Pn与sPn震相到时差计算震源深度的单台应用

马 莉,张 玲,杨 颖,王承伟,张娉婷

(1.沈阳地震基准台,沈阳 110161;

2.山西省地震局,太原 030021;

3.中国地震局地震预测研究所,北京 100036)

Pn与sPn震相到时差计算震源深度的单台应用

马 莉1,张 玲2,杨 颖3,王承伟1,张娉婷1

(1.沈阳地震基准台,沈阳 110161;

2.山西省地震局,太原 030021;

3.中国地震局地震预测研究所,北京 100036)

震源深度是地震定位的一个重要参数。本文利用沈阳台记录到4个壳内近震,进行sPn震相识别,利用sPn与Pn震相的到时差计算这几个近震的震源深度,将所得结果与国家局及辽宁台网结果进行对比研究,结果表明沈阳台定出的深度与国家局所定深度75%是一致的,与辽宁局结果也基本一致,误差较小,在2km范围内。并对利用sPn震相计算震源深度方法在沈阳台的应用和意义进行了讨论,认为具有很好的可行性。

sPn震相;浅源地震;震源深度;震相识别

0 引言

沈阳地震台从1970年开始地震观测,是国家数字地震台,也是国家大震速报台。自2000年12月运用甚宽频带数字地震仪产出数字化资料以来,积累了较为丰富的测震记录数据。甚宽频带地震仪具有观测频带宽、动态范围大、分辨率高等特点,实现了对地震的全频观测,由于数字地震仪在整个观测带宽范围内是速度平坦输出,更能真实地反映地震后的地面运动情况,获得比模拟观测系统更加丰富的地震观测信息。

据文献记载,早在20世纪60年代,前苏联地震科学家已经开始用sPn震相计算震源深度,欧美等国家也经常使用这一震相[1-2],震相sPn是测定近距离(△<10°)浅源地震(震源在60km范围的地震)震源深度数值比较实用的震相。对于国内一般强度的地震,如果震中距小于10°,波形记录中 sPn并不少见。依据测定sPn震相进而准确测定震源深度的方法,是数字化观测条件下测定震源深度的一种理想方法,它可以不受地震三要素(发震时刻、经纬度和震级)约束而独立测定,并具有方便、快捷、准确的优点。

近年来,国内外地震学家广泛开展了这方面的研究工作,取得了许多有意义的研究成果。2004年中国地震局地球物理研究所任克新等[3]用sPn震相计算了2003年8月16日18时58分(北京时)发生的内蒙6级地震的震源深度,认为sPn震相是可靠的,可以利用此震相计算震源深度。2005年福建省地震局监测中心洪星等[4]等对台湾海峡南部一次5.0级地震的sPn震相做了分析,结果表明sPn震相特征明显,基本不随震中距的变化而变化。2006年内蒙古自治区地震局高立新等[5]对2004年3月24日内蒙古东乌珠穆沁旗5.9级地震震用sPn震相计算震源深度做了初步分析并讨论了其应用认为基本上可以准确计算震源深度,方法简洁、实用,便于在日常工作中推广。本文同样利用sPn震相确定壳内地震的震源深度的方法,计算了沈阳台最近几年记录到的浅源近震的震源深度并加以讨论。

1 资料的选取

东北地区历史上曾发生过多次浅源强震、中强震,其中浅源地震如:1975年2月4日辽宁海城7.3级地震、1999年辽宁岫岩5.4级地震等。本文针对2004年以来东北地区(117°～135°E,38°～54°N)发生的MS≥5.0浅源地震,选取了4个具有典型代表意义的近震,各个震例的基本参数见表1。下面地震参数均为国家数字地震台网分中心对这些记录的测定结果。

表1 各个地震参数详表

2 研究方法

2.1 震源深度计算原理

震相sPn是测定近距离(△<10°)浅源地震(震源在地壳内)震源深度数值的比较实用的震相。

设震源不在地表(H≠0),当横波S的离源角i≥90°时,S射线入射地表并反射转换为 P波入射到莫霍界面(M界面),当入射角为临界角时,纵波在地幔顶部沿着 M界面向前滑行形成Pn,因该震相由横波转换而来,所以记为sPn。虽然其动力学特征保持着横波性质,但其振幅和周期均大于纵波,最终以纵波形式出现在地震记录上,所以垂直分向显示清晰。由于sPn与 Pn同属于首波性质,初动振幅较微弱,不明显,清晰度也远不如各种直达波,如Pg、Sg等。

如果按双层地壳模式,即存在康拉德界面(c界面),又有sPe(sP),本文暂不讨论。同样应该存在pPn和 sSn。pPn在 Pn与 sPn之间,随 Pn之后不到2、3个周期的到时差。pPn的记录周期与 Pn相同,振幅小于Pn,通常淹没在 Pn的尾波中。sSn和pPn一样,同样很难分辨。

