2016年3月12日鹽湖4.4級地震震源深度的測定

劉林飛，孟小琴，王卓君，梁向軍

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

據中國地震臺網測定，北京時間2016年3月12日在山西省運城市鹽湖區(35.00°N、110.90°E)發生M4.4地震，震源深度5 km。此次地震震級雖然不大，卻造成大量建筑物不同程度的破壞。《地震災害損失評估報告》(1)山西省地震局.2016年3月12日鹽湖地震災害損失評估報告，2016.明確指出，這次4.4級地震震級不大，但Ⅵ度區范圍很大，造成破壞嚴重最關鍵的因素是震源深度淺，僅為5 km，在山西最近幾年4級以上地震中極為罕見。為此，文章通過三種方法重新測定此次地震的震源深度，判定導致這種破壞程度誘因的可信度。

目前，隨著臺網布設密度的逐漸增加，絕大多數臺站較好地包圍震中的地震，可以比較精確地測定出震中位置。在近臺盡可能多且臺站包圍震中的情況下，測定出的震源深度比較準確，但對于發生在省邊界的地震就達不到這一要求。

震源深度是當前數字地震臺網的重要參數之一，其精確性對于地震災害評估、余震發展趨勢以及危險性的判定有著重要意義[1-2]。目前，不同測定地震震源深度的方法在實際應用中有所不同。在基于地震波形數據測定震源深度的方法中，SPL震相測定震源深度方法[3]已得到廣泛使用。李志偉[4]用SPL震相測定了南北地震帶的3次4～5級中強地震的深度，并驗證了USGS地震目錄給出深度的可靠性；詹小艷[5]用該方法測定了2012年7月20日江蘇高郵M4.9地震的震源深度，表明在江蘇中部地區利用SPL震相測得的深度比較可靠；郝美仙[6]用同樣的方法測出2017年6月3日阿拉善左旗5.0級地震的震源深度為11 km，與其他研究方法測定的結果比較接近，最終獲得了高精度的深度值。PTD方法[7]是一種快速方便測定震源深度的方法，宋秀青[8]用此方法測定了2017年精河MS6.6地震序列較為精確的震源深度；王新嶺[9]用該方法測定了巴林左旗5.9級地震的震源深度，不僅探討了定位結果的誤差分析，而且還對該方法的局限性進行說明；殷偉偉[10]等利用“山西2015速度模型”計算山西地區符合條件的77次地震的震源深度，該方法相對于日常定位軟件測定的震源深度結果精度較高。CAP方法在測定震源機制解的同時，可以獲得擬合的最佳震源深度，該方法可以對比不同深度的震源機制解反演的誤差，最終給出最合理的震源深度，并得到廣泛應用[11-12]。

上述3種不同測定震源深度的方法，其原理不同，故在測定時選擇臺站的優勢震中距也不同。日常的定位軟件，在臺網密集、震中距較小時方可獲得較高精度的震源深度，而鹽湖地震發生在山西省邊界地區，臺站包圍較差，速報給出的震源深度為5 km。為驗證其可靠性，選用以上3種方法來重新測定此次地震的震源深度，將不同方法得到的深度進行對比分析，以得到較高精度的深度值，為準確評估地震災害,確定地震發震構造和深部動力學環境提供參考依據。

1 研究方法

1.1 sPL震相測定法

崇加軍2010年的研究成果表明，應用震中距≤50 km的sPL震相來測定近震震源深度，來自震源的SV波入射到自由表面下方時，會有一部分能量轉換成P波，在震中距約為2倍震源深度以外的地方發育較好，比S波先到達[13](見圖1)。轉換P波在臨界入射時將沿著地表傳播，Aki將此波稱為“Suerface P-wave”，該波的水平視速度等同于P波速度，出現在臨界距離上，當該波隨距離變化時，其衰減也較快，但是，其起始可能比直達的S波尖銳，與首波的性質相類似。崇加軍[3]等將“Suerface P-wave”定義為sPL震相,該波發育較好的優勢震中距在30～50 km范圍。在徑向分量sPL震相的能量最強，垂向分量次之，切向分量最弱，波形具有低頻特征，沒有P波尖銳。sPL震相相對直達P波的到時差隨著震源深度的增加呈線性關系，可以較好地確定近震的震源深度。

圖1 sPL深度震相與直達P波的射線路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of ray paths sPL deep seismic phases and direct P waves

1.2 PTD測定法

PTD方法是測定震源深度的確定性方法之一，如圖2所示，E點為震中所在點，將地殼簡化為上、下地殼兩層均勻模型，其中上地殼的厚度為H1、速度為V1，下地殼的厚度為H2、速度為V2，震源深度為h，S代表臺站位置。根據地震波走時方程可知，當臺站S2所處的震中距大于Pn震相作為初至震相的理論震中距D時,將臺站S3的實測Pn到時減去Pn震相BC段的理論走時，即可得到S2的理論Pn到時，然后再減去S2的實測Pg到時，根據二者的到時差便能夠計算出震源深度。有時也存在特殊情況，當臺站S1的震中距小于D時，此臺站不能接收到Pn震相，應用同樣的方法減去Pn震相AC段的理論走時，得出臺站S1的虛擬Pn到時。

