超越一维模型的三重震相波形模拟方法研究

The upper mantle transition zone (TZ)is the boundary between upper and lower mantle, where extensive mass transfer though it. It plays a fundamental role in dynamics of the construction of the Earth’s interior. Triplication waveform modeling is an effective tool to study the detailed seismic structure in the transition zone and velocity discontinuities the upper mantle. Previous TZ triplication waveform modeling has relied on synthetics generated for 1D models, through tuning the velocity structure to fit the arrival times and amplitudes of triplication data. However, the relative between the source and the anomalous body is inconvenient for the triplication waveforms. Meanwhile, compared to the deep events, shallow earthquake events can indicate low velocity zone beneath the high-velocity lid and constrain the thickness of lid. In order to rule out the influence of velocity anomalies and obtain accurate velocity structure of upper mantle, considering the shallow earthquake events, we try to use synthetics from surpassing 1D spectral element method (SEM) with the developed PML that can sufficiently suppress the reflected waves from absorbing boundaries not to pollute the waveforms in TZ triplication simulations, taking into account the influence of the relative locations between shallow earthquake events and velocity lateral anomalies to fit triplication waveforms.

上地幔过渡带是上下地幔物质交换对流的重要场所，对了解地球内部结构有重要意义。区域地震三重震相波形模拟是研究上地幔过渡带速度结构与间断面起伏的有效途径。三重震相波形模拟通常基于一维模型，而震源与速度异常体的相对位置对三重震相波形的影响是不可忽视的。同时，较于深源事件，浅源地震三重震相不仅可以研究上地幔过渡带的速度结构，也可约束上地幔过渡带上方岩石圈盖层的厚度，及盖层下方的低速区域。采用基于超越一维模型的波场模拟，在模型边界镶嵌吸收效果更好稳定性更高的改进完全匹配吸收层（PML），压制来自吸收边界的微弱反射。利用携带更多地下物性信息的浅源地震事件，同时考虑震源与板块（速度异常体）相对位置和速度的横向变化（包括射线路径上的速度异常体）对三重震相波形的影响，拟合三重震相波形，将有助于排除速度异常体对三重震相波形的影响，继而得到更准确的上地幔过渡带地震波速度结构。

本课题采用基于二维/三维模型的波场模拟，利用携带更多地下物性信息的浅源地震事件，拟合三重震相波形。首先，为了规避有限区域边界的反射影响，在模型边界镶嵌吸收效果更好稳定性更高的改进完全匹配吸收层（PML）。其次，为了消除浅部大尺度起伏地形对台站数据的影响，评估了起伏地形对瑞雷面波信噪比与频散曲线的影响。得出以下结论：（1）建模时应该依据模型的复杂程度设计适应的完全匹配吸收条件（PML），例如，多轴完全匹配层（M-PML）适用于各向异性介质的吸收边界条件，但是卷积完全匹配层（C-PML）更适应于各向同性介质；（2）地形起伏会对造成高频面波频散曲线的偏差，频散曲线的偏差与起伏尺度程正比，最大可达到25%；（3）高频瑞雷面波经过地形时，地表质点位移轨迹为长轴方向垂直于自由地表的椭圆，因此，垂直于地表的台站分量数据可以提取到更高信噪比的瑞雷面波。通过MT7模型的三重震相波场模拟，分析了震源与异常体相对位置变化时对P波三重震相波形的影响：异常体位于震源处，且震源位于靠近异常体上边界上方时，异常体对三重震相的影响范围最大，此时三重震相的波形与相对到时对异常体的方位较敏感，随着震中距范围的增加，影响逐渐减小；异常体远离震源，位于台站下方时，异常体仅对位于其上方台站的走时影响较大，若有射线正好沿异常体表面传播，也会在个别台站观察到振幅放大的现象；异常体位于上地幔转换带附近，主要影响三重震相到时，没有发现振幅放大的现象。将此结论用于美国加州地震事件，解释246°方位角出现的振幅放大现象，推测为17°-20°台站下方的速度异常，该异常与速度比围岩略高，但是应该有明显的密度差异。该方法为我们推测三重震相路径上的异常体提供可靠的技术手段。