sPn震相在安徽及鄰區(qū)地震震源深度測(cè)定中的應(yīng)用

程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，張 炳，王瑣琛

(安徽省地震局，中國(guó) 合肥 230031）

sPn震相在安徽及鄰區(qū)地震震源深度測(cè)定中的應(yīng)用

程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，張 炳，王瑣琛

(安徽省地震局，中國(guó) 合肥 230031）

利用地震深度震相sPn波的一些特征和2008～2012年安徽數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的波形資料，對(duì)發(fā)生在安徽及鄰區(qū)M≥3.0級(jí)的地震進(jìn)行了sPn震相分析，并用sPn震相計(jì)算的震源深度與目前我國(guó)臺(tái)網(wǎng)運(yùn)用較多的單純型法及國(guó)家權(quán)威測(cè)震機(jī)構(gòu)的定位結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，利用近震震相sPn-Pn波的方法測(cè)定該區(qū)域內(nèi)的近震深度，有助于校正臺(tái)網(wǎng)的定位精度，對(duì)地震的震源參數(shù)和破壞程度準(zhǔn)確把握都具有重要意義。

sPn震相；震源深度；安徽及鄰區(qū)

0 引言

對(duì)于地震學(xué)研究、地震構(gòu)造研究、地震危險(xiǎn)性評(píng)估和地震事件識(shí)別來(lái)說(shuō)，地震震源深度是一個(gè)重要參數(shù)[1]。雖然現(xiàn)今測(cè)定震源深度的方法有多種，但目前震源深度的精度仍是個(gè)棘手的問(wèn)題，在現(xiàn)代地震目錄中，它幾乎已經(jīng)成為最不準(zhǔn)確的參數(shù)之一[2]。隨著世界數(shù)字記錄觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展，國(guó)外學(xué)者采用理論地震圖和數(shù)字模型記錄比較方法可清晰分辨出sPn和Pn波，從而有助于提高測(cè)定近震深度和定位精度[3]。

安徽及鄰區(qū)處于華北斷塊、下?lián)P子斷塊和秦嶺大別斷褶區(qū)幾個(gè)不同性質(zhì)的構(gòu)造單元的接壤地帶，不同區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)、活動(dòng)強(qiáng)度和方式、蓋層發(fā)育情況都存在差異，是一個(gè)地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜的地區(qū)。特別是2010～2012年間，安徽及鄰區(qū)發(fā)生了河南周口、安徽安慶、江西瑞昌、江蘇金湖等多次3級(jí)以上地震，利用安徽地震臺(tái)網(wǎng)中心接收的47個(gè)臺(tái)站近幾年來(lái)的數(shù)字化測(cè)震觀測(cè)資料，有針對(duì)地將sPn震相識(shí)別出來(lái)，并根據(jù)其震相特征精確地計(jì)算區(qū)域內(nèi)地震的震源深度，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定震源參數(shù)和快速判定地震的破壞程度都是十分有意義的。

1 sPn震相的基本特征和走時(shí)方程

sPn波是橫波入射到震中附近的地表，由原生的橫波的SV成分發(fā)生反射，并轉(zhuǎn)換為Pn波后入射到莫霍面，當(dāng)入射角為臨界角時(shí)，形成Pn波，由于它是s波轉(zhuǎn)換而來(lái)，故記為sPn波。在測(cè)定近距離 (Δ＜1 000 km)淺源地震 (震源在地殼內(nèi))震源深度，sPn震相是比較實(shí)用，其基本特征是：sPn波的振幅通常比Pn波強(qiáng)，若初動(dòng)清楚可見(jiàn)sPn與Pn波相反，周期一般比Pn長(zhǎng)，出現(xiàn)在Pn與Pg震相之間，sPn與Pn波時(shí)差僅隨震源深度而增減；同時(shí)要特別注意sPn與P*波的混淆，一般P*比sPn振幅弱，周期短[4]。對(duì)一個(gè)特定的地震而言，sPn與Pn的走時(shí)差是一個(gè)常量，與震中距無(wú)關(guān)。如果有多臺(tái)數(shù)據(jù)，就可以將Pn對(duì)齊后，再進(jìn)行sPn震相的測(cè)定[5]。

