Die A m p l i t u d e n von P P - u n d S S - W e l l e n in der N a h e von 40° und die Struktur des ausseren Erdmantels J . Y A N E K 1. - EINFUHRTJNG. Die anomale Zunahme von Amplituden der P- und S-Wellen in den Epizentralentfernungen um 20° wurde von melireren Autoren beo- bachtet (1- 3). Diese Erscheinung, die hòhstwalirscheinlich mit den beobaehteten Krummungsànderungen der Laufzeitkurven der P- und S-Wellen in demselben Distanzbereicli zusammenliàngt, trat sehr deut- lich bei der empirischen Ableitung der Eichfunktionen E (zi) fùr die Bestimmung von Magnituden aus Raumwellen auf Grund Prager Beo- bachtungen hervor (4). Eine ahnliche Zunahme von Amplituden der PP- und SS-Wellen wurde bei dieser Gelegenheit in der Nahe von 40° beobachtet. Von verschiedenen Autoren (5>6) wurde die Notwendigkeit der systematischen Untersuchung von Amplituden der P- und S-Wellen in einem gròsseren Distanzbereich fùr die Erklàrung der 20° Diskonti- nuitàt mehrmals betont. Deshalb wurden in Prag die Untersuchungen in dieser Eiclitung auf Grund eines noch zahlreicheren Materials vorge- nommen. Die Untersuchung des Amplitudenverlaufs der P- und S-Wellen in dem Distanzintervall von 4° bis 30° hat Frau Ruprechtovà (') dureli- gefiihrt. Sie benutzte dazu einerseits Prager Beobachtungsmaterial und andererseits Beobachtungen europaischer und mittelasiatischer Stationen von 5 ausgewahlten Erdbeben. Bei den Amphtuden von P-Wellen stellte sie ein klares Minimum in der Epizentralentfernung von 11,5° und ein ausgepragtes Maximum bei 19° fest. Bei den S-Wellen lag das Minimum bei 14° und das Maximum bei 21°. In dieser Mitteilung wird iiber die Untersuchung der Amphtuden von PP- und SS-Wellen in dem Distanzintervall von 25° bis 52° berichtet. 240 V J. VANEK 2. - A V I P L I T U D E N K U R V E N DER P P - XJND S S - W E L L E N . Das Beobachtungsmaterial fiir diese Untersuchung wurde durch sorgfàltige Ausmessung der maximalen Amplituden und der entspre- chenden Perioden der P P - und SS-Wellen aus den Seismogrammen der Wiechertschen Seismographen von den Erdbebenstationen Prag und Jena gewonnen und zwar aus dem Zeitintervall 1927-1956 fiir Jena und 1935-1956 fiir Prag. Um jede Verwechslung mit anderen Wellentypen zu vermeiden, wurden die Ankunftszeiten der betreffenden Wellen sorgfaltig kontrolliert. Die Anzahl der Beobachtungen war 90 fiir P P H , 45 fiir P P V und 66 fiir SSH. Die Epizentralentfernungen der benutzten Erdbeben wurden mit einer Genauigkeit von ± 0,1° meistens nach den ISS Parametern berechnet. Es handelte sich um asiatische Erdbeben mit normaler Herdtiefe; einige atlantische Erdbeben wurden getrennt untersucht. Die Tiefenangaben von ISS wurden durch Vergleich mit den Angaben von Gutenberg und Richter (8) kontrolliert. Die Erdbeben waren natiirlicli von verschiedener Magnitude. Als Vergleichsgròsse wurde die Gròsse A* = log AjT — M eingefiihrt, wobei die Magnitude M nur aus Raumwellen auf Grund der in (4) abgeleiteten Eichfunktionen B(A) bestimmt wurde und zwar als Mittelwert der zur Verfiigung stehenden Magnitudenwerte der einzelnen Raumwellen ( P H , P V , SH). Die Abhàngigkeit der A* Werte als Funktion der Epizentralent- fernung