基于sPn震相计算黑龙江地区近震震源深度.pdf

SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.005第一作者简介：刘长生（1981），男，硕士，主要从事地震分析预报工作。E-mail：基金项目：黑龙江地震局局内科研项目（项目编号：202104）本文收到日期：2022-07-07基于sPn震相计算黑龙江地区近震震源深度刘长生1）马艳丽1）姜锦华1）益西拉姆2）段莉莉3）1）中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局 2）中国拉萨 850000 西藏自治区地震局3）中国黑龙江 150021 哈尔滨市应急救援保障中心摘要 采用黑龙江地震台网记录的地震波形，基于 sPn 震相，计算 20052021 年黑龙江省区域内发生的 11 次 M 4.0 近震的震源深度。分析发现，在研究区域内，可精确识别单台震中距在 3 7 范围内的地震记录波形的 sPn 震相。计算多台站震源深度，发现其平均值与黑龙江地震台网采用 HypoSat 方法测定的震源深度结果基本一致，仅 3个地震的误差较大。分析认为，采用 sPn 震相方法测定黑龙江地区近震的震源深度准确度较高，可为日常跟踪分析工作提供依据。关键词 黑龙江地震台网；sPn 震相；走时差；震源深度0 引言震源深度作为地震预报研究的一个重要而难以测定的参数之一，其准确性对研究震源破裂过程起到关键作用。20 世纪 60 年代，Greensfelder（1965）利用 sPn 震相计算了震源深度值，之后，中国众多学者对不同地区发生的中强地震震源深度进行了研究，如：张诚（1986）对甘肃地区进行了 sPn 震相研究；刘芳（2010）利用内蒙古 sPn 震相记录分析了区域内中强地震的震源深度；马莉等（2011）利用辽宁地区单台 sPn 震相波形进行了震源深度的计算；陈惠芳等（2021）利用 sPn 震相测定了台湾海峡 MS 6.2 地震震源深度。随着地震研究和科学技术的发展，地震记录进入数字化，已具备正确分辨 sPn 震相的条件，当震中距小于 1 000 km 时，该震相记录清晰，有利于推进基于 sPn 震相的震源深度测定方法的研究，可准确测定大多数壳内地震的震源深度。黑龙江是东北构造运动较为活跃的地区，地质构造背景复杂，有史以来发生多次M 4.0 中强地震。2001 年国家“九五”数字化建设以来，黑龙江地震台网台站进行了加密布设，现已累积大量数字波形资料，为采用 sPn 震相测定震源深度提供了数据基础。郝永梅等（2014）采用 Jopens 系统中 Hyposat 等定位方法，基于 sPn 震相测定黑龙江地区浅源地震，发现采用 Hyposat 方法定位震源深度较为准确。基于此，本研究利用 sPn 震相，重新测定黑龙江 2005 2021 年发生的 11 次 M 4.0 地震的震源深度，为该区地震定位提供 参考。地震地磁观测与研究44 卷 361 构造背景及数据选取黑龙江东部毗邻西太平洋板块，构造背景复杂，分布有 NEE 向嫩江断裂带、依兰 伊通断裂带、敦化 密山断裂带共 3 条大型断裂带，及 NW 向滨州断裂和近 NS 向肇东 扶余断裂等次一级断裂。这些断裂组成了黑龙江地区活动断裂构造的基本框架（图 1）。第四纪以来该区仍有断裂持续活动，4 级及以上地震多发，且地震的空间分布特征与断裂长度、断陷盆地规模、性质和幅度等有密切关系。通过对黑龙江地震台网台站清晰记录波形的梳理，发现研究区有一定数量的台站能够清楚识别地震的 sPn 震相，具备计算震源深度的条件。基于此，选取该区近年来发生的 4 级及以上地震，采用 sPn 震相方法测定震源深度。2 波形走时方程及模型选取2.1 波形特征sPn 震相由 S 波转换而来，可用于测定震中距较近的浅源地震震源深度。S 波分为 SV波和 SH 波，当其入射地表时，SV 波经反射形成 P 波，而后沿莫霍面滑行形成 Pn 波，记为 sPn。在记录图上，sPn 是第 2 个到达的波，其初动一般与 Pn 波相反，且周期大于后者。其振幅与周期均大于 P 波，动力学特征仍以 S 波性质为主，可在垂直向上清晰识别。sPn与 Pn 波初动振幅弱，清晰度较 Pg、Sg 波弱。由于 sPn 震相常受噪音及前波尾波干扰，需多台对比才能有效识别。2.2 走时方程基于双层地壳模型给出走时方程。Pn 和 sPn 震相在双层地壳中的传播路径示意见图 2，图中 O 点表示震源，入射角 i 需满足公式 sini=v1/v2。