利用sPL 震相測定2022 年山西古交ML4.1地震震源深度

王卓君，竇立婷，馮凱宇，呂 睿，梁永燁，劉雪嬌

（1.山西省地震局，山西 太原；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）

引言

震源深度是反映地震發(fā)生空間位置的重要參數(shù)，震源深度的準(zhǔn)確測定對于研究地震成因、孕震環(huán)境以及發(fā)震構(gòu)造等具有重要意義[1]。崇加軍等[2]2010 年首次提出利用sPL 震相確定近震震源深度的方法。sPL 震相是在近震范圍內(nèi)，S 波入射到地表下方轉(zhuǎn)換成水平傳播的P 波和P 波在淺層多次反射、折射疊加形成的一個波列。近年來，很多學(xué)者利用sPL 震相測定中小地震震源深度，均取得不錯的效果[3-9]。

山西地震臺網(wǎng)編目結(jié)果顯示，2022 年2 月20 日8 時27 分28 秒，山西古交（37.95°N，112.11°E）發(fā)生ML4.1 地震，震源深度4 km。此次地震山西臺網(wǎng)波形記錄完整，震中附近臺站較多且方位分布均勻，提取sPL 震相和計算震源機(jī)制解具備良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 方法原理

近震范圍內(nèi)，當(dāng)震源發(fā)出的S 波以臨界角入射到地表下方時，將有一部分能量轉(zhuǎn)換成沿地表傳播的P 波（圖1），Aki 將此波稱為自由地表P 波（Surface P-wave）[10]，崇加軍等（2010）結(jié)合實際情況，將P 波在淺層的多次反射折射震相，與自由地表P 波混合形成的一個波列，定義為sPL震相（s coupled into P wave）[2]。

圖1 sPL 震相射線傳播路徑示意

sPL 震相出現(xiàn)的優(yōu)勢震中距范圍是30～50 km之間，通常在Pg 和Sg 震相之間觀測到。因為sPL 震相是由上行S 波轉(zhuǎn)化成的P 波，所以其波形以低頻為主，一般沒有P 波尖銳，且臺站接收到的是地表P 波，其偏振方向主要沿著徑向方向，因此其振幅在徑向分量比垂向分量要強(qiáng)，切向分量振幅很弱。在固定震中距的情況下，sPL 與Pg 波的到時差隨震源深度增加而近乎線性增長，可以用于測定震源深度。

本文采用山西一維地殼速度模型[11]，使用SEIS-CAP軟件計算山西古交ML4.1 地震震源機(jī)制解，并在此基礎(chǔ)上，運用頻率- 波數(shù)（F-K）方法計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。SEIS-CAP 軟件反演震源機(jī)制解和F-K 方法計算理論地震圖時均采用山西2015一維地殼速度模型（表1）[11]，該模型也在山西測震臺網(wǎng)編目中使用。由于該模型未含密度值，我們使用通用公式ρ=0.77+0.32vP換算得到。

表1 研究中使用的一維地殼速度模型

（2） 震源機(jī)制解。使用SEIS-CAP 軟件計算山西古交ML4.1 地震的震源機(jī)制解，計算結(jié)果見表2。使用F-K 方法計算理論地震圖時采用節(jié)面Ⅰ的結(jié)果。

表2 SEIS-CAP 軟件計算山西古交ML4.1 地震得到的震源機(jī)制解

2.2 臺站數(shù)據(jù)

將山西古交ML4.1 地震SEED 格式事件波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SAC 格式，去除所有臺站儀器響應(yīng)。為搜尋更多sPL 震相可能出現(xiàn)的臺站，我們將震中距范圍擴(kuò)大到10～70 km 之間，共篩選出5 個臺站，分別為LOF（震中距17 km）、GUJ（震中距23 km）、JIC（震中距39 km）、CHS（震中距43 km）、DOS（震中距56 km）。對這5 個臺站波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分量旋轉(zhuǎn)，將東西向（BHE）和北南向（BHN）旋轉(zhuǎn)為徑向（R）和切向（T），垂直向（Z）不變，標(biāo)注Pg 和Sg 的震相到時。再對所有臺站進(jìn)行1 Hz 低通濾波，處理后的波形見圖2。根據(jù)sPL 震相波形特征，可以在GUJ（古交）臺（震中距23 km，方位角248°）觀察到明顯的sPL 震相。

圖2 數(shù)據(jù)處理后5 個地震臺的觀測波形

2.3 理論地震圖計算

使用山西2015 一維地殼速度模型和震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ參數(shù)，配置GUJ 臺的震中距和方位角，利用F-K 方法，在震源深度1～40 km 范圍內(nèi)計算理論地震圖，并進(jìn)行1 Hz 低通濾波（圖3）。從圖3 可看出，在徑向分量的Pg 和Sg 震相之間存在一明顯的震相，其與Pg 的到時差隨震源深度線性增加，可判定其為sPL 震相。將GUJ 臺的觀測波形和理論波形進(jìn)行擬合對比，可以確定震源深度。

圖3 GUJ 臺理論波形

3 結(jié)果分析

3.1 sPL 震相測定結(jié)果

圖4 為GUJ 臺觀測波形和理論波形擬合結(jié)果，圖中淺色波形為觀測波形，深色波形為理論波形?？梢钥闯?，在震源深度4 km 時，徑向（R）的sPL 震相波形擬合度最高。sPL 震相測定的最佳震源深度為4 km。

圖4 GUJ 臺三分向觀測和理論波形擬合對比

3.2 結(jié)果驗證

（1） 與CAP 方法結(jié)果對比。選取震中距200 km內(nèi)波形相關(guān)性最高的8 個臺站數(shù)據(jù)，利用SEIS-CAP軟件反演山西古交ML4.1 地震震源機(jī)制解，得到的最佳擬合深度為3.5 km（圖5），與sPL 震相測定結(jié)果基本一致。

圖5 山西古交ML4.1 地震震源機(jī)制解結(jié)果

（2） 與編目結(jié)果對比。山西測震臺網(wǎng)正式編目標(biāo)注了60個臺站的到時數(shù)據(jù)，使用單純型定位方法，計算得到的震源深度為3.6 km，與sPL 震相和SEIS-CAP 軟件測定結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論與討論

本文通過對2022 年2 月20 日山西古交ML4.1 地震波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在GUJ（古交）臺觀測到sPL 震相。使用F-K方法計算理論地震圖，并與觀測波形擬合比對，得到此次地震的震源深度是4 km。該結(jié)果與SEIS-CAP 軟件和編目結(jié)果基本一致，表明此次地震為發(fā)生在上地殼的極淺源地震。

對于山西區(qū)域地震臺網(wǎng)，只需一個能夠觀測到sPL 震相的臺站，即可確定震源深度。利用深度震相sPL 測定震源深度，對山西斷陷盆地震源深度的研究具有重要的參考價值。