2018, Vol. 38
2. 湖北省地震局，武汉市洪山侧路48号，430071
震源深度作为地震学研究的关键参数之一，能反映地壳脆-韧性转化深度的重要信息，对于地壳应力与流变学性质、活动性评价、发震构造、危险性评估等研究均具有重要意义。震源深度的精确确定一直是一个难题。传统方法利用Pg和Sg走时进行定位，虽可获得较高精度的震源深度，但要求台网密集且震中距小于2倍震源深度。基于国内区域台网现有的客观条件，对于网内分布的地震，难以获得较高精度的震源深度。
近年来，近震深度震相(sPg、sPmP和sPn)特征的识别和分析已经成为确定震源深度的重要手段[1-5]，但需要注意的是，不同的深度震相只有在特定的震中范围以及使用条件下才能获得高精度的震源深度。为此，崇加军等[6]提出了50 km范围内的深度震相sPL，该震相与P波的到时差对震中距离变化不敏感，而与震源深度几乎呈线性正相关关系，利用此特征可以很好地约束震源深度。在此方法基础上，多位学者对地震序列震源深度测定开展过研究[7-8]。例如，项月文等[7]利用sPL震相特征对2005-11-26九江-瑞昌MS5.7地震序列中M≥1.2地震进行深度测定，其结果与CAP波形反演、双差定位、sPn震相、Hyposat等方法定位的结果具有很好的一致性，证明利用sPL震相在M≥1.2地震的深度计算中可获得较高精度的结果。本文拟通过对2017-06-16湖北省巴东县M4.3震群近震深度震相sPL的识别和分析，获取该地震序列可靠的震源深度分布。不仅对sPL震相在三峡地区震源深度测定中的适用性进行探索，同时也为三峡库区地震震源深度研究、地震活动特征分析以及区域构造认识提供新的数据。
1 数据和地壳模型 1.1 资料选取据湖北省数字地震台网统计，2017-06-16 19:48巴东M4.3主震后至2017-06-30 23:00，震源区共记录到可定位余震17次，其中M4.0~4.9地震2次，M3.0~3.9地震0次，M2.0~2.9地震1次，M1.0~1.9地震7次，M0.0~0.9地震7次，最大余震为2017-06-18 17:39 M4.1地震。
sPL震相在震中距为30~50 km范围内较为发育[6]，对于本次地震序列而言，湖北省数字地震台网中仅有兴山台(XSH)符合要求。兴山台频带宽度为60 s~50 Hz，地震计型号为BBVS-60，数采为EDAS-24IP，属于基岩台，台基为灰岩。
1.2 地壳模型本次震群活动主要分布于巴东县东瀼口镇东侧，震中呈团簇状分布，位于黄陵背斜西南侧，岩性以二叠系-三叠系中厚层灰岩和白云质灰岩为主[9]。
结合陈学波等[10]和廖武林等[11]提供的速度结构模型，构建三峡地区的一维地壳模型，见表 1。
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表 1 三峡地区的一维地壳模型 Tab. 1 The one-dimensional crustal model in Three Gorges area |
sPL震相是从震源出发的SV波入射到自由表面下方时，将一部分能量转换为P波，或者是包含P波的多次波或散射成分的衍射波，继续沿着地表传播的震相[6](图 1)，其水平视速度等于P波速度，并且出现在临界距离上。sPL震相易于被震中范围30~50 km以内的台站所记录，到时位于P波和S波之间，以低频为主，没有P波尖锐，能量在径向分量上集中，垂向分量振幅相对径向分量要小，切向分量振幅很弱[6]。sPL与P波的到时差随震源深度几乎呈线性增加，受震中距离影响不大，因此可以用来确定震源深度[6]。
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图 1 均匀半空间下sPL和直达P波射线路径 Fig. 1 Ray paths of sPL and P wave for the model of half space |
根据均匀半空间模型sPL震相产生的原理[6]，假设P波速度VP已知，VP/VS波速比为α，震源深度为h，则sPL与P波的到时差(TsPL-TP)与震中距Δ的关系可表示为[12]：
| $ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;{T_{{\rm{sPL}}}}-{T_{\rm{P}}} = \\ \frac{{h \times \sqrt {{\alpha ^2}-1} + \Delta-\sqrt {{h^2} + {\Delta ^2}} }}{{{V_{\rm{P}}}}} \end{array} $ | (1) |
根据前人研究成果[7, 12]，若h2远小于Δ2，h2+Δ2的值趋近于Δ2，则式(1)可近似为：
| $ {T_{{\rm{sPL}}}}-{T_{\rm{P}}} = \frac{{\sqrt {{\alpha ^2}-1} }}{{{V_{\rm{P}}}}} \times h $ | (2) |
