基于sPL 震相测定山西地区的震源深度

梁向军，魏娅玲，张东亚，刘林飞

(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.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030021)

地震的震源深度一直被国内外的地震学家关注。震源深度的研究，对于地震孕育和发生的深部环境、地震能量集结、释放的活动构造背景有重要的意义(张国民等，2002)。然而，如何比较精确确定地震的震源深度一直是个难题。近年来，地震学者一直在探索改善震源深度测定精度的方法。有的研究者用sPn震相测定震源深度的研究，并建立了sPn与Pn的走时关系(房明山等，1995；任克新等，2004；洪星等，2006)；也有部分学者用PTD方法研究地震的震源深度，改进了震源深度的测定精度(殷伟伟等，2006；朱元清，1997)；Langston(1987)利用sPg和Pg的相对到时差研究了1968年澳大利亚Meckering近震序列的深度分布，Bocketal(1996)利用sPmP测量了近震的震源深度。研究表明，这些方法可以有效地提高震源深度的测定精度，但是，由于深度震相不同，优势的震中范围和使用条件也不同，在实际工作中只有科学利用，获得的结果才相对可靠、合理。全国测震台网目前通用的Pg(Sg)走时定位方法只有在台网密集、震中距较小的情况下获得的震源深度才较为可靠。但是对于台网相对稀疏或者发生在辖区边界的地震，由于近台较少，而较远台站的地震波走时对震源深度不够敏感，从而较难确定震源深度。在山西地区，对于发生在山西中部的地震，台站包围较好，震源深度约束的比较好，对于发生在边界的地震，地震的可靠性较差。所幸，崇加军等(2010)首次提出利用50 km范围内的sPL震相来确定近震的震源深度。已有研究结果表明：基于近震深度震相sPL与P波的相对到时差可以较为准确地测定地震的震源深度，并在2011年安庆地震(包丰等，2013；谢祖军等，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，本文也尝试利用sPL震相对山西台网的地震事件的震源深度进行重新测定。

1 sPL震相测定震源深度

图1 sPL深度震相与直达P波的射线路径示意图

崇加军等(2010)利用50 km范围内的sPL震相来确定近震的震源深度，从震源出发的SV波入射到自由表面下方时将有一部分能量转换为P波，在约2倍震源深度以远的震中距上比较发育，早于S波到达(见图1)。当临界入射时转换P 波将沿着地表传播，Aki 称此波为“ Suerface P-wave”，它的水平视速度和P 波速度相等，出现在临界距离上，虽然随距离的变化衰减很快，但是它的起始可能比直达S波尖锐，某些方面具有与首波类似的性质。地表P波只定义了上述沿着地表的那一支震相，但是实际情况中，均匀半空间模型太过简单，对于更接近真实的速度随深度增加的模型，可能已经不是一支震相，而包含了临界距离附近P波在浅层(如盖层) 的系列多次反射或转换震相，这些震相与“ Suerface P-wave” 到时较一致而混合在一起。由于该震相是由S波和P波相互耦合而产生，同时为了更具普遍意义，这里将Aki定义的“Suerface P-wave” 和这些多次反射折射震相形成的一个波列定义为sPL (s coupled into P wave)，其中S表示地震激发的S波部分往上传播。定量地震学已经定义了sPL震相，其对应于远震的S 波(从震源向下传播) 在Moho下方耦合形成的长周期的P波波列，而本文的sPL则是在近距离上只在地表附近传播的波。由于sPL与P波相对时差消除了发震时刻的影响，且几乎不随震中距变化，减小了地震水平位置误差的影响，因此具有较高的震源深度测定精度。

