應(yīng)用sPL震相測定2016年山西原平ML4.7地震震源深度

王卓君，董春麗，梁向軍，張 娜

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

0 引言

地震震源深度是反映地殼脆性-韌性轉(zhuǎn)化深度的重要參數(shù)，其對強(qiáng)地面震動研究和地震危險(xiǎn)性判定具有重要意義[1]。在區(qū)域臺網(wǎng)的常規(guī)震源參數(shù)測定中，因臺站無法在垂直方向包裹震中，在臺站水平分布密度不夠的情況下，震源深度是較難測準(zhǔn)的參數(shù)。

國內(nèi)外研究表明，通過測定近震深度震相sPg、sPmP、sPn和sPL及其參考震相Pg、PmP、Pn和Pg之間的到時(shí)差，結(jié)合波形對比，可提高震源深度的測定精度[2]。其中，sPL震相確定近震震源深度的方法由崇加軍等在2010年首次提出[3]。sPL震相是在較小震中距范圍內(nèi)，由S波入射到自由地表下方時(shí)形成水平傳播的P波及P波在淺層多次反射、折射形成的一個波列。相比其他三種深度震相，sPL震相出現(xiàn)在較近距離(50 km以內(nèi))范圍內(nèi)，可充分應(yīng)用具有較高信噪比的P波和S波之間的波形信息，獲得更多中小地震的深度信息[3]。近年來，許多學(xué)者應(yīng)用區(qū)域臺網(wǎng)的寬頻帶波形數(shù)據(jù)，通過sPL震相測定中小地震的震源深度，取得較好效果[4-9]。

根據(jù)山西地震臺網(wǎng)編目結(jié)果，2016年4月7日4時(shí)49分49秒，山西原平發(fā)生ML4.7地震，震源深度14 km，是2016年山西地區(qū)發(fā)生的3次ML4.5以上顯著地震事件之一。此次地震震中位于山西斷陷帶忻定斷陷盆地的原平凹陷內(nèi)。忻定斷陷盆地的北部為NE向的五臺山北麓斷裂，向南轉(zhuǎn)折為NNE向的五臺山西麓斷裂，西部為NNE向的云中山山前斷裂，南部為NE向的系舟山山前斷裂[10]。該區(qū)域斷裂發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜，屬地震活躍區(qū)，準(zhǔn)確判定該地震的震源深度對研究忻定盆地?cái)嗔鸦顒有跃哂兄匾饬x。

山西原平ML4.7地震的震源深度有多個測定結(jié)果。中國地震臺網(wǎng)速報(bào)的深度為16 km，中國地震臺網(wǎng)編目的深度為11 km，山西地震臺網(wǎng)編目的深度為14 km；吳昊昱等使用CAP方法測定的震源深度為11.1 km，使用HypoDD方法測定的震源深度為14.6 km[10]；李斌等使用Hypo2000方法測定的震源深度為14.7 km，使用TDMT_INV時(shí)間域矩張量反演方法測定的震源深度在11～14 km[11]。這些定位結(jié)果存在一定的差異。該文采用一種新的sPL震相測定震源深度的方法，為此次地震震源深度的確定提供參考。

1 方法原理

在近距離范圍內(nèi)，從震源發(fā)出的SV波入射到自由地表下方時(shí)，會有一部分能量轉(zhuǎn)換成P波，當(dāng)以臨界角入射時(shí)，轉(zhuǎn)換P波將沿地表傳播(見第6頁圖1)，Aki稱其為自由地表P波[12]。崇加軍等將這一自由地表P波與經(jīng)多次反射、折射的震相混合形成的一個波列稱為sPL震相[3]。

圖1 均勻半空間下sPL和直達(dá)P波射線路徑圖

sPL震相出現(xiàn)的優(yōu)勢震中距范圍是30～50 km。

在寬頻帶地震記錄中，通常在直達(dá)P波和S波之間觀測到。sPL震相的波形具有低頻特征，其能量主要集中在徑向分量，垂向分量振幅相對徑向要小，切向分量振幅很弱，其與直達(dá)P波的到時(shí)差對震中距不敏感，但隨震源深度增加而近乎線性增長，因此，可較好地約束震源深度。

