地震波衰減的研究進展

地震波衰減的研究進展

0地震地震波研究的動力學(xué)模型地震波不僅能提供地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，還能提供地球上物質(zhì)的成分、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、物質(zhì)條件、溫度和物質(zhì)流動等重要信息。因此，它已成為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)最重要的手段之一，并發(fā)揮著重要作用。利用地震波的運動學(xué)信息,我們可以研究地球內(nèi)部的速度參數(shù);利用地震波的動力學(xué)信息,我們可以研究地震波能量的損耗率——Q-1(品質(zhì)因子的倒數(shù))。地震波在傳播過程中能量的衰減是傳播介質(zhì)的非彈性性質(zhì)的反映。與彈性波速相比,地震波的衰減對地球結(jié)構(gòu)和組成的變化更敏感。Q值是溫度和相變所致晶體結(jié)構(gòu)變化的一個敏感指標(biāo),在了解地球內(nèi)部介質(zhì)的非彈性性質(zhì)和推斷其熱力學(xué)狀態(tài)方面均有重要的應(yīng)用價值。從頻率角度看,周期最長的波是地球自由振蕩,為幾分鐘到幾個小時(102～104?s);其次是面波,周期為幾秒到幾十秒(10～102?s);再就是短周期地震波(1～10Hz)和高頻地震波(1～103?Hz)。從研究內(nèi)容看,可分為:①利用天然地震波(體波、面波、自由振蕩、尾波等)研究地球內(nèi)部構(gòu)造及孕震區(qū)的物理狀態(tài);②用人工震源研究地下巖層的性質(zhì),為探礦服務(wù);③衰減機理的理論研究;④實驗室研究。從研究區(qū)域大小來劃分,可分為全球的Q值和局部地區(qū)的Q值研究。1自然地震波研究q值1.1關(guān)于地球q值結(jié)構(gòu)的估算地震波的非彈性衰減是通過對地震波振幅的改變量的估算得到的,而這里所使用的振幅是已經(jīng)經(jīng)過修正的,排除了那些可能對它產(chǎn)生影響的因素。因而我們所觀察到的地震波振幅的變化和頻譜中所包含的信息很可能是除彈性衰減外的其他因素造成的。但是很不幸的是,這許多因素是我們所不熟悉的。因而,早期對地球Q值結(jié)構(gòu)的估算是從對地球自由振蕩和環(huán)繞地球的面波的研究中得到的。使用地球自由振蕩資料的兩種具體做法是:(1)自由振蕩振幅譜上測量譜峰所在的頻率ω和譜峰寬度2Δω,按公式:1Q=2Δωω(1)1Q=2Δωω(1)計算Q值。(2)在許多相繼的時間間隔中,測量自由振蕩頻譜譜峰的平均能量E,按公式:E=E0e-2πQΤ(2)E=E0e?2πQT(2)求得Q值。Andesong和Hart于1978年根據(jù)地球自由振蕩資料得到了一個參數(shù)化的全球Q模型SL8。其主要特點是:高Q巖石層,低Q上地幔,幾乎無吸收衰減的高Q外核,有吸收衰減的內(nèi)核和在地幔底部的低Q薄層。1.2地震波的幾何擴散因子面波周期較長,在地表沿大圓弧傳播。地震臺觀測到的面波振幅譜可寫成:A(ω)=S(ω?θ)Ι(ω)√R0sinΔe-γ(w)?Δ(3)A(ω)=S(ω?θ)I(ω)R0sinΔ√e?γ(w)?Δ(3)式中S(ω)是初始譜的振幅,與震源譜和方位角θ有關(guān);I(ω)是地震儀的頻率響應(yīng);1/(R0sin△)-2是面波的幾何擴散因子;R0是地球半徑;△是震中距;γ(ω)是衰減系數(shù),它與Q值的關(guān)系是:Q(ω)=ω2γ(w)U(ω)(4)其中U(ω)是群速度。因而可利用長周期面波振幅譜來計算地球平均Q值。Anderson等人于1964年及1965年運用長周期面波研究了地球的平均Q值結(jié)構(gòu)。