利用表面波頻散分析探討馬尼拉海溝側向速度變化

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葉仁傑(Ren-jie Yeh) 查詢紙本館藏

畢業系所

地球物理研究所

論文名稱

利用表面波頻散分析探討馬尼拉海溝側向速度變化
(Probing the Lateral Velocity Variations along the Manila Trench by Analysis of Surface Wave Dispersion)

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摘要(中)

歐亞板塊在南中國海地區沿著馬尼拉海溝往東隱沒至菲律賓海板塊底下，其板塊隱沒的深度亦向東邊逐步遞增。由於隱沒板塊溫度相對周圍地函環境較低，呈現較高的地震波速；而其上方之楔形地函則因發生部分熔融作用而使得地震波速相對較低，因此預測在垂直馬尼拉海溝方向上有側向的震波速度變化。本研究分析地震震源分布於菲律賓群島兩側，由台灣的寬頻地震網（Broadband Array in Taiwan for Seismology, BATS）所記錄之表面波的頻散曲線，逆推一維速度構造，來探討垂直馬尼拉海溝方向的側向速度變化。
　　表面波的頻散意指不同週期的波會有不同的波速，本研究採用多重濾波法（Multiple Filter Technique, MFT），求取雷利波的群速頻散曲線；以AK135為初始模型，利用阻尼最小平方差方法（Damped least square solution）逆推最符合觀測頻散曲線的一維速度構造。逆推所採用之阻尼係數由合成震波之頻散曲線逆推，格點搜尋得到最佳之阻尼係數；逆推過程使用Herrmann提出的程式surf96對觀測震波的頻散曲線進行逆推求得最佳的一維速度模型。
　　由頻散曲線與逆推速度模型的比較可以得知，在垂直馬尼拉海溝方向的側向速度變化中，東側路徑之地層波速整體多高於西側；而西側中A地震之路徑之低速異常可能由於該路徑方向上的構造變化導致，B路徑則經過火山系統而相對低速，東側之C整體波速比西側高，D地震到西側測站之路徑速度略低，E路徑為單純海洋性板塊而速度明顯高於其他路徑；在所有地震到單站的比較中，B、C與D地震路徑經過或接近火山系統而相對低於A與E地震，其中E路徑大部分為海洋性板塊而地震波速又更高。

摘要(英)

The Eurasian Plate subducts to the east beneath the Philippine Sea Plate along the Manila Trench. While the subducting slab is relatively cold and seismically fast as compared to ambient mantle, those of the mantle wedge often exhibit opposite characters resulting from partial melting of wet peridotite. As a result, we expect the existence of lateral velocity variations in slab-normal direction along the Manila trench corresponding to different depths of subducting slab. The objective of this study is thus to test the expectation by analyzing surface wave dispersions as observed by Broadband Array in Taiwan for Seismology (BATS). The fact that earthquake sources distribute on both sides of the Philippine archipelago makes the test feasible with distinct ray coverages to BATS’s stations.
Surface wave dispersion refers to the different velocities of waves with different frequencies (periods), which can be explained by the longer period wave sampling deeper structures. In this study, we applied the Multiple Filter Technique (MFT) to analyze the Rayleigh wave dispersion curves. Results thus analyzed are then used for inversion of 1-D velocity model with the AK135 model as the initial, using the damped least-square inversion scheme. We determine the optimal damping factors by grid searching on the inversion results of synthetic waveforms, which are synthesized by FK method. The velocity inversion is done with the conventional surf96 codes.
While velocities are overall fast for ray paths to the east of the Manila trench relative to those to the west, explained by the sampling of oceanic lithosphere versus continental one, there are indeed paths of low velocity anomalies corresponding to surface volcanic chains suggesting the effects of magma chambers. Future works include 2-D tomography studies to better resolve the velocity anomalies.

關鍵字(中)

★ 表面波
★ 頻散
★ 側向速度變化
★ 馬尼拉海溝

關鍵字(英)

