遼陽燈塔MS 5.1地震震源深度分析

謝弘臻 王九洋

1）北京市地震局，北京市海淀區(qū)蘇州街28號(hào) 100080

2）大連地震臺(tái)，遼寧大連 116012

0 引言

2013年1月23日遼陽燈塔5.1級(jí)地震是自2000年1月12日岫巖-海城間5.1級(jí)地震后，遼寧首次5.0級(jí)以上地震。精確測(cè)定該地震震源深度，對(duì)判斷其發(fā)震構(gòu)造、推測(cè)后續(xù)震情具有一定意義。營(yíng)口-海城-岫巖及周邊地區(qū)是遼寧地震最為活躍的地區(qū)。該區(qū)曾發(fā)生1975年2月4日海城MS7.3、1999年11月29日岫巖MS5.9地震。相比其它省份，遼寧地震活動(dòng)相對(duì)較弱。前人對(duì)地震活動(dòng)較弱地區(qū)的中強(qiáng)地震作過大量研究，如張愛萍等（2008）使用波形反演方法確定了2004年3月24日內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗MW5.3地震震源參數(shù)；陳學(xué)忠等（2008）研究了2005年11月26日九江 MS5.7地震序列的破裂過程；呂堅(jiān)等（2007、2008）探討了2005年11月26日九江MS5.7、MS4.8地震的震源機(jī)制解與發(fā)震構(gòu)造；鄭釗等（2009）研究了2006年文安MW4.9地震的破裂擴(kuò)展方式；張小濤等（2006）分析了九江地震序列的波速比特征；黃建平等（2009）利用遠(yuǎn)震與近震波形聯(lián)合反演了2006年文安地震的震源機(jī)制解。由于震源深度是地震各參數(shù)中誤差最大的，因此，很多學(xué)者著重探討了地震活動(dòng)較弱地區(qū)中強(qiáng)地震的震源深度，如崇加軍等（2010）利用sPL震相分析了九江地震的震源深度；王偉濤等（2009）對(duì)文安地震震源深度進(jìn)行了精定位，并探討其與華北低速層間的關(guān)系；王新嶺等（2004）使用PTD方法測(cè)定了巴林左旗5.9級(jí)地震震源深度；任克新等（2004）、劉芳（2010）探討用sPn震相分析震源深度。鄭勇等（2017）分析了各種常見的計(jì)算震源深度的方法，并討論了其優(yōu)缺點(diǎn)。

從國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心①中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，2007，國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震波形數(shù)據(jù)。http：／／www.seisdmc.ac.cn（鄭秀芬等，2009）獲取波形數(shù)據(jù)后，本文對(duì)不同震中距臺(tái)站記錄采用視入射角法、sPL-Pg法、sPn-Pn法、sPb-Pb法分別計(jì)算震源深度，并采用單純形法對(duì)遼寧地震臺(tái)網(wǎng)記錄進(jìn)行深度定位。結(jié)果表明，燈塔地震震源深度應(yīng)為14km左右，略大于目錄給出的10km。同時(shí)，四川松潘臺(tái)、青海湟源臺(tái)的遠(yuǎn)臺(tái)記錄也支持這一結(jié)論。通過分析1970年以來遼寧ML≥5.0地震震源深度分布，我們發(fā)現(xiàn)其存在一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，且燈塔地震震源深度符合該統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這對(duì)于判斷遼寧中強(qiáng)地震發(fā)震構(gòu)造具有較重要的意義，也對(duì)判斷災(zāi)情和開展應(yīng)急工作具有指導(dǎo)意義。本文所用臺(tái)站與遼陽燈塔5.1級(jí)地震震中見圖1。

圖1 臺(tái)站分布與燈塔地震震中

1 震源深度計(jì)算

1.1 視入射角法

由于視入射角法計(jì)算精度高度敏感于震中距，因此僅對(duì)震中距最小的遼陽臺(tái)采用視入射角法計(jì)算震源深度，具體原理如圖2所示，遼陽臺(tái)實(shí)測(cè)波形見圖3。遼陽臺(tái)震中距為0.29°，對(duì)該臺(tái)波形記錄在原始速度、仿真伍德-安德森、仿真WWSSN-SP三種情況下分別采取直接讀數(shù)和量取相對(duì)數(shù)值變化的方法，讀取三分向數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得視入射角θ，由真入射角與視入射角間的關(guān)系可得真入射角i

其中，α、β分別為地殼上層中縱波、橫波的速度，按遼陽及鄰區(qū) velest模型分別取為5.72、3.30km／s。再由下式的震源深度H、震中距Δ間的三角函數(shù)關(guān)系

