海南三亚4.2级、3.2级地震的波形特征和震源新参数

孙佩雯,彭利媚,李冬雅,王 茺,麻福洋

（海南省地震局，海口 570203）

0 前言

2019年8月20日10时48分在海南三亚市天涯区（北纬18.51°,东经109.41°）发生3.2级地震,震源深度9 km。19时17分在同一震中再次发生4.2级地震,震源深度12 km。震中位于三亚市天涯区育才生态区,距离三亚市区约35 km。震中区震感明显,周边陵水、保亭、五指山、乐东、万宁、儋州、昌江等市县也有震感。

此次地震位于海南岛陆南部的九所—陵水断裂,是区域地震活动正常起伏的表现（如图1）。1970年以来,震中20 km范围内发生M≥3.0级地震1次,即1982年1月25日4.0级地震,震源深度约3.9 km;1970年以来,震中50 km范围内未有M≥5.0级地震记录。

正确的震相识别与地震参数是地震震源研究的基础。不同的震相在不同震中距出现不仅反映震源深度,还反映区域地壳结构。通过科学合理地确定地震震源的深度,不仅有助于实现对于地震灾害情况的精准预估,同时也可以实现对于余震发展趋势以及危险情况的预判。总体而言,目前国际和国内在地震深度定位方法大体上可分为两类,一类是走时定位法,一类是波形反演法。走时定位法,震相到时简单、易于拾取,对于近震台站分布密集的区域,精度可以满足需要,这类方法适用于地震台间距较小的情况。波形反演法,地震波形包含丰富的信息,如果波形记录质量高、震相清晰,利用地震波形来确定震源深度的方法可以得到更高精度的震源深度结果。本报告分析总结了两次地震的波形特征,用CAP方法反演其震源机制并计算了震源新参数,希望可以为未来地震定深以及地震震源性质的研究提供一些参考资料。

图1 三亚4.2、3.2级地震震中图Fig.1 The epicenter map of the Sanya M4.2 and M3.2 earthquakes

1 波形特征

1.1 SmS震相

一般来说,地震震感强烈可能由3个原因引起：一是地震本身震级较大;二是震源深度较浅;三是S波在莫霍界面的超临界反射形成SmS震相,在一定距离上振幅较大、引起明显震感[1]。SmS震相是指震源发出的下行S波在莫霍界面上的反射波（如图2）。当震中距小于全反射临界距离时,由于莫霍界面两侧声阻抗反差不是很大,SmS幅度不大,当震中距大于临界距离、形成全反射时,SmS能量很强。此次三亚两次地震都在震中距48～136 km记录到SmS震相（如图3、图4）,且随着震中距增大,该震相与直达波Sg震相的走时差越来越小,最后两者重叠在一起。震中距在67 km时达到临界距离,SmS震相振幅开始增大,在73 km达到超临界反射距离后,振幅远超直达波Sg振幅,能量达到最强,这些是SmS震相的典型特征[2]。三亚4.2级地震正式编目M震级只有3.7级,但是震中及周边大范围地区都有震感,可能是SmS震相发育引起的。

图2 SmS震相传播路径Fig.2 SmS phase propagation path

图3 三亚4.2级地震SmS震相Fig.3 SmS phase of Sanya M4.2 earthquake

图4 三亚3.2级地震SmS震相Fig.4 SmS phase of Sanya M3.2 earthquake

1.2 sPL震相

sPL震相是从震源出发的SV波入射到自由表面下方时将有一部分能量转换为P波,当临界入射时转换P波将沿着地表传播或者在浅层(如盖层)的一系列多次反射或转换震相[3]。sPL震相在原始波形上看不到,要将地震波形数据预处理：数据SEED格式转换成SAC格式并去倾斜、去均值、和扣除仪器响应处理,对震中距60 km内的台站的水平分向旋转到径向和切向,然后对数据采用1 Hz以下的低通滤波,并积分至地表位移。震相基本特征是：其能量主要集中在径向分量,垂向分量的振幅相对径向要小,切向分量上的振幅很弱,几乎为零,波形具有低频的特性,所含高频成分相对较少,没有P波尖锐。传播路径（如图5）所示。根据均匀半空间模型sPL震相产生的原理[3],可以推算出海南地区地震震源深度h=4.33*（sPLP）。sPL震相通常在震中距50 km范围内,在地壳结构相对简单地区可以明显观测到[4-7]。三亚4.2级地震有JUS、SAY、WZS三个台记录到sPL震相（如图6）,而三亚3.2级地震只有JUS、WZS台记录到,SAY没有记录到（如图7）。利用sPL震相与 P震相到时差,计算三亚两个地震的震源深度在11 km左右。

图5 均匀半空间下sPL和直达P波的传播路径Fig.5 Propagation paths of sPL and direct P waves in uniform half-space

