多种方法测定2019年皎口水库地区2.5级以上地震震源深度

彭骁　张蓓蕾

摘要应用 CAP 方法、sPL深度震相方法和双差定位方法，对2019年 M2.5以上皎口水库地区地震震源深度进行测定。通过 CAP 方法进行反演，计算出最佳震源机制解及震源深度；在震中距50 km 左右的近台识别出清晰的sPL震相，运用频率—波速（F-K）方法画出各种震源深度的理论波形，与实际波形进行拟合确定震源深度；建立地震事件对，利用走时差观测值与理论值的残差确定其相对位置及深度。结果发现，上述多种方法测定的结果基本一致；相对而言，双差定位方法更适合皎口水库地区地震震源深度的测定。

关键词震源深度；CAP；sPL；双差定位；震源机制

中图分类号： P315.3+3文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）04-0145-08

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-070

Focal depth determination of earthquakes with M≥2.5 in Jiaokou reservoir area in 2019 by multiple methods

Peng Xiao，Zhang Beilei

（Ningbo Earthquake Monitoring and Prediction Center， Zhejiang Ningbo 315000， China）

AbstractIn this paper，the focal depth of earthquakes with magnitude 2.5 or above in Jiaokou reservoir area in 2019 was determined using the CAP method，the sPL depth phase method and the double difference positioning method. The inversion is carried out by CAP method to calculate the optimal focal mechanism solution and focal depth. The clear sPL seismic phase is identified at the near station about 50 km away from the epicenter，the theoretical waveform of various focal depths is drawn using the frequency wave velocity （F-K） method，and the focal depth is determined through fitting with the actual waveform. The seismic event pair is established，and its relative position and depth are determined using the residual between the observed value and the theoretical value of travel time difference. The results of various methods are basically the same. In contrast，the double difference positioning method is more suitable for focal depth determination of earthquakes in Jiaokou reservoir area.

Keywordsfocal depth; CAP; sPL; double difference positioning; focal mechanism

引言

震源深度在孕震構造、应力场和地震风险评估等方面的研究中有重要意义，是描述地震的基本因素之一。震源深度的精确测定能够帮助我们更好地确定震源位置和发震时刻；震源深度可以反映断层的展布，为孕震及发震机理提供证据；震源深度也是地震风险评估的重要因素，直接影响地震灾评中的破坏程度[1]。目前震源深度测定一般分成基于走时和基于波形两个方面。国际上主要利用 P、S 波的走时确定远震的震源深度，在此基础上发展的有盖格法、模拟退火法、遗传算法、双差定位法等，必须算出观测值与理论值的残差，对台网的台站密度和波速模型依赖较大[2-4]。地震波形数据包含不同震相的振幅、频率、周期等更全面的信息，都可用于计算震源深度，常用的方法有深度震相法、P 波偏振法、振幅信息法、面波振幅谱法、尾波强度法、全波形反演法等，对于震中距的远近、波形质量的高低可以针对性的选择[2-4]。研究表明，当震中距小于1—2倍的震源深度时，传统走时定位才有较高的精度[1]。皎口水库距离宁波核心城区仅15 km，周边城镇密布，对水库附近地震活动的研究具有重要意义。浙江省内的地震研究活动主要集中在温州珊溪水库附近震群，对于宁波地区研究较少，本文旨在以震源深度为切入点，研究宁波地区的地震，为后续其他方面的研究打下基础。对于宁波地区而言，地震震源深度基本上在10 km 以内，而震中附近的台网密度基本在30 km 以上，传统走时定位误差较大；由于宁波地区属于少震弱震区，基本看不到完整的面波发育，基于面波的方法无法使用；基于深度震相的定位方法中，只有sPL深度震相适合震中距50 km 范围内的地震，所以本文选取其中3种较为合适的方法，对2019年 M2.5 以上皎口水库地区地震震源深度进行分析探讨。

1 研究区域与数据选取

2019年5月开始在浙江海曙发生了一系列震群活动，记录到 ML 0以上地震上百次，其中最大的为5月28日的 M3.0地震，震中区域位于皎口水库附近。本文以3次 M2.5以上地震为研究对象，应用多种方法对其震源深度进行测定分析。表1是这3次地震的详细信息，下文讨论分别用地震1、2、3表示。台站和震中分布位置如图1所示，由于3次地震震中位置相近，图中震中位置仅用一个红色圆点表示。

