0 引言

震源深度是描述地震震源信息的基本参数之一，是目前难以准确测定的参数之一（高原等，1997）。震源深度的精确测定，对从事地震活动与断层之间关系、板块运动、震源附近应力分布以及震源机制等地球科学的相关研究具有重要意义（Galdeano et al，1995；张国民等，2002）。可以说，震源深度与地震学各领域的研究具有密切关系。

新疆地域辽阔，约占中国国土面积的1/6，地形较为复杂，“三山夹两盆”的地貌特征，被认为是印度板块与亚欧板块碰撞的结果（孙安辉等，2011）。新疆地震活动频繁，是中强震多发区，通常分为阿尔泰、北天山、南天山、阿尔金和西昆仑5个地震带，多数地震类型为主震—余震型。皮山县位于青藏高原和塔里木盆地之间，属于西昆仑地震带，是新疆地震活动强烈地区之一（曲延军等，2010），准确测定震源深度对研究该区域地质构造特征具有重要意义。1998年5月29日新疆皮山M_S 6.2地震（37.52°N，78.70°E）距该主震46 km，震源深度32 km（王坚，1998）；2015年7月3日新疆维吾尔自治区和田地区皮山县发生M_S 6.5地震，随后发生一系列余震。对于此次皮山M_S 6.5地震主震，各研究机构给出震源深度不同，其中新疆地震台网测定震源深度为10.0 km，中国地震台网中心测定震源深度10.0 km，USGS测定为20.0 km，欧洲地震网测定为20.0 km，中国地震局地球物理研究所给出的矩张量反演结果矩心深度约24 km。统计可知皮山地区地震震源深度大致分布在5—40 km，此次M_S 6.5地震与1998年M_S 6.2地震震源深度可知两者都为浅源地震，震源深度特征相近。本文使用“全国区域一维速度模型建设及推广使用”项目产出的2015新疆地壳速度模型（以下简称2015新疆模型），采用PTD和HypoSAT定位方法，分别对2015年皮山M_S 6.5地震序列的震源深度进行测定，以期揭示该区域地质构造特征。

1 资料选取

利用新疆区域测震台网53个地震台初至震相，共300组独立结果参与分析皮山M_S 6.5地震，地震选取截至2015年7月31日，得到178个M_S≥2.0地震序列。所用震相数据来源于中国地震台网中心编目数据库，原始地震波形数据资料来源于新疆地震台网，地壳模型使用2015新疆模型。

2 震源深度测定方法 2.1 PTD方法

震源深度测定的确定性方法（简称PTD方法）的基本理论是，设多层均匀地壳模型已知，假设震源深度为h（朱元清等，1997；王新岭等，2004）。把新疆皮山地区分为2层，见图 1，图中倒三角形表示地震台，则：第1层为地面到康拉德界面，用v₁表示第1层速度，H₁表示该层深度；第2层为康拉德界面到莫霍面，用v₂表示第2层速度，用H₂表示该层深度；v_n表示莫霍面速度；S_i表示震中距小于250 km且初至震相为Pg波的台站，S_j表示震中距大于270 km且初至震相为Pn波的台站；S_c是Pg和Pn波走时相同的点；d是Pn波出射临界点。根据地震学射线理论走时方程，S_j地震台记录的实际初至震相Pn波到时，减去BC段Pn波理论走时，可以转换得到S_i地震台的Pn波替代到时，此时可以用Pn-Pg求震源深度的方法计算深度。当震中距小于Pn波出射临界点d时，称为Pn波出射盲区，此时需要将S_j地震台记录的实际初至震相Pn波到时，减去AC段Pn波理论走时，得到虚拟地震台d的Pn到时，再减去震中距小于d点的实际地震台Pg波到时，即可计算震源深度（朱元清等，1997；王新岭等，2004）。

2.2 HypoSAT方法

HypoSAT定位程序采用传统Geiger法的基本思路（张宇等，2014）：把走时T在初值（x，y，z）附近作泰勒展开，取一级近似，即

$ T'{\text{ = }}T{\text{ + }}\frac{{\partial T}}{{\partial x}}\left({x' - x} \right) + \frac{{\partial T}}{{\partial y}}\left({y' - y} \right) + \frac{{\partial T}}{{\partial z}}\left({z' - z} \right) $

其中T为实际走时，T′是相应于（x，y，z）附近一点（x′，y′，z′）的走时。在此基础上建立并求解观测方程组，HypoSAT方法先将方程组降维，不化为正规方程组，直接用奇异值分解最小二乘法求解，在实际计算中还采用多种数据加权。该方法可采用分区水平分层速度模型，为每个地震台站指定不同的地壳速度模型，且采用近台初值。

