姚海東，尹欣欣,沈 平，蒲 舉

(1.湖南省地震局，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000)

震源深度作為地震時(shí)空的一個(gè)基本參數(shù)是目前最難準(zhǔn)確測(cè)定的參數(shù)之一。而震源深度的準(zhǔn)確測(cè)定關(guān)系到對(duì)震源過(guò)程、斷層構(gòu)造和應(yīng)力場(chǎng)作用等一系列重要問(wèn)題的正確認(rèn)識(shí)。對(duì)于較大地震，震源深度的準(zhǔn)確測(cè)定是震源烈度判斷的一個(gè)重要參考因素。地震定位中，由于位于上下方向上的地震臺(tái)站較少，因此深度定位不像水平位置定位那么精確。區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)通常基于一維速度模型，采用Pg(Sg)和Pn(Sn)震相進(jìn)行地震定位。由于Pn(Sn)傳播距離遠(yuǎn)，震相走時(shí)易受地殼介質(zhì)橫向不均勻性的影響，所以基于Pg(Sg)震相的地震定位，只有在近臺(tái)數(shù)量足夠和臺(tái)站方位覆蓋較好的情況下才能獲得較高精度的震源深度值。在臺(tái)網(wǎng)相對(duì)稀疏的情況下，由于缺少足夠數(shù)量的近臺(tái)資料，使得常規(guī)定位方法確定的震源深度值精度較低。目前，由于絕大多數(shù)臺(tái)網(wǎng)布局較疏，使用直達(dá)P波測(cè)定震源深度是無(wú)法得出精確結(jié)果的。我們利用廣西梧州市蒼梧(24.08°N，111.56°E)發(fā)生的MS5.4級(jí)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定震源深度。中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)于2016年7月31日測(cè)定，廣西梧州市蒼梧(24.08°N，111.56°E)發(fā)生MS5.4級(jí)地震，震源深度10 km。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

廣西絕大部分地區(qū)在晚三疊世以前經(jīng)歷了海水覆蓋的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期，其中晚古生代到中三疊世也有相對(duì)隆起和相對(duì)凹陷的區(qū)域，隆起區(qū)有的長(zhǎng)期露出水面為剝蝕區(qū)，凹陷區(qū)則接受沉積。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展演化歷史及區(qū)域構(gòu)造特征的不同，可將廣西劃分為一個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即廣西一級(jí)構(gòu)造單元屬華南板塊范疇，2個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(揚(yáng)子陸塊、華南活動(dòng)帶),7個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元和19個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元。蒼梧位于云升隆起，云升隆起是三級(jí)構(gòu)造單元，位于桂東南蒼梧、北流、岑溪、陸川、博白等縣與廣東交界的云開(kāi)大山一帶，呈北東向展布，西北側(cè)以博白—岑溪深斷裂為界。廣西境內(nèi)地震活動(dòng)斷裂帶有北東向、北西向、北北東向、北北西向、近南北向和近東西向6組，其中以北東向、北西向2組為主。北西向、北東向的多組斷裂控制著廣西地震的發(fā)生，地震震中位于防城—靈山斷裂附近，防城—靈山是早中更新世斷裂。其中，北西向的百色—合浦?jǐn)嗔褞?、巴馬—博白斷裂帶、南丹—昆侖關(guān)斷裂和北東向的防城—靈山斷裂帶、合浦—北流斷裂帶、桂林—南寧斷裂帶等為主要的活動(dòng)斷裂帶，歷史上幾次震級(jí)較大的地震就發(fā)生在這些斷裂帶附近。

