2017年9月4日河北臨城ML4.4地震震源深度測(cè)定

章 陽(yáng)，劉立申，王利兵，羅 娜

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

震源深度是地震學(xué)研究中的核心問(wèn)題之一，準(zhǔn)確確定地震震源深度對(duì)于評(píng)估地震災(zāi)害、確定地震成因、判斷余震趨勢(shì)和地震危險(xiǎn)性研究等多方面具有非常重要的意義[1-2]。同時(shí)，準(zhǔn)確的深度定位還能夠在地震預(yù)警、確定大地震的震源過(guò)程、地下礦產(chǎn)資源勘探和頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)等方面起到重要作用[3]。在當(dāng)前地震學(xué)研究中，地震三要素中的發(fā)震地點(diǎn)和發(fā)震時(shí)刻相對(duì)都比較容易確定，但是震源深度的精確測(cè)定一直是地震定位中的一個(gè)難題。

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)學(xué)者提出近震中可以記錄到sPn震相[4]。sPn震相是一種首波，S波從震源出發(fā)，入射到地球表面經(jīng)過(guò)反射轉(zhuǎn)換成P波，隨后入射到莫霍界面，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，反射轉(zhuǎn)換P波沿著莫霍面滑行，形成Pn波，記為sPn波[5]。并給出雙層地殼模型的sPn-Pn的走時(shí)方程，基于此，可以計(jì)算近震的震源深度。華北地區(qū)隨著數(shù)字臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)精度的不斷提高，臺(tái)網(wǎng)布局不斷合理，對(duì)于一般的中強(qiáng)地震(一般認(rèn)為M>4),震中距在200～1 000 km范圍內(nèi)的臺(tái)站能記錄到較為清晰的sPn震相[6]，根據(jù)sPn-Pn到時(shí)差可以計(jì)算近震震源深度。

2017年9月4日03:05河北臨城(北緯37.50°，東經(jīng)114.35°)發(fā)生ML4.4地震，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定的震源深度為6 km。此次地震發(fā)生在太行山山前斷裂中段的元氏斷裂附近，處于邢臺(tái)地震余震區(qū)的NW分支，處于河北南部北東向的Ⅲ級(jí)地震斷裂帶和東西向的Ⅱ級(jí)地震斷裂帶的交匯部位。根據(jù)臺(tái)網(wǎng)中心正式報(bào)告，主震發(fā)生后，后續(xù)地震震級(jí)逐漸減小，截至9月4日24時(shí)，記錄到ML1.0～1.9地震共9次，ML2.0～2.9共6次，最大余震為ML2.7。

1 sPn震相的基本特征分析

根據(jù)華北地區(qū)近震走時(shí)表的速度模型[7]和sPn震相的傳播特征，可知單層地殼模型和雙層地殼模型震源在上地殼的震源深度為：

h=2.56Δt。

(1)

雙層地殼模型震源在下地殼的震源深度[8]為：

h=3.11Δt-3.44。

(2)

華北地區(qū)上地殼厚度一般為15 km，下地殼厚度為18 km。因此，當(dāng)sPn-Pn的走時(shí)差Δt<5.93 s時(shí)，用式(1)計(jì)算震源深度，此時(shí)震源位于上地殼內(nèi)；當(dāng)5.93 s≤Δt<11.7 s時(shí)，用式(2)計(jì)算震源深度，此時(shí)震源位于下地殼。當(dāng)震源深度h≥33 km時(shí)，雙層地殼模型不適用。華北地區(qū)sPn與Pn到時(shí)差與震源深度速查表如第26頁(yè)表1所示。

sPn震相是一種首波，通常出現(xiàn)在Pn震相之后，Pg震相之前，是由S波轉(zhuǎn)換而來(lái)的。因此，其動(dòng)力學(xué)特征保留橫波的性質(zhì)，振幅和周期均比Pn震相大，在兩個(gè)水平分量上清晰，最終以縱波的形式出現(xiàn)在地震波形記錄上，所以一般在垂直分量上也清晰[9]。對(duì)于初動(dòng)清晰的地震，如果該地震為走滑型地震，sPn與Pn的初動(dòng)極性相同；如果為其他類(lèi)型地震，則兩者初動(dòng)極性相反。根據(jù)這些特征，在地震波形記錄上分析震相時(shí)，可以采用同時(shí)對(duì)比震相的初動(dòng)、周期、振幅以及三個(gè)分向的波形記錄識(shí)別sPn震相。由式(1)和(2)可知，地震震源深度只與sPn和Pn到時(shí)差有關(guān)。對(duì)于一個(gè)特定的地震，sPn-Pn是一個(gè)常量，如果有多個(gè)臺(tái)站的地震記錄，可以用來(lái)識(shí)別sPn震相。

