由于觀(guān)測成本低、深部信號信噪比高，接收函數目前是殼幔結構探測最常用的方法。但其分辨率遠遠低于深反射，通常僅能夠提供地殼變形的基本特征，無(wú)法在殼內變形、發(fā)震構造、控礦構造等調查研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然近年來(lái)，短周期密集臺陣通過(guò)加密觀(guān)測提高了接收函數成像的分辨率，但由于地震波頻率的限制，這種提高是有限的。分辨率不僅與臺間距有關(guān)，也與地震波的頻率或波長(cháng)有關(guān)。由于接收函數使用的遠震體波信號傳播了3000至1萬(wàn)公里，因此其高頻成分衰減殆盡，低頻限制了接收函數空間分辨率的提高。
為了提高天然地震方法探測地殼速度結構的分辨率，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗室碩士研究生張良雨和導師田小波研究員提出了Pn波接收函數方法。地震學(xué)中常見(jiàn)的折射波是由殼內地震產(chǎn)生的P波以臨界角由地殼向下進(jìn)入地幔頂部并沿地幔頂部滑行，滑行的同時(shí)部分能量返回地殼、向上傳播并被臺站記錄，也被成為Pn震相（如圖1所示）。Pn主要出現在2°-15°震中距范圍內，傳播距離遠小，衰減少，如圖2所示，相對于遠震體波（低于3Hz），Pn波富含高頻成分（20-30Hz）。
圖1 Pn波傳播路徑示意圖。不同顏色虛線(xiàn)表示不同震中距Pn波的傳播路徑
圖2 遠震P波和Pn波的波形頻率范圍比較。藍色和紅色垂直虛線(xiàn)分別是長(cháng)度為15秒和20秒的波形信號截取時(shí)窗。寬頻帶臺站遠震P波是西安臺震中距為41.6°（約4500公里）的5.6級地震的P波記錄。寬頻帶臺站Pn波是該臺震中距6.2°（約700公里）的5.6級地震的Pn波記錄。由于寬頻帶臺陣數據采樣率限制，可分析的頻率最高位10赫茲。短周期臺站Pn波是震中距11.1°（約1200公里）的4.8級地震的Pn波記錄
傳統的接收函數通過(guò)遠震波形反褶積獲得，需要滿(mǎn)足平面波、無(wú)其它震相干擾和近垂直入射3個(gè)假設。而該項研究注意到Pn波有如下特點(diǎn)：（1）Pn折射波返回地殼時(shí)均以臨界角進(jìn)入地殼，在很長(cháng)滑行傳播距離內，返回地殼的折射波傳播角度保持不變，也就是說(shuō)折射波由上地幔返回地殼傳播時(shí)是滿(mǎn)足平面波要求的；（2）Pn波形在震中距5°-15°范圍內可以避免其它震相的干擾；（3）通過(guò)波形記錄的質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)極化分析可以將Pn波和它的轉換S波分離，不需要滿(mǎn)足近垂直入射的要求。因而可以使用震中距5°-15°范圍內的Pn波波形記錄，通過(guò)合適的時(shí)窗長(cháng)度截取波形，通過(guò)極化分析和坐標旋轉分離Pn波分量和轉換S波分量，再利用這兩個(gè)分量的反褶積，可獲得Pn波接收函數。如圖3所示，通過(guò)雙層地殼模型的波場(chǎng)數值模擬合成Pn波記錄，通過(guò)反褶積運算獲得的Pn波接收函數包含了莫霍面和康拉德界面的轉換波。
通過(guò)理論合成模型分析（圖3）和實(shí)際寬頻帶臺站的Pn波接收函數與遠震接收函數的對比（圖4），表明Pn波接收函數能夠可靠的反應地殼速度結構。同時(shí)還可以看到，由于Pn波向上傳播的角度遠大于遠震P波，導致Pn波接收函數中轉換波的振幅明顯大于在遠震接收函數中的轉換波振幅。這一特點(diǎn)，有助于通過(guò)Pn波接收函數對殼內速度差小的界面進(jìn)行成像或速度反演。將新方法應用于跨陰山的南北向短周期密集臺陣，獲得Pn波接收函數時(shí)間剖面（如圖5所示）。通過(guò)不同頻率范圍的比較可以看出，由于Pn波富含高頻成分，可以極大地提升接收函數的波形頻率。
圖3 理論模型合成Pn波及其Pn波接收函數。(a)為簡(jiǎn)單的雙層地殼模型，包含莫霍界面(Moho)和康拉德界面(Conrad)；(b)為利用波場(chǎng)數值模擬合成的震中距12°的Pn波3分量波形，其中300秒以后的振幅被縮小了20倍；(c)為根據偏振方向進(jìn)行坐標系旋轉投影的Pn波分量和轉換S波分量，這兩個(gè)分量進(jìn)行反褶積獲得Pn波接收函數；(d)其中Pcs和Pms分別為來(lái)自康拉德界面和莫霍界面的轉換波
圖4 Pn波接收函數與遠震接收函數對比。(a)和(b)分別是西安臺和昆明臺。Pn波接收函數(PnRF)與遠震接收函數(tel-RF)的時(shí)間軸均已動(dòng)校正的統一的射線(xiàn)參數。圖中垂直的紅色虛線(xiàn)和藍色虛線(xiàn)是基于前人地殼速度模型的預測莫霍面轉換波到時(shí)
圖5 短周期密集臺陣的Pn波接收函數時(shí)間剖面。(a)、(b)和(c)分別使用了高斯系數為5.0、10.0和15.0的低通濾波。紅色虛線(xiàn)指示可連續追蹤的轉換波震相，其中6秒左右為莫霍面的轉換波震相
由于頻率高，該方法可以將天然地震地殼結構探測的分辨能力提升到接近人工源深地震反射的水平（如圖6所示）。目前的天然地震轉換波方法（遠震接收函數）頻率低（< 3.0Hz），而震中距為5°-15°的Pn波頻率可以高達20 Hz以上，該頻率的Pn波接收函數在40公里以淺的橫向和垂向分辨率分別為1-3公里和0.2公里，非常接近深地震反射的探測水平。因此，該方法有望成開(kāi)展造山帶精細結構、大型成礦帶和大型地震帶地殼精細結構探測的 “利器”。
圖6 不同探測方法的分辨率。黑色實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)和點(diǎn)線(xiàn)為遠震接收函數(tele-RF)不同頻率波形的分辨率隨深度的變化；紅色實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)和點(diǎn)線(xiàn)為Pn波接收函數(PnRF)不同頻率波形的分辨率隨深度的變化；藍色實(shí)線(xiàn)為深反射(DSR)的分辨率隨深度的變化
研究成果發(fā)表在國際地學(xué)權威學(xué)術(shù)期刊JGR-Solid Earth（張良雨，田小波*. Pn-wave receiver function [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,?2024,?129:?e2023JB028318. DOI: 10.1029/2023JB028318.）。研究受到國家自然科學(xué)基金（42030308,41974053）的資助。