A fiir PPI-I-Wellen kann man aus Eig. 1 ersehen. Schwarze Punkte in Fig. 1-4 sind Jenaer Werte, weisse Punkte Prager Werte; Kreuze sind Schwerpunkte der natiirlichen Zi-Intervalle, die mit Hilfe der Wendepunkte minimaler Hàufigkeit der Summationskurve bestimmt wurden. Die Amplitudenkurve ist dann die mittlere durch diese Schwer- pnnkte hindurchgelegte Kurve. Der repràsentative Charakter dieser Kurve wurde durch die Ilaufìgkeitskurve der Abweichungen À * — - A * kontrolliert. Fiir PPH-Wellen zeigt die Kurve ein ausgepragtes Minimum bei der Epizentralentfernung von 34° und ein klares Maximum bei der Entfernung von 41°. Ein ahnliches Bild bekommen wir fiir die P P V - Wellen (Fig. 2); das Minimum der Kurve liegt wieder bei 34° und das Maximum bei 40, 5°. Die Beobachtungen der SSH-Wellen haben na- tiirlich eine gròssere Streuung (Fig. 3), aber wir sehen eine Kurve vom gleichen Charakter wie bei den PP-Wellen mit einem Minimum um 38° und einem Maximum um 44°. D I E A M P L I T U D E N V O N P P - U N D S S - W E L L E N , U S W . 2 4 ! -6,5 -7,0 -7.5 -8,0 • - 4 oc • • ( \ » i > • • • • o< 1 D c R 1 • •• •Q» O • / 0 Oo 7 o o o o r • • s. ( c C c ) D cm J • -+N •fo \ c ) » « I • o • o o ' J • •'o- § • • c • • • 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 ù Fig. 3. - Amplitudenkurve der SSH-Wellen. 6,5 -7,0 -7,5 8,0 \ • \ \ \ / / o / f — % \ \ \ * « t \ . o f • s • X N ( e % t ^ ® • o 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 A Fig. 4. - Amplitudenkurve der PPI1-Wellen fiir atlantische Erdbeben. D I E A M P L I T U D E N V O N P P - U N D S S - W E L L E N , U S W . 24! Alle Beobachtungen in Fig. 1-3 betreffen ausschliesslich die asia- tischen Erdbeben. Fiir Beben mit Herden im Atlantischen Ozean liatten wir leider nur wenige Beobachtungen zur Verfugung; es ist aber interes- sant, dass die Amplitudenkurve der PPH-Wellen in diesem Falle das Minimum und Maximum bei anderen Epizentralentfernungen hat. Es scheint, dass das Minimum bei 30° und das Maximum bei 36° vorkommt (Fig. 4). Wenn wir jetzt die Ergebnisse zusammenfassen und mit den Werten fùr P- und S-Wellen vergleichen, die von Frau Euprechtovà (7) bestimmt wurden, so bekommen wir folgende interessante Tabelle (Amia bzw. A 2 — Epizentralentfernungen des Minimums, bzw. Maximums der Am- plitudenkurve, m-Anzahl der Beobachtungen): P H P P H P P Y P P H A t l . SH SSH ^min 11,5° 34° 34° 30° 14° 38° A2 19 41 40,5 36 21 44 n 125 90 45 12 110 66 Das merkwiirdigste in dieser Tabelle ist die Asimmetrie der Werte von Zi tur P P und SS in bezug auf die Werte fùr P und S. 3. - DEUTUNGSVERSUCHE. Uni diese merkwùrdige Asymmetrie zu erklàreu, mùssen wir uns unbedingt mit den Ursachen des anomalen Amplitudenverlaufs, d. h. mit der Struktur des àusseren Erdmantels emgehender beschàftigen. Nehmeii wir zuerst die Gutenbergsche Interpretation (2) an, nacli welcher diese Erscheinungen mit Hilfe einer Schicht von geringerer Geschwindigkeit gedeutet werden. Diese Schicht ist mit der Existenz einer Schattenzone verknùpft, in der eine markante Abnahme von Eaum- wellenamphtuden vorkommen soli. Wenn wir mit A1 die innere und mit A 2 die aussere Grenze dieser Schattenzone