張瑩瑩，安艷茹

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045）

利用近震和遠震波形快速測定地震震源深度
——以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級地震為例

張瑩瑩，安艷茹

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045）

利用四川臺網(wǎng)近震波形資料，精確拾取初至震相，采用網(wǎng)格搜索法，通過調(diào)整震源深度來控制近臺定位殘差，給出蘆山7.0級地震的震源深度。同時利用全球臺網(wǎng)遠震波形資料，給定震源位置利用Taup計算理論走時，通過擬合sP到時，驗證近震給出的震源深度。通過和其他研究結(jié)果對比，結(jié)果表明：利用近震和遠震相結(jié)合的方法分析給出的蘆山地震的震源深度14 km的結(jié)果是合理的。在限定的較短時間內(nèi)，利用近震結(jié)合遠震判定地震深度的辦法簡單高效，可以很好的應用于速報工作中。

近震；遠震；深度震相；震源深度

0 引言

震源深度是描述震源的最基本參數(shù)之一，它的準確測定關(guān)系到對震源過程、斷層構(gòu)造、殼幔結(jié)構(gòu)、應力積累狀態(tài)、板塊運動等一系列重要問題的正確認識；但在現(xiàn)代地震目錄中，它幾乎已經(jīng)成為最不準確的參數(shù)之一[1]。隨著研究的深入現(xiàn)今測定震源深度的方法越來越多，例如：通過利用sPn[2-3]、sPL[4]、sP和pP[5]等深度震相來測定震源深度的方法；通過模擬面波振幅譜確定震源深度[5-6]；以上方法都需要對大量事件波形進行專業(yè)的處理和分析，一般耗時較長，不能滿足快速測定震源深度的需求。隸屬于中國地震臺網(wǎng)中心的國家測震臺網(wǎng)中心作為地震速報參數(shù)的第一發(fā)布者，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成地震的發(fā)震時間、空間和強度信息的準確測定，震源深度是否準確將極大地影響到對災情的預判，因此如何在速報規(guī)定的時間內(nèi)準確測定震源深度是一個非常值得探討的問題。結(jié)合實際工作，本文以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級地震為例，探討了如何在規(guī)定時間內(nèi)用近震結(jié)合遠震波形資料快速準確測定震源深度的方法。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

近震波形資料來自11個四川區(qū)域臺網(wǎng)，遠震波形資料是國家臺網(wǎng)共享的25個全球地震臺網(wǎng)（Global Seismographic Network）記錄的事件波形（圖1）。本文利用目標函數(shù)搜索法進行地震定位，分析近震資料時采用中國地區(qū)模型[7]，分析遠震資料時采用iasp91模型[8]，每千米深度的震相走時表是利用taup軟件[9]計算得到的。定位軟件采用國家測震臺網(wǎng)中心開發(fā)并不斷改進的國家數(shù)字地震臺網(wǎng)中心實時處理及大地震速報軟件系統(tǒng)[10]。

圖1 參與定位的四川區(qū)域臺和全球臺網(wǎng)臺站分布Fig.1 The distribution of Sichuan regional stations and global stations used in the location

本文采用的目標函數(shù)搜索法是在全空間范圍內(nèi)尋找一個點（x，y，z），根據(jù)最小二乘法原理，如果在該點發(fā)生地震，地震波到達各臺站的理論到時與實際觀測到時差的平方和最?。ㄅc其他點相比），可認為該點是發(fā)生地震最可能的位置，目標函數(shù)如下：

式（1）中，Ti為i地震臺的觀測到時，T＇i為i地震臺的計算到時[6]。

具體實現(xiàn)過程是網(wǎng)格搜索，該方法最早被Sambridge和Kennet[7]應用于遠震定位，后來被Dreger等[8]用于稀疏區(qū)域臺網(wǎng)的地震定位。本文將全球分成網(wǎng)格，掃描網(wǎng)格點，尋找殘差值最小的點。將全球經(jīng)度從-180°～+180°，緯度從-90°～90°，分成2°的網(wǎng)格，沿著網(wǎng)格逐點掃描搜索殘差最小的點。然后再以0.5°，0.1°的網(wǎng)格，搜索殘差最小的點。這樣既可保證精度，又可保證速度。最后給出各深度對應的殘差分布圖，通過殘差的分布情況，給出合理的深度結(jié)果。

