呂俊強， 李青梅， 趙衛(wèi)東， 蔡新華， 陳春梅

(寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001)

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利用sPn震相對寧夏地區(qū)近年有感地震震源深度重定位①

呂俊強， 李青梅， 趙衛(wèi)東， 蔡新華， 陳春梅

(寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001)

摘要：寧夏十五數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)自投入使用以來，積累了大量的地震數(shù)字波形。利用寧夏臺網(wǎng)中震中距在1 000 km范圍內(nèi)不同臺站記錄的9次M≥3.0地震的sPn與Pn震相進行分析、計算這些地震的震源深度。研究表明，利用sPn與Pn震相的到時差計算地殼內(nèi)近震深度的方法簡捷、準確。

關鍵詞：sPn震相； Pn波到時差； 近震； 震源深度

0引言

震源深度是從震源到地面(震中)的垂直距離，是目前最難被準確測定的地震參數(shù)之一，而震源深度的準確測定[1-3]關系到對地震的孕育過程、發(fā)震機理、地質(zhì)構(gòu)造和應力場等一系列重要問題的正確認識。上世紀蘇聯(lián)學者提出在近震中可以觀測到sPn震相，并給出雙層地殼結(jié)構(gòu)模型中sPn-Pn的走時方程。近年來隨著數(shù)字地震記錄的普及，特別是中國地震局“九五”、“十五”項目建設以來，國內(nèi)學者對利用sPn與Pn震相的到時差計算震源深度進行了大量的研究工作。如：房明山等[4]用sPn震相測定近震震源深度；高立新等[5]用sPn震相計算震源深度的初步分析與應用；任克新等[6]用sPn 計算內(nèi)蒙地震的震源深度；王登偉[7]用 sPn與 Pn 波走時差測定近震震源深度的方法等。

2009年寧夏十五數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)正式投入使用以來，積累了大量的數(shù)字地震波形資料并開展了基礎性研究工作[8]。本文擬在前人研究的基礎上，利用sPn與Pn震相的到時差計算寧夏及周邊近年來發(fā)生的9次M≥3.0地震的震源深度。

1sPn震相記錄特征

sPn波是橫波S在地面的轉(zhuǎn)換波。橫波S入射到地表被反射轉(zhuǎn)換為縱波P后，入射到莫霍界面(M界面)，當入射角等于臨界角時,縱波P沿M界面向前滑行形成Pn波，由于該震相是由橫波S轉(zhuǎn)換來的，記為sPn。其仍然保持著橫波的動力學特征，振幅與周期均大于縱波，最終在地震記錄上以縱波形式出現(xiàn)，所以垂直分向顯示清晰，其振幅和周期均大于Pn。由于與Pn都屬于首波，初動振幅較微弱[9-11]。

由于sPn波是由S波的Sv成分轉(zhuǎn)換成的波，設v1、v2分別為上、下地殼內(nèi)縱波P的傳播速度，vS1、vS2分別為橫波S在上、下地殼內(nèi)傳播速度，v3為縱波P在莫霍界面的傳播速度(即：Pn的傳播速度)，h表示震源深度，h1為震源到康拉德界面(上下地殼分界面)的深度，H1表示上地殼厚度，Δt為sPn-Pn的走時差。

單層地殼結(jié)構(gòu)中sPn-Pn的走時差方程為[1]：

(1)

雙層地殼結(jié)構(gòu)中分為兩種情況：(1)震源在上地殼內(nèi)，波的傳播路徑如圖1(a);(2)震源在下地殼內(nèi)，波的傳播路徑如圖1(b)。圖1中，O點表示震源位置，角i滿足公式sini=v1/v2。震源在上地殼內(nèi)，sPn-Pn的走時差方程為[1]：

(2)

圖1　sPn與Pn波的傳播路徑圖Fig.1　The ray path of sPn and Pn

根據(jù)Snell定律，可推得：

(3)

震源在下地殼內(nèi)，sPn-Pn的走時差方程為：

(4)

據(jù)寧夏區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型[12]可知：上地殼厚H1=27 km，下地殼厚H2=24 km，vS1=3.52 km/s，v1=5.99 km/s，vS2=3.81 km/s，v2= 6.70 km/s，v3= 8.10 km/s。將模型速度值代入式(3)、(4)可以得到：

震源在上地殼的深度公式為：

(5)

震源在下地殼的深度公式為：

(6)