Q值結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明:地球中主要的非彈性衰減發(fā)生在上地幔中,且與低速帶的深度非常吻合。這些研究所得出的結(jié)果展示了一個高非彈性衰減的地球和與頻率無關(guān)的Q值結(jié)構(gòu)。然而,由于波從一種礦物到另一種礦物時有能量泄露,從而地球的層狀非均勻性改變了自由振蕩的振幅。而面波經(jīng)過主要構(gòu)造邊界時,由于巖性轉(zhuǎn)換,波的聚焦效應(yīng)等造成了能量的損失,這些因素使得在當(dāng)時利用面波研究Q值很困難。1.3北美地區(qū)上地岱地區(qū)的q地區(qū)Carpenter認(rèn)為體波的衰減率可以用沿路徑的平均Qav和t*來描述t*=∫ray?pathdtQ(5)然而更為通用的表達(dá)是t*=T/Qav(6)這里T為射線上的總傳播時間,對于P波t*要加下標(biāo)α,對于S波t*要加下標(biāo)β。Der運用該方法研究了P波在北美地區(qū)的衰減特征。結(jié)果表明,在北美地區(qū)地盾下的上地幔地區(qū)Qα很高(Qα>1500)。Barazangi等人的研究顯示出在弧后盆地、洋中脊和構(gòu)造活動區(qū)是低Q區(qū)域,在舊的大洋地殼和地盾則是高Q區(qū)域。在中國,張立敏等利用西藏地震在遠(yuǎn)處單臺(北京、上海、廣州3個臺)的S和sS震相的譜振幅比,求得了西藏拉薩附近介質(zhì)的低于100的QS值。Jordan和Sipkin提出了測量ScS波的Q值的方法Qscs-1=2Τ0scs∫abVS-1(r)Qμ-1(r)dr(7)式中T0scs是垂直向ScS波的傳播時間,為深度r處的波速,b為地心到核幔邊界處的半徑,a為地心到地球表面的半徑。Chan和Der研究了QScS的區(qū)域性變化,研究結(jié)果顯示在短周期記錄中Q值的變化和全球性QScS的變化是類似的。利用體波研究Q值的結(jié)果表明:P波和S波振幅的衰減變化可解釋為Q在地幔和地殼中的變化。這些研究加深了我們對殼幔的構(gòu)造活動和演化過程的理解。1.4彈性衰減模型很多研究表明用短周期記錄研究的Q值低于長周期記錄研究的結(jié)果,因而早期的與頻率無關(guān)的Q值模型是不恰當(dāng)?shù)摹Ψ菑椥运p的理論和實驗室研究支持Q值與頻率相關(guān)這一觀點。很多研究都成功地描述了在北美和歐洲與寬頻帶資料相關(guān)的依賴于頻率的模型。在頻率域中計算面波Q值有三種主要的方法:(1)中朝準(zhǔn)地臺q結(jié)構(gòu)及區(qū)域差異早期的面波衰減研究可見Sat?o的工作。他運用傅立葉變換研究了面波振幅衰減,并對Q值進行了測定。Solomon運用傅立葉分析,測定了雙臺間殼幔的Q值。Tsai和Aki運用該方法研究了北美西部地區(qū)地殼的Q值。該方法還被用于對大陸和海洋地區(qū)地殼的Q值研究中。雙臺法主要依據(jù)的公式為:γ(ω)=ln{[A2(ω,r)/A1(ω,r)][sinΔ2/sinΔ1]1/2}r2-r1(8)式中A1和A2分別是震中距為r1和r2(用弧度表示為Δ1和Δ2)的兩個臺站1和2的振幅譜,ω為圓頻率。胡家富、段永康用CDSN(中國數(shù)字地震臺網(wǎng))記錄到的基階振型Rayleigh面波資料,測定了中朝準(zhǔn)地臺周期為10～98s?的基階Rayleigh波衰減系數(shù),并在此基礎(chǔ)上反演得到了該地區(qū)的殼幔Qβ結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:中朝準(zhǔn)地臺的地幔Qβ值明顯低于穩(wěn)定地區(qū),而更接近構(gòu)造活動地區(qū)的Qβ。