彭驍　張蓓蕾

摘要應(yīng)用 CAP 方法、sPL深度震相方法和雙差定位方法，對(duì)2019年 M2.5以上皎口水庫(kù)地區(qū)地震震源深度進(jìn)行測(cè)定。通過(guò) CAP 方法進(jìn)行反演，計(jì)算出最佳震源機(jī)制解及震源深度；在震中距50 km 左右的近臺(tái)識(shí)別出清晰的sPL震相，運(yùn)用頻率—波速（F-K）方法畫(huà)出各種震源深度的理論波形，與實(shí)際波形進(jìn)行擬合確定震源深度；建立地震事件對(duì)，利用走時(shí)差觀測(cè)值與理論值的殘差確定其相對(duì)位置及深度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述多種方法測(cè)定的結(jié)果基本一致；相對(duì)而言，雙差定位方法更適合皎口水庫(kù)地區(qū)地震震源深度的測(cè)定。

關(guān)鍵詞震源深度；CAP；sPL；雙差定位；震源機(jī)制

中圖分類號(hào)： P315.3+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：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(gòu)造、應(yīng)力場(chǎng)和地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的研究中有重要意義，是描述地震的基本因素之一。震源深度的精確測(cè)定能夠幫助我們更好地確定震源位置和發(fā)震時(shí)刻；震源深度可以反映斷層的展布，為孕震及發(fā)震機(jī)理提供證據(jù)；震源深度也是地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要因素，直接影響地震災(zāi)評(píng)中的破壞程度[1]。目前震源深度測(cè)定一般分成基于走時(shí)和基于波形兩個(gè)方面。國(guó)際上主要利用 P、S 波的走時(shí)確定遠(yuǎn)震的震源深度，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的有蓋格法、模擬退火法、遺傳算法、雙差定位法等，必須算出觀測(cè)值與理論值的殘差，對(duì)臺(tái)網(wǎng)的臺(tái)站密度和波速模型依賴較大[2-4]。地震波形數(shù)據(jù)包含不同震相的振幅、頻率、周期等更全面的信息，都可用于計(jì)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、面波振幅譜法、尾波強(qiáng)度法、全波形反演法等，對(duì)于震中距的遠(yuǎn)近、波形質(zhì)量的高低可以針對(duì)性的選擇[2-4]。研究表明，當(dāng)震中距小于1—2倍的震源深度時(shí)，傳統(tǒng)走時(shí)定位才有較高的精度[1]。皎口水庫(kù)距離寧波核心城區(qū)僅15 km，周邊城鎮(zhèn)密布，對(duì)水庫(kù)附近地震活動(dòng)的研究具有重要意義。浙江省內(nèi)的地震研究活動(dòng)主要集中在溫州珊溪水庫(kù)附近震群，對(duì)于寧波地區(qū)研究較少，本文旨在以震源深度為切入點(diǎn)，研究寧波地區(qū)的地震，為后續(xù)其他方面的研究打下基礎(chǔ)。對(duì)于寧波地區(qū)而言，地震震源深度基本上在10 km 以內(nèi)，而震中附近的臺(tái)網(wǎng)密度基本在30 km 以上，傳統(tǒng)走時(shí)定位誤差較大；由于寧波地區(qū)屬于少震弱震區(qū)，基本看不到完整的面波發(fā)育，基于面波的方法無(wú)法使用；基于深度震相的定位方法中，只有sPL深度震相適合震中距50 km 范圍內(nèi)的地震，所以本文選取其中3種較為合適的方法，對(duì)2019年 M2.5 以上皎口水庫(kù)地區(qū)地震震源深度進(jìn)行分析探討。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選取

2019年5月開(kāi)始在浙江海曙發(fā)生了一系列震群活動(dòng)，記錄到 ML 0以上地震上百次，其中最大的為5月28日的 M3.0地震，震中區(qū)域位于皎口水庫(kù)附近。本文以3次 M2.5以上地震為研究對(duì)象，應(yīng)用多種方法對(duì)其震源深度進(jìn)行測(cè)定分析。表1是這3次地震的詳細(xì)信息，下文討論分別用地震1、2、3表示。臺(tái)站和震中分布位置如圖1所示，由于3次地震震中位置相近，圖中震中位置僅用一個(gè)紅色圓點(diǎn)表示。