bezeichnen, so kann man das beobachtete Maximum der Amplitudenkurve wie zl2 deuten. Das Mi- nimum der Amplitudenkurve ist schwer interpretierbar, weil wir prak- tisch keine Kenntnisse ùber die Amphtudeneigenschaften und ùber den Charakter der existierenden Wellen in der Schattenzone haben. Die Entfernungen AX und A2 kònnen wir fùr verschiedene Modelle des Erdmantels berechnen. Es handelt sicli nur um die Bereclinung 2 4 4 J. V A N E K von Epizentralentfernungen und deshalb ist die Anwendung der norma- len Strahlentheorie sicher berechtigt. Wenn wir fiir die Variation der Wellengeschwindigkeit mit der Tiefe das einfache Gesetz vk = va (ujrkfk und fiir die Struktur des ausseren Erdmantels prinzipiell folgendes ein- faclies Modell annehmen, »'o h ri b2 r2 b3 »3 b.< dann ist allgemein die innere Grenze der Schattenzone Ax = / (bi, b2, r„ r2) und die aussere Grenze A2 = f (blt b2, b3, bt, rlt r2, r3). Weil der Einfluss der Variation von verschiedenen Parametern bh, rh allgemein schwer zu iibersehen ist, wurden alle einparametrischen Ab- hàngigkeiten fiir A2 berechnet. Als allgemeines Ergebnis diesel' Unter- suchung kann man angeben, dass die Variation der Tiefe viel gròsseren Einfluss auf A2 als die Variation der Gradienten bk hat. Der Einfluss der regionalen Verseliiedenheiten ini Aufbau der Erdkruste auf die aussere Grenze A2 kann in keineni Falle den Wert 0,5° iiberschreiten. Dasselbe gilt auch fiir den Einfluss der Herdtiefe, die bei normalen Erd- beben gewòhnlich nicht grosser als 50 km ist. Uni die Asymnietrie der Werte von A2 bei P P - und SS-Wellen er- klaren zu kònnen, miissen wir eine regionale Variation der Schicht mit niedrigerer Gesckwindigkeit, d. h. eine regionale Variation der Struktur des ausseren Erdmantels voraussetzen. Als wahrscheinliclies Modell Erdkruste Scliicht mit negativem Gradien- ten der Gescliwindio'keit D I E A M P L I T U D E N V O N P P - U N D S S - W E L L E N , U S W . 24! kònnen wir folgende Verteilung der Geschwindigkeit von P-Wellen mit der Tiefe h annehmen: h hk (km) bk vk (km/s) 0 0 6,2 26,4 30 7,0 8,0 2,0 2 1 0 0 8,2 - 4 , 0 3 150 7,95 2,5 Fùr dieses Modell ist A2 = 19° (Europa). Fùr /), = 22° (Asien) bekom- men wir danu bei einer Schicht mit konstanter Maehtigkeit (h:t — h2 = konst) fùr das Minimum der Geschwindigkeit die Tiefe li3 = 250 km und fùr A2 = 17° (Atlantik) die Tiefe ÌI3 = 120 km. Fùr eine Schicht von veranderlicher Maehtigkeit mit h2 — konst, haben wir dann fùr Asien h3 = 200 km und fùr den Atlantik li3 = 130 km erhalten. Eine grosse Unsicherheit ist in der Bestimmung der oberen Grenze h2 der Schicht mit negativem Geschwindigkeitsgradienten, da die innere Grenze A1 der Schattenzone aus dem Yerlauf der Amplitudcnkurve nicht oline weiteres bestimmt werden kann. Diese obere Grenze mùsste mit einer anderen Methode untersucht werden, z. B. mit der Methode von She- bahn (9), mit welcher die obere Grenze dieser Schicht in Europa in einer Tiefe von 100 km festgestellt wurde. Ini Falle der Jeffreyssclien Hypothese (10) ùber die Ursache der Ei'scheinungen, die mit der 20° Diskontinuitàt verknùpft sind, ist die Berechnung von A2 wesentlich einfacher. Auch in diesem Fahe kann man nicht die Asymmetrie der A2 Werte fùr P P und SS anders als durch die regionale Yariation der Diskontinuitàt erklaren. Wenn wir die Jef- freyssche Verteilung der Geschwindigkeit mit der Tiefe ( u ) annehmen, so bekommen wir aus PP-Wehen fùr den Atlantik die Tiefe der Diskon- tinuitàt zu 250 km, fùr Europa zu 300 km und fùr Asien zu 400 bis 450 km. Ein àhnlicher Deutungsversuch fùr SS-Wellen wurde noch nicht vorgenommen. 