在已知三峡地区一维地壳模型(表 1)以及假定震源深度和触发台站震中距情况下，对式(1)简化过程的合理性进行数值实验。实验中，利用已知和假定参数计算出理论到时与P波的到时差，再将结果代入式(2)得到简化后计算出的深度h'，最后比较h与h'的差值是否处于误差范围内。鉴于sPL震相优势震中范围在30~50 km之间，因此Δ分别取30 km和50 km，震源深度从1~18 km依次增加(表 2)。
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表 2 三峡地区sPL与P波到时差计算简化过程数值实验结果 Tab. 2 Simplified numerical experimental results of the TsPL-TP arrival-time difference in the Three Gorges area |
实验结果表明，当Δ不变时，式(1)中假定的深度h和式(2)简化后计算得到的深度h'的差值随着h的增加不断变大。一般近震深度测定误差在2 km之内可被接受[13-14]，即在三峡地区，当Δ分别为30 km和50 km，深度在15 km、18 km内时，满足h2+Δ2的值趋近于Δ2这一条件。由于三峡地区绝大多数地震震源深度均小于10 km[15-16]，测定该区域震源深度可直接采用简化后的式(2)。
3 实验结果与分析 3.1 sPL震相确定震源深度将兴山台记录到的巴东M4.3地震序列原始波形数据进行去倾斜、去均值和扣除仪器响应处理，再将波形从NS-EW-UD分量旋转至R-T-Z分量，然后将波形中的1 Hz以上的高频成分滤除，即可在径向(R)分量上观察到较为清晰的sPL震相。依据表 1的地壳模型，采用F-K方法模拟兴山台在不同深度下径向、切向和垂直向的理论地震图。将径向分量下Pg和sPL相对到时吻合后，对比理论震相和实际波形，进而得到震源深度。
分析地震序列中6次M≥1.5的地震数据发现，其均能观测到清晰的sPL震相，震中距范围42~45 km，并表现出径向分量能量最大、垂向分量次之和切向分量最弱的特征(图 2)。
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图 2 巴东M4.3地震及其余震序列的兴山台位移记录 Fig. 2 Displacement records for Badong M4.3 earthquake sequence at XSH station |
从波形对比结果(图 3, 灰色代表理论地震，红色代表实际地震)可以看到，巴东M4.3地震及余震序列在震源深度为3~4 km时，兴山台径向分量上Pg和sPL震相与理论震相拟合度最高，且实际波形与理论波形彼此吻合(表 3)。
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图 3 采用F-K方法模拟得到的兴山台理论地震图和实际记录对比 Fig. 3 Comparisons between the theoretical seismograms by the F-K method and the observed waveforms at XSH station |
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表 3 巴东M4.3地震序列目录及深度测定结果对比(M≥1.5) Tab. 3 Catalog of the Badong M4.3 earthquake sequence and focal depth mesurement comparision (M≥1.5) |
利用sPL震相确定震源深度的误差主要来自于震相识别误差和地壳速度模型不确定性两个方面。其中，震相识别误差可以利用sPL震相低频为主且在径向、切向以及垂直向的振幅差异特征与S波区分。
为测试地壳速度模型不确定性对震源深度误差的影响，将表 1中模型的速度分别增减10%得到两个新模型，再分别利用两个新模型产出的理论震动图和上述sPL震相对比，得到新模型下的理论地震深度，计算结果见表 4(单位km)。可以看出，当速度增减10%时，对于深度为3~4 km的地震深度，误差约为1 km。
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表 4 巴东M4.3地震序列震源深度误差对比(M≥1.5) Tab. 4 Comparison among focal depth errors of the Badong M4.3 earthquake sequence(M≥1.5) |
综上所述，本次震群活动的震源深度约为3~4 km，误差约为1 km。
4 结语本文基于崇加军等[6]提出的近震深度震相特征，结合区域速度结构模型以及F-K方法，对湖北省数字地震台网宽频带台站记录的巴东M4.3地震序列波形进行分析。结果发现，该地震序列的17次地震中，兴山台共识别出6次地震的sPL震相，通过波形对比分析综合得出，本次地震序列的震源深度约为3~4 km，误差约为1 km。
本文的结果也初步证实了近震深度震相sPL在三峡库区可以被不同程度地识别，并且能获得可靠的震源深度，使得利用sPL震相来测定三峡库区中、小地震震源深度成为可能。
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