本文采用 Crust2.0全球地殼模型[5]，該模型將地殼分為7層，并明確為這7層以及莫霍面下方的地幔給出了參數(shù)vP、vS和ρ（表2）。

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1CAP 震源機(jī)制解及深度

CAP 方法的基本思想是利用近震的體波和面波信息，對(duì)Pnl和 Sur 分別使用給定的權(quán)重來(lái)反演，同時(shí)算出實(shí)際記錄地震波形與理論地震波形的誤差，使用格點(diǎn)搜索法在一定的震源參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格搜索，計(jì)算出最佳震源機(jī)制解及震源深度。此方法不依賴于地殼速度模型及地殼橫向發(fā)展，能夠在格林函數(shù)和地震經(jīng)緯度并不精確的情況下獲得相對(duì)滿意的結(jié)果[6-9]。

以地震1為例，從地震臺(tái)站的分布角度及震中距來(lái)看（圖1），大部分臺(tái)站的方位基本能夠平均覆蓋震中周圍各個(gè)角度，并且絕大多數(shù)臺(tái)站距離震中地區(qū)基本在200 km 范圍內(nèi)，所以能夠提供質(zhì)量較好的地震波形數(shù)據(jù)。本文選擇了7—200 km 范圍內(nèi)方位角度較好、背景噪聲較低的28個(gè)地震臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)。計(jì)算震源機(jī)制解時(shí)，再通過(guò)波形質(zhì)量和波形擬合情況，進(jìn)一步篩選出10個(gè)臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)。

對(duì)體波和面波分別作0.125—0.14 Hz 和0.04—0.10 Hz 帶通濾波，體波與面波權(quán)重比設(shè)1：0.75，反演得到震源機(jī)制解。由震源深度搜索擬合曲線（圖2a）可見(jiàn)，深度為6.1 km 時(shí)擬合誤差最小，且在深度6.1 km 時(shí)，理論波形與觀測(cè)波形擬合良好（圖2b），說(shuō)明反演結(jié)果比較可靠。所以由波形反演獲得的震源深度為6.1 km。

2.2sPL深度震相方法

sPL震相是指從震源發(fā)出的 SV 波傳播到地表附近時(shí)經(jīng)反射轉(zhuǎn)換成 P 波并沿著地表傳播的波。sPL震相水平視速度與 P 波速度相等，一般在震中距50 km 范圍內(nèi)較為發(fā)育。在寬頻帶地震記錄中，該震相一般在直達(dá) P 波及直達(dá) S 波之間的波段內(nèi)能夠看到，波形主要包含低頻成分，幾乎沒(méi)有高頻特性，距離越遠(yuǎn)衰減越快，沒(méi)有 P 波尖銳，但初動(dòng)可能比 S 波尖銳。sPL震相的振幅以徑向 R 分量最大，垂向 Z 分量的能量相對(duì)徑向 R 分量小，切向 T 分量基本上觀測(cè)不到振幅[10-14]，如圖3中的sPL標(biāo)識(shí)處所示，紅色 R 分量振幅最大，藍(lán)色 Z 分量振幅略小，綠色 T 分量振幅最小。圖3為XIC 臺(tái)記錄到的地震1的三分量波形，已完成去儀器響應(yīng)、分量旋轉(zhuǎn)、濾波等處理。

通過(guò)識(shí)別震中距60 km 范圍內(nèi)臺(tái)站的三分量波形，最終挑選出距離震中55 km 的 XIC 地震臺(tái)記錄的波形。將原始地震波形數(shù)據(jù)從 seed 格式轉(zhuǎn)化為 sac 格式，去除儀器響應(yīng)，并將 N-E-Z 分量旋轉(zhuǎn)到 R-T-Z 分量，為抑制臺(tái)站基礎(chǔ)噪音的影響，進(jìn)行2—4 Hz 的低通濾波器濾波處理。然后使用 Crust2.0全球地殼模型（表1），計(jì)算出震中地區(qū)的速度模型，運(yùn)用頻率—波數(shù)（ F-K）方法，計(jì)算格林函數(shù)及畫(huà)出不同震源深度下的理論地震波形圖，將理論波形也通過(guò)濾波后，與處理過(guò)的實(shí)際波形對(duì)比，結(jié)合sPL震相基本特征，標(biāo)注出相應(yīng)的 P、S、sPL震相。

