2018年云南通海2次MS5.0地震震源机制解及深度测定

李姣 姜金钟 王光明 付虹

摘要：准确的震源机制解和震源深度是深入理解地震发震机理的基础。针对2018年8月13、14日在云南通海发生的2次MS5.0地震，利用云南地震台网30多个宽频带地震仪的波形记录，采用3个不同的区域速度模型和CAP方法获得了2次地震的震源机制解及矩心深度，并选取方位角约为300°的不同震中距的多个台站记录到的sPn深度震相准确测定了2次地震的初始破裂深度。结果表明：①基于数量更多、方位角覆盖较好的近台宽频带地震波形，在不同频率域内利用3个速度模型反演得到了2次地震的矩心深度分别为8 km和7 km;②利用震中距大于260 km、方位角约300°的多个地震台记录波形的sPn和Pn震相的到时差，测定2次地震的初始破裂深度约为10 km，2种深度的差异可能是反映了主震沿断层面自下向上扩展的破裂过程;③结合双差重定位及CAP反演结果，初步认为2次MS5.0地震的震源机制解应该是一致的，2018年2次通海MS5.0地震的发震断层应该为同一条左旋走滑型断层，其断层面走向/倾角/滑动角约为20°/75°/-10°。

关键词：通海地震;CAP方法;sPn深度震相;震源机制解;震源深度

中图分类号：P315.33   文献标识码：A   文章编号：1000-0666（2021）02-0133-12

0 引言

据中国地震台网正式测定，2018年8月13日1时44分在云南省玉溪市通海县（24.19°N，102.71°E）发生了MS5.0地震，震源深度7 km;8月14日3时50分在主震震中附近又发生了一次MS5.0地震，震源深度6 km，2次地震的震源几乎位于同一位置。根据国家地震科学数据中心①提供的中国地震台网正式地震目录记录，第一次MS5.0地震震源深度为14 km，第二次MS5.0地震的震源深度为6 km;而根据云南地震台网给出的正式地震目录，2次通海MS5.0地震的震源深度较深，分别为17 km和15 km，不同机构给出的2次MS5.0地震震源深度存在明显差异，不利于深入研究其发震构造、孕震机理等科学问题，故有必要对其进行重新测定。

准确的震源深度对于地震灾害评估、确定地震成因和动力学环境、判断余震发展趋势、地震危险性评价等具有非常重要的意义（郑勇，谢祖军，2017;Weng，Yang，2017），但目前中国地震台网给出的震源深度一般是在一维速度模型下、利用基于P波和（或）S波走时数据的绝对定位方法反演得到，常常存在较大的不确定性（潘睿等，2019）。通常可利用相对定位方法，如双差地震定位方法提高定位精度（Waldhauser，Ellsworth，2000），但当初始震源深度明显地偏离其实际深度时，重定位也很难有效“校正”其震源深度（李姣等，2020），因而当前基于数字地震波形的方法也被广泛应用于准确测定震源深度的研究之中，如大量研究表明利用宽频带波形的Cut-and-Paste（CAP）等波形拟合方法（Zhu，Helmberger，1996;韦生吉等，2009;Jiang et al，2019）和利用sPL、sPn等深度震相方法（Ma，Atkinson，2006;崇加军等，2010;孙茁等，2014;潘睿等，2019）均能准确测定较大地震（通常为M≥5.0地震）的震源深度，测量精度一般能达到1 km左右（崇加军等，2010）。

不同研究人员和机构给出的2次通海地震的震源机制解反演结果表明，断层节面的几何参数和滑动方向均存在较大差异，如王月等（2020）统计的不同研究得到的快速地震矩张量反演结果和王光明等（2018）利用CAP方法反演得到的震源机制解显示，这2次地震的发震断层走向存在相差约180°的情况，且中国地震台网中心给出的断层滑动角（～40°）与其他研究给出的断层滑动角（～10°）相差较大，是由于早期地震波形数据不完整和（或）反演过程中采用了不同的滤波频带、速度模型等，还是因为这2次地震确实发生在几何参数完全不同的2条断层上，这一问题不论是对于区域活动断裂分布还是地震危险性分析均值得进一步深入研究。

