LHZ/LHT比值大小使用不同的颜色标记台站.黄色表示未观测到明显偏振异常, 粉红表示微弱的偏振异常, 红色表示出现强烈的偏振异常, 红色虚线区域是出现偏振异常台站的主要分布范围.图中的淡蓝色直线是过震中和南极点的大圆路径, 是环形自由振荡面波的传播方向. Fig. 2 Distribution of stations in the South Polar The triangles are stations.Different colors distinguish the intensity polarization anomalies of 0T10 recorded by stations, and the intensity is decided by ratio of LHZ/LHT.Yellow triangles represent normal stations, pink triangles are mild polarization anomalies, and red triangles are the strongest polarization anomalies.Polarization anomalies are clustered together in dashed red line area.The pale blue is the wave line of propagation of 0T10 along which different strength polarization anomalies are observed. |
地震激发的地球自由振荡的理论位移可以利用震源机制解和一定的地球参考模型进行计算(薛秀秀等, 2012).地震的震源机制模型将震源等效为双力偶点源, 双力偶点源使用地震矩张量表示, 地震矩张量有六个独立分量, 设地震点源在r0处, 则地球上r处自由振荡的理论位移可由如下公式计算:
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(1) |
公式(1)中Sn(r)表示r处n阶基频的本征位移, M(r0)是震源机制解的矩张量, ωn是简正模的本征频率, Qn是介质的品质因子, εn(r0)是传播介质的剪切模量.令Mk(k=1, …, 6)表示震源的六个地震矩张量, 同样使用εnk代替εn(r0)的分量, 定义公式(2).
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(2) |
此时公式(1)可以写成下面的形式:
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(3) |
公式(3)中
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将公式(1)重写成如下形式:
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(4) |
利用特定地球模型得到的地球自由振荡模拟值与观测结果进行比较, 是地球振荡资料解释地球内部结构的有效途径.本文根据上述原理模拟2012/4/11苏门答腊大地震激起的0T10理论值, 使用横向均匀静止的PREM地球模型计算地球格林函数, 苏门答腊大地震的震源机制解来源于Global CMT(Global Centroid-Moment-Tensor Project)网站(http://www.globalcmt.org/).
1.4 0T10偏振异常检测和量化环形自由振荡质点的偏振面是水平面, 质点振动的方向垂直于台站和震中连线.正常情况下, 宽频带地震仪记录的长周期环形简正模只有水平(T)向分量, 当环形简正模出现偏振异常时, 质点的偏振面不再水平, 可以观测到非水平方向的分量.本文主要检测环形振荡0T10的垂向分量来判断简正模的偏振异常及偏振异常的强烈程度.
南极台站记录的垂向(Z)时频数据经傅里叶变换转换到频域中, 将得到的频谱曲线和由PREM地球模型模拟的理论频谱曲线相比较来判断0T10垂向偏振异常.图 3b是QSPA台站00号宽频带地震仪记录的三分量(R、T、Z)数据谱分析结果, 图中的虚竖线是由PREM地球模型得到的简正模理论频率位置, LHZ是台站垂向观测值的频谱曲线.在0T10对应的位置出现了谱峰, 而模拟频谱曲线SynLHZ并没有波峰, 该谱峰是T向分量偏振而来.0T10相邻的球形简正模0S9观测值和模拟值符合得很好, 与PREM模型理论频率相对误差小于0.1%, 0S9的振幅和频率未受到0T10垂向分量的干扰, 未和0T10耦合, 0T10的偏振异常比较容易识别.