假设V1、V2为分别上地壳和下地壳内 P波的传播速度,VS1、VS2分别为 S波在上地壳和下地壳内传播速度,V3表示Pn波的传播速度,h表示震源深度,h1为震源与上下地壳分界面的深度,H表示上地壳厚度,△t表示 sPn-Pn的走时差。在单层地壳结构中sPn-Pn的走时差方程为

图1Pn和sPn震相在双层地壳中的传播路径图

在双层地壳中,假设震源在上地壳内,射线路径如图1(a);若震源在下地壳内,射线路径如图1(b)图中0点表示震源,射线i角要满足公式 sini=V1/V2。若震源在上地壳内,sPn-Pn的走时差方程可表达为

根据斯奈尔定律可推得

若震中在下地壳内,sPn-Pn的走时差方程可表达为

根据斯奈尔定律可推得

根据东北、内蒙古地区近震走时表的速度模型并参考Iaspei速度模型,可以知道:上地壳的厚度H1为15km,下地壳厚度 H2为18km,VS1为3.33km/s,V1为5.70km/s,VS2为3.80km/s,V2为6.51km/s,V3=8.01km/s。把这个速度模型值代人式(3)、(5)可得震源在上地壳的震源深度:

震源在下地壳的震源深度:

分析式(6)、(7)可以知道,当Δt小于5.93s时震源位于上地壳内,适用式(6)进行计算;如果5.93s≤Δt<11.7s,震源位于下地壳内,这时适用式(7)计算震源深度。震源深度超过33km时利用双层地壳模型计算就不适用了。

2.2 震相波形分析

本文采用sPn对比Pn的方式来表示sPn记录特征:sPn波的振幅通常比 Pn波强,若初动清楚可见sPn与Pn波相反,周期一般比 Pn长。因为sPn的原生波是 S波,所以两水平向常常也很清晰。sPn与 Pn波的时距曲线相平行,随震中距变化极小。sPn与Pn波时差仅随震源深度的变化而增减,在分析sPn震相时要特别注意sPn与 Pn的区别:一般Pn比sPn振幅弱,周期短,从走时判别则要核实Pn走时。同样,沈阳台数字记录的 sPn震相具有以上这些特征。

sPn波震相识别方法:sPn震相的动力学特征虽然保持着横波性质——振幅和周期均大于纵波,但最终仍以纵波形式出现在地震记录上,所以,垂直分向显示清晰,其振幅和周期均大于 Pn。由于与Pn同属于首波性质,初动振幅也较微弱,不明显,清晰度也远不如各种直达波 Pg、Sg等,我们在对其做分析时候一般采用反复对比三分向震相的周期和振幅大小的方法进行判定,一般与水平向相对应的垂直向总有一个较明显的相位变化,可以此为参考。图2至图5是4个地震的分析结果。

图2 2004年3月24日内蒙古东乌珠穆沁旗 Ms5.9地震

图3 2005年7月25日黑龙江林甸县 Ms5.1地震

图4 2006年3月31日吉林乾安、前郭间 Ms5.0地震

图5 2008年6月10日内蒙古鄂伦春自治旗与阿荣旗交界地区Ms5.2地震

2.3 计算震源深度

任立新,洪星等都已经论证了sPn震相对震源深度的估计的重要性,用此震相计算震源深度精确度较高,但都是利用多台资料对同一地震震源深度的计算,本文则主要利用单台资料对几个地震震源深度进行计算,原理与高立新一致,但是方法上略有差别。我们利用各个地震的 Pn与 sPn震相到时差,结合J-B走时表(震相走时便查表)得出与其相应的单台计算的震源深度。

利用sPn震相计算震源深度的基本思路如下:①已知Pn、sPn震相到时,计算出Δt,即sPn到时与Pn到时差。②震源到台站的震中距Δ。③应用一级差分方法,结合J-B走时表(震相走时便查表)计算得到出新的Δt-h便查表(表2)。④利用便查表查出对应 h值。

根据图2～5计算出观测 sPn与 Pn震相到时差在表2中查得相应的震源深度,具体结果见表3。

表2 Δt-h浅源便查表

表3 单台计算震源深度结果表

3 对比研究

利用辽宁省局地震台网5个台站的数字地震记录资料,根据 sPn震相的判别依据,震中距由近到远,下面是选用5个台的sPn波形记录得出 sPn对比Pn的特征数据及震源深度结果见表4。内蒙古鄂伦春自治旗与阿荣旗交界地区地震未收集到数据,因此未做对比分析。

