地質(zhì)地球所建立分離Pn波幾何擴展和衰減的非線性優(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)取得長足的進展。但是，由于Pn波幾何擴展與衰減耦合在一起，分離起來非常困難，從而影響了對衰減的研究。

　　中國科學(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資料（圖1），研究了Pn波的幾何擴展和衰減，建立了一種分離Pn波幾何擴展和衰減的非線性優(yōu)化方法（圖2），獲得了中國東北和朝鮮半島地區(qū)與頻率相關(guān)的對數(shù)域拋物線型Pn波幾何擴展模型（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。他們通過比較，發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)火山分布與上地幔頂部P波的強烈衰減區(qū)相對應(yīng)。大陸巖石圈與海洋巖石圈無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 朝鮮核試驗場（紅色五角星）和地震觀測臺站分布，包括中國國家地震臺網(wǎng)的臺站（倒三角）、全球地震臺網(wǎng)的臺站（實心圓點）、韓國流動地震臺站（方塊）、東北地震測深的流動臺站（空心圈）和日本F-NET臺網(wǎng)的臺站（正三角）。

圖2 基于模型優(yōu)化得到的Pn波振幅理論值與實際觀測值的比較。

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

　　圖4 中國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的射線覆蓋，藍色和粉色線條分別為單臺和雙臺路徑，(d) 2.0° ´ 2.0°分辨率檢測板測試。