新疆精河MS6.6地震震源深度研究①

鄭雪剛，馬學(xué)軍，趙鵬畢

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局新源地震臺，新疆 新源 835800)

2017年8月9日07時27分新疆精河縣發(fā)生MS6.6地震(以下簡稱精河地震)，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定震中位于44.27°N、82.89°E，震源深度11 km。此次地震位于精河縣城南部約40 km的山區(qū)，是繼2011年l0月l6日精河MS5.0地震后，該地區(qū)發(fā)生的又一次強震，數(shù)百間房屋倒塌，直接經(jīng)濟損失40億元[1]。精河地震發(fā)生在天山北脈博羅科努山北緣、準(zhǔn)噶爾盆地西南端的庫松木契克山前斷裂的東段附近，該地區(qū)處于準(zhǔn)噶爾板塊與塔里木、天山板塊之間的逆沖一褶皺構(gòu)造活動帶[2]。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，發(fā)育著多條大型斷裂和褶皺帶，構(gòu)造活動非?；钴S。1900年以來，距震中200 km范圍內(nèi)發(fā)生11次MS≥6.0地震，其中，MS≥7.0 地震1次，為1944年新源MS7.2地震，震中距此次地震震中94 km。地震發(fā)生后，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)、Global CMT、中國地震局地球物理研究所(CEA-IG)等研究機構(gòu)測算出精河地震的震源深度為30.5 km[3]、11 km[4]、27.9 km[3]、20 km[3]，深度結(jié)果差異明顯，增加了對精河地震震源震源孕震機制和深部構(gòu)造認(rèn)識的難度。因此，對于準(zhǔn)確測定此次地震的震源深度十分必要，可以為深入研究精河地震震源區(qū)的發(fā)震構(gòu)造和深部動力學(xué)環(huán)境提供參考依據(jù)。震源深度是地震學(xué)研究的重要方向，精確的地震震源深度對于了解地殼流變學(xué)的性質(zhì)[5]、地震成因和其發(fā)震結(jié)構(gòu)、判斷余震發(fā)展趨勢、準(zhǔn)確評估地震災(zāi)害以及監(jiān)測核爆等科學(xué)研究意義非凡[6]。目前常用的測深方法主要可以分為兩類，震相到時定位法和波形反演法。震相到時定位法已經(jīng)被國內(nèi)外的學(xué)者應(yīng)用到震源深度的研究中，并取得了很多有意義的成果[7-10]。然而該種方法也存在一些限制，比如震源區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究的精細(xì)化程度及極近臺資料的使用，只有當(dāng)震中距小于1.4倍震源深度時，震相到時定位法測深才有較高的定位精度[6]。波形反演法是利用地震數(shù)據(jù)中包含更為豐富的信息來獲得更為精確的地震深度，常用的有偏振法、振幅信息法、深度震相法及波形反演法等[11]。深度震相法也是一種非常有效的測深方法，深度震相是一種只對震源深度變化線性相關(guān)的震相，可以精確測定震源深度。常用的深度震相有sPL、sPg、sPn、pP和sP，其中遠(yuǎn)震深度震相pP、sP測深法尤其對稀疏臺網(wǎng)下中強地震震源深度的測定非常有效[12]。另外對于MS≥4.0地震還可以通過使用地震波形擬合測定震源矩心深度，如CAP方法等。本文中采用雙差定位法、遠(yuǎn)震深度震相法和CAP波形反演法對2018年8月9日精河MS6.6地震的震源深度重新測定，以獲得較為準(zhǔn)確的深度值。