本次蒼梧地震位于防城—靈山斷裂附近，防城—靈山斷裂帶是斜貫桂東南的一條規(guī)模較大的區(qū)域性北東向斷裂帶。斷裂帶的西南始于越南的先安，經(jīng)廣西的防城、欽州、靈山至平南的大安，由多條走向40°～50°，大致平行的一組復(fù)雜斷裂組成，呈舒緩波狀延伸，總長(zhǎng)約350 km,，寬5～10 km,總體呈NE-NEE走向。該斷裂帶在大地構(gòu)造上構(gòu)成了欽州華力西褶皺帶的西北邊界，帶內(nèi)動(dòng)力變質(zhì)作用強(qiáng)烈，巖漿活動(dòng)較弱。斷裂帶強(qiáng)烈活動(dòng)期為印支—燕山運(yùn)動(dòng)期間，喜山運(yùn)動(dòng)以來(lái)其活動(dòng)性漸趨減弱，新構(gòu)造時(shí)期有一定程度的活動(dòng)(周本剛,2008)。防城—靈山斷裂帶是一條中、強(qiáng)地震活動(dòng)帶，自有記載以來(lái)，沿防城—靈山斷裂帶曾發(fā)生過(guò)4次5級(jí)以上的地震，最大地震為1936年4月1日發(fā)生在廣西靈山東北的63/4級(jí)地震(陳國(guó)達(dá)，1939)，而靈山以北現(xiàn)今中小地震相對(duì)密集。

2 CAP方法簡(jiǎn)介與計(jì)算結(jié)果

2.1 方法簡(jiǎn)介

CAP方法相對(duì)以往的P波初動(dòng)、體波反演或面波反演而言是一種全波形反演方法。它將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波2個(gè)部分進(jìn)行反演并允許二者相對(duì)浮動(dòng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)，搜索出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解。CAP方法具有對(duì)參與反演的臺(tái)站數(shù)要求不多、方位角分布不需太均勻、反演結(jié)果對(duì)速度模型和地殼結(jié)構(gòu)橫向不均勻性依賴(lài)較小的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)的一些研究結(jié)果充分證明了CAP方法在震源機(jī)制解與地震矩心深度研究方面的有效性與可靠性(Zhao,1994；Zhu,1996；龍鋒,2010)。CAP方法的主要原理為：任意一個(gè)雙力偶震源的理論合成位移s(t)可表示為：

s(t)=M0(t)

(1)

式中，i=1,2,3時(shí)分別對(duì)應(yīng)垂直走滑、垂直傾滑和45°傾滑等3種最基本的斷層類(lèi)型；Gi為格林函數(shù)，Ai為射線系數(shù)，為臺(tái)站方位角,M0為標(biāo)量地震矩，φS,δ,λ依次為所求震源機(jī)制解的走向、傾角和滑動(dòng)角參數(shù)。反演過(guò)程中，以合成地震位移s(t)與觀測(cè)地震位移u(t)一致作為判斷標(biāo)準(zhǔn)：

u(t)=s(t)

(2)

可定義一個(gè)如下的誤差目標(biāo)函數(shù)來(lái)衡量s與u的差異：

(3)

式中，r為震中距，r0為選定的參考震中距，P則是考慮到幾何擴(kuò)散因子對(duì)地震波形的影響而采用的指數(shù)因子，它使得地震的矩震級(jí)大小較為可靠，參考前人研究的經(jīng)驗(yàn)(呂堅(jiān)，2012)，在一般情況下體波可給定P=1.0、面波P=0.5。該方法將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個(gè)部分進(jìn)行反演并允許相對(duì)浮動(dòng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)搜索出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解，提高了Pnl的權(quán)重，且對(duì)地震深度有比較好的約束。

2.2 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算結(jié)果

表1 速度模型

選取廣西、廣東和湖南區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)14個(gè)寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)站的波形記錄參與反演，臺(tái)站分布如圖2所示，震中距在50～600 km范圍內(nèi)，且波形記錄信噪比較高。所使用的地震觀測(cè)儀器型號(hào)包括BBVS-60、CMG-3ESPC、CTS-1和BBVS-120等型號(hào)。觀測(cè)頻帶為60 s～50 Hz或120 s～50 Hz，采樣率均為100 Hz，高信噪比的數(shù)字地震資料為本研究的開(kāi)展奠定了好的基礎(chǔ)。在計(jì)算之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去均值、去除儀器響應(yīng)、歸一化和濾波的數(shù)據(jù)處理，速度模型選擇CRUST2.0全球速度模型表(具體參數(shù)參見(jiàn)表1)，計(jì)算以后得到最終結(jié)果(參見(jiàn)表2)，對(duì)比CENC的結(jié)果，兩者的差距較小，說(shuō)明本文計(jì)算結(jié)果是比較可靠的，震源機(jī)制解結(jié)果參見(jiàn)圖1。

