基于sPL 震相測定山西地區(qū)的震源深度

梁向軍，魏婭玲，張東亞，劉林飛

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.四川省地震局，四川 成都 610041；3.北京市昌平地震局，北京 昌平 102200；4.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030021)

地震的震源深度一直被國內(nèi)外的地震學(xué)家關(guān)注。震源深度的研究，對于地震孕育和發(fā)生的深部環(huán)境、地震能量集結(jié)、釋放的活動構(gòu)造背景有重要的意義(張國民等，2002)。然而，如何比較精確確定地震的震源深度一直是個(gè)難題。近年來，地震學(xué)者一直在探索改善震源深度測定精度的方法。有的研究者用sPn震相測定震源深度的研究，并建立了sPn與Pn的走時(shí)關(guān)系(房明山等，1995；任克新等，2004；洪星等，2006)；也有部分學(xué)者用PTD方法研究地震的震源深度，改進(jìn)了震源深度的測定精度(殷偉偉等，2006；朱元清，1997)；Langston(1987)利用sPg和Pg的相對到時(shí)差研究了1968年澳大利亞Meckering近震序列的深度分布，Bocketal(1996)利用sPmP測量了近震的震源深度。研究表明，這些方法可以有效地提高震源深度的測定精度，但是，由于深度震相不同，優(yōu)勢的震中范圍和使用條件也不同，在實(shí)際工作中只有科學(xué)利用，獲得的結(jié)果才相對可靠、合理。全國測震臺網(wǎng)目前通用的Pg(Sg)走時(shí)定位方法只有在臺網(wǎng)密集、震中距較小的情況下獲得的震源深度才較為可靠。但是對于臺網(wǎng)相對稀疏或者發(fā)生在轄區(qū)邊界的地震，由于近臺較少，而較遠(yuǎn)臺站的地震波走時(shí)對震源深度不夠敏感，從而較難確定震源深度。在山西地區(qū)，對于發(fā)生在山西中部的地震，臺站包圍較好，震源深度約束的比較好，對于發(fā)生在邊界的地震，地震的可靠性較差。所幸，崇加軍等(2010)首次提出利用50 km范圍內(nèi)的sPL震相來確定近震的震源深度。已有研究結(jié)果表明：基于近震深度震相sPL與P波的相對到時(shí)差可以較為準(zhǔn)確地測定地震的震源深度，并在2011年安慶地震(包豐等，2013；謝祖軍等，2012)、2008年攀枝花地震(Wangetal，2011)、2008年汶川地震余震(Luoetal，2010)等震源深度研究中取得了良好的效果。因此，本文也嘗試?yán)胹PL震相對山西臺網(wǎng)的地震事件的震源深度進(jìn)行重新測定。

1 sPL震相測定震源深度

圖1 sPL深度震相與直達(dá)P波的射線路徑示意圖

崇加軍等(2010)利用50 km范圍內(nèi)的sPL震相來確定近震的震源深度，從震源出發(fā)的SV波入射到自由表面下方時(shí)將有一部分能量轉(zhuǎn)換為P波，在約2倍震源深度以遠(yuǎn)的震中距上比較發(fā)育，早于S波到達(dá)(見圖1)。當(dāng)臨界入射時(shí)轉(zhuǎn)換P 波將沿著地表傳播，Aki 稱此波為“ Suerface P-wave”，它的水平視速度和P 波速度相等，出現(xiàn)在臨界距離上，雖然隨距離的變化衰減很快，但是它的起始可能比直達(dá)S波尖銳，某些方面具有與首波類似的性質(zhì)。地表P波只定義了上述沿著地表的那一支震相，但是實(shí)際情況中，均勻半空間模型太過簡單，對于更接近真實(shí)的速度隨深度增加的模型，可能已經(jīng)不是一支震相，而包含了臨界距離附近P波在淺層(如蓋層) 的系列多次反射或轉(zhuǎn)換震相，這些震相與“ Suerface P-wave” 到時(shí)較一致而混合在一起。由于該震相是由S波和P波相互耦合而產(chǎn)生，同時(shí)為了更具普遍意義，這里將Aki定義的“Suerface P-wave” 和這些多次反射折射震相形成的一個(gè)波列定義為sPL (s coupled into P wave)，其中S表示地震激發(fā)的S波部分往上傳播。定量地震學(xué)已經(jīng)定義了sPL震相，其對應(yīng)于遠(yuǎn)震的S 波(從震源向下傳播) 在Moho下方耦合形成的長周期的P波波列，而本文的sPL則是在近距離上只在地表附近傳播的波。由于sPL與P波相對時(shí)差消除了發(fā)震時(shí)刻的影響，且?guī)缀醪浑S震中距變化，減小了地震水平位置誤差的影響，因此具有較高的震源深度測定精度。