1 方法與資料

雙差定位方法是一種比絕對定位法精度高的相對定位方法，將一定空間范圍內(nèi)的地震組隊，利用組隊地震到臺站的相對走時殘差來修正地震的相對位置，主要是基于假定兩個相鄰震源之間的距離遠(yuǎn)小于臺站到事件的距離，從而可以認(rèn)定2個事件到臺站的傳播路徑近似相同，因此能夠忽略地殼結(jié)構(gòu)不確定性對定位精度的影響，同時對震源深度進行有效約束[13]。本研究中，設(shè)置P波和S波走時權(quán)重為1.0、0.5；雙差數(shù)據(jù)最小觀測數(shù)與最小連接數(shù)設(shè)置為6，地震對最大距離為10 km；波速比根據(jù)JHE臺的接收函數(shù)H-k掃描結(jié)果設(shè)定為1.73[14]，一維速度模型采用邵學(xué)鐘等[15]對北天山地殼結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果。雙差定位法對精河地震序列重定位時使用的初始定位結(jié)果和震相走時數(shù)據(jù)來自新疆?dāng)?shù)字地震臺網(wǎng)中心的觀測月報，選取2017年8月9日～2017年12月31日記錄到的ML≥1.0的464次余震地震事件，進行地震精定位。為了保證定位結(jié)果的質(zhì)量，選取距震中300 km以內(nèi)的21個固定臺站和2個流動臺記錄到的P波和S波震相到時數(shù)據(jù)，事件記錄臺站個數(shù)≥3，至少有6條震相記錄，共有398次地震事件符合震相篩選條件，其中P波4 031條，S波3 079條。

遠(yuǎn)震深度震相pP測深法，由震源輻射出的上行P波(S波)在地表自由界面產(chǎn)生反射(偏振)，從而形成反射P波(轉(zhuǎn)換S波)，其射線傳播路徑與P波近似，這類波列為遠(yuǎn)震的深度震相pP和sP。pP和sP波的優(yōu)勢發(fā)育震中距為30°～90°，直達P波與pP、sP波走時差只對地震深度敏感，并不隨震中距變化，可以有效的獲得較為準(zhǔn)確的地震深度[16]。遠(yuǎn)震深度震相pP測定震源深度時，從IRIS下載震中距30°～90°的部分臺站的觀測波形，篩選pP震相清晰的臺站數(shù)據(jù)，然后對選取的臺站數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除儀器響應(yīng)、波形截取和經(jīng)過0.8～2.0 Hz的帶通濾波。使用Teleseis程序分別計算各臺不同深度的理論地震圖，速度模型使用Crust1.0得到，包括各臺站下方及震源區(qū)的速度模型，地震矩4.1×1018N·m，震源破裂持續(xù)時間9 s，震源機制解采用GCMT的結(jié)果。對理論地震圖進行0.8～2.0 Hz的帶通濾波，通道數(shù)為4，級數(shù)為2，比較實際觀測波形和不同深度理論地震圖的擬合程度，確定精河地震震源深度。經(jīng)過上述步驟后最終選取IU臺網(wǎng)ANTO臺和II臺網(wǎng)BFO臺、LVZ臺、MSEY臺、OBN臺、ESK臺的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)。

震源深度的波形反演采用CAP方法，將寬頻帶近震數(shù)字波形分解成兩部分體波Pnl和面波波段，通過賦予不同權(quán)重，計算實際觀測到的波形與理論地震圖的擬合誤差函數(shù)，采用網(wǎng)格搜索法得到兩者之間最小誤差的最優(yōu)解。其優(yōu)點在于波形反演時提高了體波Pnl的權(quán)重值，對震源深度有較好的約束；同時允許2個波形段理論波形和實際波形適當(dāng)延時擬合，從而有效消除地殼速度模型的不確定性和地震定位誤差帶來的影響，從而使擬合更好穩(wěn)定。使用CAP方法反演震源深度時，數(shù)據(jù)選取震中距在400 km以內(nèi)P波初動清晰、不存在斷記或限幅、信噪比高且方位角分布均勻的10個臺站(圖1a)。對體波Pnl和面波分別通過0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz帶通濾波，深度搜索間隔為1 km，格林函數(shù)采用頻率波數(shù)法，面波權(quán)重為1，體波權(quán)重為2，速度模型采用Crust1.0。雙差定位法和CAP反演法研究精河地震震源深度時所選取的臺站見圖1(a),速度模型如圖1(b)。

