張瑩瑩，安艷茹

（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045）

利用近震和遠(yuǎn)震波形快速測(cè)定地震震源深度
——以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級(jí)地震為例

張瑩瑩，安艷茹

（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045）

利用四川臺(tái)網(wǎng)近震波形資料，精確拾取初至震相，采用網(wǎng)格搜索法，通過(guò)調(diào)整震源深度來(lái)控制近臺(tái)定位殘差，給出蘆山7.0級(jí)地震的震源深度。同時(shí)利用全球臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)震波形資料，給定震源位置利用Taup計(jì)算理論走時(shí)，通過(guò)擬合sP到時(shí)，驗(yàn)證近震給出的震源深度。通過(guò)和其他研究結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明：利用近震和遠(yuǎn)震相結(jié)合的方法分析給出的蘆山地震的震源深度14 km的結(jié)果是合理的。在限定的較短時(shí)間內(nèi)，利用近震結(jié)合遠(yuǎn)震判定地震深度的辦法簡(jiǎn)單高效，可以很好的應(yīng)用于速報(bào)工作中。

近震；遠(yuǎn)震；深度震相；震源深度

0 引言

震源深度是描述震源的最基本參數(shù)之一，它的準(zhǔn)確測(cè)定關(guān)系到對(duì)震源過(guò)程、斷層構(gòu)造、殼幔結(jié)構(gòu)、應(yīng)力積累狀態(tài)、板塊運(yùn)動(dòng)等一系列重要問(wèn)題的正確認(rèn)識(shí)；但在現(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[1]。隨著研究的深入現(xiàn)今測(cè)定震源深度的方法越來(lái)越多，例如：通過(guò)利用sPn[2-3]、sPL[4]、sP和pP[5]等深度震相來(lái)測(cè)定震源深度的方法；通過(guò)模擬面波振幅譜確定震源深度[5-6]；以上方法都需要對(duì)大量事件波形進(jìn)行專業(yè)的處理和分析，一般耗時(shí)較長(zhǎng)，不能滿足快速測(cè)定震源深度的需求。隸屬于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心作為地震速報(bào)參數(shù)的第一發(fā)布者，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成地震的發(fā)震時(shí)間、空間和強(qiáng)度信息的準(zhǔn)確測(cè)定，震源深度是否準(zhǔn)確將極大地影響到對(duì)災(zāi)情的預(yù)判，因此如何在速報(bào)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)定震源深度是一個(gè)非常值得探討的問(wèn)題。結(jié)合實(shí)際工作，本文以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級(jí)地震為例，探討了如何在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用近震結(jié)合遠(yuǎn)震波形資料快速準(zhǔn)確測(cè)定震源深度的方法。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

近震波形資料來(lái)自11個(gè)四川區(qū)域臺(tái)網(wǎng)，遠(yuǎn)震波形資料是國(guó)家臺(tái)網(wǎng)共享的25個(gè)全球地震臺(tái)網(wǎng)（Global Seismographic Network）記錄的事件波形（圖1）。本文利用目標(biāo)函數(shù)搜索法進(jìn)行地震定位，分析近震資料時(shí)采用中國(guó)地區(qū)模型[7]，分析遠(yuǎn)震資料時(shí)采用iasp91模型[8]，每千米深度的震相走時(shí)表是利用taup軟件[9]計(jì)算得到的。定位軟件采用國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心開(kāi)發(fā)并不斷改進(jìn)的國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)時(shí)處理及大地震速報(bào)軟件系統(tǒng)[10]。

圖1 參與定位的四川區(qū)域臺(tái)和全球臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布Fig.1 The distribution of Sichuan regional stations and global stations used in the location

本文采用的目標(biāo)函數(shù)搜索法是在全空間范圍內(nèi)尋找一個(gè)點(diǎn)（x，y，z），根據(jù)最小二乘法原理，如果在該點(diǎn)發(fā)生地震，地震波到達(dá)各臺(tái)站的理論到時(shí)與實(shí)際觀測(cè)到時(shí)差的平方和最小（與其他點(diǎn)相比），可認(rèn)為該點(diǎn)是發(fā)生地震最可能的位置，目標(biāo)函數(shù)如下：

