程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，張 炳，王瑣琛

(安徽省地震局，中國 合肥 230031）

sPn震相在安徽及鄰區(qū)地震震源深度測定中的應用

程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，張 炳，王瑣琛

(安徽省地震局，中國 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)字測震臺網(wǎng)的波形資料，對發(fā)生在安徽及鄰區(qū)M≥3.0級的地震進行了sPn震相分析，并用sPn震相計算的震源深度與目前我國臺網(wǎng)運用較多的單純型法及國家權(quán)威測震機構(gòu)的定位結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，利用近震震相sPn-Pn波的方法測定該區(qū)域內(nèi)的近震深度，有助于校正臺網(wǎng)的定位精度，對地震的震源參數(shù)和破壞程度準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

對于地震學研究、地震構(gòu)造研究、地震危險性評估和地震事件識別來說，地震震源深度是一個重要參數(shù)[1]。雖然現(xiàn)今測定震源深度的方法有多種，但目前震源深度的精度仍是個棘手的問題，在現(xiàn)代地震目錄中，它幾乎已經(jīng)成為最不準確的參數(shù)之一[2]。隨著世界數(shù)字記錄觀測臺網(wǎng)的發(fā)展，國外學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)、活動強度和方式、蓋層發(fā)育情況都存在差異，是一個地質(zhì)環(huán)境較為復雜的地區(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級以上地震，利用安徽地震臺網(wǎng)中心接收的47個臺站近幾年來的數(shù)字化測震觀測資料，有針對地將sPn震相識別出來，并根據(jù)其震相特征精確地計算區(qū)域內(nèi)地震的震源深度，對準確測定震源參數(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，當入射角為臨界角時，形成Pn波，由于它是s波轉(zhuǎn)換而來，故記為sPn波。在測定近距離 (Δ＜1 000 km)淺源地震 (震源在地殼內(nèi))震源深度，sPn震相是比較實用，其基本特征是：sPn波的振幅通常比Pn波強，若初動清楚可見sPn與Pn波相反，周期一般比Pn長，出現(xiàn)在Pn與Pg震相之間，sPn與Pn波時差僅隨震源深度而增減；同時要特別注意sPn與P*波的混淆，一般P*比sPn振幅弱，周期短[4]。對一個特定的地震而言，sPn與Pn的走時差是一個常量，與震中距無關(guān)。如果有多臺數(shù)據(jù)，就可以將Pn對齊后，再進行sPn震相的測定[5]。

在區(qū)域距離內(nèi)，深度震相sPn可被頻繁地觀測到，并可以用于準確地確定深度[6]。安徽省一些地震臺站可記錄到較清晰的sPn震相。由于安徽省臺網(wǎng)波形分析軟件使用的速度模型為雙層地殼模型，故本文主要對雙層地殼模型中的sPn的傳播路徑進行討論。假設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

當震源在雙層地殼的上地殼時，sPn-Pn的走時差方程為[7]：

當震源在雙層地殼的下地殼時，sPn-Pn的走時差方程為[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網(wǎng)地震定位使用的華南走時表速度模型，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，當震源位于上地殼時Δt應小于5.12S，適用式 （3）計算震源深度；當震源位于下地殼時，則Δt應在5.12S至10.89S之間，則適用式 （4）進行計算。根據(jù)1970～2009年ML≥2.0地震震源深度統(tǒng)計分析的結(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33 km的雙層地殼以外的速度模型本文未做計算。

2 SPn震相在安徽及鄰省地區(qū)地震分析中的應用

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

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、泗縣等六個寬頻帶地震計觀測的波形數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見表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，總體趨勢是sPn振幅大于Pn；從初動符號來看，則這六個臺站sPn與Pn初動方向均相反。雖然各臺站之間的振幅比和周期比存在一定區(qū)別，但總體趨勢仍可以反映出縱波和橫波動力學特征的差別，與sPn震相的物理特征基本一致。同時計算得sPn和Pn的平均到時差為1.96 s，根據(jù)式 （3）得到此次地震的深度為5.45 km。

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

3 震源深度計算結(jié)果與區(qū)域臺網(wǎng)、國家臺網(wǎng)定位結(jié)果的比較

安徽省數(shù)字測震臺網(wǎng)實時接收本省和鄰省臺網(wǎng)波形的臺站總計為47個，對安徽及鄰區(qū)的地震活動有著很強的監(jiān)測能力，如圖4。

圖4 安徽測震臺網(wǎng)實際接收臺站分布圖Fig.4Distribution of receiving stations of Anhui digital seismic network

本文選取了2008～2012年安徽臺網(wǎng)記錄的安徽及鄰近地區(qū)發(fā)生的3.0級以上，且震相記錄較為清晰的地震進行sPn震相分析 （圖5），并將sPn震相測深法定位結(jié)果與區(qū)域臺網(wǎng)和國家臺網(wǎng)的定位結(jié)果進行比較，結(jié)果見表2。這些地震事件是安徽省測震臺網(wǎng)數(shù)字化資料正式運行以來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定對比表 （M≥3.0）Table2 PartofEarthquakecatalogueinAnhuianditsadjacentareaanddepthdeterminationcomparisontable