在區(qū)域距離內(nèi)，深度震相sPn可被頻繁地觀測(cè)到，并可以用于準(zhǔn)確地確定深度[6]。安徽省一些地震臺(tái)站可記錄到較清晰的sPn震相。由于安徽省臺(tái)網(wǎng)波形分析軟件使用的速度模型為雙層地殼模型，故本文主要對(duì)雙層地殼模型中的sPn的傳播路徑進(jìn)行討論。假設(shè)VP1、VP2分別為上地殼和下地殼內(nèi)P波的傳播速度，VS1、VS2分別為S波在上地殼和下地殼內(nèi)傳播速度，VPn表示Pn波的傳播速度，H1表示上地殼厚度，H2表示下地殼厚度，Δt表示sPn-Pn的走時(shí)差。

震源在雙層地殼模型中的射線路徑如圖1、圖2所示，其中O點(diǎn)表示震源位置，h為震源深度，2、3兩層的交界處為莫霍面。

圖1 震源在雙層地殼模型上層Fig.1 Seismic source in the upper double-layer crust

圖2 震源在雙層地殼模型下層Fig.2 Seismic source in the lower double-layer crust

當(dāng)震源在雙層地殼的上地殼時(shí)，sPn-Pn的走時(shí)差方程為[7]：

當(dāng)震源在雙層地殼的下地殼時(shí)，sPn-Pn的走時(shí)差方程為[7]：

根據(jù)安徽及周邊地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)模型，并參考安徽及周邊臺(tái)網(wǎng)地震定位使用的華南走時(shí)表速度模型，知上地殼厚H1=15 km，下地殼厚H2=18km，VS1=3.52 km/s，V1=6.01 km/s，VS2=3.80 km/s，V2=6.51 km/s，V3=8.O1 km/s。將速度模型值代人式 （1）和 （2）可得震源在上地殼的震源深度：

震源在下地殼的震源深度為：

由式 （4），可推出震源在下地殼的適用范圍：

解不等式 (5)可得，當(dāng)震源位于上地殼時(shí)Δt應(yīng)小于5.12S，適用式 （3）計(jì)算震源深度；當(dāng)震源位于下地殼時(shí)，則Δt應(yīng)在5.12S至10.89S之間，則適用式 （4）進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)1970～2009年ML≥2.0地震震源深度統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果[8]，安徽及鄰近地區(qū)的地震震源深度分布在1～40 km內(nèi)，優(yōu)勢(shì)分布在5～15 km，絕大多數(shù)地震為發(fā)生在中上地殼內(nèi)的淺源構(gòu)造地震，故震源深度超過(guò)33 km的雙層地殼以外的速度模型本文未做計(jì)算。

2 SPn震相在安徽及鄰省地區(qū)地震分析中的應(yīng)用

以安徽臺(tái)網(wǎng)記錄的2011年1月19日12時(shí)07分安徽安慶4.8級(jí)地震的數(shù)字波形為例（圖3），安徽及鄰區(qū)部分臺(tái)站有清楚的Pn和sPn震相記錄。由于這次地震發(fā)生在安徽境內(nèi)，較于震中來(lái)說(shuō)，有sPn震相記錄的測(cè)震臺(tái)站布局密度也較為均衡，所以采用的走時(shí)差ΔTsPn-Pn來(lái)測(cè)定震源深度的可選臺(tái)站較多。

圖3 2011年安徽安慶MS4.8地震部分波形記錄Fig.3 Part of waveform records of MS4.8 earthquake in Anqing，Anhui province in 2011

