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        基于sPL 震相測定山西地區(qū)的震源深度

        2019-07-26 10:10:26梁向軍魏婭玲張東亞劉林飛
        四川地震 2019年2期
        關(guān)鍵詞:編目臺網(wǎng)震源

        梁向軍,魏婭玲,張東亞,劉林飛

        (1.山西省地震局,山西 太原 030021;2.四川省地震局,四川 成都 610041;3.北京市昌平地震局,北京 昌平 102200;4.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 030021)

        地震的震源深度一直被國內(nèi)外的地震學(xué)家關(guān)注。震源深度的研究,對于地震孕育和發(fā)生的深部環(huán)境、地震能量集結(jié)、釋放的活動構(gòu)造背景有重要的意義(張國民等,2002)。然而,如何比較精確確定地震的震源深度一直是個難題。近年來,地震學(xué)者一直在探索改善震源深度測定精度的方法。有的研究者用sPn震相測定震源深度的研究,并建立了sPn與Pn的走時關(guān)系(房明山等,1995;任克新等,2004;洪星等,2006);也有部分學(xué)者用PTD方法研究地震的震源深度,改進了震源深度的測定精度(殷偉偉等,2006;朱元清,1997);Langston(1987)利用sPg和Pg的相對到時差研究了1968年澳大利亞Meckering近震序列的深度分布,Bocketal(1996)利用sPmP測量了近震的震源深度。研究表明,這些方法可以有效地提高震源深度的測定精度,但是,由于深度震相不同,優(yōu)勢的震中范圍和使用條件也不同,在實際工作中只有科學(xué)利用,獲得的結(jié)果才相對可靠、合理。全國測震臺網(wǎng)目前通用的Pg(Sg)走時定位方法只有在臺網(wǎng)密集、震中距較小的情況下獲得的震源深度才較為可靠。但是對于臺網(wǎng)相對稀疏或者發(fā)生在轄區(qū)邊界的地震,由于近臺較少,而較遠臺站的地震波走時對震源深度不夠敏感,從而較難確定震源深度。在山西地區(qū),對于發(fā)生在山西中部的地震,臺站包圍較好,震源深度約束的比較好,對于發(fā)生在邊界的地震,地震的可靠性較差。所幸,崇加軍等(2010)首次提出利用50 km范圍內(nèi)的sPL震相來確定近震的震源深度。已有研究結(jié)果表明:基于近震深度震相sPL與P波的相對到時差可以較為準(zhǔn)確地測定地震的震源深度,并在2011年安慶地震(包豐等,2013;謝祖軍等,2012)、2008年攀枝花地震(Wangetal,2011)、2008年汶川地震余震(Luoetal,2010)等震源深度研究中取得了良好的效果。因此,本文也嘗試?yán)胹PL震相對山西臺網(wǎng)的地震事件的震源深度進行重新測定。

        1 sPL震相測定震源深度

        圖1 sPL深度震相與直達P波的射線路徑示意圖

        崇加軍等(2010)利用50 km范圍內(nèi)的sPL震相來確定近震的震源深度,從震源出發(fā)的SV波入射到自由表面下方時將有一部分能量轉(zhuǎn)換為P波,在約2倍震源深度以遠的震中距上比較發(fā)育,早于S波到達(見圖1)。當(dāng)臨界入射時轉(zhuǎn)換P 波將沿著地表傳播,Aki 稱此波為“ Suerface P-wave”,它的水平視速度和P 波速度相等,出現(xiàn)在臨界距離上,雖然隨距離的變化衰減很快,但是它的起始可能比直達S波尖銳,某些方面具有與首波類似的性質(zhì)。地表P波只定義了上述沿著地表的那一支震相,但是實際情況中,均勻半空間模型太過簡單,對于更接近真實的速度隨深度增加的模型,可能已經(jīng)不是一支震相,而包含了臨界距離附近P波在淺層(如蓋層) 的系列多次反射或轉(zhuǎn)換震相,這些震相與“ Suerface P-wave” 到時較一致而混合在一起。由于該震相是由S波和P波相互耦合而產(chǎn)生,同時為了更具普遍意義,這里將Aki定義的“Suerface P-wave” 和這些多次反射折射震相形成的一個波列定義為sPL (s coupled into P wave),其中S表示地震激發(fā)的S波部分往上傳播。定量地震學(xué)已經(jīng)定義了sPL震相,其對應(yīng)于遠震的S 波(從震源向下傳播) 在Moho下方耦合形成的長周期的P波波列,而本文的sPL則是在近距離上只在地表附近傳播的波。由于sPL與P波相對時差消除了發(fā)震時刻的影響,且?guī)缀醪浑S震中距變化,減小了地震水平位置誤差的影響,因此具有較高的震源深度測定精度。

