2016年3月12日盐湖4.4级地震震源深度的测定

刘林飞，孟小琴，王卓君，梁向军

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2016年3月12日在山西省运城市盐湖区(35.00°N、110.90°E)发生M4.4地震，震源深度5 km。此次地震震级虽然不大，却造成大量建筑物不同程度的破坏。《地震灾害损失评估报告》(1)山西省地震局.2016年3月12日盐湖地震灾害损失评估报告，2016.明确指出，这次4.4级地震震级不大，但Ⅵ度区范围很大，造成破坏严重最关键的因素是震源深度浅，仅为5 km，在山西最近几年4级以上地震中极为罕见。为此，文章通过三种方法重新测定此次地震的震源深度，判定导致这种破坏程度诱因的可信度。

目前，随着台网布设密度的逐渐增加，绝大多数台站较好地包围震中的地震，可以比较精确地测定出震中位置。在近台尽可能多且台站包围震中的情况下，测定出的震源深度比较准确，但对于发生在省边界的地震就达不到这一要求。

震源深度是当前数字地震台网的重要参数之一，其精确性对于地震灾害评估、余震发展趋势以及危险性的判定有着重要意义[1-2]。目前，不同测定地震震源深度的方法在实际应用中有所不同。在基于地震波形数据测定震源深度的方法中，SPL震相测定震源深度方法[3]已得到广泛使用。李志伟[4]用SPL震相测定了南北地震带的3次4～5级中强地震的深度，并验证了USGS地震目录给出深度的可靠性；詹小艳[5]用该方法测定了2012年7月20日江苏高邮M4.9地震的震源深度，表明在江苏中部地区利用SPL震相测得的深度比较可靠；郝美仙[6]用同样的方法测出2017年6月3日阿拉善左旗5.0级地震的震源深度为11 km，与其他研究方法测定的结果比较接近，最终获得了高精度的深度值。PTD方法[7]是一种快速方便测定震源深度的方法，宋秀青[8]用此方法测定了2017年精河MS6.6地震序列较为精确的震源深度；王新岭[9]用该方法测定了巴林左旗5.9级地震的震源深度，不仅探讨了定位结果的误差分析，而且还对该方法的局限性进行说明；殷伟伟[10]等利用“山西2015速度模型”计算山西地区符合条件的77次地震的震源深度，该方法相对于日常定位软件测定的震源深度结果精度较高。CAP方法在测定震源机制解的同时，可以获得拟合的最佳震源深度，该方法可以对比不同深度的震源机制解反演的误差，最终给出最合理的震源深度，并得到广泛应用[11-12]。

上述3种不同测定震源深度的方法，其原理不同，故在测定时选择台站的优势震中距也不同。日常的定位软件，在台网密集、震中距较小时方可获得较高精度的震源深度，而盐湖地震发生在山西省边界地区，台站包围较差，速报给出的震源深度为5 km。为验证其可靠性，选用以上3种方法来重新测定此次地震的震源深度，将不同方法得到的深度进行对比分析，以得到较高精度的深度值，为准确评估地震灾害,确定地震发震构造和深部动力学环境提供参考依据。

1 研究方法

1.1 sPL震相测定法

崇加军2010年的研究成果表明，应用震中距≤50 km的sPL震相来测定近震震源深度，来自震源的SV波入射到自由表面下方时，会有一部分能量转换成P波，在震中距约为2倍震源深度以外的地方发育较好，比S波先到达[13](见图1)。转换P波在临界入射时将沿着地表传播，Aki将此波称为“Suerface P-wave”，该波的水平视速度等同于P波速度，出现在临界距离上，当该波随距离变化时，其衰减也较快，但是，其起始可能比直达的S波尖锐，与首波的性质相类似。崇加军[3]等将“Suerface P-wave”定义为sPL震相,该波发育较好的优势震中距在30～50 km范围。在径向分量sPL震相的能量最强，垂向分量次之，切向分量最弱，波形具有低频特征，没有P波尖锐。sPL震相相对直达P波的到时差随着震源深度的增加呈线性关系，可以较好地确定近震的震源深度。

图1 sPL深度震相与直达P波的射线路径示意图Fig.1 Schematic diagram of ray paths sPL deep seismic phases and direct P waves

1.2 PTD测定法

PTD方法是测定震源深度的确定性方法之一，如图2所示，E点为震中所在点，将地壳简化为上、下地壳两层均匀模型，其中上地壳的厚度为H1、速度为V1，下地壳的厚度为H2、速度为V2，震源深度为h，S代表台站位置。根据地震波走时方程可知，当台站S2所处的震中距大于Pn震相作为初至震相的理论震中距D时,将台站S3的实测Pn到时减去Pn震相BC段的理论走时，即可得到S2的理论Pn到时，然后再减去S2的实测Pg到时，根据二者的到时差便能够计算出震源深度。有时也存在特殊情况，当台站S1的震中距小于D时，此台站不能接收到Pn震相，应用同样的方法减去Pn震相AC段的理论走时，得出台站S1的虚拟Pn到时。