以地震1為例，R、T、Z 分量的位移記錄分別如圖4a、圖4b、圖4c 所示，可見(jiàn)直達(dá) Pg 波、Sg 波的實(shí)際波形與理論波形擬合良好，sPL震相在直達(dá)波 Pg 之后、Sg 波之前可以清晰地觀測(cè)到，在徑向和垂直向sPL震相實(shí)際波形與理論波形十分吻合，在切向觀測(cè)不到sPL震相。可以看出，對(duì)于 XIC 臺(tái)而言，在5 km 震源深度時(shí)實(shí)際觀測(cè)波形和理論波形的sPL震相能夠較好的擬合，所以可以認(rèn)為，通過(guò)sPL震相方法測(cè)定的該次地震震源深度為5 km。

2.3 雙差定位方法

雙差定位方法是較為適合對(duì)地震集群進(jìn)行相對(duì)定位的方法，通過(guò)建立地震事件對(duì)、震相對(duì)的方式，計(jì)算一簇地震集群中各個(gè)地震與這個(gè)集群的矩心的相對(duì)位置。如果兩個(gè)地震間距遠(yuǎn)小于震源與臺(tái)站的距離和速度不均勻體的尺度，可以近似認(rèn)為兩個(gè)地震從震源到臺(tái)站的射線路徑相同，就能夠通過(guò)兩個(gè)地震的走時(shí)差計(jì)算出精度較高的相對(duì)距離，在速度模型并不精細(xì)的情況下獲得相對(duì)滿意的結(jié)果[15-16]。

以地震1為例，通過(guò)浙江省地震局編目系統(tǒng)獲取正式報(bào)告，讀取2009—2021年所有地震事件到時(shí)，通過(guò)事件到時(shí)及波形到時(shí)差值得到從地震震源到觀測(cè)臺(tái)站的絕對(duì)走時(shí)，因?yàn)?S 波比 P 波精確識(shí)別更加困難，所以 S 波的到時(shí)使用人為測(cè)定誤差偏大，在該方法計(jì)算時(shí)通常對(duì) S 波的權(quán)重賦值更低一些，對(duì) P 波賦予1.0的權(quán)重，對(duì) S 波賦予0.75的權(quán)重。在震相配對(duì)時(shí)，每個(gè)事件對(duì)使用的震相對(duì)在1—60之間，在超過(guò)8 km 后不再搜索事件對(duì)鄰居，每個(gè)事件最多鄰居數(shù)目為8，事件對(duì)和臺(tái)站的最大距離為 500 km 。定位時(shí)使用 LSQR，迭代組數(shù)為2，每組 5次，阻尼值為80。2輪迭代時(shí)分別以8倍和6倍的標(biāo)準(zhǔn)差為截?cái)嘀担ㄋ俦仍O(shè)為1.73，并且輸入與其他方法同樣的地殼速度模型。共有303個(gè)參與定位的地震事件、141363個(gè) P 波到時(shí)、144527個(gè) S 波到時(shí)、59個(gè)臺(tái)站，定位后獲取了279個(gè)地震事件信息。最終計(jì)算結(jié)果中該地震震源深度為5.9 km。

將斷層面在地球表面的投影近似為一條直線，通過(guò)最小二乘法求出斷層平面參數(shù)，再以斷層所在平面為基準(zhǔn)，計(jì)算各個(gè)地震與該平面的垂直距離，用這些距離數(shù)據(jù)及震源深度數(shù)據(jù)做出重新定位前后的地震震源深度剖面 AA′（圖5）[17]。

從圖5、圖6可以看出，經(jīng)過(guò)雙差定位后，震中分布形態(tài)更加清晰，線性集中趨勢(shì)更加顯著。經(jīng)計(jì)算，均方根殘差從定位前的0.094 s 變?yōu)槎ㄎ缓蟮?.055 s，證明定位精度有很大的提高，可以認(rèn)為這次雙差定位的結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)果對(duì)比分析