根據(jù)蕭山、蒙城、泗縣等六個(gè)寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。表1中周期比最小為0.75，最大為2.63，平均為1.30，總體趨勢(shì)是sPn周期大于Pn；振幅比最小為0.83，最大為3.62，平均為1.70，總體趨勢(shì)是sPn振幅大于Pn；從初動(dòng)符號(hào)來(lái)看，則這六個(gè)臺(tái)站sPn與Pn初動(dòng)方向均相反。雖然各臺(tái)站之間的振幅比和周期比存在一定區(qū)別，但總體趨勢(shì)仍可以反映出縱波和橫波動(dòng)力學(xué)特征的差別，與sPn震相的物理特征基本一致。同時(shí)計(jì)算得sPn和Pn的平均到時(shí)差為1.96 s，根據(jù)式 （3）得到此次地震的深度為5.45 km。

表1 部分臺(tái)站sPn震相與Pn震相的特征數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Characteristic data contrast of sPn phases and Pn phases in some stations.

3 震源深度計(jì)算結(jié)果與區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、國(guó)家臺(tái)網(wǎng)定位結(jié)果的比較

安徽省數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)接收本省和鄰省臺(tái)網(wǎng)波形的臺(tái)站總計(jì)為47個(gè)，對(duì)安徽及鄰區(qū)的地震活動(dòng)有著很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力，如圖4。

圖4 安徽測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際接收臺(tái)站分布圖Fig.4Distribution of receiving stations of Anhui digital seismic network

本文選取了2008～2012年安徽臺(tái)網(wǎng)記錄的安徽及鄰近地區(qū)發(fā)生的3.0級(jí)以上，且震相記錄較為清晰的地震進(jìn)行sPn震相分析 （圖5），并將sPn震相測(cè)深法定位結(jié)果與區(qū)域臺(tái)網(wǎng)和國(guó)家臺(tái)網(wǎng)的定位結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。這些地震事件是安徽省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字化資料正式運(yùn)行以來(lái)記錄到的影響較大的地震，地震記錄了清晰的sPn震相，具有一定的代表性。

圖5 安徽及鄰區(qū)部分地震分布圖（M≥3.0）Fig.5 Distribution of earthquakes(M≥3.0)in Anhui and its adjacent area

表2 安徽及鄰區(qū)部分地震目錄及深度測(cè)定對(duì)比表 （M≥3.0）Table2 PartofEarthquakecatalogueinAnhuianditsadjacentareaanddepthdeterminationcomparisontable

由于安徽及鄰區(qū)中大部分區(qū)域臺(tái)網(wǎng)使用的是單純型定位法 （江蘇臺(tái)網(wǎng)為交切定位法），從表2結(jié)果來(lái)看，單純型定位方法測(cè)定的震源深度分布在0～10 km范圍內(nèi)，這與單純型定位法特點(diǎn)有關(guān)，它是利用數(shù)學(xué)的單純型搜索極值的方法，搜索殘差最小的位置，存在一定的局限性，此方法對(duì)深度沒(méi)有明顯的反應(yīng)[9]，使用單純型定位的省級(jí)臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的結(jié)果就存在這樣的問(wèn)題。sPn震相是測(cè)定地殼內(nèi)地震震源深度的主要依據(jù)之一，對(duì)于安徽及鄰區(qū)的淺源地震，深度震相sPn能在大多數(shù)地震記錄中是可以觀測(cè)到的，只要能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地識(shí)別sPn震相，就可以得出較精確的震源深度值。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，表2中震級(jí)大于4.0級(jí)的地震中，除2010年10月24日河南周口地震、2011年9月10日江西瑞昌地震與省級(jí)臺(tái)網(wǎng)單純型定位和國(guó)家臺(tái)網(wǎng)結(jié)果差別較大外，其它地震的sPn震相測(cè)定的結(jié)果相對(duì)省級(jí)臺(tái)網(wǎng)而言更接近于國(guó)家臺(tái)網(wǎng)的結(jié)果；此外必須強(qiáng)調(diào)的是在震級(jí)小于4.0級(jí)的情況下，國(guó)家地震速報(bào)和編目通常直接采納區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的定位結(jié)果。

