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深地幔横向非均匀性的地震波走时证据
朱利安，森古普塔
编者按
对地球的下地幔是无法进行直接研究的。探测下地幔的最好方法是测量地震波，因为在不同密度或不同组分的岩层中，地震波传播速度会有所不同。早前已有一些迹象表明下地幔不是均一的并且多少呈“块状分布”，本文中，麻省理工学院的布鲁斯·朱利安和姆里纳尔·森古普塔给出了确切的证据，他们从地震波走时的研究中发现，地幔最深处具有约1,000 km尺度范围的非均质体。他们没能给出确切的解释，但是他们提出，至少有部分非均质体可能是由对流结构所致：特别是受到了地幔柱上升、热物质的影响，这一点早前已有人提出。 英文
我们提供了来自地震波走时的、能表明下地幔物质存在横向变化的证据，一些异常体的尺度约为1,000 km。 英文
地震体波和表面波的数据早已证明，地球上地幔（深度<700 km）的横向不均匀性是非常突出的。有报告显示，在地幔上部200 km以内纵波速度的横向变化可达10%，而切变波速度的变幅可能更大。然而，在大于700 km的深处很难确定地震波的横向变化，不过还是有一些人 [1,2] 曾引用这种变化来解释某些地震数据的离散现象。在蒙大拿州的大孔径地震台阵测量d T /dΔ的研究中，格林菲尔德和谢泼德 [3] 从实验数据中发现，在西北和东南方向上震中距相差达60°以上，这不能归因于台阵下方的构造，似乎只能用下地幔的不均匀性来解释。戴维斯和谢泼德 [4] 以“阵列图”的形式广泛收集了这类数据。在这幅图中，d T /dΔ和方位角差异表示慢度空间矢量。图中显示出大量的异常，由于这些异常过大，因此不可能是震源区上地幔不均匀效应所致；另一方面，这些异常会随着地震波传播方向的改变而快速变化，表明这与台阵正下方的地质构造没有关系。而且对于由地核引起的压缩波衍射的研究进一步验证了上述观点，亚历山大和菲尼 [5] 发现，位于太平洋海盆下方的核幔边界区和位于北大西洋及非洲下方的核幔边界区迥然不同。 英文
我们已经发现，在地幔最底层的数百公里内，地震波的走时发生明显的横向变化，这一区域与其上方区域相比具有更大的不均匀性。这种基于走时的研究方法在另一篇文章 [6] 中已作详述。 英文
我们将研究范围限于深源地震，以避免上地幔中由近源速度变化引起的系统误差，而这种变化在地震活动区尤为强烈。我们选用了47次地震的3,300个到时数据，这些地震的震源深度在450 km至650 km之间，并且均位于各自所处地震带的最深处。所涉及的18个地震带中，大多都有两次或两次以上的地震数据是可用的。另外，为了消除含有过失误差的数据，每个台站的资料都进行了一致性检验。利用一种类似于赫林等人 [7] 所描述的迭代法，我们确定了地震位置、一条震源深度为550 km的地震波走时曲线和一组“台站校正量”（每个台站对应一个常数），每个常数代表走时在该台站下方上地幔的横向变化造成的影响。 英文
由此得出的走时曲线如图1所示（以相对于标准的杰弗里斯－布伦走时表的偏差表示），图中也显示了间距为2°的数据的平均值及其标准误差。在85°以下，曲线的形状与近期其他研究发表的曲线 [7,8] 相似，大部分其他曲线仍然与杰弗里斯－布伦曲线近似平行，但我们的结果逐渐提前了约0.9 s。图2显示了绘制走时曲线所使用的一些数据；观测到的走时大小很大程度上取决于地震发生的位置。图1中几条曲线的差异是由采样点的地理区域不同引起的。导致区域性差异的原因可能是源区或接收区上地幔地震波速度变化造成，或是由下地幔传播速度的变化引起，还可能是震源定位存在误差（由台站分布不均匀等原因造成）。震源定位的误差以及接收区的地质构造造成的影响可以排除，因为无论震中距大小，这两种因素所造成的影响是相似的。