表4 辽宁台网部分台站资料结果表

4 结果分析

将沈阳台应用sPn震相计算得到的震源深度(表3)与辽宁台网其他台站应用sPn震相计算得到的震源深度和国家数字地震台网分中心给定的震源深度值(表1)进行了比较,

其中 H为国家数字地震台网分中心给定的震源深度值,h为单位应用sPn震相计算得到的震源深度值。结果为内蒙古东乌珠穆沁旗地震深度确定误差为2km,黑龙江林甸县深度误差为1km,吉林乾安、前郭间地震深度误差为0km,内蒙古鄂伦春自治旗与阿荣旗交界地区地震深度误差最大为13km。测定结果存在的差异究其原因如下:

(1)震相分析误差。地震波的传播速度、走时、射线路径及形态等反映了地震波的运动学特性,这些特性取决于地球内部的分层构造及介质的性质,不同的波有不同的运动学和力学特征。各种震相的表现形态取决于震源类型、地质结构、传播介质和仪器性能。由于sPn震相与 Pn同属于首波性质,初动振幅较微弱,不明显,给震相分析工作带来一定的难度;误差大小主要取决于分辨Pn和sPn的初相位到达时刻的准确与否和读数的精度大小。因为这类首波性质的震相,初始振幅一般情况下都非常微弱,所以读取到时读数至少有1个周期(1～3s)的相差,从而使得震源深度的计算结果存在误差。

(2)方法差异。我们采用的是任克新用sPn震相计算震源深度的方法单台确定的震源深度,而国家台网中心选用多台数据结合测定震源深度的方法。与辽宁台网资料处理所得结果对比所得差异原因应为辽宁台网台站深度结果是取其平均值所得。

5 结语与讨论

通过对sPn震相的识别及单台计算震源深度的分析研究,结果认为:

(1)sPn与 Pn震相到时差与震中距的大小无关,sPn震相基本上不随震中距的变化而变化。结果还表明沈阳台在震中距在2.89°～5.28°之间都可以观测到清晰的sPn震相。

(2)识别sPn震相单台计算震源深度的可行性较大。将应用sPn震相计算得到的震源深度与国家数字地震台网分中心给定的震源深度值进行比较,结果误差在1km内占75%,误差大于2km仅占25%。与辽宁局结果全部基本一致,误差较小在1km范围内。

我们研究sPn震相在数字仪上的记录特征将有助于提高台站震相到时的分析精度,将该方法用于实际工作中,可以给出国内浅源地震的震源深度值,为国家局台网中心的编目工作提供深度参考依据。地震台站作为我国地震台网最重要的组成部分,担负着监控全球地震发生的任务。因此,地震台站人员正确识别各种震相,将对地震分析质量的提高具有决定性的作用。作为台站观测人员应充分发挥数字化观测系统的优越性,挖掘其内在信息,就可以将得到的第一手资料充分利用起来。

[1] 张诚.地震分析基础[M].北京:地震出版社,1986.

[2] 房明山,杜安陆,董孝平,等.用sPn震相测定震源深度[J].地震地磁观测与研究,1995,16(5):13-18.

[3] 任克新,邹立晔,刘瑞丰,等.用 sPn计算内蒙地震的震源深度[J].地震地磁观测与研究,2004,24(3):24-30.

[4] 洪星,叶雯燕,邵平荣,等.台湾海峡南部一次5.0级地震的sPn震相分析[J].地震地磁观测与研究,2006,27(1):26-30.

[5] 高立新,刘芳,赵蒙生,等.用sPn震相计算震源深度的初步分析与应用[J].西北地震学报,2007,29(3):213-217,244.

Calculating Focal Depth Using Travel Time Difference of sPn and Pn Phase

MA Li1,ZHANG Ling2,YANG Ying3,WANG Cheng-wei1,ZHANG Ping-ting1
(1.Shenyang Seismic Station,Shenyang 110161,China;
2.Earthquake Administration of Shanxi province,Taiyuan,030021,China;
3.Institute of Earthquake Science,CEA,Beijing 100036,China)

Focal depth is an important parameter of earthquake location.Using travel time difference of sPn and Pn phase,we calculated focal depths of four local earthquakes occurred in the crust recorded by Shenyang seismic station and compared it with the results given by National and Liaoning Seismograph Network.The results indicate that about 75percent of the focal depth calculated by Shenyang station is consistent with the National results and exactly consistent with the Liaoning Seismograph Network.

sPn phase;shallow earthquakes;focal depth;phase identification

P315.3

A

1003-1375(2011)01-0057-06

2010-04-14

马莉(1980-),女(汉族),沈阳地震台工程师,从事测震工作.E-mail:mary—961135@163.com.