3 震源深度测定 3.1 地壳速度模型选择

新疆区域具有复杂的地形地貌和地质构造，且不同区域之间的地壳速度结构具有明显差异。为了更好地测定震源深度，必须采用适合的地壳速度模型（刘文学等，2011）。“全国区域一维速度模型建设及推广使用”项目产出的2015新疆模型是基于新疆地区的测震数据，是对3400走时表（3400模型）的优化和改进，是一个大范围的地壳平均速度模型，较好地适用于新疆地震参数的测定工作。本研究测定皮山M_S 6.5地震序列震源深度即采用2015新疆模型。

3.2 主震震源深度测定

（1）使用PTD方法定位地震。在2015新疆模型下应用PTD方法计算皮山M_S 6.5地震震源深度，其中用到Pg震相数据15个，Pn震相数据38个，震源深度组成有效样本数300个，结果的判别标准不仅要求实际计算深度值收敛和有一定的集中度，而且要求数据样本较多，以满足统计规律和服从高斯分布。采用PTD方法计算的皮山M_S 6.5地震震源深度呈高斯分布（正态分布），见图 2，其中柱状图为步长2 km的震源深度在0—40 km范围内所占震源深度样本数；黑色曲线为理论上的高斯分布。理论上可以证明，当集中度最大值和高斯分布极值最接近时对应结果最好（宋秀青等，2014）。由图 2可见，当此地震震源深度为21 km时，样本数集中度最大值和高斯分布极值耦合最好，此时标准差为6.8 km。

（2）使用HypoSAT方法定位地震。使用HypoSAT方法对皮山M_S 6.5地震震源深度重新计算，以检验PTD方法的稳定性和可靠性，在相同模型（2015新疆模型）条件下，HypoSAT定位方法计算得到此次地震震源深度为20 km，定位残差RMS = 0.672。

（3）对比结果。由以上2种方法计算此次皮山M_S 6.5地震序列主震震源深度，发现二者计算结果基本一致，且PTD方法得到的震源深度较深，具有较好的稳定性，与中国地震局地球物理研究所根据矩张量反演结果得到的矩心深度（约24 km）接近。

3.3 地震序列震源深度测定

对于皮山M_S 6.5地震序列，选取截至2015年7月31日的地震资料，使用2015新疆模型，采用PTD和HypoSAT方法，测定该序列震源深度，共得到178个地震的震源深度，具体震源深度结果见表 1，震源深度随经纬度的分布见图 3。由于皮山M_S 6.5地震序列震区地震台站分布稀疏，震中距小于70 km的台站仅有1个，实际计算结果（表 1）表明，当震级大于M_S 2.0时得到的震源深度结果较好。

由表 1中此次皮山M_S 6.5地震序列震源深度结果可知，采用PTD方法得到的震源深度在15—35 km范围的占87.50%，平均深度为23 km，集中度最大值与高斯分布极值符合较好，标准差为6.5 km；采用HypoSAT方法得到的震源深度在5—30 km范围的占99.43%，平均深度为19 km，集中度最大值与高斯分布极值一致性较好，标准差为5.0 km。由图 3可见，2种方法计算出的震源深度分布范围相差不大，集中在5—40 km范围内，红色实心圆与绿色实心圆相比，更多分布在震源深度较深部位，也就是说，利用PTD方法计算得到的震源深度较大。

4 结论

综上所述，通过对2015年7月3日新疆维吾尔自治区皮山县M_S 6.5地震序列震源深度进行测定，分析得到以下结论。

（1）对于M_S 6.5地震主震，采用PTD方法计算得到震源深度21 km，采用HypoSAT方法计算得到震源深度20 km，与中国地震局地球物理研究所给出的震源深度（约4 km）相比，认为PTD方法计算结果较可信。

（2）采用PTD方法计算余震序列震源深度，部分小震或震相不清晰（Pn和Pg震相个数过少或缺失）的地震不满足计算条件，无法得到震源深度结果或数值稳定性较差。如2015年7月3日9时22分54秒M_S 3.8地震由于主震波形干扰，无法读取初至震相，故无深度计算结果。

（3）由表 1可知，2种定位方法计算结果综合统计，皮山M_S 6.5地震序列震源深度分布在5—35 km，可见震源主要位于地壳，属浅源构造地震。根据张先康（2002）的研究结果，认为塔里木块体基底埋藏较深，进入西昆仑、天山山区埋深变浅，且基底的隆起与坳陷之间大多受断裂构造带控制，地壳内界面、莫霍界面的急剧变化带和低速异常体均表明，在塔里木盆地边缘与西昆仑交界区存在地壳深断裂，且主要集中在20—40 km深度范围内。皮山M_S 6.5地震地处塔里木盆地边缘与西昆仑交界区，其主震及余震震源深度恰恰反映了该特征。

（4）皮山M_S 6.5地震序列震源深度计算结果表明，采用PTD方法得到的震源深度较大。从深度分布范围看，二者计算结果基本一致，相互验证，在震源深度计算结果可信度上可提供一定参考依据。

本文撰写使用了江苏省地震局缪发军提供的PTD震源深度计算程序、天津市地震局刘双庆提供的震源深度制图程序，在此表示诚挚的谢意。