圖1 精河地震測震臺站分布(a)及速度模型(b)

2 震源深度測定分析

2.1 雙差定位法

精河地震序列經(jīng)過篩選，共選擇464個地震做為重定位的初始事件，采用共軛梯度法求解方程，經(jīng)過3組共15次迭代后得到阻尼最小二乘法解。雙差定位后得到395個地震事件重定位震源位置參數(shù)，其中南北方向、東西方向和垂直方向的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為 1.35、1.59和 1.77 km，走時殘差由重定位前的0.84 s降低至0.17 s，其定位殘差明顯減小。精定位后震中位置為82.851°E、44.257°N，震源深度15.25 km。學(xué)者采用不同方法對此次地震進行精定位研究，如白淑蘭[2]、徐志國等[17]采用雙差定位法計算得到的震源深度為14.6 km、15.8 km，何驍慧等[18]采用相對矩心定位法獲得震源深度16.3 km，本次雙差定位法得到的震源初始破裂深度與其他學(xué)者獲得的深度值基本一致，說明本次研究得到的深度值可信。

2.2 遠(yuǎn)震pP深度震相法

為了更準(zhǔn)確的測定精河地震的震源深度，本文中采用遠(yuǎn)震直達P波與體波深度震相pP的走時差來計算地震的震源初始破裂深度。數(shù)據(jù)選取IRIS的IU臺網(wǎng)ANTO臺和II臺網(wǎng)BFO臺、LVZ臺、MESY臺、OBN臺、ESK臺的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，分別計算各臺地震的不同深度的理論地震圖，對理論地震圖與實際觀測波形進行對比擬合(圖2)。從實際觀測波形與理論波形對比圖可以看出，各臺體波深度震相pP非常清晰，震源深度和直達P波與pP震相走時差呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)，通過估算，可以得出pP-P走時差平均值約5.9s，且走時差不隨震中距的變化而變化。當(dāng)震源深度為20 km時有5個臺理論地震圖與實際觀測波形的P波到時與深度震相pP到時、振幅擬合最好，II臺網(wǎng)的ESK臺在震源深度為23 km時擬合最好，綜合各臺的震源深度擬合情況，利用pP-P走時差測深方法得到的震源初始破裂深度20 km較為可靠。

圖2 深度震相pP測深所選臺站分布圖和IU、II臺網(wǎng)部分臺站記錄的精河地震垂直分量震源深度測試

2.3 CAP方法

CAP方法反演得到精河地震震源機制解和震源深度，其中震源機制解節(jié)面I走向273.4°，傾向49.9°，滑動角99.4°;節(jié)面II走向走向79°，傾角41°，滑動角79°，震源深度20.4 km，擬合誤差0.1%。圖3為精河MS6.6地震CAP方法計算結(jié)果，參與CAP震源機制反演的10個臺站理論合成波形與實際波形擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)>80%的波段數(shù)有47個，占總波段數(shù)的94%，屬于強相關(guān)。同時在深度擬合誤差圖中也能夠明顯看出震源球震源機制解一致性較好，表明反演計算結(jié)果較為穩(wěn)定。國內(nèi)外不同研究機構(gòu)及學(xué)者也測算出震源機制解和震源深度(表1)，本文中的震源機制解與CENC、CEA-IG等研究機構(gòu)的結(jié)果基本一致，震源深度與徐志國采用gCAP反演方法得到深度值21 km[17]，李艷永[19]、金花等[20]采用CAP方法計算得到的21 km、20.8 km基本一致。因此，本文中采用CAP方法反演得到的震源機制解和震源矩心深度結(jié)果可靠。