本文采用 Crust2.0全球地壳模型[5]，该模型将地壳分为7层，并明确为这7层以及莫霍面下方的地幔给出了参数vP、vS和ρ（表2）。

2 数据处理及结果分析

2.1CAP 震源机制解及深度

CAP 方法的基本思想是利用近震的体波和面波信息，对Pnl和 Sur 分别使用给定的权重来反演，同时算出实际记录地震波形与理论地震波形的误差，使用格点搜索法在一定的震源参数范围内进行网格搜索，计算出最佳震源机制解及震源深度。此方法不依赖于地壳速度模型及地壳横向发展，能够在格林函数和地震经纬度并不精确的情况下获得相对满意的结果[6-9]。

以地震1为例，从地震台站的分布角度及震中距来看（图1），大部分台站的方位基本能够平均覆盖震中周围各个角度，并且绝大多数台站距离震中地区基本在200 km 范围内，所以能够提供质量较好的地震波形数据。本文选择了7—200 km 范围内方位角度较好、背景噪声较低的28个地震台站的波形数据。计算震源机制解时，再通过波形质量和波形拟合情况，进一步筛选出10个台站的波形数据。

对体波和面波分别作0.125—0.14 Hz 和0.04—0.10 Hz 带通滤波，体波与面波权重比设1：0.75，反演得到震源机制解。由震源深度搜索拟合曲线（图2a）可见，深度为6.1 km 时拟合误差最小，且在深度6.1 km 时，理论波形与观测波形拟合良好（图2b），说明反演结果比较可靠。所以由波形反演获得的震源深度为6.1 km。

2.2sPL深度震相方法

sPL震相是指从震源发出的 SV 波传播到地表附近时经反射转换成 P 波并沿着地表传播的波。sPL震相水平视速度与 P 波速度相等，一般在震中距50 km 范围内较为发育。在宽频带地震记录中，该震相一般在直达 P 波及直达 S 波之间的波段内能够看到，波形主要包含低频成分，几乎没有高频特性，距离越远衰减越快，没有 P 波尖锐，但初动可能比 S 波尖锐。sPL震相的振幅以径向 R 分量最大，垂向 Z 分量的能量相对径向 R 分量小，切向 T 分量基本上观测不到振幅[10-14]，如图3中的sPL标识处所示，红色 R 分量振幅最大，蓝色 Z 分量振幅略小，绿色 T 分量振幅最小。图3为XIC 台记录到的地震1的三分量波形，已完成去仪器响应、分量旋转、滤波等处理。

通过识别震中距60 km 范围内台站的三分量波形，最终挑选出距离震中55 km 的 XIC 地震台记录的波形。将原始地震波形数据从 seed 格式转化为 sac 格式，去除仪器响应，并将 N-E-Z 分量旋转到 R-T-Z 分量，为抑制台站基础噪音的影响，进行2—4 Hz 的低通滤波器滤波处理。然后使用 Crust2.0全球地壳模型（表1），计算出震中地区的速度模型，运用频率—波数（ F-K）方法，计算格林函数及画出不同震源深度下的理论地震波形图，将理论波形也通过滤波后，与处理过的实际波形对比，结合sPL震相基本特征，标注出相应的 P、S、sPL震相。

以地震1为例，R、T、Z 分量的位移记录分别如图4a、图4b、图4c 所示，可见直达 Pg 波、Sg 波的实际波形与理论波形拟合良好，sPL震相在直达波 Pg 之后、Sg 波之前可以清晰地观测到，在径向和垂直向sPL震相实际波形与理论波形十分吻合，在切向观测不到sPL震相。可以看出，对于 XIC 台而言，在5 km 震源深度时实际观测波形和理论波形的sPL震相能够较好的拟合，所以可以认为，通过sPL震相方法测定的该次地震震源深度为5 km。

2.3 双差定位方法

双差定位方法是较为适合对地震集群进行相对定位的方法，通过建立地震事件对、震相对的方式，计算一簇地震集群中各个地震与这个集群的矩心的相对位置。如果两个地震间距远小于震源与台站的距离和速度不均匀体的尺度，可以近似认为两个地震从震源到台站的射线路径相同，就能够通过两个地震的走时差计算出精度较高的相对距离，在速度模型并不精细的情况下获得相对满意的结果[15-16]。