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图 3 QSPA台站振幅谱图 (a)是5台宽频带地震仪记录到的垂向分量(Z)观测数据的振幅谱, LHZ00-LHZ80是观测到的频谱曲线, SynLHZ是垂向分量模拟值(下同); (b)是00号地震仪三分量观测数据与垂向模拟数据振幅谱图, LHT、LHR和LHZ分别是水平(T)、径向(R)和垂向(Z)观测值频谱曲线, SynHT、SynLR是水平(T)、垂向(Z)模拟数据的振幅频谱曲线(下同). Fig. 3 Different components of 0T10 at QSPA seismic station (a) Amplitude frequency spectrum curve of vertical component recorded by 5 broad-band seismographs.LHZ00-LHZ80 is observed frequency spectrum curve.SynLHZ is simulated vertical component.(b) Amplitude spectra of three-component data recorded by seismograph No.00 and simulated vertical data.LHT, LHR and LHZ are observed frequency spectrum curves of horizontal (T), radial (R) and vertical (Z) data.Dash lines SynHT and SynLR are amplitude spectrum curves of simulated horizontal (T) and vertical (Z) data. |
地球自由振荡是驻波, 质点振动的振幅取决于台站所处的位置, 波节处为0, 波腹处最大.由于0T10简正模偏振异常出现的Z向分量是来源于T分量, T分量的大小会影响Z分量的振幅.在对南极台站记录到的垂向分量做谱分析时, 我们发现不同位置的台站记录0T10的Z向振幅存在很大的差异, 为了定量分析0T10的垂向偏振异常, 用频谱曲线0T10处Z向峰值与T向峰值的比来量化偏振异常, 比值越大简正模偏振异常越剧烈.在南极的26个台站中, SWEI台站处的比值大于1.其他台站的比值均小于1.
2 比较和分析图 3a是南极点处QSPA台站五台宽频带地震仪记录的震后20小时Z向数据的振幅谱图, 图中五台仪器记录到的Z向频谱曲线基本重合, 表明五台设备的观测一致性较好.观察值和模拟值频谱曲线在除0T10处均符合得很好, 尤其在和0T10最近的0S9处符合得最好, 0T10处的观测值出现了谱峰, 表明0T10在南极点处出现了垂向偏振异常.图 3b是QSPA台站编号为00地震仪的三分量观测值和模拟值的频谱曲线, 0T10垂向分量的能量是由T向分量转化而来, 但它的T向分量的振幅和模拟值基本一致, 这可能是由于在苏门答腊MW8.6大地震后的两个小时又发生了MW8.2的余震, 导致QSPA台站的T向分量振幅并未出现显著的下降.
图 4是MPAT、OBHI台站T、Z向数据振幅图.MPAT和OBHI两个台站相距仅55 km.根据两个台站的Z向数据可以判断0T10在MPAT台站没有出现偏振异常, 它在OBHI台站却出现了强烈的垂向偏振异常.两个台站相距很近, 但是它们观测值的T向分量振幅相差很大.OBHI台站的T向分量振幅小于模拟值, 由于OBHI台站Z向数据在0S10处和模拟值符合得很好, 表明其T向分量振幅异常偏小并非噪声引起, 同时可以发现OBHI台站的T向数据在0S9处出现了明显的谱峰, 此处谱峰可能是由于0S9发生了偏振异常导致, OBHI台站的异常表现可能是由于台站下方复杂的地质结构引起.
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图 4 MPAT和OBHI台站T向和Z向数据的振幅谱图 图中不同样式线的含义均与图 3相同. Fig. 4 Amplitude spectra of the vertical and transverse component at MPAT and OBHI seismic stations Explanations are same as Fig. 3. |
对南极26个台站记录到的0T10垂向数据逐个分析, 判断0T10的偏振异常情况, 并计算0T10处的Z向频谱曲线的谱峰与T向的比值, 计算结果见表 1 LHZ/LHT列.从南极26个台站比值计算的结果可看出南极台站偏振异常的强烈程度具有明显的梯度, SWEI、DEVL、AG03、SBA、OBHI、HOWD六个台站的比值均大于0.5, 其余台站小于0.3.根据比值将台站分为三类, 比值大于0.5的台站认为出现强烈的偏振异常、0.1~0.25为微弱偏振异常、小于0.01的台站认为未出现明显偏振异常.
将南极地区不同台站0T10的偏振异常情况标绘于地形图上, 见图 2.从图中可以看到出现偏振异常的台站呈现区域性分布, 主要集中在红色虚线内.该区域位于横贯南极山脉及其东侧, 横贯南极山脉西侧的台站记录的自由振荡很少出现0T10的偏振异常, 而且该区域的面积远远小于简正模的波长.图中的直线是环形振荡的传播方向, 沿着该方向分布的台站同样观测到了0T10不同的偏振异常情况.
