淺析巴里坤臺記錄的興都庫什地震震相特征及sP震相與震源深度的關系①

張 錄， 周康云， 張劍鋒

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局巴里坤地震臺， 新疆 哈密 839000)

興都庫什地區(qū)位于新疆西南端，與帕米爾高原相連，大部分處于阿富汗境內(nèi)。它位于印度板塊與歐亞板塊劇烈碰撞的俯沖區(qū)域，地殼深部構造復雜，地震活躍，是世界上少有的大陸內(nèi)部的中、深源地震區(qū)，目前對于該地區(qū)的地質(zhì)構造、應力場特征及斷層形態(tài)等相關研究較多[1-6]。本文中以巴里坤臺記錄的興都庫什地區(qū)2004～2019年發(fā)生的138次MW≥5.0地震為研究對象，通過分析其震相特征，總結出該地區(qū)地震震相的分析方法。同時，以AK135的sP-P 走時表計算該地區(qū)地震的理論震源深度與主要地震數(shù)據(jù)中心提供的觀測深度進行對比及擬合分析，將擬合最好、誤差最小的觀測深度與sP-P到時差建立方程，形成該地區(qū)地震震源深度的簡易計算方法。

精確計算震源深度具有重要的意義。首先，對于地震事件的位置及發(fā)震時刻具有較好的約束作用；其次，準確的震源深度信息，可作為應急救援前估計地震破壞程度的參考(相同震級下，震源越淺對地表造成的破壞越大)；最后，精確的震源深度信息，對于了解斷層形態(tài)、區(qū)域地質(zhì)構造、地震孕育環(huán)境和地震活動的構造背景提供了重要依據(jù)。本文中所研究的興都庫什及周邊地質(zhì)構造復雜，地震活動頻繁，通過研究以往地震的深度震相sP來估算其震源深度，可為該地區(qū)其他震源深度計算方法起參考、校準作用，使得震源深度更為精確。

1 資料選取

以美國國家地震信息中心提供的興都庫什地區(qū)(35.6°N～37.5°N，68.7°E～73.0°E)2004～2019年發(fā)生的138次MW≥5.0地震為研究對象(圖1)。根據(jù)其提供的震源深度信息進行分類(表1)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地震以中源地震為主，其所占比例為91%，淺源、深源地震所占比例不足10%。另外計算其距巴里坤臺的震中距，介于16°～20°之間，平均距離18.4°，均屬于遠震。

圖1 所選地震分布示意圖Fig.1 Selected earthquake distribution

表1 興都庫什地區(qū)2004～2019年MW≥5.0

根據(jù)地震信息，使用理論走時更為精確的AK135走時表[7]計算出各地震的到時，以此找出各地震的波形數(shù)據(jù)。剔除掉大震面波干擾、初至震相不清晰及地震計損壞而記錄失真的9個地震，對剩余的129個地震進行詳細的震相分析。

2 震相特征分析

通過對所選震例的分析，巴里坤臺記錄到的興都庫什地區(qū)地震震相以P、sP、S為主，少數(shù)震例可記錄到pP、sS或ScS震相，受S波和面波干擾，PcP、PcS、ScP震相均無明顯特征。因為震例數(shù)量多、篇幅有限，且同地區(qū)相同深度的地震震相相似度較高，為避免內(nèi)容重復，在此以巴里坤臺記錄的2012年6月11日05 h 29 min 11 s(國際時，下同)MW5.7地震(h=16 km，Δ=19.7°，簡稱震例1)和2009年10月29日17 h 44 min 32 sMW6.2地震(h=210 km，Δ=18.6°，簡稱震例2)為代表震例，通過不同仿真，總結出巴里坤臺分析興都庫什地區(qū)地震震相的方法。

該地區(qū)的淺源地震，僅能識別P、S震相，震相起始平緩，其面波發(fā)育，地震波持續(xù)時間長(圖2)。中源地震的震相起始較尖銳，但其面波不發(fā)育(圖3，4)，在1 200 s的時間掃描下，從寬頻帶記錄可看出，P、sP、S震相記錄清晰易識別，sS震相也較明顯。尤其是深度震相sP，有明顯區(qū)別于前后背景的周期、振幅特征，且3個分向上均清晰。在仿真WWSSNSP記錄下，僅P、S震相清晰，sP震相不明顯，對于個別震例記錄到的pP、ScS震相，本震例無明顯特征。在仿真SK、763記錄下，P、sP、S、sS均清晰易辨識。而深源地震數(shù)量少(本文研究時段內(nèi)僅2個)，震級在MW5.0左右，震相受背景噪聲干擾明顯，但仍能識別到P、sP、S震相，此處不做典型震例分析。

圖2 仿真SK的震相特征(震例1)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD 向Fig.2 Phase characteristics of SK simulation (Earthquake case 1)

圖3 寬頻帶記錄的震相特征(震例2)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD向Fig.3 Phase characteristics of Broadband recording (Earthquake case 2)

圖4 仿真SK的震相特征(震例2)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD向Fig.4 Phase characteristics of SK simulation (Earthquake case 2)

對于該地區(qū)的地震震相識別，主要通過有無sP震相和面波來確定地震深度類型，做進一步細化分析。對于淺源地震，主要是在WWSSNSP或SK仿真下識別P、S震相；對于中深源地震，則主要是在WWSSNSP仿真下識別P、pP、ScS震相， SK、763仿真下確定sP、S、sS震相。本文中通過對所選地震的分析，共識別到70個有顯著sP震相的地震(震源深度大于80 km)，而淺源地震的sP與P到時差小，受P波干擾，無法識別到sP震相。部分中源地震，因震級較小(MW5.0左右)，且記錄時段受氣壓、地脈動、觀測環(huán)境等因素的干擾，sP震相記錄不清晰，甚至無法記錄到。