通過式(5)、(6)可知：當Δt≤9.93 s時，震源位于上地殼內(nèi)，用式(5)進行計算；當18.75 s≥Δt>9.93 s，震源位于下地殼內(nèi)，用式(6)進行計算；當震源深度超過51 km時，不能利用雙層地殼結(jié)構(gòu)模型進行計算[5]，因為寧夏地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)模型的莫霍面深度是51 km。

sPn波記錄特征是：此波的振幅一般強于Pn波；如果初動清楚，此波與Pn波方向相反；一般情況下周期比Pn長[13]，振幅比Pn大；觀測范圍在Δ<1 000 km內(nèi)，我國大部分地區(qū)的臺站基本都能比較清楚地記錄到sPn震相[13]。sPn與Pn波的走時曲線相平行，隨震中距變化極小,它們的到時差僅隨震源深度的變化而增減。如有多臺數(shù)據(jù)，則sPn與Pn的到時差通常為常量。

2震源深度計算

寧夏地處縱貫我國南北的中樞大地震帶——南北地震帶的北段。在地質(zhì)上，該段是祁連地槽褶皺系與華北地臺的西部邊緣接觸形成的過渡帶，并發(fā)育了一系列規(guī)模較大的活動斷裂，地質(zhì)狀態(tài)不穩(wěn)定，造成了寧夏地區(qū)具有地震發(fā)生頻次高、強度大、災害重的特點。

利用寧夏及鄰省地震臺網(wǎng)共28個臺站的數(shù)字地震記錄波形資料，采用sPn震相計算寧夏及鄰近地區(qū)9次M≥3.0地震的震源深度[4，14]。圖2為臺站與震中分布圖。

圖2　寧夏地區(qū)臺站與震中分布圖Fig.2　Distribution of stations and epicenters in Ningxia area

首先根據(jù)Pg波和Pn波的走時方程，計算出Pn波先于Pg波到達的臨界震中距Δ0。因為當臺站位置遠小于Δ0時，Pn波完全被Pg波淹沒，無法識別；當臺站位置在Δ0附近時， 根據(jù)兩種震相的動力學特征，通常Pg波初動起始較Pn波尖銳，振幅較Pn波大，所以Pn波也不容易識別；當臺站位置大于臨界震中距Δ0時，Pn已經(jīng)作為初至震相可以直接讀取。通過對寧夏臺網(wǎng)記錄的波形分析得到：寧夏地區(qū)的Δ0大約為220 km。sPn波動力學特征保持著橫波性質(zhì)，其振幅和周期均大于縱波，最終以縱波形式出現(xiàn)在地震記錄上，所以垂直分向顯示清晰，其振幅和周期均大于Pn,又由于與Pn同屬于首波性質(zhì)，其初動振幅較微弱。一般在震中距大于250 km時寧夏地區(qū)的sPn震相出現(xiàn)在Pn之后、Pg之前。圖3為2010年6月22日寧夏永寧4.9級地震固原地震臺記錄到的Pn、sPn、Pg震相的記錄波形。

表 1為9次地震的一些基本參數(shù)、sPn計算深度。

從表1可知，根據(jù)sPn震相的判別依據(jù)，震中距由近到遠。每個地震都選用5個以上臺站的數(shù)字波形資料，震中距平均值為251~458 km(Δ<1 000 km)；TsPn/TPn平均值為1.28~1.78，sPn周期大于Pn周期;AsPn/APn均值為1.34~3.53，sPn 振幅大于Pn 振幅。同時還可看到，各臺站之間的周期比和振幅比偏差較大(原因可能是記錄的信噪比較小，背景干擾相對較大，所以量取讀數(shù)的誤差相對較大，另外可能與臺站附近的地質(zhì)壞境有一定關系)。但總的趨勢仍可以反映出縱波和橫波動力學特征的差別，就記錄到的周期和振幅而言,sPn均大于Pn，這與理論特征相一致。9次地震的到時差tsPn-Pn平均值為2.25~3.53 s，對應的震源深度為6~9 km。