該文采用山西一維地殼速度模型[13]和山西原平ML4.7地震震源機(jī)制參數(shù)[14]，運(yùn)用頻率—波數(shù)(F-K)方法計(jì)算得到不同深度包含sPL震相的理論地震圖。通過分析理論地震圖與觀測波形之間的波形相關(guān)性，確定出最佳震源深度。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 速度模型及震源機(jī)制解

(1) 地殼速度模型。

為便于同其他研究結(jié)果做對比，采用山西測震臺網(wǎng)日常定位使用的山西2015一維地殼速度模型(見表1)，該模型也被用于CAP方法反演震源機(jī)制。模型中的密度值使用公式ρ=0.77+0.32vp進(jìn)行換算。

表1 研究使用的地殼速度模型[13]

(2)震源機(jī)制解。

計(jì)算理論波形圖時(shí)需要使用該地震的震源機(jī)制解參數(shù)。該文使用王卓君等[14]應(yīng)用CAP方法，在經(jīng)過臺站挑選后得到的此次地震的震源機(jī)制解，結(jié)果如表2和圖2所示。該結(jié)果與吳昊昱等[10]應(yīng)用CAP方法反演此次地震得到的震源機(jī)制解結(jié)果基本一致。結(jié)合震中附近斷裂分布情況，五臺山北麓斷裂為走向NE60°～70°、傾向NW、傾角44°～82°的正斷層，跟震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ結(jié)果接近。因此，推斷震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ?yàn)榇舜蔚卣鸬钠屏衙妫叫杏谖迮_山北麓斷裂的隱伏斷裂為該地震的發(fā)震斷裂[10]。

表2 山西原平ML4.7地震震源機(jī)制解[14]

2.2 臺站數(shù)據(jù)

將山西原平ML4.7地震事件波形數(shù)據(jù)SEED格式轉(zhuǎn)換為SAC格式，對地震臺站數(shù)據(jù)去除儀器響應(yīng)，選取震中距在10～70 km 范圍內(nèi)的臺站：DAX(代縣)、NIW(寧武)、TIY(定襄)、WTS(五臺山)、YMG(雁門關(guān))。其中，DAX、NIW臺采用CMG-3ESP-60地震計(jì)，TIY、WTS、YMG臺采用BBVS-60地震計(jì)，均為地表寬頻帶地震計(jì)，頻帶寬度為50 Hz～60 s。所選地震臺站及此次地震震源機(jī)制解如圖2所示。

圖2 山西原平ML4.7地震臺站分布及震源機(jī)制解

將搜索出的5個地震臺的三分量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為徑向(R)、切向(T)、垂向(Z)記錄，標(biāo)注直達(dá)P波和S波的震相到時(shí)。sPL震相具有低頻特征，在包含高頻成分的原始波形中無法識別。根據(jù)其他學(xué)者的實(shí)例研究，采用1Hz以下低通濾波后更易識別出sPL震相[3-9]。進(jìn)行1 Hz以下低通濾波后，在5個地震臺中發(fā)現(xiàn)NIW(寧武)臺可觀察到較明顯的sPL震相(見圖3)?？梢钥闯觯贜IW臺的P波與S波之間可觀測到一明顯震相。該震相能量主要集中在徑向，垂向次之，切向觀察不到，符合sPL震相的特征。

圖3 5個地震臺處理后的觀測波形圖

2.3 理論地震圖計(jì)算

運(yùn)用F-K方法，基于給定的地殼速度模型和震源機(jī)制解節(jié)面Ⅱ參數(shù)，計(jì)算NIW臺(震中距53 km，方位角249°)在震源深度1～20 km范圍內(nèi)的理論波形，并進(jìn)行1 Hz以下低通濾波。由理論波形圖可看出(見圖4)，徑向(R)和垂向(Z)上的P波和S波之間存在明顯的sPL震相，其垂向振幅小于徑向，切向振幅觀察不到。sPL與P波到時(shí)差隨震源深度呈線性增加，可用于判定山西原平ML4.7地震的震源深度。