为了获得更加准确的2018年2次通海MS5.0地震的震源机制解和震源深度，本文利用CAP方法，采用3种不同的区域速度模型并在2个频率范围内反演其震源机制解及震源深度。此外，本文采用sPn深度震相（任克新等，2004;张瑞青等，2008;孙茁等，2014）独立测定2次地震的震源深度，但考虑到sPn深度震相的拾取需要一定的经验且存在较大的不确定性（潘睿等，2019），笔者选取震中距大于260 km、台站方位角约为300°的多个地震台记录到的波形，准确拾取Pn及sPn深度震相到时，测定了2次地震的震源深度。

1 数据选取和研究方法

1.1 台站分布和数据概况

2018年2次通海MS5.0地震发生于川滇菱形地块东南端，该地区地质构造复杂、深大断裂发育，震中100 km范围内发育有红河断裂、曲江—石屏断裂和小江断裂等主要活动断裂及其他次级断裂（图1、2），地震活动频繁且剧烈（皇甫岗，2009）。通海地区历史上曾发生过多次M≥7地震（闻学泽等，2011），自有地震记录以来發生的最大地震为1970年1月5日通海7.8级地震，该地震造成了重大的人员、经济损失（张之立，刘新美，1982），因而通海及附近地区的地震活动和危险性一直被广泛关注（王洋等，2015;胡萌萌等，2020）。为了监测该地区的地震活动，云南地震台网自2007年以来在通海及周边地区布设了多个宽频带固定地震台进行连续观测，如图1所示，图中“历史地震”为1970年以来通海及周边地区发生的MS5.0地震，断层数据来自邓起东等（2003），台站代码对应台站名称见表1。

本文选取云南地震台网（包含云南下关小孔径台网）记录到的初至震相清晰且信噪比较高的波形记录以及相应的人工拾取得到的P、S震相到时，经过筛选最终采用了通海台（TOH）、建水台（JIS）和石屏台（SHP）等30多个固定地震台（包含CAP和sPn深度震相2种方法所用台站）的波形数据，这些台站以较为均匀的方位角包围了2次通海MS5.0地震震中（图1），从而可以最大程度保证震源机制解反演结果的准确性和稳定性，以及震源深度测定的可靠性（韦生吉等，2009;Jiang et al，2019）。此外，本文还根据不同研究方法选取不同的波形数据组合，如基于CAP方法和sPn深度震相两种方法的不同原理，采用了不同台站记录的波形数据进行相关研究。

1.2 研究方法及速度模型

基于宽频带数字地震波形，本文首先采用CAP方法反演2018年2次通海地震的震源机制解和震源矩心（或质心）深度。CAP方法将地震波形分为Pnl（P波及后续震相）和S波（或面波）2个部分，分别在不同频率范围内计算Pnl和S波（或面波）理论地震波形（由给定的区域速度模型和震源机制解等参数计算得到）和实际观测波形之间的误差函数，并运用网格搜索方法获取给定参数空间中误差函数达到最小时的最佳震源机制解及震源矩心深度，具体方法原理参考Zhu和Helmberger（1996）。与其他震源机制解反演方法相比，由于CAP方法在理论和观测波形拟合时允许Pnl和S波（或面波）波段有不同的时间滑移，故对区域速度模型的依赖性相对较小，并且该方法同时利用了体波和面波信息，在确定中强地震震源机制解、尤其是在测定震源矩心深度方面存在优势，如易桂喜等（2012）和鄭勇等（2009）利用不同速度模型进行了反演结果的稳定性测试，结果表明不同速度模型间反演得到的震源深度差异小于2 km。

