Pn與sPn震相到時差計算震源深度的單臺應(yīng)用

馬 莉,張 玲,楊 穎,王承偉,張娉婷

(1.沈陽地震基準臺,沈陽 110161;

2.山西省地震局,太原 030021;

3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

Pn與sPn震相到時差計算震源深度的單臺應(yīng)用

馬 莉1,張 玲2,楊 穎3,王承偉1,張娉婷1

(1.沈陽地震基準臺,沈陽 110161;

2.山西省地震局,太原 030021;

3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036)

震源深度是地震定位的一個重要參數(shù)。本文利用沈陽臺記錄到4個殼內(nèi)近震,進行sPn震相識別,利用sPn與Pn震相的到時差計算這幾個近震的震源深度,將所得結(jié)果與國家局及遼寧臺網(wǎng)結(jié)果進行對比研究,結(jié)果表明沈陽臺定出的深度與國家局所定深度75%是一致的,與遼寧局結(jié)果也基本一致,誤差較小,在2km范圍內(nèi)。并對利用sPn震相計算震源深度方法在沈陽臺的應(yīng)用和意義進行了討論,認為具有很好的可行性。

sPn震相;淺源地震;震源深度;震相識別

0 引言

沈陽地震臺從1970年開始地震觀測,是國家數(shù)字地震臺,也是國家大震速報臺。自2000年12月運用甚寬頻帶數(shù)字地震儀產(chǎn)出數(shù)字化資料以來,積累了較為豐富的測震記錄數(shù)據(jù)。甚寬頻帶地震儀具有觀測頻帶寬、動態(tài)范圍大、分辨率高等特點,實現(xiàn)了對地震的全頻觀測,由于數(shù)字地震儀在整個觀測帶寬范圍內(nèi)是速度平坦輸出,更能真實地反映地震后的地面運動情況,獲得比模擬觀測系統(tǒng)更加豐富的地震觀測信息。

據(jù)文獻記載,早在20世紀60年代,前蘇聯(lián)地震科學(xué)家已經(jīng)開始用sPn震相計算震源深度,歐美等國家也經(jīng)常使用這一震相[1-2],震相sPn是測定近距離(△<10°)淺源地震(震源在60km范圍的地震)震源深度數(shù)值比較實用的震相。對于國內(nèi)一般強度的地震,如果震中距小于10°,波形記錄中 sPn并不少見。依據(jù)測定sPn震相進而準確測定震源深度的方法,是數(shù)字化觀測條件下測定震源深度的一種理想方法,它可以不受地震三要素(發(fā)震時刻、經(jīng)緯度和震級)約束而獨立測定,并具有方便、快捷、準確的優(yōu)點。

近年來,國內(nèi)外地震學(xué)家廣泛開展了這方面的研究工作,取得了許多有意義的研究成果。2004年中國地震局地球物理研究所任克新等[3]用sPn震相計算了2003年8月16日18時58分(北京時)發(fā)生的內(nèi)蒙6級地震的震源深度,認為sPn震相是可靠的,可以利用此震相計算震源深度。2005年福建省地震局監(jiān)測中心洪星等[4]等對臺灣海峽南部一次5.0級地震的sPn震相做了分析,結(jié)果表明sPn震相特征明顯,基本不隨震中距的變化而變化。2006年內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局高立新等[5]對2004年3月24日內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗5.9級地震震用sPn震相計算震源深度做了初步分析并討論了其應(yīng)用認為基本上可以準確計算震源深度,方法簡潔、實用,便于在日常工作中推廣。本文同樣利用sPn震相確定殼內(nèi)地震的震源深度的方法,計算了沈陽臺最近幾年記錄到的淺源近震的震源深度并加以討論。

1 資料的選取

東北地區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次淺源強震、中強震,其中淺源地震如:1975年2月4日遼寧海城7.3級地震、1999年遼寧岫巖5.4級地震等。本文針對2004年以來東北地區(qū)(117°～135°E,38°～54°N)發(fā)生的MS≥5.0淺源地震,選取了4個具有典型代表意義的近震,各個震例的基本參數(shù)見表1。下面地震參數(shù)均為國家數(shù)字地震臺網(wǎng)分中心對這些記錄的測定結(jié)果。