式（1）中，Ti為i地震臺(tái)的觀測(cè)到時(shí)，T＇i為i地震臺(tái)的計(jì)算到時(shí)[6]。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是網(wǎng)格搜索，該方法最早被Sambridge和Kennet[7]應(yīng)用于遠(yuǎn)震定位，后來(lái)被Dreger等[8]用于稀疏區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的地震定位。本文將全球分成網(wǎng)格，掃描網(wǎng)格點(diǎn)，尋找殘差值最小的點(diǎn)。將全球經(jīng)度從-180°～+180°，緯度從-90°～90°，分成2°的網(wǎng)格，沿著網(wǎng)格逐點(diǎn)掃描搜索殘差最小的點(diǎn)。然后再以0.5°，0.1°的網(wǎng)格，搜索殘差最小的點(diǎn)。這樣既可保證精度，又可保證速度。最后給出各深度對(duì)應(yīng)的殘差分布圖，通過(guò)殘差的分布情況，給出合理的深度結(jié)果。

1.1 用近震資料分析震源深度

對(duì)于給定的合理地殼速度模型，臺(tái)站的布局決定定位結(jié)果的精確度。臺(tái)站間隙角和震中距越小，對(duì)深度的約束就越好。本文利用近震資料，精確拾取直達(dá)P波到時(shí)，給定不同的深度值，利用網(wǎng)格搜索法進(jìn)行地震定位，考慮近臺(tái)殘差及總體殘差，當(dāng)殘差達(dá)到最小時(shí)，認(rèn)為深度值最接近真實(shí)值。

1.2 用遠(yuǎn)震資料分析震源深度

對(duì)于遠(yuǎn)震射線，地球介質(zhì)可以簡(jiǎn)化為均勻、各向同性、完全彈性、球?qū)訝罱橘|(zhì)，圖2為sP、pP和P射線路徑示意圖，直達(dá)P和sP的到時(shí)差可以表示為[11]：式（2）中，h為震源深度，i為pP的入射角，a為P波速度。

圖2 sP和P射線路徑示意圖Fig.2 The ray paths of the sP and P

深度震相sP與P震相的到時(shí)差是震源深度的函數(shù)，到時(shí)差隨震源深度的增加顯著增加[12]，所以用sP震相可以可靠的約束震源深度[13-15]。

實(shí)際工作中可以結(jié)合近震給出的經(jīng)緯度和深度估計(jì)，利用taup軟件計(jì)算理論sP走時(shí)。觀察在理論到時(shí)位置處是否存在sP震相。sP震相的特征是：在震中距12°以后即可觀測(cè)到，初動(dòng)方向與P相同[16]，振幅比P波強(qiáng)，周期比P波長(zhǎng)[12]，。為了保證正確的識(shí)別sP震相，在單臺(tái)識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用多臺(tái)進(jìn)行震相的對(duì)比識(shí)別。遠(yuǎn)震的深震相到時(shí)擬合和利用區(qū)域臺(tái)站近震資料直接測(cè)定深度的方法在深度測(cè)定過(guò)程中可以互為驗(yàn)證來(lái)得到可靠的深度估計(jì)，如果區(qū)域臺(tái)站分布不理想，可以利用遠(yuǎn)震波形，通過(guò)選定不同深度來(lái)擬合深震相到時(shí)，作為單獨(dú)手段來(lái)估計(jì)地震深度。

2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程及結(jié)果

2.1 近震波形資料分析

選用震中距在30 km以內(nèi)的11個(gè)近臺(tái)，來(lái)分析2013年4月20日四川蘆山發(fā)生的MS7.0級(jí)地震的深度。以往的研究表明龍門山斷裂帶周圍相對(duì)容易積累應(yīng)變，并且5～19 km深度是高應(yīng)力聚集區(qū)[17]。我們將發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的蘆山地震的深度范圍設(shè)定為1～30 km，以1 km為步長(zhǎng)，并對(duì)經(jīng)緯度進(jìn)行網(wǎng)格搜索，獲得各臺(tái)站殘差及平均殘差，殘差最小值對(duì)應(yīng)的深度最接近實(shí)際的震源深度。眾所周知，臺(tái)站的震中距越小對(duì)深度的約束越好，本文震中距最小的兩個(gè)臺(tái)為BAX和MDS，分別為18 km和25 km，這就較好的約束了震源深度。

表1是網(wǎng)格搜索給出的殘差，按平均殘差從小到大的順序給出了對(duì)應(yīng)深度，圖3為各深度對(duì)應(yīng)的定位殘差曲線，可以直觀的看出，在深度為14 km時(shí)，BAX和MDS臺(tái)的走時(shí)殘差達(dá)到最小，并且符號(hào)相反（BAX和MDS臺(tái)站位于地震的兩側(cè)），同時(shí)參與定位的所有臺(tái)站的平均殘差也達(dá)到最小，因此，近震給出的震源深度估計(jì)為14 km，給出的其他定位結(jié)果參數(shù)分別為：發(fā)震時(shí)刻：2013-04-20 08:02:47.1，緯度：30.29°，經(jīng)度：102.97°。