圖4 NIW臺理論波形圖

3 結(jié)果分析

3.1 sPL震相測定結(jié)果

應(yīng)用sPL震相進(jìn)行震源深度判定，主要是將理論地震圖與處理后的實(shí)際地震觀測圖進(jìn)行比對，得到波形最為接近時(shí)所對應(yīng)的震源深度?？赡苡捎贜IW臺方位角與震源機(jī)制節(jié)面Ⅱ走向接近，濾波后P波振幅微弱，可通過S波的擬合情況判斷sPL擬合最好的震源深度。波形擬合結(jié)果如第8頁圖5所示，(圖中淺色曲線為處理后的觀測波形，黑色曲線為理論波形)。

圖5 NIW臺觀測與理論波形三分向擬合對比

從擬合結(jié)果來看，在震源深度13 km時(shí)，NIW臺三分向上P、sPL和S震相的相對到時(shí)均最為接近；在波形的相似性方面，徑向(R)和垂向(Z)上的sPL波明顯，切向(T)上的S波波形幾乎完全重合。結(jié)果表明，sPL震相測定的最佳震源深度為13 km附近。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

(1) 與CAP方法結(jié)果對比。

CAP波形反演法通過計(jì)算體波和面波的合成波形與真實(shí)記錄的誤差函數(shù)，搜索出最佳的震源機(jī)制解，得到波形擬合最好時(shí)的震源深度。王卓君等使用與該研究相同的速度模型，在不做臺站挑選的情況下，選取震中距200 km以內(nèi)的32個臺站波形數(shù)據(jù)，應(yīng)用CAP方法反演山西原平ML4.7地震震源機(jī)制解，得到的最佳擬合深度為12 km[14]；吳昊昱等使用CAP方法測定的此次地震震源深度為11.1 km[10]。兩個結(jié)果均略小于此次確定的震源深度。

(2) 與地震序列精定位結(jié)果對比。

吳昊昱等[10]使用HypoDD方法對該地震序列的31次地震進(jìn)行精定位，得到的主震震源深度為14.6 km，略大于此次的結(jié)果。

(3)與山西測震臺網(wǎng)編目結(jié)果對比。

山西測震臺網(wǎng)編目軟件JOPENS-MSDP中配置了與該研究一致的山西2015一維地殼速度模型。編目共標(biāo)注臺站70個，震相155個。筆者選取與CAP方法相同的震中距200 km以內(nèi)的32個臺站的震相數(shù)據(jù)，震相68個(其中Pg震相24個，Pn震相12個，Sg震相32個)。使用山西測震臺網(wǎng)常用的單純型定位方法計(jì)算，得到的震源深度為13.3 km，與此研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論與討論

通過對山西測震臺網(wǎng)記錄的2016年4月7日山西原平ML4.7地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)sPL震相波形特征，發(fā)現(xiàn)NIW(寧武)臺記錄到sPL震相。通過理論波形與觀測波形的擬合比對，確定此次地震的震源深度約13 km。該方法與CAP方法、精定位結(jié)果和地震編目結(jié)果基本一致，推測此次地震發(fā)生在上地殼。

CAP方法反演的震源深度為11～12 km，sPL方法、HypoDD方法和單純性法得到的震源深度為13～15 km。CAP反演的是矩心深度，即能量釋放最大處的深度，sPL、HypoDD和單純性法測定的深度反映的是震源破裂起始點(diǎn)的信息，通常淺源地震的初始破裂震源深度大于矩心深度[15-16]。

對于山西區(qū)域地震臺網(wǎng)，只需能夠觀測到sPL震相的一個臺站的三分向波形數(shù)據(jù)便可對震源深度進(jìn)行良好的約束。應(yīng)用sPL震相測定震源深度，開辟了新的理論路徑，對山西斷陷盆地地震震源深度的研究具有較好的參考意義。

感謝Dr. Lupei Zhu提供F-K計(jì)算理論地震圖程序和陜西省地震局趙韜高級工程師給予的熱心幫助。