表1 各個地震參數(shù)詳表

2 研究方法

2.1 震源深度計算原理

震相sPn是測定近距離(△<10°)淺源地震(震源在地殼內(nèi))震源深度數(shù)值的比較實用的震相。

設(shè)震源不在地表(H≠0),當橫波S的離源角i≥90°時,S射線入射地表并反射轉(zhuǎn)換為 P波入射到莫霍界面(M界面),當入射角為臨界角時,縱波在地幔頂部沿著 M界面向前滑行形成Pn,因該震相由橫波轉(zhuǎn)換而來,所以記為sPn。雖然其動力學(xué)特征保持著橫波性質(zhì),但其振幅和周期均大于縱波,最終以縱波形式出現(xiàn)在地震記錄上,所以垂直分向顯示清晰。由于sPn與 Pn同屬于首波性質(zhì),初動振幅較微弱,不明顯,清晰度也遠不如各種直達波,如Pg、Sg等。

如果按雙層地殼模式,即存在康拉德界面(c界面),又有sPe(sP),本文暫不討論。同樣應(yīng)該存在pPn和 sSn。pPn在 Pn與 sPn之間,隨 Pn之后不到2、3個周期的到時差。pPn的記錄周期與 Pn相同,振幅小于Pn,通常淹沒在 Pn的尾波中。sSn和pPn一樣,同樣很難分辨。

假設(shè)V1、V2為分別上地殼和下地殼內(nèi) P波的傳播速度,VS1、VS2分別為 S波在上地殼和下地殼內(nèi)傳播速度,V3表示Pn波的傳播速度,h表示震源深度,h1為震源與上下地殼分界面的深度,H表示上地殼厚度,△t表示 sPn-Pn的走時差。在單層地殼結(jié)構(gòu)中sPn-Pn的走時差方程為

圖1Pn和sPn震相在雙層地殼中的傳播路徑圖

在雙層地殼中,假設(shè)震源在上地殼內(nèi),射線路徑如圖1(a);若震源在下地殼內(nèi),射線路徑如圖1(b)圖中0點表示震源,射線i角要滿足公式 sini=V1/V2。若震源在上地殼內(nèi),sPn-Pn的走時差方程可表達為

根據(jù)斯奈爾定律可推得

若震中在下地殼內(nèi),sPn-Pn的走時差方程可表達為

根據(jù)斯奈爾定律可推得

根據(jù)東北、內(nèi)蒙古地區(qū)近震走時表的速度模型并參考Iaspei速度模型,可以知道:上地殼的厚度H1為15km,下地殼厚度 H2為18km,VS1為3.33km/s,V1為5.70km/s,VS2為3.80km/s,V2為6.51km/s,V3=8.01km/s。把這個速度模型值代人式(3)、(5)可得震源在上地殼的震源深度:

震源在下地殼的震源深度:

分析式(6)、(7)可以知道,當Δt小于5.93s時震源位于上地殼內(nèi),適用式(6)進行計算;如果5.93s≤Δt<11.7s,震源位于下地殼內(nèi),這時適用式(7)計算震源深度。震源深度超過33km時利用雙層地殼模型計算就不適用了。

2.2 震相波形分析

本文采用sPn對比Pn的方式來表示sPn記錄特征:sPn波的振幅通常比 Pn波強,若初動清楚可見sPn與Pn波相反,周期一般比 Pn長。因為sPn的原生波是 S波,所以兩水平向常常也很清晰。sPn與 Pn波的時距曲線相平行,隨震中距變化極小。sPn與Pn波時差僅隨震源深度的變化而增減,在分析sPn震相時要特別注意sPn與 Pn的區(qū)別:一般Pn比sPn振幅弱,周期短,從走時判別則要核實Pn走時。同樣,沈陽臺數(shù)字記錄的 sPn震相具有以上這些特征。