图6 三亚4.2级地震记录的sPL震相Fig.6 The sPL phase of the Sanya M4.2 earthquake

图7 三亚3.2级地震记录的sPL震相Fig.7 The sPL phase of Sanya M3.2 earthquake2震源新参数

2 震源参数计算分析

2.1 震源机制解

震源机制解可以形象地描述震源的性质和受力情况,对地震后续趋势的判定具有一定的参考作用[8]。采用CAP方法进行地震波反演计算,获得了三亚两个地震震源机制解和最佳震源深度。从（如图8）可以看出,三亚4.2级地震节面I的解：走向为301°,倾角为59°,滑动角为-109°,节面Ⅱ的解：走向为154.8°,倾角为35.9°,滑动角为-61.5°,矩震级为MW=4.0;三亚3.2级地震节面I的解：走向为300°,倾角为58°,滑动角为-124°,节面Ⅱ的解：走向为171.8°,倾角为45.3°,滑动角为-48.2°,矩震级为MW=3.7。三亚4.2级地震震源深度在9.5 km处获得最小深度拟合误差;三亚3.2级地震震源深度在10.9 km处获得最小深度拟合误差（如图9）。最佳震源深度计算出的理论波形均能较好地与实际记录波形匹配[9]（图中红线表示理论波形,黑线表示实际记录波形）,台站的波形拟合互相关系数大于60%达到85%,波形拟合效果比较理想,且结果也比较稳定、可靠（如图10）。震源机制解显示两次地震均是正断层兼走滑型地震。从反演结果看,两次地震的震源机制基本一致,说明两次地震的震中构造环境及应力场作用方式相同[10]。

图8 三亚4.2级(a)、3.2级(b)地震震源机制解Fig.8 Focal mechanism solutions of Sanya M4.2,M3.2 earthquakes

图9 三亚4.2级(a)、3.2级(b)地震震源深度拟合误差Fig.9 Fitting error of focal depth of Sanya M4.2,M3.2 earthquakes

图10 三亚4.2级、3.2级地震波形拟合图Fig.10 Waveform fitting diagram of Sanya M4.2,M3.2 earthquakes

2.2 震源新参数

产出震新源参数之前,必须产出震源谱参数零频极限Omeg和拐角频率fc。地震越大,零频极限Omeg越大,拐角频率fc越小,高频成份越少[11]。图11是三亚4.2级、3.2级地震震源谱,红色的是理论震源谱,绿色的是实际拟合的震源谱,从图上可以看出三亚4.2级的零频极限Omeg比三亚3.2级的大,但是拐角频率fc则比三亚3.2级的小。震源谱拟合误差均小于0.6,结果还是比较理想（如表1）。

图11 三亚4.2级(a)、3.2级(b)地震震源谱图Fig.11 Source spectrum of the Sanya M4.2,M3.2 earthquakes

根据台站分布优化台站选择,经计算调整,得出两次地震的震源新参数（如表1）。由计算结果可知（如图12和图13）,满足两次地震的台站分别为18和17个台站,地震台站间的最大张角分别为163.2°和88.28°。两次地震计算的综合ΔU稍微超出要求0.5,可能是由于地震震中在海南岛陆南端,台站分布不太均匀所致。两次地震,震级越大,地震矩、矩震级、震源尺度则越大。

表1 三亚4.2 级、3.2 级地震震源新参数Table 1 New focal parameters of the Sanya M4.2,M3.2 earthquakes

图12 参与计算三亚4.2级地震震源新参数台站分布（a）和方位角(b)Fig.12 Distribution (a) and azimuth (b) of stations participating in calculation of new source parameters of Sanya M4.2 earthquake

图13 参与计算三亚3.2级地震震源新参数台站分布（a）和方位角(b)Fig.13 Distribution (a) and azimuth (b) of stations participating in calculation of new source parameters of Sanya M3.2 earthquake

3 总结与存在的问题

通过对三亚4.2级、3.2级地震记录的波形特征进行分析总结,记录的数据进行处理、反演,得出如下几点：

(1) 利用sPL震相与 P震相到时差,计算三亚两个地震的震源深度在11 km左右。

一杭不想回家，又无处可去，便回到城隍公寓。公寓的大门仍紧闭着，站没站处，坐没坐处。一杭内急，偏偏倒倒走进公寓门口的公厕里，意外发现一张破藤椅，便一屁股坐下去，头靠在扶手上，睡着了。

(2)用CAP反演得到三亚4.2和3.2级地震最佳震源深度为分别为9.5 km、10.9 km,两次地震的震源机制基本一致,均是正断层兼走滑型地震,说明两次地震的震中构造环境及应力场作用方式相同。

(3)两次地震的震源新参数表明,震级越大,地震矩、矩震级、震源尺度越大。

(4)三亚4.2级地震震中及周边大范围地区都有震感,可能是SmS震相发育和震源深度浅引起的。

(5)由于收集的样本少,结论还得进一步跟踪,产出的结果仅供参考。

致谢：感谢海南省地震局张慧高级工程师提供的区域构造背景图。