皎口水庫(kù)地震震中區(qū)大地構(gòu)造上位于華南褶皺帶寧波—麗水—閩西北隆起北部，在新構(gòu)造分區(qū)上屬于下?lián)P子斷塊隆陷區(qū)的水下三角洲凹陷區(qū)西南部。地震構(gòu)造上處于北東向奉化—麗水弱震帶西部邊緣附近，2條區(qū)域性斷裂即北西向長(zhǎng)興—奉化斷裂與北東向余姚—麗水?dāng)嗔言诖私粎R[18]。區(qū)內(nèi)前基底巖石為中元古界陳蔡群變質(zhì)巖，蓋層主要為厚約2000—5000 m 的上侏羅系統(tǒng)塊狀晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，還伴有厚500 m 以上的白堊系凝灰質(zhì)砂礫巖[19]。

地殼為雙層結(jié)構(gòu)，地殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，速度變化較均勻。上地殼厚20 km 左右，以硅鋁質(zhì)物質(zhì)為主，P 波速度表現(xiàn)為5.8—6.5 km/ s 的連續(xù)變化。下地殼在 20 km 以下，由硅鎂質(zhì)物質(zhì)組成，厚10 km 左右，平均 P 波速度為6.8 km/s[20]，與本文速度模型表現(xiàn)基本一致。

通過(guò)比較，3種方法各有適用范圍：

（1）CAP 方法反演主要通過(guò)對(duì)比擬合理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形，得到殘差最小的震源機(jī)制解及震源深度，該方法特有的波形切割、擬合再拼接方式，基本不受地殼速度模型準(zhǔn)確性、臺(tái)站分布是否均勻等影響，仍能獲得不錯(cuò)的波形擬合效果，但是不適用于寧波地區(qū)震級(jí)偏小的情況，在 M≥3.5的地震中更為適用[1]；

（2）sPL在50 km 震中距范圍內(nèi)與深度存在線性關(guān)系，可用于約束震源深度，在優(yōu)勢(shì)震中距上震相清晰，在徑向和垂向上可以直接觀測(cè)到，適合人工快速測(cè)定震源深度。但是對(duì)于寧波地區(qū)而言，地震基本都發(fā)生在皎口水庫(kù)地區(qū)，該方法的優(yōu)勢(shì)震中距內(nèi)臺(tái)站太少，僅有 XIC 臺(tái)能較為明顯地觀察到sPL震相，數(shù)據(jù)偏少，不具有普適性，且由于可靠的區(qū)域地殼波形模擬對(duì)震源機(jī)制和地殼模型有一定的依賴性，震源機(jī)制的輻射模式影響波形的形狀和振幅，因而有時(shí)導(dǎo)致震相到時(shí)識(shí)別的誤差[1]；

（3）雙差定位方法通過(guò)建立地震事件對(duì)、震相對(duì)的方式，反演每個(gè)地震相對(duì)于矩心的相對(duì)位置，從而得到更精確的地震事件定位，具有便于操作、容易自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)。具備近臺(tái)資料時(shí)，地震定位的精度較高，能滿足一般需求。但是需要選擇合理的參數(shù)，需要對(duì)該方法有一定的理解。經(jīng)驗(yàn)表明利用這類方法準(zhǔn)確測(cè)定深度時(shí)，要求地震臺(tái)間距較小，至少有1個(gè)近臺(tái)的記錄（震中距小于1—2倍震源深度），才有較高的精度[21-22]。

寧波地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，使用全球地殼速度模型較為合適，地震震級(jí)偏小，且震中7 km 處有 YIX、TOJ 等地震臺(tái)站，能夠提高基于走時(shí)方法的定位精度。經(jīng)過(guò)3個(gè)寧波地區(qū) M2.5以上地震的測(cè)算（表1），對(duì)3種測(cè)定震源深度方法原理及經(jīng)驗(yàn)性的總布等因素，認(rèn)為雙差定位法更為適合皎口水庫(kù)地區(qū)結(jié)，結(jié)合寧波地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景、地殼結(jié)構(gòu)、臺(tái)站分地震的震源深度測(cè)定工作。

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