1.1 用近震資料分析震源深度

對于給定的合理地殼速度模型，臺站的布局決定定位結(jié)果的精確度。臺站間隙角和震中距越小，對深度的約束就越好。本文利用近震資料，精確拾取直達P波到時，給定不同的深度值，利用網(wǎng)格搜索法進行地震定位，考慮近臺殘差及總體殘差，當殘差達到最小時，認為深度值最接近真實值。

1.2 用遠震資料分析震源深度

對于遠震射線，地球介質(zhì)可以簡化為均勻、各向同性、完全彈性、球?qū)訝罱橘|(zhì)，圖2為sP、pP和P射線路徑示意圖，直達P和sP的到時差可以表示為[11]：式（2）中，h為震源深度，i為pP的入射角，a為P波速度。

圖2 sP和P射線路徑示意圖Fig.2 The ray paths of the sP and P

深度震相sP與P震相的到時差是震源深度的函數(shù)，到時差隨震源深度的增加顯著增加[12]，所以用sP震相可以可靠的約束震源深度[13-15]。

實際工作中可以結(jié)合近震給出的經(jīng)緯度和深度估計，利用taup軟件計算理論sP走時。觀察在理論到時位置處是否存在sP震相。sP震相的特征是：在震中距12°以后即可觀測到，初動方向與P相同[16]，振幅比P波強，周期比P波長[12]，。為了保證正確的識別sP震相，在單臺識別的基礎(chǔ)上，利用多臺進行震相的對比識別。遠震的深震相到時擬合和利用區(qū)域臺站近震資料直接測定深度的方法在深度測定過程中可以互為驗證來得到可靠的深度估計，如果區(qū)域臺站分布不理想，可以利用遠震波形，通過選定不同深度來擬合深震相到時，作為單獨手段來估計地震深度。

2 數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果

2.1 近震波形資料分析

選用震中距在30 km以內(nèi)的11個近臺，來分析2013年4月20日四川蘆山發(fā)生的MS7.0級地震的深度。以往的研究表明龍門山斷裂帶周圍相對容易積累應變，并且5～19 km深度是高應力聚集區(qū)[17]。我們將發(fā)生在龍門山斷裂帶南段的蘆山地震的深度范圍設(shè)定為1～30 km，以1 km為步長，并對經(jīng)緯度進行網(wǎng)格搜索，獲得各臺站殘差及平均殘差，殘差最小值對應的深度最接近實際的震源深度。眾所周知，臺站的震中距越小對深度的約束越好，本文震中距最小的兩個臺為BAX和MDS，分別為18 km和25 km，這就較好的約束了震源深度。

表1是網(wǎng)格搜索給出的殘差，按平均殘差從小到大的順序給出了對應深度，圖3為各深度對應的定位殘差曲線，可以直觀的看出，在深度為14 km時，BAX和MDS臺的走時殘差達到最小，并且符號相反（BAX和MDS臺站位于地震的兩側(cè)），同時參與定位的所有臺站的平均殘差也達到最小，因此，近震給出的震源深度估計為14 km，給出的其他定位結(jié)果參數(shù)分別為：發(fā)震時刻：2013-04-20 08:02:47.1，緯度：30.29°，經(jīng)度：102.97°。

3.2 遠震波形資料分析

表1 蘆山7.0級地震各深度下的定位殘差Table 1 The location residuals with every depth of Lushan MS7.0 earthquake

圖3 蘆山7.0級地震定位殘差曲線Fig.3 The location residuals curves of Lushan MS7.0 earthquake

近臺能夠很好的控制地震的震中位置，本文用taup軟件計算了25個GSN臺站記錄到的蘆山地震的理論P波和sP的走時，并在波形上標出了理論到時，如圖4所示，25各臺站除KEV、WAKE、SFJD和POHA臺站記錄情況不好外，T1標記的理論P波到時和T2標記的sP到時，與波形的震相比較吻合，在用時較短的情況下能夠直觀的判斷出所選深度的合理性。

4 結(jié)語

利用近震資料分析得到的蘆山地震深度為14 km，定位結(jié)果的平均殘差為0.13 s處于較低值。由于遠震波形中標出的sP到時理論值和觀測較為匹配，這就證明了可以將震源深度選定為14 km。綜上，本文認為2013年4月20四川蘆山MS7.0級地震的震源深度為14 km是合適的。