        2 資料選取與深度測定

        圖4 利用sPL震相計算出的39個地震震中分布

        圖3 2016年3月12日鹽湖4.4級地震萬榮臺(WAR)三分量位移波形圖

        本文選取了2010年1月1日至2017年12月31日期間山西及周邊地區(qū)97次ML≥3.0地震事件的波形資料,對震中距70 km范圍內(nèi)臺站的三分量位移波形進行了分析,挑選出高信噪比波形記錄,將水平分量波形旋轉(zhuǎn)至徑向和切向,使初至P波波形在切向分量最小,并進行濾波處理,具體流程見圖2。在速度結(jié)構(gòu)較為簡單的地區(qū),sPL波形可以被清晰的觀測到(見圖3),但是如果在速度結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜的地區(qū),波形會多次折射疊加,這對拾取sPL震相會有一定的影響。本文在研究中所用的速度模型(殷偉偉等,2018)如表1所示。根據(jù)P波震相特征挑選出具有清晰sPL震相的波形用于震源深度分析,最終計算出貫穿山西斷裂帶上39個地震(見圖4)的震源深度值(見表2)。

        圖2 資料處理流程圖

        表1 山西地區(qū)地殼速度模型

        表2 sPL震相測定的39個地震的震源深度

        3 震源深度分析

        表3 不同深度的地震事件個數(shù)統(tǒng)計

        圖5 利用sPL震相測定的震源深度分布

        按震源深度范圍對地震事件進行統(tǒng)計(見表3),可以看出這39個地震事件的震源深度主要集中在11~25 km,占89%,深度在5 km以內(nèi)無地震,26~30 km只有2次地震,優(yōu)勢震源深度分布在11~20 km。震源深度分布圖(見圖5)直觀地反映了山西地區(qū)的震源深度分布情況,山西北部的地震震源深度普遍較淺,中南部地區(qū)的地震要比北部地震的震源深度深,在震例較少的情況下,能看出山西地區(qū)地震震源深度有由北向南逐漸變深的趨勢。

        4 與統(tǒng)一編目結(jié)果比較

        將sPL方法測得的39個地震事件的深度值與中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一編目最終給出的結(jié)果相比較(見圖6、7),結(jié)果顯示,除了1個震例(2010年1月24日發(fā)生在山西河津的4.8級地震)測定的震源深度結(jié)果偏差較大外,這兩種方法測定的結(jié)果比較接近。針對這次地震,sPL方法獲得的深度值為30 km,統(tǒng)一編目定位的結(jié)果為8 km,這兩種方法測得的深度值相差22 km,用CAP方法反演震源機制擬合得出的最佳深度值為19 km(宋美琴等,2012)。結(jié)合震后地震現(xiàn)場宏觀調(diào)查,此次地震的破壞性較小,可以斷定此次地震的震源深度在20 km左右,所以sPL方法測定的此次地震震源深度30 km還是很有意義的。而統(tǒng)一編目給出的震源深度為8km,誤差較大,這與當(dāng)時使用的定位軟件MSDP所配置的速度模型(J—B)及使用的定位方法密切相關(guān),單純型定位方法測得的深度很少大于10 km。從圖6中發(fā)現(xiàn),在第14個震例(2013年)之后,隨著軟件的不斷升級和山西臺網(wǎng)速度模型(王霞等,2015;殷偉偉等,2018)(2016年)的使用,單純型和Hypo2000兩種定位方法綜合測定的深度結(jié)果大有改善,差值逐漸縮小,基本接近。從圖7還發(fā)現(xiàn),不論哪種方法測得的震源深度值,山西北部的地震絕大多數(shù)的深度要淺于山西中、南部的地震。

        圖6 sPL與統(tǒng)一編目測定震源深度對比

        圖7 sPL與統(tǒng)一編目測定震源深度空間分布

        5 結(jié)論與討論

        (1) 本文選取了山西及周邊地區(qū)50 km之內(nèi)的97次ML≥3.0地震的波形資料,利用sPL震相計算出39次地震的震源深度,這些地震的優(yōu)勢震源深度為11~25 km,且呈現(xiàn)出山西北部地震的震源深度比中、南部淺的趨勢。(2)將利用sPL震相測定的震源深度結(jié)果與統(tǒng)一編目的結(jié)果相比較,除極個別地震外,兩種方法測定的深度結(jié)果差值不大。特別是從2016年開始,定位軟件中啟用了山西臺網(wǎng)的速度模型之后,兩種方法的定位結(jié)果更加接近。(3)值得注意的是,目前山西臺網(wǎng)使用的定位軟件中的單純型定位方法會出現(xiàn)不太穩(wěn)定的情況,有時會出現(xiàn)大于30 km的震源深度,臺網(wǎng)人員要在日常定位中利用Hypo2000方法定位進行比較,盡可能為斷裂構(gòu)造活動分析與地震危險性評估提供可靠的震源深度。

        致謝:感謝陜西省地震局趙韜工程師在軟件使用過程中給予指導(dǎo)。

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