若震源位于上地壳，则 sPn 与 Pn 震相走时差可用以下方程表达 +=1321231S321S23PnsPnvvvvvvvvhTTt（1）若震源在下地壳内，则 sPn 与 Pn 震相走时差可用以下方程表达 +=21S231S122S232S121231122232132223231212313121S231S3122S232S31PnsPn1vvvHvVvhvvvHvvvhvVvvvhvvvvHvvvvHvvvvhTTt（2）F1嫩江断裂；F2依兰 伊通断裂；F3敦化 密山断裂图 1 黑龙江地区地震与断裂分布Fig.1 Distribution of earthquakes,seismic stations,and faults in the Heilongjiang region120125130135 E50 NM 3.03.9（1）M 4.04.9（8）M 5.05.9（2）测震台站断层省界45图 例漠河塔河黑河加格达奇逊克 嘉萌伊春鹤岗双鸭山北密山依兰东宁牡丹江延寿宾县庆安北林五常肇源甘南碾子山克东讷河笔架山团结五大连池通河柳河红海林小北湖地下森林F2F3F137第 2 期式（1）、（2）中，t 表示走时差，v1、v2为 P 波速度，vS1、vS2为 S 波速度，v3表示 Pn 波速度，h 为震源深度，h1为震源地壳分界面距离，H 表示上地壳厚度。图 2 Pn 和 sPn 震相在双层地壳中的传播路径Fig.2 The propagation paths of the Pn and sPn seismic phases in the two-layer crustPnsPnAGAGhCFEKDMOi1C界面M界面地表地表hPnsPnCOEKDFBi2 2.3 模型选取依据东北地区地震走时速度模型（荆涛，2015），可知上地壳厚度 H1=15 km，下地壳厚度 H2=18 km，vS1=3.36 km/s，v1=5.57 km/s，vS2=3.76 km/s，v2=6.50 km/s，v3=8.01 km/s。将模型参数代入式（1）、式（2），若地震震源位于上地壳，则震源深度计算公式如下 h=2.56t（3）若地震震源位于下地壳，则震源深度计算公式如下 h=15+3.11(t-5.93)=3.11t-3.44（4）综合分析发现，当 t 5.93 s 时，震源位于上地壳，适合用式（3）计算震源深度；若5.93 s t 11.7 s，震源位于下地壳，适用式（4）计算震源深度。采用以上公式计算得到黑龙江及邻区一维地壳速度结构模型，结果见表 1。表 1 黑龙江及邻近地区一维速度模型Table 1 1D velocity model for Heilongjiang and adjacent area层数层厚/kmP 波速度/(km/s)S 波速度/(km/s)10155.573.36216336.53.763348.014.683 震相波形分析一般，单台可以识别出震级在 4.0 及以上、震中距在 3 10 之间的地震的 sPn 震相。通过对黑龙江省各地震台站波形数据进行分析，发现在研究区内，震中距 3 7 范围内，地震波形记录清晰，sPn 与 Pn 震相清晰可辨，如黑龙江林甸 MS 5.1 地震波形（双鸭山台）和 2013 年 11 月 20 日黑龙江省佳木斯市桦南 MS 4.6 地震波形（五大连池台），见图 3、图 4。由黑龙江地震记录波形可知，与 Pn 震相相比，sPn 波振幅一般较大，且周期较长；由三分向波形的周期（T）和振幅（A）可知，sPn 与 Pn 震相的垂直向与水平向相位差异明显，可作为二者的判别依据；两震相到时差基本不随震中距变化，仅随震源深度变化。刘长生等：基于 sPn 震相计算黑龙江地区近震震源深度地震地磁观测与研究44 卷 384 震源深度计算选取黑龙江省地震台网 37 个地震台站数字地震波形记录，根据 sPn 震相判别依据，利用 sPn 和 Pn 震相到时差，计算该省 11 次 M 4.0 地震的平均震源深度。计算时，每个地震最少有 2 条台站波形记录，如大兴安岭 MS 4.7 地震和友谊 MS 4.2 地震被五大连池台和伊春台记录；最多被 14 个台站记录，如桦南 MS 4.7 地震，有 14 条台站波形记录。统计所选地震的sPn和Pn震相特征参数，结果见表2。由表2可知，地震多台震中距均值在3.15 5.15（1 111.19 km）之间；TsPn/TPn均值为 1.0 1.73，sPn 震相周期大于 Pn 周期；AsPn/APn均值为 1.75 5.0，多数 sPn 振幅大于 Pn 振幅；各台震相到时差tsPn-P均值为2.167.4 s，震源深度为 5.5 19.6 km。