3.2 遠(yuǎn)震波形資料分析

表1 蘆山7.0級(jí)地震各深度下的定位殘差Table 1 The location residuals with every depth of Lushan MS7.0 earthquake

圖3 蘆山7.0級(jí)地震定位殘差曲線Fig.3 The location residuals curves of Lushan MS7.0 earthquake

近臺(tái)能夠很好的控制地震的震中位置，本文用taup軟件計(jì)算了25個(gè)GSN臺(tái)站記錄到的蘆山地震的理論P(yáng)波和sP的走時(shí)，并在波形上標(biāo)出了理論到時(shí)，如圖4所示，25各臺(tái)站除KEV、WAKE、SFJD和POHA臺(tái)站記錄情況不好外，T1標(biāo)記的理論P(yáng)波到時(shí)和T2標(biāo)記的sP到時(shí)，與波形的震相比較吻合，在用時(shí)較短的情況下能夠直觀的判斷出所選深度的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

利用近震資料分析得到的蘆山地震深度為14 km，定位結(jié)果的平均殘差為0.13 s處于較低值。由于遠(yuǎn)震波形中標(biāo)出的sP到時(shí)理論值和觀測(cè)較為匹配，這就證明了可以將震源深度選定為14 km。綜上，本文認(rèn)為2013年4月20四川蘆山MS7.0級(jí)地震的震源深度為14 km是合適的。

蘆山地震發(fā)生后，關(guān)于震源位置的研究陸續(xù)發(fā)表，其中劉杰等[18]利用四川臺(tái)網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用CAP波形反演方法得到的主震最佳擬合深度約為19 km；曾祥方等[19]通過(guò)近遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，得出震源深度為12 km；呂堅(jiān)等[20]采用雙差定位方法，利用人工地震測(cè)深和天然地震反演得到的地殼速度結(jié)構(gòu)對(duì)主震和余震的震源位置進(jìn)行重新定位，最終得到的主震深度為14 km。

圖4 蘆山地震GSN臺(tái)站的波形記錄Fig.4 The waveforms of Lushan earthquake recorded by GSN stations

以上各項(xiàng)研究側(cè)重點(diǎn)不同，得到的結(jié)果也存在一定的差別。震源機(jī)制給出的是震源“質(zhì)心”位置，利用震相到時(shí)給出的是震源的初始破裂位置，考慮到龍門山斷裂帶地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且蘆山地震存在一定的破裂尺度，這些差別是完全可以接受的。綜合前人的研究結(jié)果，本文給出的蘆山地震的深度結(jié)果為14 km是比較可靠的；在限定的較短時(shí)間內(nèi)，利用近震結(jié)合遠(yuǎn)震判定地震深度的辦法簡(jiǎn)單高效，能夠很好的應(yīng)用于速報(bào)工作中。

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Rapid Determination of the Earthquake Focal Depth by Using Near Earthquake and Teleseismic Waveforms：a Case Study of MS7.0 Earthquake on April 20th，2013

ZHANG Yingying，AN Yanru
（China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

By using the waveforms recorded by Sichuan province regional stations,the first arrival P phases by precisely manual picking，and a grid search method,the paper gets the depth result of Lushan MS7.0 earthquake through controlling the location residuals by modifying the deep values.Meanwhile,based on the teleseismic waveforms data recorded by global network stations and the given source location，the paper uses Taup to calculate the theoretical arrival time of surface reflections sP，and verifies the focal depth determined by thenear earthquake waveforms by fitting the arrival time of sP.The result shows that the focal depth of Lushan earthquake with 14 km is reasonable which is determined by jointly using the waveforms recorded by regional stations and teleseismic stations.In a limited short time,the method which jointly use the waveforms recorded by regional stations and teleseismic stations is simple and effective,so it will be very suitable to be used in earthquake quick report work.

Near earthquake；Teleseismic；Depth phases；Focal depth

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0075-06

10.13512/j.hndz.2016.03.011

2015-07-29

張瑩瑩（1986－），女，助理工程師，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測(cè)、地殼速度結(jié)構(gòu)和各向異性方面的研究。

E-mail：zyycugb1986@163.com.

張瑩瑩，安艷茹.利用近震和遠(yuǎn)震波形快速測(cè)定地震震源深度——以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級(jí)地震為例[J].華南地震，2016，36（3）：75-80.[ZHANG Yingying，AN Yanru.Rapid Determination of the Earthquake Focal Depth by Using Near Earthquake and Teleseismic Waveforms：a Case Study of MS7.0 Earthquake on April 20th，2013[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：75-80.]