圖3 2017年8月9日精河MS6.6地震CAP法計算結(jié)果

2.4 結(jié)果對比分析

精河地震發(fā)生后，國內(nèi)外不同研究機構(gòu)及學(xué)者對此次地震開展研究工作，本文中收集了不同機構(gòu)及個人測算的精河地震震源參數(shù)。由表1可見，精河地震的震源機制解類型基本相同，都為逆沖型地震，但震源深度差異明顯。哈弗大學(xué)全球中心矩張量(GCMT)使用地幔波得到的矩心深度為27.6 km，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)采用遠(yuǎn)場W-Phase震相資料反演的矩心深度為30.5 km，徐志國等[17]采用gCAP方法反演得到的矩心深度為21 km，何驍慧[18]、李艷永等[19]采用CAP方法反演得到的矩心深度為21 km，郭志等[3]基于W-Phase震相資料，采用矩張量反演得到的矩心深度16 km，本文中采用CAP方法反演所得矩心深度為 20.4 km。使用近場波形反演所得到矩心深度都較為一致，而使用遠(yuǎn)場波形反演的矩心深度差異顯著，這也表明近場波形對反演矩心深度有更好的約束及更高的分辨度。

表1 不同研究機構(gòu)得到的新疆精河MS6.6地震震源機制解

采用雙差定位法、CAP波形反演法和體波深度震相測深法對精河地震震源深度進行重新測定，其中雙差定位法測定的震源深度為15.25 km，CAP波形反演法測定的震源深度為20.4 km，體波深度震相法測定的深度為20 km。3種方法中，CAP波形反演法得到是震源的最佳矩心深度，而雙差定位法和體波深度震相測定法得到的是震源的破裂起始點深度，這兩個深度所表征的物理含義不同，利用震相走時方法得到的深度表示的是地震破裂起始點的位置，而矩心深度體現(xiàn)的是震源的矩心，實質(zhì)上是地震矩張量密度分布的某種矩心深度，反映了地震破裂斷層面的中心位置。本次使用雙差定位和深度震相pP測深法得到的震源初始破裂深度存在5 km的差異，那么哪種破裂起始點深度更加接近真實的初始破裂點位置呢？逆斷型地震沿斷層面近垂直或斜向破裂時，采用震相走時方法測定的震源破裂起始點深度要大于地震波形反演方法獲得的矩心深度，相對于精河地震來說，即震源破裂起始點深度應(yīng)該大于20 km。而由雙差定位結(jié)果來看，其震源深度明顯小于CAP波形反演法得到是震源的最佳矩心深度。雙差定位法是一種描述地震叢集之間相對位置變化的相對定位法，定位方法對地震對之間的相對位置結(jié)果變化影響不大，如果地震叢集定位的初始深度與真實震源位置存在整體偏差，那么雙差定位法得到的震源深度會受到破裂起始點深度的影響而出現(xiàn)整體性的偏移。當(dāng)?shù)卣饏布某跏颊鹪瓷疃让吭黾踊驕p少5 km時，雙差定位后震源深度變化幅度會相應(yīng)變化約50%[21]。本文中使用遠(yuǎn)震體波深度震相法得到的精河地震震源破裂起始點深度為20 km，與上述雙差定位研究中震源初始深度13 km存在7 km的偏差，對精河地震叢集整體初始震源深度向下偏移7 km，則重定位結(jié)果應(yīng)該至少向下平移7 km，因此，可以初步推斷出偏移后的重定位震源深度為22.25～26.5 km，大于CAP地震波形反演方法獲得的矩心深度20.4 km，符合逆沖型地震震源破裂起始點深度和矩心深度的物理含義。

目前，中國地震臺網(wǎng)中心及新疆地震局的地震目錄中震源深度是利用震相到時測定的深度，也就是破裂起始點深度。針對精河地震兩所研究機構(gòu)所測算的震源深度分別是11 km、13 km，也與本文中利用遠(yuǎn)震深度震相測深法得到的初始破裂深度20 km存在較大偏差，可能是由于在缺乏近臺資料時，基于震相到時定位法無法有效約束震源深度所造成。

