sPL震相在九江—瑞昌MS5.7地震序列震源深度測(cè)定中的應(yīng)用

項(xiàng)月文，羅 麗，肖孟仁，湯蘭榮，鄭 斌

(江西省地震局，南昌 330039)

sPL震相在九江—瑞昌MS5.7地震序列震源深度測(cè)定中的應(yīng)用

項(xiàng)月文，羅 麗，肖孟仁，湯蘭榮，鄭 斌

(江西省地震局，南昌 330039)

利用近震深度震相sPL的基本特征和九江地震臺(tái)的波形資料，對(duì)2005年11月26日九江—瑞昌MS5.7地震序列ML2.0地震進(jìn)行了sPL震相分析，得到了該地震序列較為可靠的震源深度分布，并與CAP波形反演、雙差定位、sPn震相、Hyposat等方法定位的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，sPL震相測(cè)定的近震震源深度較為可信，該地震序列的震源深度分布在9～11 km范圍內(nèi)。

sPL震相；震源深度；九江—瑞昌MS5.7地震序列

0 引言

震源深度是描述震源信息的基本參數(shù)之一，其分布對(duì)地震學(xué)研究、地震構(gòu)造研究、地震活動(dòng)性評(píng)價(jià)、地震危險(xiǎn)性評(píng)估具有重要意義[1-3]。可靠的震源深度還有助于更好地約束地震事件的震源位置以及起始時(shí)間[4]。然而震源深度卻是目前最難準(zhǔn)確測(cè)定的震源參數(shù)之一。通常用Pg和Sg波走時(shí)資料反演震源深度，必須是在臺(tái)網(wǎng)密集、震中距較小(小于2倍震源深度)的情況下，才能獲得較高精度的震源深度。而國(guó)內(nèi)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)受觀測(cè)方式和臺(tái)站分布等客觀條件所限，大多很難滿足這一要求。

近年來，近震深度震相(sPg，sPmP和sPn)和CAP波形擬合的研究為確定地震的震源深度提供了一些新的研究思路[5-13]。2010年，崇加軍等[14]提出了一種新的近震深度震相sPL，該震相與直達(dá)P波的到時(shí)差對(duì)震中距離不敏感，而隨著震源深度的增加幾乎呈線性增加，因此可以很好地約束震源深度。

2005年11月26日08時(shí)49分，在江西省九江縣與瑞昌市交界發(fā)生MS5.7地震，這是江西地區(qū)有地震記載以來發(fā)生的最大地震，其余震活動(dòng)較為活躍。本文利用九江地震臺(tái)記錄的該地震序列(截止到2006年7月)ML≥2.0的地震波形資料，有針對(duì)性地將sPL震相識(shí)別出來，并根據(jù)其震相特征精確地計(jì)算出震源深度，得到了該地震序列較為可靠的震源深度分布。

1 sPL震相的基本特征和走時(shí)方程

sPL震相是由從震源出射的SV波向上傳播到自由地表附近時(shí)發(fā)生全反射后形成沿著地表傳播的P波(surface P wave，自由地表P波)或者SV波入射到自由地表后形成的多次P波或其散射震相[14]，傳播路徑如圖1所示。在稀疏臺(tái)網(wǎng)布局情形下，sPL震相對(duì)于確定中小地震震源深度比較準(zhǔn)確，其基本特征是：一般在較小震中距(即30～50 km附近)發(fā)育得較好，在寬頻帶地震記錄中，通常在直達(dá)P波之后，S波之前可能觀測(cè)到，其能量主要集中在徑向分量，垂向分量的振幅相對(duì)徑向要小，切向分量上的振幅很弱，波形具有低頻的特性，沒有P波尖銳[14]。sPL-P到時(shí)差隨震中距幾乎不變，僅隨震源深度的增加幾乎呈線性增加，可以用來在近距離范圍確定震源深度。由于sPL震相出現(xiàn)距離較近，因而可適用于稀疏臺(tái)網(wǎng)布局下的較小地震的近臺(tái)記錄。

圖1 均勻半空間下sPL震相傳播路徑示意圖

根據(jù)均勻半空間模型sPL震相產(chǎn)生的原理[14]，假設(shè)P波速度VP已知，VP/VS波速比為α，震源深度為h，則sPL與P的到時(shí)差(sPL-P)與震中距Δ的關(guān)系可表示為[15]