sPn波震相識別方法:sPn震相的動力學(xué)特征雖然保持著橫波性質(zhì)——振幅和周期均大于縱波,但最終仍以縱波形式出現(xiàn)在地震記錄上,所以,垂直分向顯示清晰,其振幅和周期均大于 Pn。由于與Pn同屬于首波性質(zhì),初動振幅也較微弱,不明顯,清晰度也遠不如各種直達波 Pg、Sg等,我們在對其做分析時候一般采用反復(fù)對比三分向震相的周期和振幅大小的方法進行判定,一般與水平向相對應(yīng)的垂直向總有一個較明顯的相位變化,可以此為參考。圖2至圖5是4個地震的分析結(jié)果。

圖2 2004年3月24日內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗 Ms5.9地震

圖3 2005年7月25日黑龍江林甸縣 Ms5.1地震

圖4 2006年3月31日吉林乾安、前郭間 Ms5.0地震

圖5 2008年6月10日內(nèi)蒙古鄂倫春自治旗與阿榮旗交界地區(qū)Ms5.2地震

2.3 計算震源深度

任立新,洪星等都已經(jīng)論證了sPn震相對震源深度的估計的重要性,用此震相計算震源深度精確度較高,但都是利用多臺資料對同一地震震源深度的計算,本文則主要利用單臺資料對幾個地震震源深度進行計算,原理與高立新一致,但是方法上略有差別。我們利用各個地震的 Pn與 sPn震相到時差,結(jié)合J-B走時表(震相走時便查表)得出與其相應(yīng)的單臺計算的震源深度。

利用sPn震相計算震源深度的基本思路如下:①已知Pn、sPn震相到時,計算出Δt,即sPn到時與Pn到時差。②震源到臺站的震中距Δ。③應(yīng)用一級差分方法,結(jié)合J-B走時表(震相走時便查表)計算得到出新的Δt-h便查表(表2)。④利用便查表查出對應(yīng) h值。

根據(jù)圖2～5計算出觀測 sPn與 Pn震相到時差在表2中查得相應(yīng)的震源深度,具體結(jié)果見表3。

表2 Δt-h淺源便查表

表3 單臺計算震源深度結(jié)果表

3 對比研究

利用遼寧省局地震臺網(wǎng)5個臺站的數(shù)字地震記錄資料,根據(jù) sPn震相的判別依據(jù),震中距由近到遠,下面是選用5個臺的sPn波形記錄得出 sPn對比Pn的特征數(shù)據(jù)及震源深度結(jié)果見表4。內(nèi)蒙古鄂倫春自治旗與阿榮旗交界地區(qū)地震未收集到數(shù)據(jù),因此未做對比分析。

表4 遼寧臺網(wǎng)部分臺站資料結(jié)果表

4 結(jié)果分析

將沈陽臺應(yīng)用sPn震相計算得到的震源深度(表3)與遼寧臺網(wǎng)其他臺站應(yīng)用sPn震相計算得到的震源深度和國家數(shù)字地震臺網(wǎng)分中心給定的震源深度值(表1)進行了比較,

其中 H為國家數(shù)字地震臺網(wǎng)分中心給定的震源深度值,h為單位應(yīng)用sPn震相計算得到的震源深度值。結(jié)果為內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗地震深度確定誤差為2km,黑龍江林甸縣深度誤差為1km,吉林乾安、前郭間地震深度誤差為0km,內(nèi)蒙古鄂倫春自治旗與阿榮旗交界地區(qū)地震深度誤差最大為13km。測定結(jié)果存在的差異究其原因如下:

(1)震相分析誤差。地震波的傳播速度、走時、射線路徑及形態(tài)等反映了地震波的運動學(xué)特性,這些特性取決于地球內(nèi)部的分層構(gòu)造及介質(zhì)的性質(zhì),不同的波有不同的運動學(xué)和力學(xué)特征。各種震相的表現(xiàn)形態(tài)取決于震源類型、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、傳播介質(zhì)和儀器性能。由于sPn震相與 Pn同屬于首波性質(zhì),初動振幅較微弱,不明顯,給震相分析工作帶來一定的難度;誤差大小主要取決于分辨Pn和sPn的初相位到達時刻的準確與否和讀數(shù)的精度大小。因為這類首波性質(zhì)的震相,初始振幅一般情況下都非常微弱,所以讀取到時讀數(shù)至少有1個周期(1～3s)的相差,從而使得震源深度的計算結(jié)果存在誤差。