虽然在85°以上观测到的差异最为显著，但同时我们看到，在震中距小于70°时这种差异要小得多。如果传播速度的异常相对于震源呈系统性分布的话（在岛弧下方确实如此），那么可以推断，这种依赖于距离的区域差异是由震源区的地质构造引起的。如果是这样的话，距离的变化应该只局限在震源下方一个很小的区域，因为10°震中距间距可映射为震中处5°角度差。即使异常区深达1,000 km，速度变化肯定也只会发生在50 km左右的水平距离上。这种可能性应该可以排除，因为每一震源区内所有的地震都产生相类似的走时残差，即便在同一地震区内其震中位置的分布范围超过200 km也不例外。震源附近传播速度的差异也被进一步排除，因为在85°以上较早到达的地震波并不仅仅能在深源地震中观测到。例如，在马绍尔群岛的核爆炸数据中就出现过这种情况 [9] 。 英文
图1. 本项研究在震源深度550 km条件下得出的P波走时曲线（——），以相对于杰弗里斯－布伦走时表的偏差表示。数据平均值及其标准误差以2°的间距表示。为了便于对比，赫林等人 [7] （——）以及利尔沃和道格拉斯 [8] （---）的浅源地震曲线也垂直呈现于图中。
那么，似乎可以用纵波在中地幔或下地幔中传播速度的横向变化来解释走时的异常。但是，因为地震观测台站的分布不均匀且震源较深，所以现有数据提供的地幔采样也是不均匀的，因此也不可能确定地幔中完整的三维速度结构。对于每一组沿着近似相同的路径、从一个震区传播到一组接收台站的射线束，我们可以确定它的平均走时残差，根据残差信息我们可以推测造成这些差异最有可能的原因。表1总结了所有路径的走时数据，这些路径均有不少于9次的有效观测值。对每个路径应用学生 t 检验方法来检验下述假说：平均走时（经过台站校正以后）为图1中曲线给出的数值，并且相对这条曲线的偏差可以归因于随机测量误差。表1中对在99.5%的置信水平上背离上述假说的射线路径进行了标记。图3是这些异常路径的走时残差分布直方图。对于震中距超过70°的那些观测值，有16个路径（共检验了34个）显著偏离平均曲线；而对于震中距较小的那些观测，则只有3个异常路径（共检验了22个）。这有力地表明大部分散射产生于深地幔（深度>2,000 km）。在较浅处发生这种变化的可能性也不能绝对排除，但是如此一来，鉴于地震以及地震台站的分布情况，地球内部传播速度的分布就必须具有如下特点：观测到的底及非均质体底部的地震波恰巧未受到这些非均质体的影响（虽然P波在穿过最下方的10%的路径上消耗了近25%的走时），而穿过非均质体下方的地震波却受到了影响。当一个更简单的假设存在时，在速度变化上作这样一个特性诡秘的假设似乎并不合理。 英文
图2. 鄂霍次克海（ a ）和阿根廷（ b ）区域的地震波走时数据（已经过台站校正）。实线是由全部数据的拟合得到的。
表1. 地幔中P波沿各条路径走时的统计
N =观测次数
=经台站校正后的平均走时残差（s）
s =残差的标准差（s）
t
=
t 99.5 =当真均值为零时，| t |的置信水平为99.5%
* 指真均值明显不为零的传播路径。
图3. 地震波沿不同路径穿过地幔的走时残差直方图（残差是相对于图1的曲线，且经过台站校正）。识别编码与表1和图4上的编码对应。 N 是观测到的地震数量。
然而，速度分布的细节无法精准测定，因为经过回折点附近几乎相同深度的不同射线传播距离相差很大。图4显示了不同路径射线束（人为限制在每条路径中心的30°）的下地幔采样区域，并指出哪些路径对应早到或晚到。这些区域往往都是真正可能出现速度异常的区域。图中一些区域重叠的地方，它们的数据也基本保持一致（例如区域1-6和1-7、2-2和2-3、4-1和4-6）。这种一致性是令人鼓舞的，因为这支持了我们的观点，即走时的异常产生于深地幔，而不是由某种系统误差所引起的。在区域1-3和1-16之间存在着显著的不一致性，但是这并不奇怪，因为走时异常实际源于何处并不确定。沿着路径1-3传播的射线穿过了区域2-2和2-3后继续向北，很可能走时异常就产生于此。图4还有一个有趣的特征，即在两个距离间隔最大的异常之间存在相关性（例如区域1-7和2-7、区域1-4和2-4、以及区域1-5和2-6），这表明深地幔的结构在垂直方向上至少在几百公里内具有一种空间“一致性”。 英文
