基于sPL 震相測定山西地區的震源深度

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國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030021)

地震的震源深度一直被國內外的地震學家關注。震源深度的研究，對于地震孕育和發生的深部環境、地震能量集結、釋放的活動構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難題。近年來，地震學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的走時關系(房明山等，1995；任克新等，2004；洪星等，2006)；也有部分學者用PTD方法研究地震的震源深度，改進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，優勢的震中范圍和使用條件也不同，在實際工作中只有科學利用，獲得的結果才相對可靠、合理。全國測震臺網目前通用的Pg(Sg)走時定位方法只有在臺網密集、震中距較小的情況下獲得的震源深度才較為可靠。但是對于臺網相對稀疏或者發生在轄區邊界的地震，由于近臺較少，而較遠臺站的地震波走時對震源深度不夠敏感，從而較難確定震源深度。在山西地區，對于發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范圍內的sPL震相來確定近震的震源深度。已有研究結果表明：基于近震深度震相sPL與P波的相對到時差可以較為準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，本文也嘗試利用sPL震相對山西臺網的地震事件的震源深度進行重新測定。

1 sPL震相測定震源深度

圖1 sPL深度震相與直達P波的射線路徑示意圖

崇加軍等(2010)利用50 km范圍內的sPL震相來確定近震的震源深度，從震源出發的SV波入射到自由表面下方時將有一部分能量轉換為P波，在約2倍震源深度以遠的震中距上比較發育，早于S波到達(見圖1)。當臨界入射時轉換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S波尖銳，某些方面具有與首波類似的性質。地表P波只定義了上述沿著地表的那一支震相，但是實際情況中，均勻半空間模型太過簡單，對于更接近真實的速度隨深度增加的模型，可能已經不是一支震相，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換震相，這些震相與“ Suerface P-wave” 到時較一致而混合在一起。由于該震相是由S波和P波相互耦合而產生，同時為了更具普遍意義，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波列定義為sPL (s coupled into P wave)，其中S表示地震激發的S波部分往上傳播。定量地震學已經定義了sPL震相，其對應于遠震的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波相對時差消除了發震時刻的影響，且幾乎不隨震中距變化，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震相計算出的39個地震震中分布

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97次ML≥3.0地震事件的波形資料，對震中距70 km范圍內臺站的三分量位移波形進行了分析，挑選出高信噪比波形記錄，將水平分量波形旋轉至徑向和切向，使初至P波波形在切向分量最小，并進行濾波處理，具體流程見圖2。在速度結構較為簡單的地區，sPL波形可以被清晰的觀測到(見圖3)，但是如果在速度結構相對較為復雜的地區，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，最終計算出貫穿山西斷裂帶上39個地震(見圖4)的震源深度值(見表2)。

圖2 資料處理流程圖

表1 山西地區地殼速度模型

表2 sPL震相測定的39個地震的震源深度

3 震源深度分析

表3 不同深度的地震事件個數統計

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行統計(見表3)，可以看出這39個地震事件的震源深度主要集中在11～25 km，占89%，深度在5 km以內無地震，26～30 km只有2次地震，優勢震源深度分布在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，能看出山西地區地震震源深度有由北向南逐漸變深的趨勢。

4 與統一編目結果比較

將sPL方法測得的39個地震事件的深度值與中國地震臺網中心統一編目最終給出的結果相比較(見圖6、7)，結果顯示，除了1個震例(2010年1月24日發生在山西河津的4.8級地震)測定的震源深度結果偏差較大外，這兩種方法測定的結果比較接近。針對這次地震，sPL方法獲得的深度值為30 km，統一編目定位的結果為8 km，這兩種方法測得的深度值相差22 km，用CAP方法反演震源機制擬合得出的最佳深度值為19 km(宋美琴等，2012)。結合震后地震現場宏觀調查，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。而統一編目給出的震源深度為8km，誤差較大，這與當時使用的定位軟件MSDP所配置的速度模型(J—B)及使用的定位方法密切相關，單純型定位方法測得的深度很少大于10 km。從圖6中發現，在第14個震例(2013年)之后，隨著軟件的不斷升級和山西臺網速度模型(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果大有改善，差值逐漸縮小，基本接近。從圖7還發現，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的深度要淺于山西中、南部的地震。

圖6 sPL與統一編目測定震源深度對比

圖7 sPL與統一編目測定震源深度空間分布

5 結論與討論

(1) 本文選取了山西及周邊地區50 km之內的97次ML≥3.0地震的波形資料，利用sPL震相計算出39次地震的震源深度，這些地震的優勢震源深度為11～25 km，且呈現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果與統一編目的結果相比較，除極個別地震外，兩種方法測定的深度結果差值不大。特別是從2016年開始，定位軟件中啟用了山西臺網的速度模型之后，兩種方法的定位結果更加接近。(3)值得注意的是，目前山西臺網使用的定位軟件中的單純型定位方法會出現不太穩定的情況，有時會出現大于30 km的震源深度，臺網人員要在日常定位中利用Hypo2000方法定位進行比較，盡可能為斷裂構造活動分析與地震危險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。