(1)

若遠(yuǎn)h2小于Δ2，h2+Δ2的值趨于Δ2，則式⑴可以近似為：

(2)

2 sPL震相在九江—瑞昌MS5.7地震序列中的應(yīng)用

以九江—瑞昌MS5.7地震序列的波形資料為例，對(duì)截止到2006年7月ML≥2.0的地震進(jìn)行sPL震相分析。由于震區(qū)臺(tái)網(wǎng)布局相對(duì)稀疏，離主震最近的只有震中距約25 km的九江地震臺(tái)，根據(jù)sPL震相的基本特征，利用該臺(tái)站波形記錄上的sPL震相確定九江—瑞昌MS5.7地震序列的震源深度是可行的[14]。

為了清晰地觀測(cè)到sPL震相，我們先將所有原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜、去均值和扣除儀器響應(yīng)處理，再將它們從UD-NS-EW分量旋轉(zhuǎn)為Z-R-T分量，在旋轉(zhuǎn)時(shí)通過使T分量的P波能量最弱來尋找最佳的旋轉(zhuǎn)角，以避免因水平位置定位誤差導(dǎo)致不能獲得較好的R和T分量。然后對(duì)數(shù)據(jù)采用1 Hz以下的低通濾波，并將速度記錄積分到位移記錄。圖2給出了地震序列中部分ML≥2.0的地震處理后的三分量波形位移記錄，我們可以清晰地觀測(cè)到sPL震相：出現(xiàn)在直達(dá)P波之后，S波之前；R分量振幅比Z分量振幅要強(qiáng)，T分量振幅很弱；其周期明顯大于其它體波震相。

R為徑向分量(黑色)，T為切向分量(紅色)，Z為垂向分量(綠色)

通過對(duì)地震序列中78次ML≥2.0地震的處理分析，發(fā)現(xiàn)其中59次地震可以觀測(cè)到清晰的sPL震相，震中距范圍從23～43 km，sPL-P到時(shí)差基本集中在2.3～3.2 s范圍內(nèi)，圖3為59次ML≥2.0地震的sPL-P到時(shí)差隨發(fā)震時(shí)間的分布情況。

圖3 ML≥2.0余震的實(shí)測(cè)sPL-P到時(shí)差演變圖

根據(jù)呂堅(jiān)等[16]給出的九江—瑞昌地區(qū)地殼速度模型，取P波速度VP=5.1 km/s，VP/VS波速比α=1.73。根據(jù)式(1)計(jì)算震源深度h，結(jié)果顯示九江—瑞昌MS5.7地震序列的震源深度在9～11 km范圍內(nèi)，圖4給出了59次ML≥2.0地震的震源深度隨發(fā)震時(shí)間的分布情況。

圖4 ML≥2.0余震的實(shí)測(cè)震源深度演變圖

3 震源深度計(jì)算結(jié)果與其他方法定位結(jié)果的比較

呂堅(jiān)、楊中書、羅麗等[16-18]分別采用CAP波形反演、雙差定位、sPn震相測(cè)定的方法對(duì)九江—瑞昌MS5.7主震和MS4.8余震的震源深度開展過相關(guān)研究。2005年11月26日08時(shí)49分MS5.7主震，江西臺(tái)網(wǎng)編目的震源深度結(jié)果為9 km，CAP波形反演的震源深度為11 km[16]，雙差定位結(jié)果為11.9 km[17]，sPn震相測(cè)定結(jié)果為10.7 km[18]，本文采用sPL震相計(jì)算的震源深度為11 km。2005年11月26日12時(shí)55分MS4.8余震，江西臺(tái)網(wǎng)編目的震源深度結(jié)果為9 km，CAP波形反演的震源深度為13 km[16]，雙差定位結(jié)果為12.3 km[17]，本文的結(jié)果為9 km。可見，在這2次地震震源深度的測(cè)定中，CAP波形反演、雙差定位、sPn震相等深度測(cè)定方法與本文所采用的sPL震相測(cè)定方法具有很好的一致性。