数学推导及理论走时计算结果表明：sPn深度震相与Pn震相到时几乎不随震中距变化而变化，但随震源深度增加呈近线性增加（潘睿等，2019），这一特征使得sPn深度震相成为测定震中距小于1 000 km的浅源地震震源深度较为实用的震相之一（任克新等，2004;高立新等，2007），对于台站稀少、数据偏少的情况下的中小地震定位，利用近震深度震相如sPn震相确定震源深度具有重要意义。目前基于sPn深度震相确定震源深度的方法也已经得到了广泛运用，如张瑞青等（2008）和孙茁等（2014）通过滑动互相关识别的sPn震相，得到了2008年汶川地震17个中强余震和2013年芦山地震28个中强余震较为准确的震源深度;潘睿等（2019）利用sPn震相测定了2017年云南漾濞MS5.1和MS4.8两次地震的震源深度。

考虑到云南地区壳幔结构具有明显的横向不均匀性，本文选用在云南地区应用较为广泛的3个不同区域的一维速度模型分别进行CAP方法反演，速度模型来源及编号参见潘睿等（2019）。反演过程中采用不同速度模型，一方面可依据波形拟合误差值对比得出最为准确的震源机制解和震源深度，另一方面也可以得到最符合该地区地下介质实际情况的速度模型（即最佳速度模型），将最佳速度模型应用于本文的其他研究，如利用最佳速度模型计算sPn深度震相及Pn震相理论走时以测定2次通海MS5.0地震的震源深度，也可将其应用于未来在临近区域发生的中强地震的震源机制解及震源深度等相关的研究工作。

2 利用CAP方法反演震源机制解及矩心深度

本文利用频率-波数（FK）方法（Zhu，Rivera，2002）计算得到3个不同一维速度模型的格林函数库用以计算理论地震波形，再选择云南地震台网中震中距小于300 km、方位角分布较为合理的30个固定地震台（图1）的宽频带波形记录，将各台站记录波形做去均值、去趋势等预处理，再去除仪器响应后得到真实地面运动记录，然后将E（东西向）、N（南北向）、Z（垂直向）三分量地震记录旋转到大圆弧路径上，从而得到R（径向）、T（切向）和Z（垂直向）分量波形用于CAP反演。

反演过程首先将三分量波形记录截为Pnl波（波形窗长30 s）和S波（或面波，波形窗长60 s）2个部分，然后采用2组不同的频率范围进行带通滤波。第一组滤波频率范围为Pnl波段0.05 ～ 0.2 Hz、S（或面波）波段0.05 ～ 0.1 Hz，这也是大多数研究采用的滤波频率（易桂喜等，2012;潘睿等，2019）;第二组滤波频率相对较高，Pnl波段为0.15～0.3Hz、S（或面波）波段为0.08～0.15 Hz。针对宽频带波形采用2组不同的滤波频率，一方面是为了验证CAP方法波形反演结果的稳定性与可靠性，另一方面是由于本文用到了约1/3数量的近台（震中距小于或接近100 km）波形记录，而近台记录到的较高频率的P波波形信息对震源机制解及深度反演的准确性至关重要（Tan，Helmberger，2007）。

基于经过预处理的震中距在300 km以内的30个台站的宽频带波形资料，本文利用CAP方法分别在3个速度模型下在不同震源深度处（1～25 km）搜索2次通海MS5.0地震的震源机制解，并综合CAP反演中的波形拟合误差值（图3），采用2号速度模型在较高滤波频段内反演得的理论波形（红色）和观测波形（黑色）的互相关系数以及时间滑移量的对比分析（图4），发现来源于人工地震折射方法和波形反演综合研究的2号速度模型（吴建平等，2004）应为本文中的最佳一维速度模型。

不同速度模型下的反演结果表明2次通海MS5.0地震的双力偶震源机制解基本一致（表2），且震源矩心深度也比较接近（图3），既显示了CAP方法具有对速度模型依赖较小的优势，又表明本文反演结果具有较高的稳定性和可靠性。此外，采用较高（0.08 ～ 0.3 Hz，图5a）和较低（0.05 ～ 0.2 Hz，图5b）两种滤波频率的波形记录的CAP反演也得到了基本相同的震源机制解（表2）和矩心深度，更进一步表明了本文CAP反演结果的准确性和可靠性。

