sPn震相在安徽及邻区地震震源深度测定中的应用

程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，张 炳，王琐琛

(安徽省地震局，中国 合肥 230031）

sPn震相在安徽及邻区地震震源深度测定中的应用

程 鑫，洪德全，戚 浩，夏仕安，张 炳，王琐琛

(安徽省地震局，中国 合肥 230031）

利用地震深度震相sPn波的一些特征和2008～2012年安徽数字测震台网的波形资料，对发生在安徽及邻区M≥3.0级的地震进行了sPn震相分析，并用sPn震相计算的震源深度与目前我国台网运用较多的单纯型法及国家权威测震机构的定位结果进行了对比。结果表明，利用近震震相sPn-Pn波的方法测定该区域内的近震深度，有助于校正台网的定位精度，对地震的震源参数和破坏程度准确把握都具有重要意义。

sPn震相；震源深度；安徽及邻区

0 引言

对于地震学研究、地震构造研究、地震危险性评估和地震事件识别来说，地震震源深度是一个重要参数[1]。虽然现今测定震源深度的方法有多种，但目前震源深度的精度仍是个棘手的问题，在现代地震目录中，它几乎已经成为最不准确的参数之一[2]。随着世界数字记录观测台网的发展，国外学者采用理论地震图和数字模型记录比较方法可清晰分辨出sPn和Pn波，从而有助于提高测定近震深度和定位精度[3]。

安徽及邻区处于华北断块、下扬子断块和秦岭大别断褶区几个不同性质的构造单元的接壤地带，不同区域地壳结构、活动强度和方式、盖层发育情况都存在差异，是一个地质环境较为复杂的地区。特别是2010～2012年间，安徽及邻区发生了河南周口、安徽安庆、江西瑞昌、江苏金湖等多次3级以上地震，利用安徽地震台网中心接收的47个台站近几年来的数字化测震观测资料，有针对地将sPn震相识别出来，并根据其震相特征精确地计算区域内地震的震源深度，对准确测定震源参数和快速判定地震的破坏程度都是十分有意义的。

1 sPn震相的基本特征和走时方程

sPn波是横波入射到震中附近的地表，由原生的横波的SV成分发生反射，并转换为Pn波后入射到莫霍面，当入射角为临界角时，形成Pn波，由于它是s波转换而来，故记为sPn波。在测定近距离 (Δ＜1 000 km)浅源地震 (震源在地壳内)震源深度，sPn震相是比较实用，其基本特征是：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，出现在Pn与Pg震相之间，sPn与Pn波时差仅随震源深度而增减；同时要特别注意sPn与P*波的混淆，一般P*比sPn振幅弱，周期短[4]。对一个特定的地震而言，sPn与Pn的走时差是一个常量，与震中距无关。如果有多台数据，就可以将Pn对齐后，再进行sPn震相的测定[5]。

在区域距离内，深度震相sPn可被频繁地观测到，并可以用于准确地确定深度[6]。安徽省一些地震台站可记录到较清晰的sPn震相。由于安徽省台网波形分析软件使用的速度模型为双层地壳模型，故本文主要对双层地壳模型中的sPn的传播路径进行讨论。假设VP1、VP2分别为上地壳和下地壳内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，VPn表示Pn波的传播速度，H1表示上地壳厚度，H2表示下地壳厚度，Δt表示sPn-Pn的走时差。

震源在双层地壳模型中的射线路径如图1、图2所示，其中O点表示震源位置，h为震源深度，2、3两层的交界处为莫霍面。

图1 震源在双层地壳模型上层Fig.1 Seismic source in the upper double-layer crust

图2 震源在双层地壳模型下层Fig.2 Seismic source in the lower double-layer crust

当震源在双层地壳的上地壳时，sPn-Pn的走时差方程为[7]：

当震源在双层地壳的下地壳时，sPn-Pn的走时差方程为[7]：

根据安徽及周边地区的地壳速度结构模型，并参考安徽及周边台网地震定位使用的华南走时表速度模型，知上地壳厚H1=15 km，下地壳厚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。将速度模型值代人式 （1）和 （2）可得震源在上地壳的震源深度：

震源在下地壳的震源深度为：

由式 （4），可推出震源在下地壳的适用范围：

解不等式 (5)可得，当震源位于上地壳时Δt应小于5.12S，适用式 （3）计算震源深度；当震源位于下地壳时，则Δt应在5.12S至10.89S之间，则适用式 （4）进行计算。根据1970～2009年ML≥2.0地震震源深度统计分析的结果[8]，安徽及邻近地区的地震震源深度分布在1～40 km内，优势分布在5～15 km，绝大多数地震为发生在中上地壳内的浅源构造地震，故震源深度超过33 km的双层地壳以外的速度模型本文未做计算。

2 SPn震相在安徽及邻省地区地震分析中的应用

以安徽台网记录的2011年1月19日12时07分安徽安庆4.8级地震的数字波形为例（图3），安徽及邻区部分台站有清楚的Pn和sPn震相记录。由于这次地震发生在安徽境内，较于震中来说，有sPn震相记录的测震台站布局密度也较为均衡，所以采用的走时差ΔTsPn-Pn来测定震源深度的可选台站较多。

图3 2011年安徽安庆MS4.8地震部分波形记录Fig.3 Part of waveform records of MS4.8 earthquake in Anqing，Anhui province in 2011

根据萧山、蒙城、泗县等六个宽频带地震计观测的波形数据进行分析，结果见表1。表1中周期比最小为0.75，最大为2.63，平均为1.30，总体趋势是sPn周期大于Pn；振幅比最小为0.83，最大为3.62，平均为1.70，总体趋势是sPn振幅大于Pn；从初动符号来看，则这六个台站sPn与Pn初动方向均相反。虽然各台站之间的振幅比和周期比存在一定区别，但总体趋势仍可以反映出纵波和横波动力学特征的差别，与sPn震相的物理特征基本一致。同时计算得sPn和Pn的平均到时差为1.96 s，根据式 （3）得到此次地震的深度为5.45 km。

表1 部分台站sPn震相与Pn震相的特征数据对比Table 1 Characteristic data contrast of sPn phases and Pn phases in some stations.