將本文sPL震相測(cè)定的地震序列中59次ML≥2.0地震震源深度結(jié)果與Hyposat定位(曾文敬等，待發(fā)表)和雙差定位[17]獲得的深度結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。(1)Hyposat定位結(jié)果是通過分析流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)及部分近距離的固定臺(tái)數(shù)據(jù)(11月27日前為固定臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù))，采用九江—瑞昌地區(qū)地殼速度模型[16]計(jì)算得到，對(duì)比發(fā)現(xiàn)除2005年11月26日09時(shí)40分ML2.5地震和2005年11月26日16時(shí)36分ML2.6地震的結(jié)果相差較大外，其他余震事件的震源深度結(jié)果與本文的測(cè)定結(jié)果一致性均很好。(2)雙差定位結(jié)果是通過分析江西固定臺(tái)網(wǎng)和范鎮(zhèn)流動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)，采用江西—瑞昌地震震源區(qū)一維地殼速度模型[17]計(jì)算得到，對(duì)比發(fā)現(xiàn)除2005年11月26日16時(shí)21分ML3.1地震和2005年12月19日23時(shí)38分ML3.4地震外，其他余震事件的結(jié)果與本文測(cè)定結(jié)果均比較接近。以上對(duì)比表明用sPL震相確定近震震源深度是可行的，只要能夠準(zhǔn)確無誤地識(shí)別出sPL震相，就可以得出較精確的震源深度值。而以上4個(gè)余震事件的深度測(cè)定結(jié)果相差較大，可能是因?yàn)榕_(tái)網(wǎng)相對(duì)稀疏[17]，或只利用走時(shí)定位的結(jié)果誤差較大所致。

表1 九江—瑞昌MS5.7地震序列目錄及深度測(cè)定對(duì)比表(ML≥2.0)

4 討論與結(jié)論

本文根據(jù)近震深度震相sPL的基本特征和九江—瑞昌地區(qū)地殼速度模型，對(duì)九江—瑞昌MS5.7地震序列ML≥2.0地震(截止到2006年7月)的震源深度進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，在地震序列的78次ML≥2.0地震中，九江地震臺(tái)有59次能記錄到清晰的sPL震相，sPL-P到時(shí)差基本集中在2.3～3.2 s內(nèi)，通過計(jì)算得到該地震序列的震源深度分布在9～11 km范圍內(nèi)。

在對(duì)九江—瑞昌MS5.7地震序列ML≥2.0地震的實(shí)際觀測(cè)中，可以明顯觀測(cè)到：sPL震相出現(xiàn)在直達(dá)P波之后，S波之前；徑向分量能量明顯強(qiáng)于垂向分量，切向分量振幅很弱；以低頻成分為主，其周期明顯大于其它體波震相，不容易被誤認(rèn)為S波初至。震級(jí)越大的地震sPL震相特征越顯著，部分ML2.0左右地震因處理后的波形存在失真，較難識(shí)別出sPL震相。因此在臺(tái)網(wǎng)布局相對(duì)稀疏的情形下，sPL震相對(duì)于確定中小(ML2.0以上)地震震源深度具有較好的應(yīng)用意義。

通過將sPL震相測(cè)定的震源深度與CAP波形反演、雙差定位、sPn震相、Hyposat等方法獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這幾種方法測(cè)定的震源深度具有較好的一致性，表明利用sPL震相確定中小地震震源深度是可信的。由于本文是直接采用近震深度震相sPL來約束震源深度，提高了對(duì)震源深度的分辨率，同時(shí)還可以有效避免地震臺(tái)站記錄很少或分布不合理時(shí)，震源深度反演不收斂的問題，其測(cè)定結(jié)果的誤差主要來自于sPL震相識(shí)別誤差和地殼模型誤差。在本研究中，地殼速度模型綜合了人工地震探測(cè)的成果[19-21]，相對(duì)較為可靠，總體估算測(cè)定結(jié)果的誤差應(yīng)該小于3 km。

綜上所述，在臺(tái)網(wǎng)布局相對(duì)稀疏的情形下，如果區(qū)域臺(tái)網(wǎng)記錄中能夠記錄到sPL震相，且分析人員能夠準(zhǔn)確識(shí)別該震相，那么只要利用離震源50 km以內(nèi)且大于2倍震源深度的一個(gè)三分量寬頻帶地震臺(tái)站的波形記錄，就能夠測(cè)算出較為精確的震源深度，這將有助于提高區(qū)域臺(tái)網(wǎng)震源深度測(cè)定的準(zhǔn)確性。