图4. 探及地幔底界的P波传播路径分区图。斜线部分表示与全部数据的平均值显著不同的区域。检测的其他区域以轮廓线表示。图中的识别编码与表1和图3的编码对应
：晚；
：早。
表1中的平均走时数据表明对于能底及2,600 km以下的射线而言，变化量约为1.5 s，而对于能底及2,000至2,600 km之间的射线来说，变化量约为0.6 s。虽然这些数据有些不确定，但是真实的走时很可能至少有1 s的变化量。地幔中实际传播速度的变化值取决于产生速度变化的区域的大小。图4中的数据显示，某些异常的尺度至少可达1,000 km或稍小，在这种情况下，传播速度至少要有1%的变化。这是一个下限，因为我们可能高估了非均质体的规模，也因为我们是在相当大的区域里测量速度平均值，很可能存在一些正负速度异常的相消效应。把有关走时的解译和d T /dΔ测量值结合起来有助于提高地幔结构细节的分辨率。 英文
深地幔的变化是否可能与威尔逊 [10] 和摩根 [11] 的地幔柱对流假说存在某种意义上的关联？对于这个问题，夏威夷群岛地区提供了极好的数据，这些数据的确显示出极其明显的横向变化：夏威夷西北部（区域2-2、2-3、可能还有1-3）的传播速度很高，而群岛附近（区域1-4、2-4和1-6）的传播速度则很低。有趣的是，戴维斯和谢泼德 [4] 提供的d T /dΔ数据也表明在夏威夷群岛附近也存在这类水平方向上的速度差异。可惜我们没能对其他设想的地幔柱进行很好的取样。区域1-13包括马斯克林群岛，但是这里的数据高度分散，不能据此得出任何结论。均具有很高传播速度的区域1-5和2-6略微靠近加拉帕戈斯群岛的东北部，因此并不清楚这里的速度异常与可能存在的地幔柱之间具有怎样的关系（假设存在一定关系的话）。如果能够获得更多穿过地幔柱的区域的地震波走时数据，或许就可以为威尔逊和摩根的假说提供有价值的证据。 英文
可能除夏威夷群岛外其他群岛的地质和构造特征没有表现出与推断的深地幔速度异常有明显的相关性。但是在较浅的深度，情况并非如此；位于千岛岛弧和阿留申岛弧下方的区域3-1、4-1和4-6，似乎都有低速异常。在这个深度上，经过充分的采样后唯一例外的一个岛弧位于中美洲下方（区域4-2），这里地震波到达得早些（虽然这些时间在99.5%的置信水平上不显著）。因此，这些数据表明在超过1,000 km的地下深处，较低的传播速度可能是岛弧的特征。 英文
这里引述的数据并不能证明在2,000 km以下的传播速度变化与地球重力异常或大地水准面高程之间有任何相关性。在较浅的深度上这种相关性确实存在，但这仅仅是地震波在千岛群岛和阿留申群岛下方低速传播的另一种表现，因为岛弧凹面一侧通常是自由空气重力正异常显著的地方。 英文
然而，这些结果与亚历山大和菲尼 [5] 的研究成果并不能进行直接比较。因为他们在北大西洋发现的异常区比我们采样的相应区域要偏东。另外，我们测量走时的方法提供了一个区域内平均传播速度的量度，而地核衍射波的情况却依赖于诸如下地幔的速度梯度等属性。对于地核盲区内传播速度的进一步研究将是下地幔走时和d T /dΔ的研究一个有益的补充。 英文
感谢戴维·戴维斯博士和纳菲·托克瑟兹博士给我们提出的建设性意见。本项研究由国防部高级研究计划局资助完成。 英文
（张效良 翻译；张忠杰 审稿）