[JGR] Seismic Velocity Structure of the Lunar Mantle (YosIo NAKAMURA, 1983)

原创

已于 2025-10-25 15:14:34 修改 · 1k 阅读

16 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#文献阅读

于 2025-10-25 15:14:33 首次发布

摘要：我通过反演阿波罗月球地震台网最近完成的一组地震波到时数据，估算了月球地幔三个分区的平均地震波速：上地幔两个分区，中地幔一个分区。采用的方法是基于分步实现的线性化最小二乘反演变体。上地幔平均波速呈现递减趋势：270公里深度以上区域的Vp=7.74公里/秒、Vs=4.49公里/秒，降至270-500公里深度区间的Vp=7.46公里/秒、Vs=4.25公里/秒，这证实了早期根据地震振幅变化得出的负梯度结论。500-1000公里深度的中地幔平均波速Vp=8.26公里/秒、Vs=4.65公里/秒显著高于上地幔值，与早期基于更有限数据得出的估算结果相矛盾。更高的波速可能表明月球在至少1000公里深度范围内曾发生初始熔融。

INTRODUCTION

月球是除地球外唯一拥有地震数据可推断其内部结构的行星天体。然而，由于地震台站稀少、可用震源事件有限以及强烈散射导致的地震信号复杂性，数据分析工作一直困难重重。尽管存在这些问题，早期研究者利用比如今更有限的数据进行尝试，却在确定月球内部主要特征方面取得了显著成功[例如Nakamura等，1974，1976a；Toksöz等，1974；Goins等，1981]。现已普遍确认月球具有明确的地壳和地幔结构，且地幔下部似乎存在部分熔融状态。但具体细节尚不明确，关于月幔地震波速变化和可能存在的间断面仍存疑问。

随着阿波罗月震台网八年运行期间收集的全部月震数据处理完成，我们现已获得完整的震相走时数据集，可用于反演月球内部的速度结构。遗憾的是，该数据库近期不太可能扩展，因为数据传输接收已终止，目前也未规划新的登月任务。本文通过对该走时数据集进行反演，估算了月幔的地震波速结构。当前结果与先前研究总体吻合，但在月幔下部结构方面发现若干显著差异——这得益于利用深部月震信号获得了极大扩充的新数据。

本文仅探讨月球的地震波速度结构，因此假定读者对该实验本身已具备基本认知。基于此，诸如典型地震图、测站与震源位置图等常见图表未予收录。中村等人[1982]近期发表的综述论文中不仅包含部分此类图表及背景资料，亦涵盖了实验的整体研究成果。尽管月球剖面示意图（图1）需待下文分析完成后方能绘制，但该图示标注了月内主要结构特征及地震台站与震源位置，可为不熟悉本实验的读者提供参考依据。

图1. 月球横截面示意图，展示月球内部主要特征及阿波罗地震站与震源定位点位置。（改编自Nakamura等人[1982]的研究成果，并添加箭头标注的主要陨石体撞击位置。）

SEISMIC ARRIVAL TIME DATA

我们现在所掌握的几乎所有与月球深部相关的震波到达时间数据，均来自阿波罗登月计划期间建立的六座地震台站中的四座（如表1顶部所列）。除阿波罗17号站点外，每个台站均配备了三分量长周期地震仪和短周期垂直地震仪，仪器细节详见Latham等人1969年的研究。

有效震波数据源自四类震源：人工撞击、流星体撞击、浅层月震及深层月震。分析的关键第一步在于震源筛选与震波到时判读。鉴于不同震源类型的信号特征与数据可用性差异显著，笔者在事件筛选和到时测量时采用了差异化的判定标准集。

Artificial Impacts

人工撞击的数据已被广泛分析（例如Toksöz等人，1972年），此后未新增任何数据。因此我未尝试重新分析该数据集。表2所列的到达时间数据是我用于推导多层地壳模型的数据，该模型将用于后续分析，为求完整特此列出。

Meteorold Impacts

在长达8年的观测期间，长周期地震仪共检测到1700多次大型流星体撞击事件，其中27次事件的规模足以在所有运行中的测站标准压缩地震图上记录到至少10毫米的振幅。（长周期仪器检测到的全部12,558次地震事件及其测量振幅均收录于Nakamura等人[1981]的研究中，文中对振幅测量方法进行了说明。）我尝试读取这27次事件的到达时间，但不得不剔除其中9次——或因信号过弱，或因噪声水平过高，且此前未有研究者对这些事件进行过任何到达时间测量。剩余18次事件的到达时间读数由四位独立研究者测定，详见表3。

Goins[1978]对8次事件的读数借助了极化滤波地震图，而Hotvath[1979]对14次事件的读数基于白化旋转地震图。这些信号处理技术属于众多声称能增强真实震相的方法之列。J. Koyama（未发表资料）和Y. Nakamura（未发表资料）的读数则直接取自原始地震图。Nakamura的S波到达时间读数采用剪切波包络线前向 extrapolation 法，详见Nakamura等人[1976a]的研究。

由于缺乏坚实的客观依据来优先采纳某一组读数，本次分析中我选择采用个人读数的算术平均值。对比个体读数时可发现，某些震相的读数一致性较高。我最初尝试用读数方差作为各读数的不确定性度量，以便纳入反演分析。但最终放弃此方案，因为显然一致的读数未必准确——它们往往源于被众人误判为真实震相的背景噪声信号。此外，某些个体的少数读数与其他结果存在显著差异。但未作剔除处理，因这种筛选过程必然带有主