需要指出的是，CAP方法得到的震源深度（矩心深度）与地震定位所得到的初始破裂深度在物理意义上有所区别，但考虑到本文研究的MS5.0左右的地震破裂尺度较为有限（一般约为3 km，参考自Wells，Coppersmith，1994），故可将CAP方法得到的矩心深度近似等同于其震源深度。本文CAP反演结果表明2次地震的震源矩心深度应分别为8 km和7 km，即使考虑到其不能完全等同于初始破裂深度，也和云南地震台网正式地震目录给出的2次通海MS5.0地震的震源初始破裂深度（分别为17 km和15 km）存在明显差异，因此有必要再采用其他方法独立测定2次地震的初始破裂深度。

3 利用sPn深度震相测定初始破裂深度

基于射线理论和2号速度模型的震相理论到时（Snoke，2009）计算表明，Pn及sPn震相只有在一定震中距范围内才会出现：对于震源深度为8 km的地震事件，当台站震中距大于220 km时，Pn震相开始成为初至震相，且sPn深度震相出现在后续波形记录上（图6a）;当震源深度逐渐增加时，sPn与Pn震相到时差（tsPn-Pn）近似线性地增加（图6b），故本文选取震中距为240～450 km的台站记录的初至Pn波震相清晰、波形信噪比较高的宽频带地震波形，利用sPn与Pn震相到时差分别确定2次通海MS5.0地震的震源深度。

孙茁等（2014）研究显示，sPn和Pn震相的优势频率范围为0.1～1 Hz，由于sPn波是由S波转换而成，故其周期一般比Pn波更长，初动方向与Pn波相反，且在垂直分量振幅较大（任克新等，2004;潘睿等，2019）。然而，人工拾取Pn及sPn震相需要较为丰富的工作经验且通常可能存在较大的误差，拾取误差有时可达0.5～1.0 s，对应的深度测量误差达1.5～3 km（孙茁等，2014），尤其当初至Pn震相不清晰、波形信噪比较低时，甚至还可能出现Pn及sPn震相拾取错误的情况。

为了更加准确地拾取Pn和sPn震相，张瑞青等（2008）和孙茁等（2014）利用固定或者流动密集台阵在某一特定方位角范围内的地震记录和滑动互相关方法准确识别了Pn和sPn震相，得到的震相到时差拾取误差通常小于0.2 s，相应误差约0.6 km（孙茁等，2014）。考虑到云南地震台网的实际情况，本文采用类似的方法以避免sPn震相拾取存在较大误差的问题，具体方法是首先选择某一相近方位角的Pn震相清晰的多个地震台垂直向波形，然后对选取的宽频带地震波形去除仪器响应，并以0.05～1 Hz进行带通滤波，最后将不同震中距的台站波形以Pn震相对齐，由于sPn与Pn震相的到时差只与震源深度有关而与震中距无关，而台站方位角相似可以很大程度上消除由于地下介质横向不均匀性引起的波形差异（张瑞青等，2008），故对齐后sPn震相也应该是同时出现在波形记录上。

根据云南地区地震台站（包含云南下关小孔径台站）的分布情况及波形记录质量，本文选取通海西北、方位角约为300°的8个地震台站（主要位于云南大理地区，震中距及方位角具体情况见表3）的波形记录，这些台站均较好地记录到初至Pn震相，如图7所示。将所有波形在Pn波到时处对齐后，可观察到分别在第一次MS5.0地震波形记录的4.1 s处（图7a）、第二次MS5.0地震波形记录的3.7 s处（图7b）明显出现了一个与震中距大小无关、振幅及周期较Pn波更大的震相，经过对比分析，并未在其他时间处发现具有这一特征的其他震相，故该震相应为sPn深度震相，即2次地震的sPn和Pn震相到时差tsPn-Pn分别为4.1 s和3.7 s，相应的震源初始破裂深度分别为10.6 km和9.5 km（图6）。