(2)方法差異。我們采用的是任克新用sPn震相計算震源深度的方法單臺確定的震源深度,而國家臺網(wǎng)中心選用多臺數(shù)據(jù)結(jié)合測定震源深度的方法。與遼寧臺網(wǎng)資料處理所得結(jié)果對比所得差異原因應(yīng)為遼寧臺網(wǎng)臺站深度結(jié)果是取其平均值所得。

5 結(jié)語與討論

通過對sPn震相的識別及單臺計算震源深度的分析研究,結(jié)果認為:

(1)sPn與 Pn震相到時差與震中距的大小無關(guān),sPn震相基本上不隨震中距的變化而變化。結(jié)果還表明沈陽臺在震中距在2.89°～5.28°之間都可以觀測到清晰的sPn震相。

(2)識別sPn震相單臺計算震源深度的可行性較大。將應(yīng)用sPn震相計算得到的震源深度與國家數(shù)字地震臺網(wǎng)分中心給定的震源深度值進行比較,結(jié)果誤差在1km內(nèi)占75%,誤差大于2km僅占25%。與遼寧局結(jié)果全部基本一致,誤差較小在1km范圍內(nèi)。

我們研究sPn震相在數(shù)字儀上的記錄特征將有助于提高臺站震相到時的分析精度,將該方法用于實際工作中,可以給出國內(nèi)淺源地震的震源深度值,為國家局臺網(wǎng)中心的編目工作提供深度參考依據(jù)。地震臺站作為我國地震臺網(wǎng)最重要的組成部分,擔(dān)負著監(jiān)控全球地震發(fā)生的任務(wù)。因此,地震臺站人員正確識別各種震相,將對地震分析質(zhì)量的提高具有決定性的作用。作為臺站觀測人員應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化觀測系統(tǒng)的優(yōu)越性,挖掘其內(nèi)在信息,就可以將得到的第一手資料充分利用起來。

[1] 張誠.地震分析基礎(chǔ)[M].北京:地震出版社,1986.

[2] 房明山,杜安陸,董孝平,等.用sPn震相測定震源深度[J].地震地磁觀測與研究,1995,16(5):13-18.

[3] 任克新,鄒立曄,劉瑞豐,等.用 sPn計算內(nèi)蒙地震的震源深度[J].地震地磁觀測與研究,2004,24(3):24-30.

[4] 洪星,葉雯燕,邵平榮,等.臺灣海峽南部一次5.0級地震的sPn震相分析[J].地震地磁觀測與研究,2006,27(1):26-30.

[5] 高立新,劉芳,趙蒙生,等.用sPn震相計算震源深度的初步分析與應(yīng)用[J].西北地震學(xué)報,2007,29(3):213-217,244.

Calculating Focal Depth Using Travel Time Difference of sPn and Pn Phase

MA Li1,ZHANG Ling2,YANG Ying3,WANG Cheng-wei1,ZHANG Ping-ting1
(1.Shenyang Seismic Station,Shenyang 110161,China;
2.Earthquake Administration of Shanxi province,Taiyuan,030021,China;
3.Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036,China)

Focal depth is an important parameter of earthquake location.Using travel time difference of sPn and Pn phase,we calculated focal depths of four local earthquakes occurred in the crust recorded by Shenyang seismic station and compared it with the results given by National and Liaoning Seismograph Network.The results indicate that about 75percent of the focal depth calculated by Shenyang station is consistent with the National results and exactly consistent with the Liaoning Seismograph Network.

sPn phase;shallow earthquakes;focal depth;phase identification

P315.3

A

1003-1375(2011)01-0057-06

2010-04-14

馬莉(1980-),女(漢族),沈陽地震臺工程師,從事測震工作.E-mail:mary—961135@163.com.