2017年9月4日河北临城ML4.4地震震源深度测定

章 阳，刘立申，王利兵，罗 娜

(河北省地震局红山基准地震台，河北 邢台 054000)

0 引言

震源深度是地震学研究中的核心问题之一，准确确定地震震源深度对于评估地震灾害、确定地震成因、判断余震趋势和地震危险性研究等多方面具有非常重要的意义[1-2]。同时，准确的深度定位还能够在地震预警、确定大地震的震源过程、地下矿产资源勘探和页岩气的开发等方面起到重要作用[3]。在当前地震学研究中，地震三要素中的发震地点和发震时刻相对都比较容易确定，但是震源深度的精确测定一直是地震定位中的一个难题。

20世纪60年代，苏联学者提出近震中可以记录到sPn震相[4]。sPn震相是一种首波，S波从震源出发，入射到地球表面经过反射转换成P波，随后入射到莫霍界面，当入射角达到临界角时，反射转换P波沿着莫霍面滑行，形成Pn波，记为sPn波[5]。并给出双层地壳模型的sPn-Pn的走时方程，基于此，可以计算近震的震源深度。华北地区随着数字台网观测精度的不断提高，台网布局不断合理，对于一般的中强地震(一般认为M>4),震中距在200～1 000 km范围内的台站能记录到较为清晰的sPn震相[6]，根据sPn-Pn到时差可以计算近震震源深度。

2017年9月4日03:05河北临城(北纬37.50°，东经114.35°)发生ML4.4地震，中国地震台网中心测定的震源深度为6 km。此次地震发生在太行山山前断裂中段的元氏断裂附近，处于邢台地震余震区的NW分支，处于河北南部北东向的Ⅲ级地震断裂带和东西向的Ⅱ级地震断裂带的交汇部位。根据台网中心正式报告，主震发生后，后续地震震级逐渐减小，截至9月4日24时，记录到ML1.0～1.9地震共9次，ML2.0～2.9共6次，最大余震为ML2.7。

1 sPn震相的基本特征分析

根据华北地区近震走时表的速度模型[7]和sPn震相的传播特征，可知单层地壳模型和双层地壳模型震源在上地壳的震源深度为：

h=2.56Δt。

(1)

双层地壳模型震源在下地壳的震源深度[8]为：

h=3.11Δt-3.44。

(2)

华北地区上地壳厚度一般为15 km，下地壳厚度为18 km。因此，当sPn-Pn的走时差Δt<5.93 s时，用式(1)计算震源深度，此时震源位于上地壳内；当5.93 s≤Δt<11.7 s时，用式(2)计算震源深度，此时震源位于下地壳。当震源深度h≥33 km时，双层地壳模型不适用。华北地区sPn与Pn到时差与震源深度速查表如第26页表1所示。

sPn震相是一种首波，通常出现在Pn震相之后，Pg震相之前，是由S波转换而来的。因此，其动力学特征保留横波的性质，振幅和周期均比Pn震相大，在两个水平分量上清晰，最终以纵波的形式出现在地震波形记录上，所以一般在垂直分量上也清晰[9]。对于初动清晰的地震，如果该地震为走滑型地震，sPn与Pn的初动极性相同；如果为其他类型地震，则两者初动极性相反。根据这些特征，在地震波形记录上分析震相时，可以采用同时对比震相的初动、周期、振幅以及三个分向的波形记录识别sPn震相。由式(1)和(2)可知，地震震源深度只与sPn和Pn到时差有关。对于一个特定的地震，sPn-Pn是一个常量，如果有多个台站的地震记录，可以用来识别sPn震相。

表1 华北地区sPn与Pn到时差与震源深度速查表Table 1 A quick look-up table of sPn and Pn arrival time difference and focal depth in North China

2 震源深度的计算

2.1 双差定位法

双差定位法是以各地震对到同一台站的走时差数据为基础，求解地震对的观测和理论走时差残差的最小二乘解，从而获取更加精确的震源参数信息[10]。收集2017年1月至12月邢台及周边地区中小地震(ML1.0)的观测报告，选择P波走时小于25 s的台站信息，保证每个地震至少有5个以上的台站记录到。选择合适的一维地壳速度模型[11](见表2)，利用hypoDD程序对地震重新定位。计算过程中P波到时权重设为1.0，S波到时权重设为0.5，选取地震到台站的距离小于100 km，地震对间的距离小于20 km，采用共轭梯度法进行阻尼最小二乘(LSQR)求解，最终得到临城ML4.4地震重定位震源深度为7.01 km，残差平方和为0.027。

表2 地震重定位一维地壳速度模型Table 2 1D crustal velocity model for seismic relocation

2.2 震源机制解

根据河北区域台网记录，利用P波初动法[12]计算临城ML4.4地震的震源机制解。选取地震周边震中距120 km以内的22个台站波形记录，P波初动向上记为+1，初动向下记为-1，计算结果为：节面1走向101°，倾角75°，滑动角-22°；节面2走向197°，倾角69°，滑动角-164°；P轴方位角58°,倾角26°；T轴方位角150°,倾角4°；B轴方位角248°,倾角63°，矛盾比为0.09。震源错动以走滑断层为主(见图1)。