4 讨论

由于目前国内地震台网编目工作一般是基于P波、S波走时数据，此时得到的震源深度和发震时刻之间存在折衷，因而震源深度的精确测定一直以来是常规地震编目和科学研究中的难点。研究表明震源深度定位的精度主要依赖于地震台网的密度，只有当震中距小于约1～2倍震源深度时，基于走时方法确定的震源深度才有较高的定位精度（Stein，Wiens，1986;Mori，1991）。云南地区大部分地震的震源深度主要分布在10 km左右，但当前云南地区地震台站数量较少、平均台网密度约为50 km且分布极不均匀，因此较大地震（如2次通海MS5.0地震）发生后，云南地震台网给出的早期主震及余震事件的震源深度定位误差通常较大，需要台网工作人员和利用云南地震目录进行研究的人员加以注意。

由于地震波形包含了更多的震源信息，地震学研究中通常还利用波形记录中的特殊震相（如深度震相）、偏振、振幅、频谱乃至全波形信息确定震源深度，利用波形信息确定震源深度避免了震源深度和发震时刻相互折衷引起的非唯一性和测量误差，可以有效地提高震源深度的精度（罗艳等，2013）。在台站分布合理、区域速度模型准确的情况下，利用波形测量震源深度的精度能达到1 km，甚至更高（崇加军等，2010;孙茁等，2014;Qian et al，2019;Yang et al，2020）。随着云南地区地震台站的加密布设、川滇地区公共速度模型的构建与完善（姚华建，2020），未来基于地震波形的震源深度测定方法在云南及其他地区将有更为广泛的应用。

本文得到的矩心深度与王光明等（2018）的反演结果基本一致，但初始破裂深度与云南地震台网和国家地震数据中心利用震相走时得到的震源深度存在较大差异（表4），类似的情况在2016年云龙MS5.0（Jiang et al，2019）、2017年漾濞MS5.1和MS4.8地震（潘睿等，2019）的震源深度测定等研究中被多次发现，分析其原因一方面是由于基于波形记录的震源深度测定方法（如CAP和sPn深度震相方法）可避免震源深度和发震时刻之间的折衷，另一方面可能是由于主震发生后早期缺乏近台（如震中距小于20 km）观测资料导致的利用震相走时得到的定位误差较大（李姣等，2020）。因此，对于中强地震的主震及震级较大的早期余震（如ML≥4.0）事件，最好采用基于地震波形的方法独立测定其震源深度并应用于后续分析研究。本文利用CAP方法和sPn深度震相得到了2018年2次通海MS5.0地震的震源深度，其矩心深度和初始破裂深度分别约为8 km和10 km，两者相差约2 km，但仍在5级地震地下破裂尺度范围之内（Wells，Coppersmith，1994），以此初步推测2次地震可能有自下沿断层面向上的扩展破裂过程。

为了验证2次地震震源机制是否相似，本文参照Yang等（2020）的研究方法，选取距离2次通海MS5.0地震震中较近、方位角不同的5个地震台的波形记录（台站震中距及方位角参见图8a），将其在0.05～0.2Hz及0.08～0.3 Hz两个频段（与CAP反演的滤波频段一致）带通滤波后进行对比分析（图8），基本相似的体波及面波波形表明2次地震具有基本一致的震源机制，这也与地震序列重定位结果所反映的发震断层构造相一致（图2）。高度相似的体波及面波波形也能初步反映2次地震的震源距离应该较小，与王月等（2020）研究得出的2次地震空间相距约18 km不一致。综合双差重定位结果（王光明等，2018;王月等，2020）和本文震源机制解及震源深度反演结果初步分析，2018年2次通海MS5.0地震的发震断层应该是一条走向约为20°，倾角约为75°，滑动角约为-10°的左旋走滑型斷层。

5 结论

本文基于云南地震台网方位角覆盖较好的30多个宽频带地震台的数字波形记录，采用CAP方法和3个不同速度模型在2个不同滤波频段内反演得到了2018年2次通海MS5.0地震的震源机制解和矩心深度，并且利用方位角相似的多个地震台站波形记录中的sPn深度震相对2次地震的初始破裂深度进行了再次测定，得出以下主要认识：