表1 華北地區(qū)sPn與Pn到時(shí)差與震源深度速查表Table 1 A quick look-up table of sPn and Pn arrival time difference and focal depth in North China

2 震源深度的計(jì)算

2.1 雙差定位法

雙差定位法是以各地震對(duì)到同一臺(tái)站的走時(shí)差數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求解地震對(duì)的觀測(cè)和理論走時(shí)差殘差的最小二乘解，從而獲取更加精確的震源參數(shù)信息[10]。收集2017年1月至12月邢臺(tái)及周邊地區(qū)中小地震(ML1.0)的觀測(cè)報(bào)告，選擇P波走時(shí)小于25 s的臺(tái)站信息，保證每個(gè)地震至少有5個(gè)以上的臺(tái)站記錄到。選擇合適的一維地殼速度模型[11](見(jiàn)表2)，利用hypoDD程序?qū)Φ卣鹬匦露ㄎ?。?jì)算過(guò)程中P波到時(shí)權(quán)重設(shè)為1.0，S波到時(shí)權(quán)重設(shè)為0.5，選取地震到臺(tái)站的距離小于100 km，地震對(duì)間的距離小于20 km，采用共軛梯度法進(jìn)行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最終得到臨城ML4.4地震重定位震源深度為7.01 km，殘差平方和為0.027。

表2 地震重定位一維地殼速度模型Table 2 1D crustal velocity model for seismic relocation

2.2 震源機(jī)制解

根據(jù)河北區(qū)域臺(tái)網(wǎng)記錄，利用P波初動(dòng)法[12]計(jì)算臨城ML4.4地震的震源機(jī)制解。選取地震周邊震中距120 km以內(nèi)的22個(gè)臺(tái)站波形記錄，P波初動(dòng)向上記為+1，初動(dòng)向下記為-1，計(jì)算結(jié)果為：節(jié)面1走向101°，傾角75°，滑動(dòng)角-22°；節(jié)面2走向197°，傾角69°，滑動(dòng)角-164°；P軸方位角58°,傾角26°；T軸方位角150°,傾角4°；B軸方位角248°,傾角63°，矛盾比為0.09。震源錯(cuò)動(dòng)以走滑斷層為主(見(jiàn)圖1)。

圖1 臨城ML4.4地震震源機(jī)制解Fig.1 Focal mechanism solution of Lincheng ML4.4 earthquake

2.3 sPn-Pn到時(shí)差計(jì)算震源深度

華北地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)理論上震中距在200～1 000 km范圍內(nèi)能記錄到比較清晰的sPn震相。對(duì)于2017年9月4日河北臨城ML4.4地震，選取河北省8個(gè)記錄到sPn震相的臺(tái)站地震波形，利用MSDP軟件分析震相。根據(jù)sPn震相的特征，得到該地震sPn與Pn震相的特征數(shù)據(jù)及震源深度結(jié)果(見(jiàn)第27頁(yè)表3)。圖2是選取的8個(gè)臺(tái)站中XIL臺(tái)站(震中距為421.5 km)的sPn地震波形記錄，其他臺(tái)站sPn震相特征同理。

圖2 河北臨城ML4.4地震XIL臺(tái)的Pn和sPn震相記錄特征Fig.2 Phase recording characteristics of Pn and sPn at XIL station of Lincheng ML4.4 earthquake, Hebei province

根據(jù)表3的sPn與Pn震相特征數(shù)據(jù)和震源深度結(jié)果可知，sPn與Pn周期比最大為2.03，最小1.02，平均為1.35；振幅比最大為4.5，最小為1，平均為2.48；臨城ML4.4地震為走滑型地震。因此，兩個(gè)震相的初動(dòng)方向相同。通過(guò)表3的sPn和Pn周期比和振幅比數(shù)據(jù)可以反映縱波和橫波的動(dòng)力學(xué)特征差異。sPn震相的振幅和周期均大于Pn震相。理論上，一個(gè)給定的地震，sPn與Pn的到時(shí)差是一個(gè)常量，與震中距無(wú)關(guān)，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果Δt從2.27 s到3.09 s，平均為2.68 s，這可能與介質(zhì)的不均勻性和在地震波形記錄中識(shí)別Pn和sPn震相的精確度有關(guān)。因此，最后取8個(gè)臺(tái)計(jì)算結(jié)果的平均值更具有可信度，得到最終的震源深度為6.86 km，屬于淺源地震，這符合華北地區(qū)地震震源深度特征。同時(shí)，從表3可以看出，河北數(shù)字臺(tái)網(wǎng)能記錄到比較清晰sPn震相的臺(tái)站的震中距主要集中在400 km左右，有利于在臺(tái)站工作中震相分析精度的提高。