1.3 CAP測定法

CAP方法將區域范圍觀測波形分解成Pnl和面波部分進行分別擬合，移動每個部分的波形，計算實測和理論波形的誤差函數，在給定參數空間范圍內采用格點搜索法進行網格搜索，最終得到在相對誤差最小時的震源機制解和最佳的震源深度[14]。

2 數據選取

在上述3種測定震源深度的方法中，sPL震相和CAP方法用的是山西地震臺網記錄到的2016年3月12日河津4.4級地震的數字化波形資料，PTD方法使用的是中國地震臺網中心正式編目結果的震相。

圖2 PTD測定深度原理Fig.2 PTD depth determination principle

3 速度模型選取

為獲得精確的震源深度，文章選用統一的速度模型[15](見表1)。

表1 山西地區2015年地殼速度模型Table 1 Crustal velocity model of Shanxi in 2015

4 震源深度的測定

4.1 sPL震相測定震源深度

參照崇加軍[3]的研究結果，sPL震相出現在距離震中數十公里的臺站，尤其在震中距30～50 km范圍內sPL震相發育較好，于是，對2016年3月12日鹽湖4.4級地震的波形進行分析，挑選信噪比較高的波形記錄，根據sPL震相的特征，以低頻為主，在徑向分量的能量最強，垂向分量的能量次之，切向分量振幅相對而言較弱，直達波S波的起始一般比較尖銳等特征，sPL震相不太容易被認為是S波的初至。根據以上特點，通過計算，該地震僅有距離震中40 km的萬榮臺(WAR)符合條件，應用萬榮臺的三分向記錄波形提取sPL震相(見第8頁圖3)。從圖3中清晰地看到sPL震相，在震源深度10 km時三分向的理論地震圖與實際觀測波形較一致(見第8頁圖4)，說明應用sPL震相測定的震源深度約在10 km處。

4.2 CAP方法反演測定結果

應用山西及鄰省地震臺網的數字化波形資料，用CAP反演方法，根據方位角與信噪比的要求，選取震中距小于200 km臺站的波形數據(見第8頁圖5)。通過計算，2016年3月12日鹽湖4.4級地震最終遴選出符合條件的7個臺站，對其波形記錄進行CAP反演及深度擬合。如圖5所示，理論波形與觀測波形擬合較好。此次地震雖發生在山西省邊界，通過借用陜西省地震臺網合陽臺(HEYT)和華縣臺(HUAX)的觀測資料看出,臺站包圍較好(見圖6)，82%體波的相關系數大于60%。從震源機制解隨深度變化結果看出(見圖7)，此次地震在震源深度12 km處震源機制結果最佳，一致性較好，說明此次地震在該深度值的震源機制解較穩定。

圖3 震源深度10 km和震中距40 km處三分量位移波形比較圖Fig.3 Comparison of three component displacement waveforms at focal depth of 10 km and epicenter distance of 40 km

圖4 WAR臺理論位移波形隨深度變化及實際波形的徑向、切向、垂向對比圖Fig.4 Comparison of the theoretical displacement waveform of WAR with depth and the radial, tangential and vertical of the actual waveform

圖5 鹽湖地震波形擬合圖Fig.5 Fitting diagram of Salt Lake seismic waveform

圖6 所用臺站及震中分布圖Fig.6 Epicenter and distribution of stations used

圖7 鹽湖地震不同深度上反演誤差比較Fig.7 Comparison of inversion errors in different depths of Salt Lake earthquake

4.3 PTD方法測定結果

PTD測定方法速度模型使用殷偉偉2015年的研究成果[16]，進行參數設置。當理論到時與實測到時相差大于0.5 s時，剔除此樣本點；當震源深度大于1 km時才可用，參與計算最后的深度平均值。為保證Pg、Pn震相有較高準確度，在震中距方面，Pg震相≤150 km、Pn震相≥150 km時，具備參與計算此次地震震源深度的條件，無需指定哪一層界面的震源深度，在地殼厚度值41 km范圍內搜索。PTD方法測定震源深度使用Hyposat方法的定位結果，有Pn震相29個、Pg震相42個，856個Pn-Pg數據對，Hyposat方法定位的震源深度為9.5 km。該方法獲得的震源深度值為11.9 km(見圖8),取整為12 km。由大量單個震源深度發現，這些深度值滿足統計規律，856個獨立的震源深度結果符合高斯分布，驗證了所用的速度模型與實際的區域構造比較接近，其結果的可信度相對較高。因此，認為此次地震震源深度的結果為12 km。

圖8 PTD方法測定鹽湖4.4級地震深度結果Fig.8 PTD method for measuring the depth of Salt Lake M4.4 earthquake

5 結論與討論

應用sPL震相測定法、CAP及PTD方法重新測定2016年3月12日鹽湖M4.4地震的震源深度，得到如下結論：

(1) 三種方法測定的結果比較一致，此次地震震源深度為10～12 km之間，與統一編目結果相近。

(2) sPL震相反映的是震源破裂起始點的信息，用CAP方法反演得到的矩心位置相當于地震滑動的“矩心”[15]。sPL震相測定的結果有別于CAP方法，原因可能是受震源破裂尺度的影響。