分析发现，由于研究区波形背景噪声大，导致信噪比较低，影响了震相读取的准确度，加之震中距不同，导致台与台之间各个参数偏差较大，但仍能体现出体波中 P 波和 S 波之间的动力学特征的不一致性，同经典物理学特征一致。将采用 sPn 震相定位的震源深度与采用HypoSat 法定位所得结果进行对比，发现震源深度差一般较小，一般在 3 km 以内，仅个别结果相差较大（图 5），如 2011 年 1 月 15日黑龙江莫力达瓦 MS 5.0 地震，采用 2 种定位法所得震源深度相差 4.8 km（表 2）。PnsPnHLJ-SYS-UDHLJ-SYS-EWHLJ-SYS-NS图 3 黑龙江林甸 MS 5.1 地震波形（双鸭山记录）Fig.3 Waveforms of the Lindian MS 5.1 earthquake of Heilongjiang Province(recorded by the Shuangyashan station)图 4 2013 年 11 月 20 日黑龙江省佳木斯市桦南 MS 4.6 地震（五大连池记录）Fig.4 Waveforms of the Huanan MS 4.6 earthquake in Jiamusi of Heilongjiang Province(recorded by the Wudalianchi station)PnsPnHLJ-WDL-UDHLJ-WDL-EWHLJ-WDL-NS图 5 sPn 震相与 HypoSat 定位法的震源深度对比Fig.5 Comparison of focal depths from sPn seismic phase and HypoSat methods地震个数震源深度/km2018161412108640123456789101112sPnHypoSatCENC39第 2 期表 2 黑龙江 11 个 M 4.0 地震的 sPn 与 Pn 震相特征数据及震源深度结果对比Table 2 Comparison of the characteristic data of sPn and Pn phases and focal depths of 11 M 4.0 earthquakes in Heilongjiang Province发震时间发震地点N/()E/()MS台站数震中距均值/()TsPn/TPn/s AsPn/APntsPn-Pn/s震源深度/km多台平均 HypoSat CENC2005-01-24大兴安岭51.80123.004.724.101.01.752.506.4872005-07-25 林甸46.93124.905.153.251.362.243.509.05152008-07-07 龙江47.17123.404.585.151.303.072.957.75102009-05-10 安达46.8125.34.263.601.553.663.168.0772009-12-19 鸡东45.30131.174.033.341.465.02.636.810102010-03-10 友谊46.63131.524.223.671.121.753.408.7772011-01-15 五大连池48.58125.984.163.441.054.182.165.5772013-06-20 莫力达瓦49.75125.205.034.031.533.212.807.212102013-11-20 桦南46.07130.534.7144.301.124.83.188.1882020-02-07 嫩江48.72125.234.133.151.732.672.676.81072021-08-18 漠河52.45121.973.9104.631.724.907.4019.61919注：TsPn/TPn为周期比；AsPn/APn为振幅比；tsPn-Pn为震相到时差分析认为，Pn 与 sPn 震相初至时刻读取的准确程度及读数精度决定了各台到时差的大小，因此利用单台数据求取震源深度时偶然误差较大。本研究所得 tsPn-Pn为多台结果的平均值，因此震源深度误差较小。同时，计算每个地震 sPn 与 Pn 震相走时差的均方误差，发现桦南 MS 4.6 地震单台误差最大约为 0.8，对应震源深度误差为 2 km，可能与震中距较远、台站记录波形的清晰度不够高、震相识别时产生的误差较大有关。