即可得震源深度H。由該方法計(jì)算得到的震源深度H為15.5±0.5km。

圖2 入射角法計(jì)算震源深度原理示意圖

圖3 遼陽臺(tái)實(shí)測(cè)波形

1.2 sPL-Pg法

sPL震相由崇加軍等（2010）提出。該震相由震源發(fā)出，以S波傳播到自由界面，形成沿水平傳播的P波。sPL震相在形成機(jī)制、優(yōu)勢(shì)震中距、波形特征等方面與sPg震相有本質(zhì)不同，其相對(duì)直達(dá)P波的到時(shí)差對(duì)震中距不敏感，卻幾乎隨震源深度的增大呈線性增加，可較好約束震源深度。當(dāng)震中距小于50km時(shí)，單臺(tái)即可計(jì)算出可靠度較高的震源深度。

根據(jù)震區(qū)velest一維速度模型提供的地殼上層P、S波速度即可計(jì)算出震源深度，原理如圖4所示，以遼陽臺(tái)為例，sPL震相實(shí)測(cè)波形見圖5。

圖4 sPL-Pg法計(jì)算震源深度原理示意圖

圖5 遼陽臺(tái)實(shí)測(cè)sPL震相

我們選取了震中距在0.5°以內(nèi)的遼陽臺(tái)、鞍山臺(tái)、沈陽臺(tái)、本溪臺(tái)，分別按照sPL-Pg法計(jì)算震源深度，得到的震源深度H為 11.4±1.4km。

1.3 sPn-Pn、sPb-Pb法

前人多次探討過利用sPn與Pn到時(shí)差計(jì)算震源深度的問題，如任克新等（2004）、劉芳（2010）探討了用sPn震相分析震源深度。觀測(cè)事實(shí)表明，遼寧及周邊地區(qū)地殼明顯分層，存在康拉德界面。IASPEI91模型給出的全球康拉德界面平均深度為20km，而遼寧地區(qū)震源深度普遍小于該深度，因此我們按照震源位于上層地殼進(jìn)行討論，實(shí)測(cè)波形也支持這一判斷，故根據(jù)該地區(qū)的velest一維速度模型計(jì)算震源深度（圖6）。

sPn與Pn的走時(shí)差為：（S波在OA段的走時(shí)＋P波在AB段的走時(shí)）-P波在 L3上的走時(shí)。

由圖6可知L1＝L2＝L3，因此，可由IASPEI91模型給出的地殼上下層以及地幔頂部 P、S波速度推導(dǎo)出震源深度H與sPn-Pn的到時(shí)差ΔT間的關(guān)系為

與之相似，當(dāng)震中距滿足出現(xiàn)Pb、sPb等康拉德界面震相時(shí)，可推導(dǎo)出震源深度 H與sPb-Pb的到時(shí)差ΔT間的關(guān)系為

圖6 sPn-Pn、sPb-Pb法計(jì)算震源深度原理示意圖

我們選取建昌臺(tái)等29個(gè)有清晰可靠Pn、sPn震相的臺(tái)站，由式（3）計(jì)算得到震源深度H為 13.1±2.6km；選取棗強(qiáng)臺(tái)等23個(gè)有清晰可靠Pb、sPb震相的臺(tái)站，由式（4）計(jì)算得到震源深度H為 14.0±3.2km。建昌臺(tái)、棗強(qiáng)臺(tái)實(shí)測(cè)波形見圖7、8。

圖7 建昌臺(tái)實(shí)測(cè)sPn震相

1.4 單純形法

我們圍繞燈塔地震震中選取了50個(gè)臺(tái)站，識(shí)別出全部清晰可靠的Pn、Pg、Sn、Sg震相，以單純形法進(jìn)行定位，得出震源深度H為14.7km。

1.5 遠(yuǎn)臺(tái)記錄求深度

圖8 棗強(qiáng)臺(tái)實(shí)測(cè)sPb震相

對(duì)于遼陽燈塔MS5.1地震，國(guó)內(nèi)相當(dāng)一部分臺(tái)站的實(shí)測(cè)波形屬于近震波形。隨著震中距的增大，影區(qū)效應(yīng)又使得相當(dāng)一部分遠(yuǎn)震傳播區(qū)域的臺(tái)站無法觀測(cè)到清晰可靠的P波初動(dòng)；沿海臺(tái)站普遍背景噪聲較大，不易觀測(cè)到清晰可靠的 P波初動(dòng)；當(dāng)震中距遠(yuǎn)至新疆、西藏、云南、廣西等省份時(shí)，又因震級(jí)較小，衰減較為明顯而不易觀測(cè)到清晰可靠的P波初動(dòng)，且西部地區(qū)臺(tái)站密度明顯低于東部地區(qū)，這進(jìn)一步增大了選擇理想臺(tái)站記錄的難度。經(jīng)多方收集、篩選和比對(duì)，我們選取了四川松潘臺(tái)、青海湟源臺(tái)的遠(yuǎn)震記錄，利用其分析遼陽燈塔MS5.1地震的震源深度。湟源臺(tái)震中距17.8°，松潘臺(tái)震中距18.3°，由于震級(jí)較小，因此它們受三重震相影響不顯著。根據(jù)振幅、相位、周期變化，松潘臺(tái)可識(shí)別出pP震相，利用pP-P的到時(shí)差計(jì)算得出的震源深度H為15km；湟源臺(tái)可識(shí)別出sP震相，利用sP-P的到時(shí)差計(jì)算得出的震源深度H為15km。松潘臺(tái)、湟源臺(tái)的波形見圖9。由幾種方法計(jì)算得到的燈塔MS5.1地震震源深度見表1。