图1 临城ML4.4地震震源机制解Fig.1 Focal mechanism solution of Lincheng ML4.4 earthquake

2.3 sPn-Pn到时差计算震源深度

华北地区数字地震台网理论上震中距在200～1 000 km范围内能记录到比较清晰的sPn震相。对于2017年9月4日河北临城ML4.4地震，选取河北省8个记录到sPn震相的台站地震波形，利用MSDP软件分析震相。根据sPn震相的特征，得到该地震sPn与Pn震相的特征数据及震源深度结果(见第27页表3)。图2是选取的8个台站中XIL台站(震中距为421.5 km)的sPn地震波形记录，其他台站sPn震相特征同理。

图2 河北临城ML4.4地震XIL台的Pn和sPn震相记录特征Fig.2 Phase recording characteristics of Pn and sPn at XIL station of Lincheng ML4.4 earthquake, Hebei province

根据表3的sPn与Pn震相特征数据和震源深度结果可知，sPn与Pn周期比最大为2.03，最小1.02，平均为1.35；振幅比最大为4.5，最小为1，平均为2.48；临城ML4.4地震为走滑型地震。因此，两个震相的初动方向相同。通过表3的sPn和Pn周期比和振幅比数据可以反映纵波和横波的动力学特征差异。sPn震相的振幅和周期均大于Pn震相。理论上，一个给定的地震，sPn与Pn的到时差是一个常量，与震中距无关，计算出来的结果Δt从2.27 s到3.09 s，平均为2.68 s，这可能与介质的不均匀性和在地震波形记录中识别Pn和sPn震相的精确度有关。因此，最后取8个台计算结果的平均值更具有可信度，得到最终的震源深度为6.86 km，属于浅源地震，这符合华北地区地震震源深度特征。同时，从表3可以看出，河北数字台网能记录到比较清晰sPn震相的台站的震中距主要集中在400 km左右，有利于在台站工作中震相分析精度的提高。

表3 河北临城ML4.4地震sPn与Pn震相的特征数据和震源深度Table 3 Characteristic data of sPn and Pn phases and focal depth of ML4.4 Lincheng earthquake in Hebei Province

3 结果分析

对于河北临城ML4.4地震，中国地震台网中心正式公布的震源深度为6 km，这个结果误差比较大，而利用双差定位法重定位后震源深度为7.01 km，结果比较精确。此次地震距临城台6 km，临城台记录到的直达波Pg到时为1.71 s，参考王晓山[13]的最优一维速度模型，P波速度选取为5.4 km/s，利用临城台地震记录计算的震源深度为7.02 km。采用sPn-Pn到时差计算震源深度为6.86 km，与地震重定位结果和单台直达波计算结果相近。双差定位法通常需要地震及其余震全部结束后，收集地震正式观测报告，提取地震事件的初始震中位置和深度，获取P波和S波到时。同时，所选的台站记录必须满足诸多要求，将地震事件配对，震源之间的距离要求小于事件到台站之间的距离和速度不均匀性的尺度，计算所用数据量大、计算过程比较繁琐；单台直达波计算震源深度一般要求地震与台站间距离小，否则计算结果误差大。而利用sPn-Pn到时差计算震源深度时，只需知道该地区的地壳速度模型，得出sPn震相的走时方程，任何震中距在200～1 000 km范围内能记录到清晰sPn震相的台站都能快速、准确地计算出震源深度，不需要S波信息。因此，该方法能在地震发生后不久，快速计算震源深度，节省时间，有利于判断地震危险性，尽可能减小地震灾害损失。

4 结论和讨论

根据华北地区近震走时表的速度模型和sPn震相特征，利用sPn与Pn震相的到时差计算2017年9月4日河北临城ML4.4地震的震源深度。河北省数字地震台网在200～600 km范围内，对于中强地震能记录到清晰的sPn震相。选取8个记录到sPn震相的台站地震波形，识别sPn震相和Pn震相，根据sPn震相的走时方程计算震源深度，最后取平均值得到该地震的震源深度为6.86 km，与地震重定位结果7.01 km接近，但是计算过程更加简单、快速。

利用sPn与Pn震相到时差测定近震震源深度的误差主要来源于sPn和Pn震相识别误差和该地区的地壳模型误差。为了得到更加精确的震源深度，必须准确识别Pn和sPn震相，下一步可以考虑应用滑动时窗相关法准确识别sPn震相，减小计算误差。

sPn震相的准确识别不仅有助于提高台站震相分析的精度，而且应用该方法还能快速、准确地计算出近震的震源深度。准确测定震源深度，可以为评估地震灾害、确定地震成因和深部地壳结构的活动、判断余震趋势等提供可靠依据。因此，应积极将该方法推广到台站实际工作中。