图 5选取了9个台站的振幅图比较0T10偏振异常情况, 图 5中红色字体的台站表示0T10在该处出现了偏振异常, 蓝颜色字体台站为未观测到明显偏振异常的台站, 从这9个台站的振幅谱图可以看到出现偏振异常的台站T向分量的振幅相对较小, 这是因为0T10偏振异常后的垂向分量是由T向转换而来.SWEI是26个台站中比值最大的, 其Z向振幅已经超过T向, 0T10简正模的偏振异常最为强烈.QSPA台站和SWEI台站相距165 km, QSPA记录的0T10的Z向分量的振幅和SWEI相同, 但它的T向分量的振幅却大于SWEI台站, 所以0T10质点的偏振情况在这两个台站处有明显差异; 与SWEI相距550 km的N140台站几乎观测不到0T10简正模的垂向分量, 表明小范围的上地幔结构各向异性对震后较短时间内0T10的偏振异常有显著影响; BYRD台站位于横贯南极山脉西侧, 与QSPA台站关于横贯南极山脉对称, BYRD台站未出现明显的垂向偏振异常; DUFK、PECA、SURP、SBA台站是沿着横贯南极山脉山脊分布的台站, 六个地震台记录的0T10偏振异常的强度由南向北逐渐减弱, 26个台站中CLRK台站0T10偏振异常最小.除SWEI台站外, 所有台站记录的0S9简正模的观测值和模拟值均符合得很好, 表明0S9质点的正常偏振未受影响, 同一个台站记录到简正模0S9、0T10质点不同的偏振情况, 两者的波长相差不大, 可以推断震后较短时间内, 局部区域的结构对它们影响较大, 根据两个简正模的能量密度分布可知南极上地幔各向异性的深度范围位于70~660 km的上地幔, 这个范围的各向异性会引起0T10简正模质点的偏振异常, 而0S9简正模几乎不受影响.
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图 5 南极部分台站T、Z向分量振幅谱图 图中不同样式线的含义均与图 3相同. Fig. 5 Amplitude spectra of the vertical and transverse component at 9 seismic stations Explanations are same as Fig. 3. |
(1) 震后较短时间内南极大陆观测到0T10偏振异常的台站呈区域性分布, 且偏振异常的台站分布范围远远小于简正模的波长, 0T10偏振异常是由南极大陆局部上地幔结构各向异性引起.由于地球自由振荡为驻波, 波形和能量并不向前推进, 震后较短时间内质点的振动可能受台站下较小范围结构的影响较大, 即使异常的范围远远小于简正模的波长.局部地区的结构异常对长周期简正模的影响的机制可能不同于全球范围结构异常的影响.
(2) 在0T10出现偏振异常的台站记录到的0S9与PREM地球模型的理论振幅符合得很好, 这是由于0T10与0S9敏感深度范围不同, 根据0T10和0S9的能量密度图可以给出各向异性的深度.可以利用震后较短时间内(20 h)不同频率的简正模的偏振或者耦合现象约束小范围区域地幔结构异常的深度范围, 研究其地球动力学过程.对于结构复杂的区域, 在利用地球自由振荡的本征周期反演地球密度和弹性结构及约束大地震的震源机制解时, 不能忽略局部区域结构的影响.
(3) 南极地区0T10偏振异常的台站主要集中在横贯南极山脉附近区域和它的东侧, 即图 2中红色虚线区域.横贯南极山脉是东西南极的急剧转换地带, 也是地球物理场的梯度带(束沛镒和张钋, 1994), 而地震、地热和岩石学的证据均表明横贯南极山脉的山根延伸至上地幔, 计算机模拟的结果显示山根会影响软流圈的物质流动, 导致软流圈在山根处反射流动, 这可能是横贯南极山脉下方上地幔中形成方位各向异性结构的原因(Sleep et al., 2002; Lay and Wallace, 1995).
(4) 由于高频地震面波不能深入到上地幔的深部, 而体波的纵向分辨率低, 使用长周期简正模的偏振异常或耦合能为地球动力学提供新的约束, 选用更多的台站和地震, 分析震后短时间内不同频率不同方向的自由振荡数据可以约束上地幔各向异性.
致谢IRIS数据中心为本文的研究提供了原始地震波数据; 本文模拟自由振荡的软件及数据来自于MINEOS; 在此一并感谢.
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