表 1　地震參數(shù)及sPn計算深度

注：TsPn/TPn為周期比；AsPn/APn為震幅比;tsPn-Pn為到時差。

圖3　寧夏永寧4.9級地震的記錄波形Fig.3　The waveform of Yongning M4.9 earthquake in Ningxia

3計算結(jié)果分析

sPn方法的結(jié)果依賴于速度結(jié)構(gòu)模型和震相讀取的精度。速度結(jié)構(gòu)模型選取關系到計算公式的正確與否，本文選取了《寧夏地區(qū)地震波走時表》中給出的速度結(jié)構(gòu)模型，后期的人工地震測深、地殼深部結(jié)構(gòu)研究[8,15]等工作，也驗證了此速度結(jié)構(gòu)模型比較符合寧夏地區(qū)。因此各臺的差別主要取決于Pn與sPn震相的準確分辨及讀數(shù)的精度。因為這類性質(zhì)波的震相，初始振幅一般情況下都比較微弱，所以讀取到時如有0.5~1 s的相差，可能導致震源深度的計算結(jié)果有±1.5~3 km的誤差。

圖4　寧夏地區(qū)理論走時曲線圖Fig.4　Theoretical travel-time curves in Ningxia area

從表1可以看出這幾次地震的震源深度均值約為7 km。圖4是利用寧夏速度結(jié)構(gòu)模型計算出的震源深度為7 km的Pn、Pb、sPn、Pg 理論走時曲線圖。根據(jù)寧夏地區(qū)地震波走時表，在震源深度5~10 km、震中距為250 km時，Pb波與Pg波的到時差為-0.1~0.1 s，在地震波形上兩個震相幾乎同時到達。由于兩個震相各自的特征，Pb震相較難識別。當震中距大于250 km時，雖然Pb震相也出現(xiàn)在Pn之后、Pg之前，但從圖4中可以看出，在相應的震中距拾取到的sPn震相到時點能大致落在sPn理論走時曲線上，說明拾取到的震相是sPn震相而非Pb震相，sPn震相的識別是可信的。

4結(jié)論

通過以上的分析研究可以得到如下結(jié)論：

(1) 震源深度是地震時空參數(shù)中的一個基本參數(shù)，如果區(qū)域臺網(wǎng)能夠記錄到sPn震相，并且能夠準確地識別該震相，應用此方法就可以較為準確地計算出震源深度值。如果有多臺記錄到了sPn震相，取各臺計算深度的平均值，就可以降低相對誤差。

(2) 寧夏地區(qū)震中距大約在220 km時，Pn作為初至震相；大于250 km時sPn震相出現(xiàn)在Pn震相之后、Pg震相之前。

(3) 利用sPn震相計算近震(Δ<1 000 km )的震源深度，如果各個臺站sPn-Pn的到時差比較一致，就可以準確地計算此次地震的震源深度了。

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Using sPn Phase to Relocate Focal Depths of Felt Earthquakes of Recent Years in Ningxia Area

LV Jun-qiang, LI Qing-mei, ZHAO Wei-dong, CAI Xin-hua, CHEN Chun-mei

(EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan75000,Ningxia,China)

Abstract:Focal depth, the vertical distance from an earthquake source to the ground (the epicenter), is one of the basic earthquake parameters and is one of the most difficult of the seismic parameters to accurately determine. The accurate determination of the focal depth involves a series of important problems including a correct understanding of the earthquake preparation process, the earthquake mechanism, its geological structure, and the stress field. Since the fifteen stations of the Ningxia digital seismic observation network were officially established in 2009, a large volume of digital seismic waveform data has accumulated, and much research work has been possible. On the basis of previous studies, using the lag of the sPn and Pn phases, in this study, we calculated the focal depth of nine earthquakes with M≥3.0, which occurred in the area surrounding Ningxia in recent years. The results of the sPn method are mainly dependent on the velocity model selection and precision of the seismic phase. We selected the approved and widely used Ningxia local velocity model. The Pn and sPn phases and reading accuracy are particularly important, because the initial amplitude of this type of wave phase is generally weak. As such, if there is an arrival time difference of 0.5~1 s, it may result in a calculation error of 1.5~3 km in the focal depth. With the availability of multiple records of the sPn phase, using the averages of each calculation depth, it is possible reduce the error caused by the reading. Research shows that it is a relatively simple matter to accurately calculate the near-earthquake depth within the crust using the lag of the sPn and Pn phases. Determining the exact value of the focal depth can provide an important criterion in earthquake research with respect to the causal factors of the formation and structure of deep crustal activities.

Key words：sPn phase; Pn time difference; near shock; focal depth

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0046

中圖分類號:P315.61

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0046-05

作者簡介：呂俊強(1978-)，男，工程師，主要從事地震監(jiān)測預報工作。E-mail:84630932@qq.com。通信作者：李青梅(1976-)，女，工程師，主要從事地震監(jiān)測預報工作。

基金項目：中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20140325)

收稿日期：①2015-08-20