★ surface wave
★ dispersion
★ lateral velocity variations
★ Manila trench

論文目次

中文摘要.........................................................................................................................i
Abstract.........................................................................................................................ii
誌謝...............................................................................................................................iii
目錄...............................................................................................................................iv
圖目...............................................................................................................................vi
表目.............................................................................................................................viii
第一章　緒論............................................................................................................1
1.1　研究動機與目的.............................................................................................1
1.2　文獻回顧.........................................................................................................2
1.3　論文架構.........................................................................................................3
第二章　研究方法...................................................................................................6
2.1　多重濾波法.....................................................................................................6
2.2　逆推方法.........................................................................................................8
第三章　資料處理.................................................................................................16
3.1　資料來源與選取...........................................................................................16
3.2　資料處理流程...............................................................................................17
3.3　最佳阻尼係數之決定與其逆推結果可靠度分析.......................................18
第四章　研究結果與討論...................................................................................36
4.1　結果展示分析...............................................................................................36
4.2　單一地震至各測站結果之比較...................................................................36
4.2.1　A地震...................................................................................................36
4.2.2　B地震...................................................................................................37
4.2.3　C地震...................................................................................................37
4.2.4　D地震...................................................................................................37
4.2.5　E地震...................................................................................................38
4.3　所有地震至單一測站結果之比較...............................................................38
4.3.1　爺亨站..................................................................................................38
4.3.2　五分山站..............................................................................................39
4.3.3　德基站..................................................................................................40
4.3.4　玉里站..................................................................................................40
第五章　結論..........................................................................................................77
參考文獻...................................................................................................................78
圖目
圖1-1　馬尼拉海溝之地理位置圖。(Galgana et al., 2007)........................................4
圖1-2　楔形地函部分熔融示意圖。..........................................................................5
圖2-1　阻尼係數在逆推誤差值與速度層間變異度兩變數空間中的消長曲線。..11
圖2-2　由surf96得到的逆推結果範例圖。............................................................11
圖2-3　由MFT法得到的頻散曲線週期範圍示意圖。..........................................12
圖2-4　週期15秒時雷利波在垂直向的特徵函數隨深度的變化。.........................13
圖2-5　週期100秒時雷利波在垂直向的特徵函數隨深度的變化。.......................14
圖2-6　週期15至100秒所對應到的逆推地層深度約30至240公里之間。....15
圖3-1　本研究採用之地震與測站的地理位置分布圖。........................................25
圖3-2　表面波傳遞方式示意圖。............................................................................26
圖3-3　本研究之資料處理流程圖。........................................................................27
圖3-4　(a)為利用多重濾波法所得到的雷利波頻散圖。(b)為將圖(a)以人工選取方式得到之基態觀測頻散曲線。...............................................................28
圖3-5　本研究採用之初始模型AK135示意圖。..................................................29
圖3-6　模擬測試格點搜尋之流程圖。....................................................................30
圖3-7　以FK法得到的模擬震波圖。.....................................................................30
圖3-8　(a)為利用多重濾波法計算合成震波圖得到之雷利波頻散圖。(b)為將圖(a)以人工選取方式得到之基態頻散曲線。...................................................31
圖3-9　格點搜尋的逆推之初始模型示意圖。..........................................................32
圖3-10　格點搜尋得到的阻尼係數消長曲線分布示意圖。....................................33
圖3-11　以最佳阻尼係數、測試模型與頻散曲線逆推得到的速度模型，以及由此模型計算之理論頻散曲線。........................................................................33
圖3-12　最佳阻尼係數得到之逆推速度模型與初始模型比較圖。......................34
圖3-13　各地震之最佳阻尼係數得到的逆推速度模型與初始模型之比較。......35
圖4-1　A地震至BATS測站的大圓路徑。............................................................41
圖4-2　A地震至BATS各測站的頻散曲線。........................................................42
圖4-3　A地震至BATS各測站的逆推速度模型。................................................43
圖4-4　B地震至BATS測站的大圓路徑。............................................................44
圖4-5　B地震至BATS各測站的頻散曲線。........................................................45
圖4-6　B地震至BATS各測站的逆推速度模型。................................................47
圖4-7　C地震至BATS測站的大圓路徑。............................................................49
圖4-8　C地震至BATS各測站的頻散曲線。........................................................50
圖4-9　C地震至BATS各測站的逆推速度模型。................................................52
圖4-10　D地震至BATS測站的大圓路徑。..........................................................54
圖4-11　D地震至BATS各測站的頻散曲線。.......................................................55
圖4-12　D地震至BATS各測站的逆推速度模型。..............................................56
圖4-13　E地震至BATS測站的大圓路徑。...........................................................57
圖4-14　E地震至BATS各測站的頻散曲線。.......................................................58
圖4-15　E地震至BATS各測站的逆推速度模型。...............................................59
圖4-16　所有地震至爺亨站之大圓路徑。..............................................................60
圖4-17　所有地震至爺亨站途中經過北緯20度剖面P-P’之速度模型比較。....61
圖4-18　西側地震至爺亨站途中經過北緯16度剖面Q-Q’之速度模型比較。...62
圖4-19　東側地震至爺亨站途中經過之剖面R-R’之速度模型比較。.................63
圖4-20　隱沒帶之岩漿熔點變化示意圖。(Hamblin and Christiansen, 2003)。64
圖4-21　所有地震至五分山站之大圓路徑。..........................................................65
圖4-22　所有地震至五分山站途中經過北緯20度剖面P-P’之速度模型比較。66
圖4-23　西側地震至五分山站途中經過北緯16度剖面Q-Q’之速度模型比較。67
圖4-24　東側地震至五分山站途中經過之剖面R-R’之速度模型比較。.............68
圖4-25　所有地震至德基站之大圓路徑。..............................................................69
圖4-26　所有地震至德基站途中經過北緯20度剖面P-P’之速度模型比較。....70
圖4-27　西側地震至德基站途中經過北緯16度剖面Q-Q’之速度模型比較。...71
圖4-28　東側地震至德基站途中經過之剖面R-R’之速度模型比較。.................72
圖4-29　所有地震至玉里站之大圓路徑。..............................................................73
圖4-30　所有地震至玉里站途中經過北緯20度剖面P-P’之速度模型比較。....74
圖4-31　西側地震至玉里站途中經過北緯16度剖面Q-Q’之速度模型比較。...75
圖4-32　東側地震至玉里站途中經過之剖面R-R’之速度模型比較。.................76
表目
表3-1　本研究採用之BATS測站。........................................................................20
表3-2　本研究所選取的地震目錄。........................................................................21
表3-3　本研究採用之AK135模型分層。..............................................................22
表3-4　格點搜尋的逆推之初始模型分層。............................................................23
表3-5　經過模擬測試格點搜尋所得到各地震之最佳阻尼係數。........................24

參考文獻

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指導教授

陳伯飛(Po-fei Chen)

審核日期

2011-8-18

推文