遠(yuǎn)震體波深度震相pP測深法是通過震源參數(shù)合成的遠(yuǎn)場臺站的理論地震圖與實際觀測波形的擬合度來測定震源深度，已被廣泛應(yīng)用于稀疏臺網(wǎng)的中強地震震源深度的測定中。其測定誤差主要來自于震源區(qū)的速度模型，如果速度模型存在10%的不確定性，誤差可以控制在2 km[22]，考慮到本次研究所使用震源區(qū)Crust1.0速度模型及震源機制解等因素的影響，本次精河地震破裂起始點深度約為20 km，誤差約為2～3 km。

震源的破裂起始點深度和破裂矩心深度之間的差異與破裂方向性和震級有關(guān)，當(dāng)MS>6.0 時，可能達到破裂尺度的一半[23]。從已有的精河地震序列精定位、破裂過程和震源機制解(表1)研究結(jié)果，此次地震是一次單側(cè)破裂的高角度逆沖型事件，震源破裂滑動深度11～18 km，破裂尺度約7 km[24]。從深度破裂尺度和兩種深度的物理意義可以初步得出震源的這兩種深度的差異約3 km，而本次使用深度震相pP測深法所得到的精河地震震源破裂起始點深度約為20 km，使用CAP波形反演法得到的最佳矩心深度為20.4 km，兩者相差較近。為了便于討論本次精河地震震源深度的物理意義，參考其他學(xué)者關(guān)于兩種深度的研究成果，如矩心深度18 km[23]、16 km[3]、21 km[17，19-20]，破裂起始點深度20 km[17]、22.8 km[17]；同時由精河地震序列精定位震源深度的分布，余震序列相對定位深度在4～16 km[17，25]，主要分布在主震西南側(cè)上方，結(jié)合精河地震序列精定位及兩種震源深度已有的研究成果，可以得出破裂起始點深度比矩心深度要深，表明此次地震是一次由下向上破裂的逆沖型地震。本研究的破裂起始點深度和矩心深度相差較近，可能由遠(yuǎn)震深度震相pP測深法在使用震源區(qū)Crust1.0速度模型測定震源深度時誤差相對較大引起。

3 結(jié) 語

利用雙差定位法、CAP波形反演法和遠(yuǎn)震深度震相測定法對精河MS6.6地震震源深度進行重新測定，測定結(jié)果較為一致。CAP波形反演法得到的最佳矩心深度為20.4 km。雙差定位法估算的破裂起始點深度約為22.25 km。遠(yuǎn)震深度震相測深法估算的破裂起始點深度為20 km，與新疆地震臺網(wǎng)中心測算的初始震源深度13 km相比，估計精河地震序列震源深度可能整體存在大約7 km的偏移量。綜合不同研究機構(gòu)和本文測算的破裂起始點深度和矩心深度結(jié)果，精河地震震源破裂起始點深度約為20 km。地震震源深度的準(zhǔn)確測定一直是難題，不同的震源深度表征的孕震機制和深部構(gòu)造等物理解釋也會有較大差異，這增加人們對震源過程的認(rèn)識難度。同樣的矩心深度，因采用的研究數(shù)據(jù)、使用的反演方法和速度模型等不同，各個研究機構(gòu)所得到的結(jié)果也有明顯差異，但使用近場波形反演所得到矩心深度都較為一致，表明近場波形對反演矩心深度有更好的約束及更高的分辨度。受到臺網(wǎng)布局的影響，在臺網(wǎng)稀疏的區(qū)域基于震相走時定位法的地震目錄中震源深度參數(shù)可能存在較大偏差，在做震源深度相關(guān)研究時需要考慮地震目錄中震源深度存在的系統(tǒng)偏差。