表2 震源機(jī)制解對(duì)比

圖1 震源機(jī)制解參數(shù)

圖2 用于計(jì)算的14個(gè)臺(tái)站分布

圖3 最佳震源深度時(shí)CAP方法反演波形擬合對(duì)比

3 sPn震相計(jì)算震源深度

震相sPn是測(cè)定近距離(Δ<1 000 km)淺源地震震源深度數(shù)值的比較實(shí)用的震相。設(shè)震源不在地表(h≠0)，為了簡(jiǎn)化描述，設(shè)地殼為雙層(參見(jiàn)圖5)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在地殼內(nèi)時(shí)，S波射線入射地表并反射轉(zhuǎn)換為P波后入射到Moho面，當(dāng)入射角為臨界角時(shí)，形成Pn波， 由于它是由S波轉(zhuǎn)換而來(lái)， 故記為sPn波，其射線傳

圖4 最佳震源深度

圖5 雙層地殼模型sPn震相傳播路徑

播路徑如圖5。雖然其動(dòng)力學(xué)特征保持橫波性質(zhì)振幅和周期均大于縱波，但最終以縱波形式出現(xiàn)在地震記錄上，所以垂直分向顯示清晰，其振幅和周期均大于Pn。sPn震相是出現(xiàn)在Pn與Pg間(尹欣欣等，2013；Chenetal，2016；尹欣欣等，2017；呂俊強(qiáng)等，2016)?，F(xiàn)以雙層地震模型理論計(jì)算sPn與Pn的到時(shí)差。vs1、v1分別表示上層地殼內(nèi)S波和P波的傳播速度，v2表示下地殼內(nèi)波的傳播速度，v3表示Pn波的傳播速度，h為震源深度，由Snell定律可推出其到時(shí)差為:

(4)

圖6 波形對(duì)比分析圖

根據(jù)華南地區(qū)地震波走時(shí)差地殼模型可以推出：v1=6.01 km/s，vs1=3.55 km/s，v3=7.98 km/s，則K=2.724。即震源在上地殼的深度:h=2.724。sPn的震相特征是到時(shí)差與震中距無(wú)關(guān)，僅與震源深度有關(guān)。根據(jù)sPn震相這一性質(zhì),來(lái)尋找sPn震相，由于噪聲信號(hào)干擾和人工量取震相誤差，故將7個(gè)臺(tái)站記錄的Pn和sPn震相走時(shí)差平均值3.7 s作為震相分析如圖6，代入公式計(jì)算震源深度為10.1 km。

4 討論與結(jié)論

本文利用CAP震源機(jī)制解方法選取14個(gè)測(cè)震臺(tái)波形反演了廣西蒼梧MS5.4級(jí)地震，結(jié)合廣西地區(qū)構(gòu)造背景，歷史地震震源機(jī)制參數(shù)以及余震分布特征，確定主軸參數(shù)為走向340°，傾角19°，滑動(dòng)角-18°，最優(yōu)深度解為9.2 km，對(duì)比其他結(jié)果CENC結(jié)果除深度結(jié)果其他參數(shù)基本一致。從震源機(jī)制結(jié)果推斷出該次地震為左旋走滑為主，根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查，并結(jié)合地震余震分布和震源機(jī)制解的研究，初步判定本次地震的發(fā)震構(gòu)造為NE向的防城—靈山斷裂。防城—靈山斷裂帶是斜貫桂東南的一條規(guī)模較大的區(qū)域性北東向斷裂帶,是一條中、強(qiáng)地震活動(dòng)帶。為進(jìn)一步確定深度結(jié)果，本文使用了深度震相sPn方法，利用sPn震相與Pn震相的到時(shí)差來(lái)計(jì)算震源深度結(jié)果為10.1 km,與CAP方法結(jié)果9.2 km基本一致。與震源深度計(jì)算比較準(zhǔn)確的CAP震源機(jī)制最優(yōu)深度解及其他研究機(jī)構(gòu)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可靠性。

致謝：本文所使用的地震波形資料來(lái)自于廣西、廣東、湖南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)。文中所有圖件由GMT和Matlab軟件繪制。

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