Li運用雙臺法,反演得出中國大陸東部地殼、上地幔的三維Qβ結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示:華北地區(qū)地殼、上地幔Qβ結(jié)構(gòu)與地震活動性有密切的聯(lián)系;在陜南秦嶺段的南緣,Qβ結(jié)構(gòu)顯示出揚子塊體碰撞并俯沖于華北塊體之下的跡象。洪學(xué)海、朱介壽等用歐亞大陸及西太平洋地區(qū)58個數(shù)字地震臺站的223對經(jīng)過中國大陸的雙臺路徑記錄,計算出雙臺之間的混合路徑衰減系數(shù),并進行反演,得到中國大陸區(qū)域S波的Qβ。結(jié)果表明:中國大陸的Qβ橫向和縱向變化非常顯著,能夠明顯區(qū)分軟流圈結(jié)構(gòu),各個大構(gòu)造單元的Qβ結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著的變化。雙臺法的優(yōu)點在于它不需要震源的信息,即可得到在兩臺站間沿路徑的平均衰減值。既便是沿路徑上介質(zhì)的非彈性性質(zhì)有所改變,也仍然可以得到這個平均值。如果可以選擇兩個合適的臺站以及側(cè)向反射能被避免的話,這是一個可選的方法。(2)歐洲地區(qū)q值結(jié)構(gòu)Tsai和Aki開創(chuàng)了一種同時測量源振幅譜和圍繞震中一定范圍區(qū)域內(nèi)的平均面波衰減參數(shù)的方法:單源—多臺法。該方法使用了距震中一定距離和方位角的面波記錄的振幅譜。在觀測到的振幅譜和所選擇的參考距離r0之間有下面的等式:Ar0=Ar(REsinΔr/r0)1/2eπfrUQ(6)式中Ar是在震中距r和參考距離r0處的振幅譜;RE是地球半徑;Q是Rayleigh波或Love波的品質(zhì)因子;U是相應(yīng)的群速度。YacoubandMitchell采用該方法研究了歐洲地區(qū)的Q值結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,歐洲大陸可被分為兩個部分,一部分是相對穩(wěn)定的,而另一部分則較活躍。在活躍地區(qū)的地震波的衰減明顯高于穩(wěn)定地區(qū)。該方法的一個優(yōu)點是對未知參數(shù)以直接的方式給出了標(biāo)準(zhǔn)誤差。然而缺點是當(dāng)它測量面波衰減系數(shù)時會引入系統(tǒng)誤差。(3)單源單臺法cort區(qū)域性衰減研究的一個目的是得到單一構(gòu)造區(qū)域介質(zhì)的非彈性特征。這時常常不能使用雙臺法或單源多臺法。單源多臺法只有在當(dāng)很多臺站圍繞震中,且這些臺站都位于一個單一的構(gòu)造區(qū)域內(nèi)才可采用。而雙臺法要求兩臺站和震中位于同一大圓弧上。單源單臺法無須這些限制,而只需知道震源深度和震源機制。該方法主要是將瑞利波的理論和觀測譜進行比較,從而得到殼幔中的Q值分布。Anderson等于1965年提出了計算QR的公式QR-1=UC2[Ν∑l=1?C?αlαlQ-1αl+Ν∑l=1?C?β1βlQ-1βl](7)其中U為Rayleigh波群速度,C為Rayleigh波相速度,Qα為縱波的品質(zhì)因子,Qβ為橫波的品質(zhì)因子,下標(biāo)l為層號,在地球模型中地球被分為N-1層,α為縱波速度,β為橫波速度。早期關(guān)于單臺法的應(yīng)用可見Cheng和Mitchell的工作。他們將該方法應(yīng)用于美國東部和科羅拉多高原。稍后,Cong和Mitchell曾將該方法用于中東地區(qū)Q值的研究,所得到的結(jié)果與雙臺法的結(jié)果吻合得很好。1.5疊加譜比法ssr和我國內(nèi)在地殼中nAki于1969年首次提出:近震尾波成因于均勻且隨機分布于一個橢圓內(nèi)的地殼和上地幔的無數(shù)間斷面對地震波的反向散射。Herrmann根據(jù)Aki的尾波模型,提出了一個可用于尾波Q值實際測量的公式,從而形成了量板法的基礎(chǔ)。