[1]Chen W P，Nabelek J L，Molnar P，et a1．An intermediate depth earthquake beneath Tibet：source characteristics of the event of September 14 1976[J]．Journal of Geophysical Research，1981，(86)：2863-2876．

[2]高原，周慧蘭，鄭斯華，等．測(cè)定震源深度的意義的初步討論[J]．中國(guó)地震，1997，13(4)：321-329．

[2]Gao Y，Zhou H L，Zhen S H，et a1．Preliminary discussion on implication of determination on source depth of earthquake[J]．Earthquake Research in China，1997，13(4)：321-329．

[3]張國(guó)民，汪素云，李麗，等．中國(guó)大陸地震震源深度及其構(gòu)造含義[J]．科學(xué)通報(bào)，2002，47(9)：663-668．

[3]Zhang G M，Wang S Y，Li L，et a1．Focal depth research of earthquakes in mainland China：implication for tectonics[J]．Chinese Science Bulletin，2002，47(9)：663-668．

[4]Saikia C K，Woods B B，Thio H K．Calibration of the regional crustal waveguide and the retrieval of source parameters using waveform modeling[J]．Pure and Applied Geophysics，2001，(158)：1301-1338．

[5]Langston C A．Depth of faulting during the 1968 Meckering, Australia, earthquake sequence determined from waveform analysis of local seismograms[J]．J. Geophys. Res，1987，92：1561-1574．

[6]Bock G，Grunthal G，Wylegalla K．The 1985/86 Western Bohemia earthquakes：modeling source parameters with synthetic seismograms[J]．Tectonophysics，1996，261：139-146．

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

[7]Gao L X，Liu F，Zhao M S，et a1．Primary analysis on the seismic source depth determination using sPn phase and its application[J]．Northwestern Seismological Journal，2007，29(3)：213-244．

[8]Zhao L S，Helmberger D V．Source estimation from broadband regional seismograms．Bull Seism Soc Am，1994，84(1)：9l-104．

[9]Zhu L P，Helmberger D V．Advancement in source estimation techniques using broadband regional seismograms．Bul1 Seism Soc Am，1996，86(5)：1634-1641．

[10]Tan Y，Zhu L P，Helmberger D V，et a1．Locating and modeling regional earthquakes with two stations．J．Geophys．Res．，2006，111：B01306，doi：1029/2005JB003775．

[11]呂堅(jiān)，曾文敬，謝祖軍，等．2011年9月10日瑞昌—陽(yáng)新4.6級(jí)地震的震源破裂特征與區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2012，55(11)：3625-3633．

[11]Lv J，Zeng W J，Xie Z J，et a1．Rupture characteristics of theMS4.6 Ruichang-Yangxin earthquake of Sep. 10, 2011 and the strong earthquake risk in the region[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，2012，55(11)：3625-3633．

[12]呂堅(jiān)，王曉山，蘇金蓉，等．蘆山7.0級(jí)地震序列的震源位置與震源機(jī)制解特征[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2013，56(5)：1753-1763．

[12]Lv J，Wang X S，Su J R，et a1．Hypocentral location and source mechanism of theMS7.0 Lushan earthquake sequence[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，2013，56(5)：1753-1763．

[13]呂堅(jiān)，鄭秀芬，肖健，等．2012年9月7日云南彝良MS5.7、MS5.6地震震源破裂特征與發(fā)震構(gòu)造研究[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2013，56(8)：2645-2654．

[13]Lv J，Zheng X F，Xiao J，et a1．Rupture characteristics and seismogenic structures of theMS5.7 andMS5.6 Yiliang earthquakes of Sep. 7, 2012[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，2013，56(8)：2645-2654．

[14]崇加軍，倪四道，曾祥方．sPL，一個(gè)近距離確定震源深度的震相[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2010，53(11)：2620-2630．

[14]Chong J J，Ni S D，Zeng X F．sPL, an effective seismic phase for determining focal depth at near distance[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，2010，53(11)：2620-2630．