（1）2018年2次通海MS5.0地震的震源矩心深度为8 km，与其他研究的反演结果基本一致，初始破裂深度为10 km左右，推测这2种深度的差异可能是反映了主震破裂具有一定程度的沿断层面自下向上扩展破裂过程。

（2）云南地震台网正式地震目录给出的中强地震的主震及早期余震事件的震源深度可能存在较大的定位误差，其原因一方面是基于震相走时的地震定位在发震时刻和震源深度之间存在折衷效应，另一方面可能是由于主震发生后早期缺乏近台（如震中距小于20 km）观测资料导致的定位误差较大，因此在利用这些地震事件的震源深度做研究分析时应加以注意。

（3）CAP方法反演结果以及不同方位角和震中距的台站记录波形对比表明2次MS5.0地震的震源机制解应该是一致的，即2次地震应该发生在同一条断层上，结合双差重定位结果及区域活动断层分析，初步认为2018年2次通海MS5.0地震的发震断层应该为一条走向约为20°，倾角约为75°，滑动角约为-10°的左旋走滑型断层。

准确的震源机制解和震源深度是判定发震断层、孕震机理研究和地震危险性评价的重要基础。随着固定地震台及流动观测台阵的加密布设、区域三维速度模型的完善与分辨率的提高，以及地震学等研究方法的提出与改进，将来有望在震源机制解及震源深度反演精度方面得到明显提升。本文仅根据云南地震台网的台间距约50 km（部分地区约20 km）的宽频带固定台的数字波形，得到了相较于台网地震目录更加准确可靠的2次通海MS5.0地震的震源深度，并初步推测了其可能的发震断层面，但2018年2次通海地震的具体发震构造、孕震机理及破裂过程等问题还有赖未来更为细致的研究。

本文圖件主要用GMT6软件绘制完成，地震波形数据处理主要由Seismic Analysis Code（SAC）软件包完成，CAP程序包由美国圣路易斯大学朱露培教授提供，云南地震台网提供了2018年2次通海地震波形及观测报告数据，审稿人对本文提出了宝贵意见，在此一并表示感谢。

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Focal Mechanism and Focal Depth Determination of the TwoTonghai，Yunnan，MS5.0 Earthquakes in 2018

LI Jiao，JIANG Jinzhong，WANG Guangming，FU Hong

（Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

Accurate earthquake parameters（e.g.focal mechanism and depth）are crucial for understanding the seismogenic mechanism.Based on waveforms of the 2018 Tonghai，Yunnan，MS5.0 earthquakes recorded by more than 30 broadband seismic stations of the Yunnan Earthquake Networks，we invert their focal mechanisms and depths by using Cut-and-Paste（CAP）method and three different regional velocity models.We also employ sPn depth-phases recorded by different stations situated at the azimuth of ～300° to estimate the focal depth of the Tonghai MS5.0 double earthquakes.The results are as follows：① Based on more broadband waveforms of near-earthquakes with better azimuth coverage，the obtained centroid depths（8 km and 7 km）of the two earthquakes inverted from different velocity models and frequency bands are more reliable.② By using sPn depth-phases at different stations with similar azimuth（～300°），we determine that the initial rupture depth of the two earthquakes are both about 10 km，which may indicate the rupture directivity（from bottom to top）of the earthquakes.③ According to the Double-difference relocation and our CAP inversions，we preliminarily infer that the Tonghai double earthquakes should occur on the same fault plane，whose parameters，strike/dip/rake，could be 20°/75°/-10°.

Keywords：Tonghai earthquake;CAP method;sPn depth-phase;focal mechanism;focal depth

收稿日期：2021-01-04.

基金項目：云南省地震局科技专项基金（2018ZX01）、云南省地震局“地震机理与孕震环境研究”创新团队及云南省科技计划项目基础研究青年项目（2018FD158）联合资助.

第一作者简介：李姣（1987-），工程师，主要从事测震学方面的研究.E-mail：lijiao87@foxmail.com.

通讯作者简介：姜金钟（1987-），博士，副研究员，主要从事地震学研究.E-mail：jz-jiang@foxmail.com.