Xie和Nuttli將Aki理論的適用范圍延伸到Lg尾波,在此基礎(chǔ)上,首創(chuàng)了用于測量Lg尾波Q值的疊加譜比(SSR)法。該方法在非洲大陸的Q值研究中獲得了較大的成功。秦嘉政等運用尾波對云南地區(qū)地震波衰減特征進行了研究。叢連理、胡家富等運用疊加譜比法(SSR)計算了中國大陸及云南地區(qū)Lg尾波的Q值,得到了中國大陸地殼中Lg尾波的Q值。其結(jié)果顯示最低的Q值存在于滇藏地區(qū),在200～250之間;最高的Q值發(fā)生在西伯利亞地臺的南端,在450～500間變化。2地震波的能量耗散地震波的衰減機理是研究地震波衰減的重要方面,而地震波衰減的實驗室研究為衰減機理提供了研究基礎(chǔ)。Winkler和Nur的實驗結(jié)果使人們認(rèn)識到巖石裂隙中的流體(主要是水)流動導(dǎo)致的能量損耗可能是地震波衰減的一個重要機理,至少在地殼和上地幔中是如此。徐果明對他們的實驗結(jié)果進行了全面的解釋和評述,并用他們的結(jié)果解釋了震前Q值較高而震后Q值較低的現(xiàn)象。門福錄從理論上研究了波在飽含流體的孔隙中的傳播。他聯(lián)合使用了流體動力學(xué)和固體彈性或粘性力學(xué)方程,并引進了準(zhǔn)微連續(xù)條件的概念,推導(dǎo)出了此種介質(zhì)的動力學(xué)方程組。他證明了在這種無限介質(zhì)中通常具有兩種P波和一種S波,并求出了他們的波速。楊文采認(rèn)為地殼上部地震波能量的耗散來源于兩部分:(1)由滑動摩擦、熱彈性弛豫、位錯運動等引起的能量耗散,主要與巖石的固相成分有關(guān),可近似用恒Q值模型描述;(2)孔隙流體運動引起的耗散可用諧振公式描述,并導(dǎo)出了復(fù)彈性模量、相速度頻散和波衰減的公式。在實驗室中測量Q值的方法最常用的有共振法和超聲波法。共振法適用的頻率范圍為1～10kHz,超聲波法的適用范圍在100kHz?以上。此兩種方法的衰減機制都是常Q模型,即Q與頻率無關(guān),因而不可避免會存在系統(tǒng)誤差。Tang提出了一種新的測量Q值的方法——波形反演法。該方法基于在樣品中傳播的彈性波。頻率較超聲波低,為10～150kHz。波形反演法的優(yōu)點是反演的依據(jù)充分(計算值與實測值的對比參照是波形整體),可以有效地排除偶然因素的影響,從而提高計算的可靠性。但這個方法有一個前提,就是必須有一種比較精確的吻合實驗情形的波動理論,而且這種波動理論的解析式應(yīng)該比較簡單易算。王彬、許昭永等采用脈沖傳播譜振幅比法、能量法和尾波法分別測定了片麻巖破裂孕育過程中Q值的變化,對比了幾種方法所測Q值的變化特征。3對q值的研究Q是溫度和相變所致晶體結(jié)構(gòu)變化的一個敏感指標(biāo),在了解地球內(nèi)部介質(zhì)的非彈性性質(zhì)和推斷其熱力學(xué)狀態(tài)方面均有重要的應(yīng)用價值。因而,人們通過對地震波衰減的研究,能更好地了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的變化。對Q值的研究,從研究區(qū)域大小可分為區(qū)域性的和全球性的,從研究內(nèi)容可分為:(1)利用天然地震波(體波、面波、自由振蕩、尾波等)研究地球內(nèi)部構(gòu)造及孕震區(qū)的物理狀態(tài);(2)用人工震源研究地下巖層的性質(zhì),為探礦服務(wù);(3)衰減機理的理論研究;(4)實驗室研究。在Q值研究中,隨著觀測能力的提高,對Q值本質(zhì)的認(rèn)識在不斷深化,研究方法也在不斷改進。早期的研究認(rèn)為,Q值與頻率無關(guān),但隨著研究的深入,科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)以往對Q值的認(rèn)識是有偏差的,Q值實際上和頻率是有很大關(guān)聯(lián)的。對Q值的研究進而步入了一個新的時代