2 4 ( 5 J. V A N E K 4. - SCHLUSSBETRACHTUNG. Als allgemeines Ergebnis unserer Untersuchung folgt, dass die Ursache des anomalen Verlaufs von Amplituden der P- und S-Wellen in der Umgebung von 20° sowohl bei Erklàrung nach der Hypothese von Gutenberg als auch nach der Hypothese von Jeffreys einen ausge- pràgt regionalen Charakter hat, d. h. dass der aussere Erdmantel eine klare regionale Struktur haben muss. Es ist wahrscheinlich, dass die Yariationen mehr durch regionale Verànderungen der Tiefe der betref- fenden Scliieht oder Diskontinuitàt als durch regionale Verànderungen der Geschwindigkeitsgradienten verursacht werden. ABSTRACT On the basis of observations of seismological stations Jena and Prague the amplitude variation of PPH-, PPV- and SSH-waves with epicentral distance in the range between 25° and 52° was investigated. A clear mi- nimum (at the distance /!,,„„) and maximum (at the distance A2) ivas found for both PP and SS-waves. The results of this investigation together ivith the results of Mrs. Ruprechtovà (7) for PH- and SH-ivaves are given in the table on pg. 5. The observed asymmetry in Zl2 for PP and SS can be explained by regional variations in the structure of the Earth's upper mantle. RIASSUNTO È stata studiata la variazione dell'ampiezza delle onde PPH, PPV ed SSH con la distanza epicentrale, in un raggio compreso fra 25° e 52°, sulla base delle osservazioni ottenute presso le stazioni sismiche di Jena e Praga. I risultati di questa ricerca, unitamente a quelli ottenuti da Mrs. Ru- prechtovà C), per le onde PH ed SH, sono riportati nella tabella di pag. 5. L'asimmetria osservata in A2 per le onde PP ed SS può essere spiegata dalle variazioni regionali nella struttura della Terra sopra il mantello. D I E A M P L I T U D E N V O N P P - U N D S S - W E L L E N , U S W . 24! L I T E R A T U R ( X ) G U T E N B E R G B . , Zeitschr. f. Geophys., 2, 2 4 , ( 1 9 2 6 ) . (2) — Bull. Seism. Soc. Am., 3 8 , 121, ( 1 9 4 8 ) . ( 3 ) B A T H M . , Annali di Geofisica, 9 , 4 1 1 , ( 1 9 5 6 ) . ( 4 ) V A N E K J . , Z À T O P E K A . , Travaux de Vlnst. Géophys. de VAcad. Tchécosl. Se., n. 2 6 , Geofysikalm sbornik, 9 1 , ( 1 9 5 5 ) . (5) J E F F R E Y S H „ 3INBAS, «Geophys. Suppl.», 6 , 348, ( 1 9 5 1 ) . ( 6 ) L E H M A N N I . , Trans. Amer. Geophys. Union, 3 4 , 4 7 7 , ( 1 9 5 3 ) . ( 7 ) R U P R E C H T O V À L . , Studia geophys. geodaet., 2 , 3 9 7 , ( 1 9 5 8 ) . ( 8 ) G U T E N B E R G B., E I C I I T E R C . F., Seismicity of the Eartli, Princeton Univ. Press 1949. ( 9 ) S H E B A L I N N . V . , Studia geophys. geodaet., 2, 86, ( 1 9 5 8 ) . ( I » ) J E F F R E Y S H „ MNBAS, « Geophys. Suppl. », 3 , 4 0 1 , ( 1 9 3 6 ) . (") — 3INBAS, « Geophys. Suppl. », 4 , 4 9 8 , ( 1 9 3 9 ) .