2 资料选取与深度测定

图4 利用sPL震相计算出的39个地震震中分布

图3 2016年3月12日盐湖4.4级地震万荣台(WAR)三分量位移波形图

本文选取了2010年1月1日至2017年12月31日期间山西及周边地区97次ML≥3.0地震事件的波形资料，对震中距70 km范围内台站的三分量位移波形进行了分析，挑选出高信噪比波形记录，将水平分量波形旋转至径向和切向，使初至P波波形在切向分量最小，并进行滤波处理，具体流程见图2。在速度结构较为简单的地区，sPL波形可以被清晰的观测到(见图3)，但是如果在速度结构相对较为复杂的地区，波形会多次折射叠加，这对拾取sPL震相会有一定的影响。本文在研究中所用的速度模型(殷伟伟等，2018)如表1所示。根据P波震相特征挑选出具有清晰sPL震相的波形用于震源深度分析，最终计算出贯穿山西断裂带上39个地震(见图4)的震源深度值(见表2)。

图2 资料处理流程图

表1 山西地区地壳速度模型

表2 sPL震相测定的39个地震的震源深度

3 震源深度分析

表3 不同深度的地震事件个数统计

图5 利用sPL震相测定的震源深度分布

按震源深度范围对地震事件进行统计(见表3)，可以看出这39个地震事件的震源深度主要集中在11～25 km，占89%，深度在5 km以内无地震，26～30 km只有2次地震，优势震源深度分布在11～20 km。震源深度分布图(见图5)直观地反映了山西地区的震源深度分布情况，山西北部的地震震源深度普遍较浅，中南部地区的地震要比北部地震的震源深度深，在震例较少的情况下，能看出山西地区地震震源深度有由北向南逐渐变深的趋势。

4 与统一编目结果比较

将sPL方法测得的39个地震事件的深度值与中国地震台网中心统一编目最终给出的结果相比较(见图6、7)，结果显示，除了1个震例(2010年1月24日发生在山西河津的4.8级地震)测定的震源深度结果偏差较大外，这两种方法测定的结果比较接近。针对这次地震，sPL方法获得的深度值为30 km，统一编目定位的结果为8 km，这两种方法测得的深度值相差22 km，用CAP方法反演震源机制拟合得出的最佳深度值为19 km(宋美琴等，2012)。结合震后地震现场宏观调查，此次地震的破坏性较小，可以断定此次地震的震源深度在20 km左右，所以sPL方法测定的此次地震震源深度30 km还是很有意义的。而统一编目给出的震源深度为8km，误差较大，这与当时使用的定位软件MSDP所配置的速度模型(J—B)及使用的定位方法密切相关，单纯型定位方法测得的深度很少大于10 km。从图6中发现，在第14个震例(2013年)之后，随着软件的不断升级和山西台网速度模型(王霞等，2015；殷伟伟等，2018)(2016年)的使用，单纯型和Hypo2000两种定位方法综合测定的深度结果大有改善，差值逐渐缩小，基本接近。从图7还发现，不论哪种方法测得的震源深度值，山西北部的地震绝大多数的深度要浅于山西中、南部的地震。

图6 sPL与统一编目测定震源深度对比

图7 sPL与统一编目测定震源深度空间分布

5 结论与讨论

(1) 本文选取了山西及周边地区50 km之内的97次ML≥3.0地震的波形资料，利用sPL震相计算出39次地震的震源深度，这些地震的优势震源深度为11～25 km，且呈现出山西北部地震的震源深度比中、南部浅的趋势。(2)将利用sPL震相测定的震源深度结果与统一编目的结果相比较，除极个别地震外，两种方法测定的深度结果差值不大。特别是从2016年开始，定位软件中启用了山西台网的速度模型之后，两种方法的定位结果更加接近。(3)值得注意的是，目前山西台网使用的定位软件中的单纯型定位方法会出现不太稳定的情况，有时会出现大于30 km的震源深度，台网人员要在日常定位中利用Hypo2000方法定位进行比较，尽可能为断裂构造活动分析与地震危险性评估提供可靠的震源深度。

致谢：感谢陕西省地震局赵韬工程师在软件使用过程中给予指导。