1.3 CAP测定法

CAP方法将区域范围观测波形分解成Pnl和面波部分进行分别拟合，移动每个部分的波形，计算实测和理论波形的误差函数，在给定参数空间范围内采用格点搜索法进行网格搜索，最终得到在相对误差最小时的震源机制解和最佳的震源深度[14]。

2 数据选取

在上述3种测定震源深度的方法中，sPL震相和CAP方法用的是山西地震台网记录到的2016年3月12日河津4.4级地震的数字化波形资料，PTD方法使用的是中国地震台网中心正式编目结果的震相。

图2 PTD测定深度原理Fig.2 PTD depth determination principle

3 速度模型选取

为获得精确的震源深度，文章选用统一的速度模型[15](见表1)。

表1 山西地区2015年地壳速度模型Table 1 Crustal velocity model of Shanxi in 2015

4 震源深度的测定

4.1 sPL震相测定震源深度

参照崇加军[3]的研究结果，sPL震相出现在距离震中数十公里的台站，尤其在震中距30～50 km范围内sPL震相发育较好，于是，对2016年3月12日盐湖4.4级地震的波形进行分析，挑选信噪比较高的波形记录，根据sPL震相的特征，以低频为主，在径向分量的能量最强，垂向分量的能量次之，切向分量振幅相对而言较弱，直达波S波的起始一般比较尖锐等特征，sPL震相不太容易被认为是S波的初至。根据以上特点，通过计算，该地震仅有距离震中40 km的万荣台(WAR)符合条件，应用万荣台的三分向记录波形提取sPL震相(见第8页图3)。从图3中清晰地看到sPL震相，在震源深度10 km时三分向的理论地震图与实际观测波形较一致(见第8页图4)，说明应用sPL震相测定的震源深度约在10 km处。

4.2 CAP方法反演测定结果

应用山西及邻省地震台网的数字化波形资料，用CAP反演方法，根据方位角与信噪比的要求，选取震中距小于200 km台站的波形数据(见第8页图5)。通过计算，2016年3月12日盐湖4.4级地震最终遴选出符合条件的7个台站，对其波形记录进行CAP反演及深度拟合。如图5所示，理论波形与观测波形拟合较好。此次地震虽发生在山西省边界，通过借用陕西省地震台网合阳台(HEYT)和华县台(HUAX)的观测资料看出,台站包围较好(见图6)，82%体波的相关系数大于60%。从震源机制解随深度变化结果看出(见图7)，此次地震在震源深度12 km处震源机制结果最佳，一致性较好，说明此次地震在该深度值的震源机制解较稳定。

图3 震源深度10 km和震中距40 km处三分量位移波形比较图Fig.3 Comparison of three component displacement waveforms at focal depth of 10 km and epicenter distance of 40 km

图4 WAR台理论位移波形随深度变化及实际波形的径向、切向、垂向对比图Fig.4 Comparison of the theoretical displacement waveform of WAR with depth and the radial, tangential and vertical of the actual waveform

图5 盐湖地震波形拟合图Fig.5 Fitting diagram of Salt Lake seismic waveform

图6 所用台站及震中分布图Fig.6 Epicenter and distribution of stations used

图7 盐湖地震不同深度上反演误差比较Fig.7 Comparison of inversion errors in different depths of Salt Lake earthquake

4.3 PTD方法测定结果

PTD测定方法速度模型使用殷伟伟2015年的研究成果[16]，进行参数设置。当理论到时与实测到时相差大于0.5 s时，剔除此样本点；当震源深度大于1 km时才可用，参与计算最后的深度平均值。为保证Pg、Pn震相有较高准确度，在震中距方面，Pg震相≤150 km、Pn震相≥150 km时，具备参与计算此次地震震源深度的条件，无需指定哪一层界面的震源深度，在地壳厚度值41 km范围内搜索。PTD方法测定震源深度使用Hyposat方法的定位结果，有Pn震相29个、Pg震相42个，856个Pn-Pg数据对，Hyposat方法定位的震源深度为9.5 km。该方法获得的震源深度值为11.9 km(见图8),取整为12 km。由大量单个震源深度发现，这些深度值满足统计规律，856个独立的震源深度结果符合高斯分布，验证了所用的速度模型与实际的区域构造比较接近，其结果的可信度相对较高。因此，认为此次地震震源深度的结果为12 km。

图8 PTD方法测定盐湖4.4级地震深度结果Fig.8 PTD method for measuring the depth of Salt Lake M4.4 earthquake

5 结论与讨论

应用sPL震相测定法、CAP及PTD方法重新测定2016年3月12日盐湖M4.4地震的震源深度，得到如下结论：

(1) 三种方法测定的结果比较一致，此次地震震源深度为10～12 km之间，与统一编目结果相近。

(2) sPL震相反映的是震源破裂起始点的信息，用CAP方法反演得到的矩心位置相当于地震滑动的“矩心”[15]。sPL震相测定的结果有别于CAP方法，原因可能是受震源破裂尺度的影响。