因?yàn)镻n和sPn這類首波性質(zhì)的震相，初始振幅一般情況下都非常微弱[10]，其初相位到達(dá)時(shí)刻的記錄情況及其讀數(shù)的精度均會(huì)給計(jì)算的結(jié)果帶來(lái)一定的誤差，所以數(shù)字化資料的應(yīng)用和臺(tái)站密度的增加可以在選臺(tái)上給予一定的彌補(bǔ)。在震相識(shí)別上，應(yīng)先找出區(qū)域地震圖中P波段相對(duì)清晰的臺(tái)站，根據(jù)深度震相基本特征搜索此類臺(tái)站任意測(cè)向上記錄較好的sPn后，利用sPn與Pn的走時(shí)差的常量關(guān)系，帶入其他震相相對(duì)清晰的臺(tái)站再次識(shí)別求均值。

4 結(jié)果與討論

（1）震源深度是震源參數(shù)中的一個(gè)重要組成部分。特別是在震中距300 km以外的某些中小地震的區(qū)域記錄圖上，sPn震相發(fā)育良好[1]，從安徽及鄰區(qū)的震例結(jié)果來(lái)看也證明了這一點(diǎn)，從而為計(jì)算300 km＜Δ＜1 000 km發(fā)生的地震的震源深度的計(jì)算提供了一種切實(shí)可行的方法。從測(cè)算安徽及鄰區(qū)地震的記錄情況來(lái)看，如果區(qū)域臺(tái)網(wǎng)記錄中能夠記錄到sPn震相，并且分析人員能夠認(rèn)準(zhǔn)該震相，應(yīng)用本文中所介紹的方法就可以測(cè)算出較為精確的震源深度值。

（2）在地震震級(jí)小于4.0級(jí)的情況下，相對(duì)于國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心而言，區(qū)域臺(tái)網(wǎng)僅依靠單純型定位的方法確定震源深度是不夠的，可以通過(guò)引用sPn震相方法進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)定位中震源深度的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男抻啞?/p>

（3）在0～15 km范圍內(nèi)，根據(jù)安徽臺(tái)網(wǎng)定位軟件中華南地震模型反演出的sPn-Pn震相到時(shí)差對(duì)應(yīng)的震源深度，要略大于 《中國(guó)分區(qū)地震波走時(shí)表的研制》 （1989）的一書(shū)給出的華東地區(qū)的地殼分層速度模型的深度值[11]，這是由于所用地殼模型差異、儀器觀測(cè)精度和數(shù)據(jù)保留位數(shù)不同造成的，但整體計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（4）當(dāng)同一地區(qū)的地震再次發(fā)生較大地震時(shí)，可以通過(guò)對(duì)一定時(shí)期內(nèi)深度震相sPn的分析，推斷震源在主震之后的深度變化[12]。如利用表2中湖北秭歸、河南周口這類同區(qū)域地震的震源深度的遷移，為地殼內(nèi)破裂過(guò)程的追蹤提供可能，此項(xiàng)工作還需在以后的實(shí)際觀測(cè)中進(jìn)一步補(bǔ)充研究。

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Application of SPn Phase in Focal Depth Determination in Anhui and Its Adjacent Area

CHENG Xin，HONG Dequan，QI Hao，XIA Shian，ZHANG Bing，WANG Suocheng

(Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China)

This paper has conducted a sPn phase analysis of earthquakes (M≥3.0)in Anhui and its adjacent area using characteristics of depth phase sPn and waveform data of Anhui digital seismic network from 2008 to 2012.And the results of focal depth calculated by sPn phases are contrasted with simplex method widely used in seismic networks and positioning results issued by national authority seismological agency.The results show that it helps to correct positioning accuracy of station network by measuring near-field earthquake depth using sPn-Pn wave of near-field seismic phase,which is also of great significance in accurate calculation of seismic source parameters and earthquake damage ratings.

Phase sPn；Focal Depth；Anhui and Near Area

P315.61

A

1001-8662（2012）03-0141-07

2012-06-06

安徽省大別山監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)項(xiàng)目

程 鑫，男，1983年生，助理工程師.主要從事地震監(jiān)測(cè)等工作. E-mail：10301chengxin@163.com.