此外，利用 sPn 与Pn 震相走时差确定震源深度时，其误差还来源于震源附近一维速度模型误差。据 Ma 等（2006）的研究，地壳模型会引起震源深度最大 15%的误差，对应本研究中 11 个地震的震源深度误差，最小为 0.8 km，最大为 3 km。因此，实际震源深度与理论计算结果相差 2.85 km，与高立新等（2007）的研究结果较为吻合，与中国地震台网中心（CENC）发布的地震定位结果对比，发现除林甸 MS 5.1 地震的震源深度差值较大外，其余结果相差不大。5 中国其他地区 sPn 与 Pn 震相走时表房明山等（1995）研究给出中国分区地震波走时表，并计算了华北、山西、西北地区和西南地区走时差；任克新等（2004）对内蒙古地区 sPn 与 Pn 震相走时差与深度变化关系进行了研究；马莉等（2011）对辽宁部分地区震相到时差进行了对比分析。将上述地区地壳分层速度模型结果进行统计列于表 3（均采用二层地壳模型，只计算得到地壳深度 33 km 以内震源深度对应的震相走时差）。表 3 中国部分区域 tsPn-Pn及对应的震源深度Table 3 The tsPn-Pn and corresponding focal depths in some regions of China地壳深度/kmtsPn-Pn/s地壳深度/kmtsPn-Pn/s华北地区山西内蒙古辽宁黑龙江华北地区山西内蒙古辽宁黑龙江20.80.70.80.80.8186.86.36.97.06.941.51.41.61.61.6207.877.57.87.662.32.32.32.32.3228.37.78.28.48.3832.83.13.13.1249.18.48.89.19.1103.83.53.93.53.9269.69.19.59.89.9124.54.24.74.74.72810.89.810.110.410.6145.34.95.55.55.53011.310.510.811.011.4166.15.66.26.26.13212.111.211.411.812.1刘长生等：基于 sPn 震相计算黑龙江地区近震震源深度地震地磁观测与研究44 卷 40由表 3 可知，除与山西地区的震相到时差有微小差别外，黑龙江地区与其他 3 个地区的数值接近，尤其是内蒙古和辽宁地区（图6），三者 tsPn-Pn相差不大。分析认为，华北、山西、辽宁、内蒙古 4 个地区利用 tsPn-Pn方法计算震源深度，适用度较好。6 结论通过对黑龙江地区中强地震震源深度的计算和分析，可得到如下结论：（1）基于黑龙江一维地壳速度结构模型，在研究区内，多数震中距 3 7 范围内的台站可记录到清晰的 sPn 震相。（2）采用 sPn 震相与 HypoSat 定位法计算11 次地震的震源深度，其中 3 次地震的震源深度误差在 4 km 以上，其余地震误差较小。误差可能来源于震相分析：sPn 波与 Pn 波均具有首波性质，初动不清晰会加大波形识别难度，受人为因素影响较大，sPn 震相到时读取会存在一定误差，从而导致震源深度的计算结果产生一定误差；定位结果与计算时采用的地壳速度模型关系较大。（3）与中国其他地区对比，黑龙江地区震相走时差与震源深度的关系，与山西地区有一定差异，与华北、辽宁、内蒙古地区结果接近。综上所述，基于黑龙江地震台网地震波形记录，与其他震源深度定位方法相比，采用sPn 震相可得到更精确的震源深度值。因此，采用该方法计算近震震源深度是可行的，可为日常跟踪分析提供有利参考。感谢匿名评审老师给予的宝贵建议和意见，感谢高东辉台长在论文撰写过程中给予的指导和帮助。参考文献陈惠芳，林彬华，张燕明，等.利用 sPn 震相测定台湾海峡 M 6.2 地震震源深度 J.大地测量与地球动力学，2021，41（8）：853-857.房明山，杜安陆，董孝平，等.用 sPn 震相测定近震震源深度 J.地震地磁观测与研究，1995，16（5）：13-18.高立新，刘芳，赵蒙生，等.用 sPn 震相计算震源深度的初步分析与应用 J.西北地震学报，2007，29（3）：213-217郝永梅，吴宝峰，徐建权，等.黑龙江省地震台网浅源地震定位方法对比 J.地震地磁观测与研究，2014，35（1）：79-84.荆涛.沈阳台利用 sPn 震相确定近震深度的对比分析 J.防灾减灾学报，2015，31（4）：49-55.刘芳.用 sPn 震相计算内蒙古地震震源深度 J.大地测量与地球动力学，2010，30（Z2）：14-17.马莉，张玲，杨颖，等.Pn 与 sPn 震相到时差计算震源深度的单台应用 J.