2 資料選取與深度測定

圖4 利用sPL震相計(jì)算出的39個(gè)地震震中分布

圖3 2016年3月12日鹽湖4.4級地震萬榮臺(WAR)三分量位移波形圖

本文選取了2010年1月1日至2017年12月31日期間山西及周邊地區(qū)97次ML≥3.0地震事件的波形資料，對震中距70 km范圍內(nèi)臺站的三分量位移波形進(jìn)行了分析，挑選出高信噪比波形記錄，將水平分量波形旋轉(zhuǎn)至徑向和切向，使初至P波波形在切向分量最小，并進(jìn)行濾波處理，具體流程見圖2。在速度結(jié)構(gòu)較為簡單的地區(qū)，sPL波形可以被清晰的觀測到(見圖3)，但是如果在速度結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜的地區(qū)，波形會多次折射疊加，這對拾取sPL震相會有一定的影響。本文在研究中所用的速度模型(殷偉偉等，2018)如表1所示。根據(jù)P波震相特征挑選出具有清晰sPL震相的波形用于震源深度分析，最終計(jì)算出貫穿山西斷裂帶上39個(gè)地震(見圖4)的震源深度值(見表2)。

圖2 資料處理流程圖

表1 山西地區(qū)地殼速度模型

表2 sPL震相測定的39個(gè)地震的震源深度

3 震源深度分析

表3 不同深度的地震事件個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 利用sPL震相測定的震源深度分布

按震源深度范圍對地震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表3)，可以看出這39個(gè)地震事件的震源深度主要集中在11～25 km，占89%，深度在5 km以內(nèi)無地震，26～30 km只有2次地震，優(yōu)勢震源深度分布在11～20 km。震源深度分布圖(見圖5)直觀地反映了山西地區(qū)的震源深度分布情況，山西北部的地震震源深度普遍較淺，中南部地區(qū)的地震要比北部地震的震源深度深，在震例較少的情況下，能看出山西地區(qū)地震震源深度有由北向南逐漸變深的趨勢。

4 與統(tǒng)一編目結(jié)果比較

將sPL方法測得的39個(gè)地震事件的深度值與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一編目最終給出的結(jié)果相比較(見圖6、7)，結(jié)果顯示，除了1個(gè)震例(2010年1月24日發(fā)生在山西河津的4.8級地震)測定的震源深度結(jié)果偏差較大外，這兩種方法測定的結(jié)果比較接近。針對這次地震，sPL方法獲得的深度值為30 km，統(tǒng)一編目定位的結(jié)果為8 km，這兩種方法測得的深度值相差22 km，用CAP方法反演震源機(jī)制擬合得出的最佳深度值為19 km(宋美琴等，2012)。結(jié)合震后地震現(xiàn)場宏觀調(diào)查，此次地震的破壞性較小，可以斷定此次地震的震源深度在20 km左右，所以sPL方法測定的此次地震震源深度30 km還是很有意義的。而統(tǒng)一編目給出的震源深度為8km，誤差較大，這與當(dāng)時(shí)使用的定位軟件MSDP所配置的速度模型(J—B)及使用的定位方法密切相關(guān)，單純型定位方法測得的深度很少大于10 km。從圖6中發(fā)現(xiàn)，在第14個(gè)震例(2013年)之后，隨著軟件的不斷升級和山西臺網(wǎng)速度模型(王霞等，2015；殷偉偉等，2018)(2016年)的使用，單純型和Hypo2000兩種定位方法綜合測定的深度結(jié)果大有改善，差值逐漸縮小，基本接近。從圖7還發(fā)現(xiàn)，不論哪種方法測得的震源深度值，山西北部的地震絕大多數(shù)的深度要淺于山西中、南部的地震。

圖6 sPL與統(tǒng)一編目測定震源深度對比

圖7 sPL與統(tǒng)一編目測定震源深度空間分布

5 結(jié)論與討論

(1) 本文選取了山西及周邊地區(qū)50 km之內(nèi)的97次ML≥3.0地震的波形資料，利用sPL震相計(jì)算出39次地震的震源深度，這些地震的優(yōu)勢震源深度為11～25 km，且呈現(xiàn)出山西北部地震的震源深度比中、南部淺的趨勢。(2)將利用sPL震相測定的震源深度結(jié)果與統(tǒng)一編目的結(jié)果相比較，除極個(gè)別地震外，兩種方法測定的深度結(jié)果差值不大。特別是從2016年開始，定位軟件中啟用了山西臺網(wǎng)的速度模型之后，兩種方法的定位結(jié)果更加接近。(3)值得注意的是，目前山西臺網(wǎng)使用的定位軟件中的單純型定位方法會出現(xiàn)不太穩(wěn)定的情況，有時(shí)會出現(xiàn)大于30 km的震源深度，臺網(wǎng)人員要在日常定位中利用Hypo2000方法定位進(jìn)行比較，盡可能為斷裂構(gòu)造活動分析與地震危險(xiǎn)性評估提供可靠的震源深度。

致謝：感謝陜西省地震局趙韜工程師在軟件使用過程中給予指導(dǎo)。