以地震1为例，通过浙江省地震局编目系统获取正式报告，读取2009—2021年所有地震事件到时，通过事件到时及波形到时差值得到从地震震源到观测台站的绝对走时，因为 S 波比 P 波精确识别更加困难，所以 S 波的到时使用人为测定误差偏大，在该方法计算时通常对 S 波的权重赋值更低一些，对 P 波赋予1.0的权重，对 S 波赋予0.75的权重。在震相配对时，每个事件对使用的震相对在1—60之间，在超过8 km 后不再搜索事件对邻居，每个事件最多邻居数目为8，事件对和台站的最大距离为 500 km 。定位时使用 LSQR，迭代组数为2，每组 5次，阻尼值为80。2轮迭代时分别以8倍和6倍的标准差为截断值，波速比设为1.73，并且输入与其他方法同样的地壳速度模型。共有303个参与定位的地震事件、141363个 P 波到时、144527个 S 波到时、59个台站，定位后获取了279个地震事件信息。最终计算结果中该地震震源深度为5.9 km。

将断层面在地球表面的投影近似为一条直线，通过最小二乘法求出断层平面参数，再以断层所在平面为基准，计算各个地震与该平面的垂直距离，用这些距离数据及震源深度数据做出重新定位前后的地震震源深度剖面 AA′（图5）[17]。

从图5、图6可以看出，经过双差定位后，震中分布形态更加清晰，线性集中趋势更加显著。经计算，均方根残差从定位前的0.094 s 变为定位后的0.055 s，证明定位精度有很大的提高，可以认为这次双差定位的结果较为可靠。

3 结果对比分析

皎口水库地震震中区大地构造上位于华南褶皱带宁波—丽水—闽西北隆起北部，在新构造分区上属于下扬子断块隆陷區的水下三角洲凹陷区西南部。地震构造上处于北东向奉化—丽水弱震带西部边缘附近，2条区域性断裂即北西向长兴—奉化断裂与北东向余姚—丽水断裂在此交汇[18]。区内前基底岩石为中元古界陈蔡群变质岩，盖层主要为厚约2000—5000 m 的上侏罗系统块状晶屑熔结凝灰岩，还伴有厚500 m 以上的白垩系凝灰质砂砾岩[19]。

地壳为双层结构，地壳结构稳定，速度变化较均匀。上地壳厚20 km 左右，以硅铝质物质为主，P 波速度表现为5.8—6.5 km/ s 的连续变化。下地壳在 20 km 以下，由硅镁质物质组成，厚10 km 左右，平均 P 波速度为6.8 km/s[20]，与本文速度模型表现基本一致。

通过比较，3种方法各有适用范围：

（1）CAP 方法反演主要通过对比拟合理论波形与实际观测波形，得到残差最小的震源机制解及震源深度，该方法特有的波形切割、拟合再拼接方式，基本不受地壳速度模型准确性、台站分布是否均匀等影响，仍能获得不错的波形拟合效果，但是不适用于宁波地区震级偏小的情况，在 M≥3.5的地震中更为适用[1]；

（2）sPL在50 km 震中距范围内与深度存在线性关系，可用于约束震源深度，在优势震中距上震相清晰，在径向和垂向上可以直接观测到，适合人工快速测定震源深度。但是对于宁波地区而言，地震基本都发生在皎口水库地区，该方法的优势震中距内台站太少，仅有 XIC 台能较为明显地观察到sPL震相，数据偏少，不具有普适性，且由于可靠的区域地壳波形模拟对震源机制和地壳模型有一定的依赖性，震源机制的辐射模式影响波形的形状和振幅，因而有时导致震相到时识别的误差[1]；

（3）双差定位方法通过建立地震事件对、震相对的方式，反演每个地震相对于矩心的相对位置，从而得到更精确的地震事件定位，具有便于操作、容易自动化等优势。具备近台资料时，地震定位的精度较高，能满足一般需求。但是需要选择合理的参数，需要对该方法有一定的理解。经验表明利用这类方法准确测定深度时，要求地震台间距较小，至少有1个近台的记录（震中距小于1—2倍震源深度），才有较高的精度[21-22]。

宁波地区地壳结构简单稳定，使用全球地壳速度模型较为合适，地震震级偏小，且震中7 km 处有 YIX、TOJ 等地震台站，能够提高基于走时方法的定位精度。经过3个宁波地区 M2.5以上地震的测算（表1），对3种测定震源深度方法原理及经验性的总布等因素，认为双差定位法更为适合皎口水库地区结，结合宁波地区地质构造背景、地壳结构、台站分地震的震源深度测定工作。

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