[15]包豐，倪四道，趙建和，等．時(shí)鐘不準(zhǔn)情形地震精確定位研究——以2011年1月19日安慶地震序列為例[J]．地震學(xué)報(bào)，2013，35(2)：160-172．

[15]Bao F，Ni S D，Zhao J H，et a1．Accurate earthquake location with instrumental clock error: A case study for the 19 January 2011 Anqing earthquake sequence[J]．Acta Seismologica Sinica，2013，35(2)：160-172．

[16]呂堅(jiān)，鄭勇，倪四道，等．2005年11月26日九江—瑞昌MS5.7、MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造研究[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(1)：158-164．

[16]Lv J，Zheng Y，Ni S D，et a1．Focal mechanisms and seismogenic structures of theMS5.7 andMS4.8 Jiujiang-Ruichang earthquakes of Nov. 26, 2005[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，2008，51(1)：158-164．

[17]楊中書，曾文敬．利用雙差法對(duì)2005年江西九江—瑞昌5.7級(jí)地震序列重新定位[J]．地震地磁觀測(cè)與研究，2007，28(2)：25-31．

[17]Yang Z S，Zeng W J．Relocation of the 26 Nov 2005 Jiujiang-RuichangM5.7 earthquake sequence using the double-difference earthquake location algorithm[J]．Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese)，2007，28(2)：25-31．

[18]羅麗，肖孟仁，項(xiàng)月文，等．利用sPn震相計(jì)算九江—瑞昌地區(qū)地震的震源深度[J]．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，32(S)：34-36．

[18]Luo L，Xiao M R，Xiang Y W，et a1．Calculation of focal depth in Jiujiang-Ruichang region by using sPn phase[J]．Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32(S)：34-36．

[19]王椿鏞，張先康，丁志峰，等.大別造山帶上部地殼結(jié)構(gòu)的有限差分層析成像[J]．地球物理學(xué)報(bào)，1997，40(4)：495-502．

[19]Wang C Y，Zhang X K，Ding Z F，et al．Finite-difference tomography of upper crustal structure in DaBieShan orogenic belt[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，1997，40(4)：495-502．

[20]王椿鏞，張先康，陳步云，等.大別造山帶地殼結(jié)構(gòu)研究[J]．中國(guó)科學(xué)(D輯)，1997，27(3)：221-226．

[20]Wang C Y，Zhang X K，Chen B Y，et al．Crustal structure in DaBieShan orogenic belt[J]．Science in China (Series D) (in Chinese)，1997，27(3)：221-226．

[21]王椿鏞，丁志峰，宋建立，等.大別造山帶地殼S波速度結(jié)構(gòu)[J]．地球物理學(xué)報(bào)，1997，40(3)：337-346．

[21]Wang C Y，Ding Z F，Song J L，et al．Shear wave velocity structure in DaBieShan orogenic belt[J]．Chinese J. Geophys. (in Chinese)，1997，40(3)：337-346．

ApplicationofsPLPhaseinFocalDepthDeterminationoftheJiujiang-RuichangMS5.7EarthquakeSequence

XIANG Yue-wen, LUO Li, XIAO Meng-ren, TANG Lan-rong, ZHENG Bin

(Earthquake Administration of Jiangxi Province, Nanchang 330039, China)

In this paper, we selectML≥2.0 aftershocks of the 26 November 2005 Jiujiang-RuichangMS5.7 earthquake sequence recorded on Jiujiang seismostation. According to the characteristics of depth phase sPL, the sPL phase analysis for this earthquakes are conducted. The reliable results of focal depth distributions calculated by sPL phases are given and compared with that obtained by other methods (the CAP method, the method of double-difference location, the method of sPn phase, the Hyposat method, etc). The results show it is feasible by measuring near-field earthquake depth using sPL phase. The earthquake sequence concentrate in the depth range of about 9～11 km.

sPL phase; focal depth; the Jiujiang-RuichangMS5.7 earthquake sequence

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.02.002

2014-04-21

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XH12027)

項(xiàng)月文(1983-)，男，工程師，碩士。主要從事地震監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)管理工作.E-mail: xyw601@163.com

P315.31

A

1003-1375(2014)02-0007-07