3 sP震相與震源深度的關系

sP震相是指上行S波在自由表面或洋底反射而形成的P震相[8]。它與P波的到時差對震源深度的增減變化敏感，而震中距的變化對其影響不大(圖5a)，所以常用sP來確定震源深度[9-11]。這種基于波形的震源深度測定方法，還可以通過aP、sPn、ScS等震相實現(xiàn)[12-13]。

對識別到的70個sP震相和其對應的P震相到時做精確標定分析，計算出sP-P到時差T0。因研究區(qū)距巴里坤臺的平均距離為18.4°，所以使用AK135走時表給定的18°的sP-P與深度H的關系進行擬合，發(fā)現(xiàn)一元二次多項式最優(yōu)，其決定系數(shù)R2達到了0.999 4(方程式1)，

H=0.0109T2+2.8462T+0.2801.

(1)

以方程式(1)計算出各地震的理論震源深度(以H0表示)，將其與日常地震分析時所參考的美國國家地震信息中心(NEIC)、歐洲地中海地震中心(EMC)和中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)提供的地震深度(分別用H1、H2和H3表示)做對比，得出深度的誤差值Δh(本文中采用其絕對值)，同時進行擬合分析。

通過對計算所得的理論深度與NEIC、EMC給定的深度對比發(fā)現(xiàn)，H0與H1的誤差范圍在0～28 km之間，平均誤差為7 km；與H2的誤差范圍在0～52 km之間，平均誤差為10 km；而與H3的誤差范圍則在3～31 km之間，平均誤差為14 km(表2)。

表2 不同震源深度及對比(識別到sP震相的70個地震)

續(xù)表

以AK135走時表sP-P計算的理論震源深度H0與NEIC提供的深度H1擬合最好(圖5b)，與EMC提供的深度H2擬合次之(圖5c)，而與CENC提供的深度H3擬合較差(這可能與其提供的震例信息少有關。 圖5d)。各擬合方程的決定系數(shù)R2分別為0.972 1、0.935和0.824。另外，從擬合圖可以看出(圖5b、c)，該地區(qū)中源地震的震源深度主要集中在100 km和220 km附近的2個深度區(qū)，且2個深度區(qū)域中間存在地震空區(qū)，這與其所在的特殊地質(zhì)構造有關[14-16]。以上分析發(fā)現(xiàn)，通過AK135走時表計算的理論深度最接近NEIC提供的觀測深度，可以作為興都庫什地區(qū)地震震源深度的參考。同時，將H1與sP-P到時差T0擬合方程，作為該地區(qū)地震震源深度的簡易計算模型，為提高精度，在此以H0與H1誤差≤7 km的地震為擬合對象(剔除掉誤差大于均值的地震)，得到的方程

圖5 震源深度的擬合分析(a) AK135走時表提供的sP-P到時差與深度的關系 (b)sP-P計算的深度與NEIC提供的深度擬合 (c) sP-P計算的深度與EMC提供的深度擬合 (d)sP-P計算的深度與CENC提供的深度擬合Fig.5 Fitting analysis of focal depth

H=4.0789T-30.954 (R2=0.991).

(2)

H=0.0104T2+2.9309T-1.2287 (R2=0.996).

(3)

方程式(2)、(3)均較優(yōu)，且具有較高的決定系數(shù)R2，但兩者僅相差0.005，所以從簡便易算的角度考慮，線性方程式(2)為最優(yōu)選擇。

分析巴里坤臺記錄的興都庫什地區(qū)深度震相sP與P的到時差，可用于快速準確的計算該地區(qū)地震震源深度，有利于該地區(qū)的地震地質(zhì)研究。同時對各地震數(shù)據(jù)中心提供的地震震源深度信息或其他計算震源深度的方法(如偏振法、振幅法、CAP方法等)起參考和輔助校準作用。

4 結語

(1) 巴里坤臺記錄的興都庫什地區(qū)地震震相以P、sP、S為主，尤其深度震相sP為該地區(qū)判斷并計算震源深度的顯著震相。此外，少數(shù)地震可記錄到pP、sS或ScS震相，受S波和面波干擾，PcP、PcS、ScP震相均無明顯特征。

(2) 興都庫什地區(qū)地震以中源地震為主，且其震源深度主要集中在100 km和220 km附近的2個深度區(qū)域。這對于探索該地區(qū)地震孕育和發(fā)生的深部環(huán)境、地震活動的構造背景及其附近的力學屬性有一定的參考價值。

(3) sP-P到時差通過AK135走時表計算的理論震源深度與NEIC提供的震源深度擬合最好，誤差最小。以sP-P到時差與NEIC震源深度擬合的方程可作為興都庫什地區(qū)地震震源深度的簡易計算模型，該方法可對其他地區(qū)地震震源深度的計算提供參考。

(4) 本研究具有一定的局限性，雖然有較多的深度震相可用于估算遠震震源深度，但興都庫什地區(qū)地震僅sP震相清晰可靠。這對于僅能識別P、S震相的淺源地震以及MS≤5.0波形信噪比低的地震[17]，其深度的估算難以通過sP震相實現(xiàn)。