表1 由幾種方法計(jì)算的燈塔MS 5.1地震震源深度 km

由表1可見，由幾種方法計(jì)算得到的燈塔MS5.1地震震源深度收斂性很好，約為14km。幾種方法標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算也顯示出較好的收斂性。但sPL-Pg法得出的深度要明顯小于其它方法。由于燈塔地區(qū)地處遼河平原，屬于沉積地區(qū)，燈塔地震的sPL震相由多個(gè)震相組合而成，且sPL、Pg的波包均變寬，影響了震相到時(shí)的精確判斷（鄭勇等，2017），這可能是導(dǎo)致該方法結(jié)果偏低的原因。表1的結(jié)果明顯大于遼寧區(qū)域臺(tái)網(wǎng)給出的6km和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的10km。這可能是由于發(fā)布的震源深度往往是矩心深度，而本文采用波形方法得到的為初始深度所致。

2 遼寧及周邊地區(qū)ML≥5.0地震震源深度分布

我們查詢了1970～2012年遼寧ML≥5.0地震目錄，并將重新計(jì)算的燈塔地震參數(shù)附在其中，目錄（國(guó)際時(shí)）取自國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心網(wǎng)站和遼寧地震目錄（遼寧省地震局，1995）（表2）。

圖9 松潘臺(tái)、湟源臺(tái)UD向仿WNSP記錄

表2 1970年以來遼寧ML≥5.0地震目錄

由表2可見，3次地震無法在目錄中查詢到深度；1975年2月4日海城ML7.4地震后最初的幾次余震受主震的影響，目錄中給出的參數(shù)普遍精度很低，其20km的震源深度應(yīng)為粗略值。其余的地震震源深度則表現(xiàn)出較好的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，主要表現(xiàn)為：

（1）遼寧西部、東部地區(qū)震源較深，均大于18km；

（2）遼寧中部地區(qū)震源相對(duì)較淺，均小于16km；

（3）遼寧中部地區(qū)，偏南的岫巖地區(qū)震源較淺，均小于10km；而偏北的海城地區(qū)震源相對(duì)偏深，為10～16km。燈塔地震震源深度與海城地區(qū)的相當(dāng)。

3 討論與結(jié)論

我們分別采用視入射角法、sPL-Pg法、sPn-Pn法、sPb-Pb法、單純形法、pP-P法、sP-P法計(jì)算了燈塔地震震源深度，結(jié)果約為14km，略大于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心目錄給出的10km。1970年以來遼寧ML≥5.0地震震源深度分布存在統(tǒng)計(jì)規(guī)律，具體表現(xiàn)為西部與東部地區(qū)偏深，中部偏淺；而中部地區(qū)震源深度則存在南淺北深的分布態(tài)勢(shì)，燈塔地震震源深度也符合該統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

遼寧地區(qū)ML≥5.0地震震源深度分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律與遼寧地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。前人的研究指出，遼寧地區(qū)地殼在遼河平原地區(qū)較薄，為31～32km，而在東西兩側(cè)的山地和隆起地帶的地殼較厚，為32～36km，平均約為33km（賈麗華等，2010）。震源深度是直接影響災(zāi)情的重要因素之一。因此，基于上述統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在遼寧地區(qū)可基于震中位置迅速初步判斷震源深度，從而在最短時(shí)間內(nèi)為開展地震應(yīng)急工作提供參考。

由于本文的討論是基于IASPEI91模型提供的波速以及康拉德界面、莫霍界面無起伏等理想狀態(tài)，因此計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況有偏差。利用sPn、sPb到時(shí)計(jì)算得到的震源深度有差異，且利用sPb到時(shí)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差也是幾種方法中最大的，這說明遼寧地區(qū)康拉德界面上下的波速變化與IASPEI91模型間存在微小差異，因此，可在未來工作中利用更多中強(qiáng)地震修正遼寧地區(qū)康拉德界面上下波速模型。由于受臺(tái)網(wǎng)建設(shè)規(guī)模、模擬記錄的局限性等因素的影響，目錄中早期地震的震源深度也可能與實(shí)際不符，因此，應(yīng)進(jìn)一步確定目錄中各個(gè)地震的震源深度，以確認(rèn)前述討論中遼寧地區(qū)ML≥5.0地震震源深度分布規(guī)律的可靠性。

致謝：中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心（doi：10.11998／SeisDmc／SN）、北京數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心和安徽、河南、河北、黑龍江、吉林、江蘇、遼寧、內(nèi)蒙古、青海、四川、山東地震臺(tái)網(wǎng)為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)。