3 震源深度计算结果与区域台网、国家台网定位结果的比较

安徽省数字测震台网实时接收本省和邻省台网波形的台站总计为47个，对安徽及邻区的地震活动有着很强的监测能力，如图4。

图4 安徽测震台网实际接收台站分布图Fig.4Distribution of receiving stations of Anhui digital seismic network

本文选取了2008～2012年安徽台网记录的安徽及邻近地区发生的3.0级以上，且震相记录较为清晰的地震进行sPn震相分析 （图5），并将sPn震相测深法定位结果与区域台网和国家台网的定位结果进行比较，结果见表2。这些地震事件是安徽省测震台网数字化资料正式运行以来记录到的影响较大的地震，地震记录了清晰的sPn震相，具有一定的代表性。

图5 安徽及邻区部分地震分布图（M≥3.0）Fig.5 Distribution of earthquakes(M≥3.0)in Anhui and its adjacent area

表2 安徽及邻区部分地震目录及深度测定对比表 （M≥3.0）Table2 PartofEarthquakecatalogueinAnhuianditsadjacentareaanddepthdeterminationcomparisontable

由于安徽及邻区中大部分区域台网使用的是单纯型定位法 （江苏台网为交切定位法），从表2结果来看，单纯型定位方法测定的震源深度分布在0～10 km范围内，这与单纯型定位法特点有关，它是利用数学的单纯型搜索极值的方法，搜索残差最小的位置，存在一定的局限性，此方法对深度没有明显的反应[9]，使用单纯型定位的省级台网测定的结果就存在这样的问题。sPn震相是测定地壳内地震震源深度的主要依据之一，对于安徽及邻区的浅源地震，深度震相sPn能在大多数地震记录中是可以观测到的，只要能够准确无误地识别sPn震相，就可以得出较精确的震源深度值。通过计算发现，表2中震级大于4.0级的地震中，除2010年10月24日河南周口地震、2011年9月10日江西瑞昌地震与省级台网单纯型定位和国家台网结果差别较大外，其它地震的sPn震相测定的结果相对省级台网而言更接近于国家台网的结果；此外必须强调的是在震级小于4.0级的情况下，国家地震速报和编目通常直接采纳区域台网的定位结果。

因为Pn和sPn这类首波性质的震相，初始振幅一般情况下都非常微弱[10]，其初相位到达时刻的记录情况及其读数的精度均会给计算的结果带来一定的误差，所以数字化资料的应用和台站密度的增加可以在选台上给予一定的弥补。在震相识别上，应先找出区域地震图中P波段相对清晰的台站，根据深度震相基本特征搜索此类台站任意测向上记录较好的sPn后，利用sPn与Pn的走时差的常量关系，带入其他震相相对清晰的台站再次识别求均值。

4 结果与讨论

（1）震源深度是震源参数中的一个重要组成部分。特别是在震中距300 km以外的某些中小地震的区域记录图上，sPn震相发育良好[1]，从安徽及邻区的震例结果来看也证明了这一点，从而为计算300 km＜Δ＜1 000 km发生的地震的震源深度的计算提供了一种切实可行的方法。从测算安徽及邻区地震的记录情况来看，如果区域台网记录中能够记录到sPn震相，并且分析人员能够认准该震相，应用本文中所介绍的方法就可以测算出较为精确的震源深度值。

（2）在地震震级小于4.0级的情况下，相对于国家测震台网中心而言，区域台网仅依靠单纯型定位的方法确定震源深度是不够的，可以通过引用sPn震相方法进行对比分析，对定位中震源深度的结果进行适当的修订。

（3）在0～15 km范围内，根据安徽台网定位软件中华南地震模型反演出的sPn-Pn震相到时差对应的震源深度，要略大于 《中国分区地震波走时表的研制》 （1989）的一书给出的华东地区的地壳分层速度模型的深度值[11]，这是由于所用地壳模型差异、仪器观测精度和数据保留位数不同造成的，但整体计算结果基本吻合。

（4）当同一地区的地震再次发生较大地震时，可以通过对一定时期内深度震相sPn的分析，推断震源在主震之后的深度变化[12]。如利用表2中湖北秭归、河南周口这类同区域地震的震源深度的迁移，为地壳内破裂过程的追踪提供可能，此项工作还需在以后的实际观测中进一步补充研究。

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[2]高原，周蕙兰，郑斯华，等.测定震源深度的意义的初步讨论[J].中国地震，1997，13(4)：321-329.

[3]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.

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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

安徽省大别山监测预报实验场项目

程 鑫，男，1983年生，助理工程师.主要从事地震监测等工作. E-mail：10301chengxin@163.com.