由于安徽及鄰區(qū)中大部分區(qū)域臺網(wǎng)使用的是單純型定位法 （江蘇臺網(wǎng)為交切定位法），從表2結(jié)果來看，單純型定位方法測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有關(guān)，它是利用數(shù)學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，此方法對深度沒有明顯的反應[9]，使用單純型定位的省級臺網(wǎng)測定的結(jié)果就存在這樣的問題。sPn震相是測定地殼內(nèi)地震震源深度的主要依據(jù)之一，對于安徽及鄰區(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到的，只要能夠準確無誤地識別sPn震相，就可以得出較精確的震源深度值。通過計算發(fā)現(xiàn)，表2中震級大于4.0級的地震中，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臺網(wǎng)單純型定位和國家臺網(wǎng)結(jié)果差別較大外，其它地震的sPn震相測定的結(jié)果相對省級臺網(wǎng)而言更接近于國家臺網(wǎng)的結(jié)果；此外必須強調(diào)的是在震級小于4.0級的情況下，國家地震速報和編目通常直接采納區(qū)域臺網(wǎng)的定位結(jié)果。

因為Pn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]，其初相位到達時刻的記錄情況及其讀數(shù)的精度均會給計算的結(jié)果帶來一定的誤差，所以數(shù)字化資料的應用和臺站密度的增加可以在選臺上給予一定的彌補。在震相識別上，應先找出區(qū)域地震圖中P波段相對清晰的臺站，根據(jù)深度震相基本特征搜索此類臺站任意測向上記錄較好的sPn后，利用sPn與Pn的走時差的常量關(guān)系，帶入其他震相相對清晰的臺站再次識別求均值。

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)果來看也證明了這一點，從而為計算300 km＜Δ＜1 000 km發(fā)生的地震的震源深度的計算提供了一種切實可行的方法。從測算安徽及鄰區(qū)地震的記錄情況來看，如果區(qū)域臺網(wǎng)記錄中能夠記錄到sPn震相，并且分析人員能夠認準該震相，應用本文中所介紹的方法就可以測算出較為精確的震源深度值。

（2）在地震震級小于4.0級的情況下，相對于國家測震臺網(wǎng)中心而言，區(qū)域臺網(wǎng)僅依靠單純型定位的方法確定震源深度是不夠的，可以通過引用sPn震相方法進行對比分析，對定位中震源深度的結(jié)果進行適當?shù)男抻啞?/p>

（3）在0～15 km范圍內(nèi)，根據(jù)安徽臺網(wǎng)定位軟件中華南地震模型反演出的sPn-Pn震相到時差對應的震源深度，要略大于 《中國分區(qū)地震波走時表的研制》 （1989）的一書給出的華東地區(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、儀器觀測精度和數(shù)據(jù)保留位數(shù)不同造成的，但整體計算結(jié)果基本吻合。

（4）當同一地區(qū)的地震再次發(fā)生較大地震時，可以通過對一定時期內(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)破裂過程的追蹤提供可能，此項工作還需在以后的實際觀測中進一步補充研究。

[1]馬淑田譯.用模擬區(qū)域深度震相sPg、sPmP和sPn確定中小地震的震源深度[J].世界地震叢譯，2010，(6):51-73.

[2]高原，周蕙蘭，鄭斯華，等.測定震源深度的意義的初步討論[J].中國地震，1997，13(4)：321-329.

[3]高立新，劉芳，趙蒙生，等，用sPn震相計算震源深度的初步分析與應用[J].西北地震學報，2007，29 (3)：213-217.

[4]房明山，杜安陸，董孝平，等.用sPn震相測定近震震源深度[J].地震地磁觀測與研究，1995，16(5)：13-18.

[5]洪星，楊貴，林仙坎，等.sPn震相的多臺同時測定法[J].地震地磁觀測與研究，2006，27(3)：77-80.

[6]Peter Borman.New Manual Of Seismological Observatory Practice[M].北京：地震出版社，2006.

[7]王登偉.用sPn與Pn波走時差測定近震震源深度的方法[J].地震，2011，31(1)：12-19.

[8]李軍輝，劉東旺，洪德全，等.安徽及鄰區(qū)地震震源深度分布特征研究[J].地震地磁觀測與研究，2011，31(1)：1-5.

[9]謝輝，金春華，蔡新華，等.MSDP單純型和HYP2000定位方法對比分析[J].地震地磁觀測與研究，2011，32(5)：15-19.

[10]劉芳.用sPn震相計算內(nèi)蒙古地震震源深度[J].大地測量與地球動力學，2010，30(S2)：14-17.

[11]國家地震局科技監(jiān)測司.中國分區(qū)地震走時表的研制[M].北京：地震出版社，1989.

[12]修濟剛，李友博譯.寬頻帶數(shù)字地震學觀測與研究[M].北京：海洋出版社，1988.

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)測預報實驗場項目

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