华北地震科学，2011，29（1）：57-62.任克新，邹立晔，刘瑞丰，等.用 sPn 计算内蒙地震的震源深度 J.地震地磁观测与研究，2004，25（3）：24-31.张诚.地震分析基础 M.北京：地震出版社，1986.Greensfelder R W.The Pg-Pn method of determing depth of focus with applications to Nevada earthquakesJ.Bull Seismol Soc Am,1965,55(2):391-403.Ma S T,Atkinson G M.Focal depths for small to moderate earthquakes(mN 2.8)in western Quebec,Southern Ontario,and Northern New YorkJ.Bull Seismol Soc Am,2006,96(2):609-623.图 6 华北、山西、内蒙古、辽宁和黑龙江地区 tsPn-Pn及相应震源深度关系Fig.6 The relationships between tsPn-Pn and corresponding focal depths in North China,Shanxi,Inner Mongolia,Liaoning,and Heilongjiang region华北山西内蒙古辽宁黑龙江1412108642005101520253035h/kmt/s41第 2 期Calculating the focal depth of local earthquakes in the Heilongjiang region based on the sPn phaseLIU Changsheng1)，MA Yanli1)，JIANG Jinhua1)，YIxilamu2)and DUAN Lili3)1)Heilongjiang Earthquake Agency,Harbin 150090,China2)Earthquake Agency of Tibet Autonomous Region,Lhasa 850000,China3)Harbin Emergency Rescue Center,Heilongjiang Province 150021,ChinaAbstractThe seismic waveform data of the Heilongjiang Seismic Network was used to calculate the focal depth of eleven M 4.0 earthquakes that occurred between 2005 and 2021 based on the sPn seismic phase.The analysis found that it is easy to precisely identify sPn phases on seismograms at stations with epicentral distances between 3 and 7 in the study area.By calculating the focal depth of earthquakes using sPn phases at several stations,we found that the average value is basically consistent with that determined by the HypoSat method in Heilongjiang Seismic Network,and only three earthquakes had large errors.It shows that using the sPn phase to determine the focal depth of local earthquakes in the Heilongjiang region has high accuracy,which can provide a basis for daily tracking and analysis.Keywords：Heilongjiang Seismic Network，sPn phase，travel-time difference，focal depth刘长生等：基于 sPn 震相计算黑龙江地区近震震源深度