表3 河北臨城ML4.4地震sPn與Pn震相的特征數(shù)據(jù)和震源深度Table 3 Characteristic data of sPn and Pn phases and focal depth of ML4.4 Lincheng earthquake in Hebei Province

3 結(jié)果分析

對(duì)于河北臨城ML4.4地震，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心正式公布的震源深度為6 km，這個(gè)結(jié)果誤差比較大，而利用雙差定位法重定位后震源深度為7.01 km，結(jié)果比較精確。此次地震距臨城臺(tái)6 km，臨城臺(tái)記錄到的直達(dá)波Pg到時(shí)為1.71 s，參考王曉山[13]的最優(yōu)一維速度模型，P波速度選取為5.4 km/s，利用臨城臺(tái)地震記錄計(jì)算的震源深度為7.02 km。采用sPn-Pn到時(shí)差計(jì)算震源深度為6.86 km，與地震重定位結(jié)果和單臺(tái)直達(dá)波計(jì)算結(jié)果相近。雙差定位法通常需要地震及其余震全部結(jié)束后，收集地震正式觀測(cè)報(bào)告，提取地震事件的初始震中位置和深度，獲取P波和S波到時(shí)。同時(shí)，所選的臺(tái)站記錄必須滿足諸多要求，將地震事件配對(duì)，震源之間的距離要求小于事件到臺(tái)站之間的距離和速度不均勻性的尺度，計(jì)算所用數(shù)據(jù)量大、計(jì)算過(guò)程比較繁瑣；單臺(tái)直達(dá)波計(jì)算震源深度一般要求地震與臺(tái)站間距離小，否則計(jì)算結(jié)果誤差大。而利用sPn-Pn到時(shí)差計(jì)算震源深度時(shí)，只需知道該地區(qū)的地殼速度模型，得出sPn震相的走時(shí)方程，任何震中距在200～1 000 km范圍內(nèi)能記錄到清晰sPn震相的臺(tái)站都能快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出震源深度，不需要S波信息。因此，該方法能在地震發(fā)生后不久，快速計(jì)算震源深度，節(jié)省時(shí)間，有利于判斷地震危險(xiǎn)性，盡可能減小地震災(zāi)害損失。

4 結(jié)論和討論

根據(jù)華北地區(qū)近震走時(shí)表的速度模型和sPn震相特征，利用sPn與Pn震相的到時(shí)差計(jì)算2017年9月4日河北臨城ML4.4地震的震源深度。河北省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)在200～600 km范圍內(nèi)，對(duì)于中強(qiáng)地震能記錄到清晰的sPn震相。選取8個(gè)記錄到sPn震相的臺(tái)站地震波形，識(shí)別sPn震相和Pn震相，根據(jù)sPn震相的走時(shí)方程計(jì)算震源深度，最后取平均值得到該地震的震源深度為6.86 km，與地震重定位結(jié)果7.01 km接近，但是計(jì)算過(guò)程更加簡(jiǎn)單、快速。

利用sPn與Pn震相到時(shí)差測(cè)定近震震源深度的誤差主要來(lái)源于sPn和Pn震相識(shí)別誤差和該地區(qū)的地殼模型誤差。為了得到更加精確的震源深度，必須準(zhǔn)確識(shí)別Pn和sPn震相，下一步可以考慮應(yīng)用滑動(dòng)時(shí)窗相關(guān)法準(zhǔn)確識(shí)別sPn震相，減小計(jì)算誤差。

sPn震相的準(zhǔn)確識(shí)別不僅有助于提高臺(tái)站震相分析的精度，而且應(yīng)用該方法還能快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出近震的震源深度。準(zhǔn)確測(cè)定震源深度，可以為評(píng)估地震災(zāi)害、確定地震成因和深部地殼結(jié)構(gòu)的活動(dòng)、判斷余震趨勢(shì)等提供可靠依據(jù)。因此，應(yīng)積極將該方法推廣到臺(tái)站實(shí)際工作中。