蘆山地震發(fā)生后，關(guān)于震源位置的研究陸續(xù)發(fā)表，其中劉杰等[18]利用四川臺網(wǎng)記錄的地震波形資料，采用CAP波形反演方法得到的主震最佳擬合深度約為19 km；曾祥方等[19]通過近遠震波形數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，得出震源深度為12 km；呂堅等[20]采用雙差定位方法，利用人工地震測深和天然地震反演得到的地殼速度結(jié)構(gòu)對主震和余震的震源位置進行重新定位，最終得到的主震深度為14 km。

圖4 蘆山地震GSN臺站的波形記錄Fig.4 The waveforms of Lushan earthquake recorded by GSN stations

以上各項研究側(cè)重點不同，得到的結(jié)果也存在一定的差別。震源機制給出的是震源“質(zhì)心”位置，利用震相到時給出的是震源的初始破裂位置，考慮到龍門山斷裂帶地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)比較復雜，并且蘆山地震存在一定的破裂尺度，這些差別是完全可以接受的。綜合前人的研究結(jié)果，本文給出的蘆山地震的深度結(jié)果為14 km是比較可靠的；在限定的較短時間內(nèi)，利用近震結(jié)合遠震判定地震深度的辦法簡單高效，能夠很好的應用于速報工作中。

[1]高原，周蕙蘭，鄭斯華，等.測定震源深度的意義的初步討論[J].中國地震，1997，13（4）：321-329.

[2]王登偉.用sPn與Pn波走時差測定近震震源深度的方法[J].地震，2011，31（1）：12-19.

[3]孫茁，吳建平，蔡妍.sPn震相特征及在震源深度測定中的應用[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（3／4）：89-95.

[4]崇加軍，倪四道，曾祥方．sPL一個近距離確定震源深度的震相[J]．地球物理學報，2010，53（11）：2 620-2 630.

[5]Alireza Alinaghi and Frank Kr¨uger.Seismic array analysis and redetermination of depths of earthquakes in Tien-Shan:implications for strength of the crust and lithosphere Geophys[J].J.Int.2014，198：1 111-1 129.

[6]Fox，B.D.，Selby，N.D.，Heyburn，R.et.al.Shallow seismicsourceparameterdeterminationusing intermediate-period surface wave amplitude spectra[J]. Geophys.J.Int.，2012，191：601-615.

[7]郭履燦，唐友梅，閻志德，等.中國地區(qū)地震P波和S波走時表[J].地震學報，1981，3（2）：198-210.

[8]Kennett B.L.N.，Engdahl E.R.Traveltimes for global earthquake location and phase identification[J].Geophys. J.Int.，1991，105：429-465.

[9]Crotwell H.P.，Owens T.J.，Ritsema J.The TauP Toolkit:Flexible seismic travel-time and ray-path utilities[J].Seismological Research Letters，1999，70（2）：154-160.

[10]宋銳，顧小虹，王永力，等.國家數(shù)字地震臺網(wǎng)中心實時處理及大地震速報軟件系統(tǒng)[J].地震，2001，21（4）：44-59.

[11]Stein S.Wysession M.An introduction to seismology，earthquakes，and earth structure[M].Xfoed：Blackwell Publishing，2003，231-232.

[12]張誠.地震分析基礎(chǔ)[M].北京：地震出版社，1986.

[13]Chen W.P.，Nabelek J.L.，F(xiàn)itch T.J.，et al.An intermediate depth earthquake beneath Tibet:Source characteristics of the event of September 14，1976[J]. Journal of Geophysical Research，1981，86（B4）：2 863-2 876.

[14]Zhao L.S.，Helmberger D.V.Geophsical implications form relocations of Tibetan earthquake:hot lithosphere[J]. Geophys Res.Lett.，1991，18（12）：2 205-2 208.

[15]Engdahl E.R.，Van Der Hilst R.，Buland R.Global teleseismic earthquake relocation with improved travel time and procedure for depth determination[J].Bull Seismol Soc Amer，1998，88：722-743.

[16]中國地震局監(jiān)測預報司.實用數(shù)字地震分析[M].北京：地震出版社，2009.

[17]陳棋福，華誠，李樂，等．龍門山斷裂帶深部構(gòu)造變形的黏彈性模擬及其與強震活動的關(guān)聯(lián)性探討[J]．地球物理學報，2015，58（11）：4 129-4 137.

[18]劉杰，易桂喜，張致偉，等．2013年4月20日四川蘆山M7.0級地震介紹[J]．地球物理學報，2013，56（4）：1 404-1 407.

[19]曾祥方，羅艷，韓立波，等.2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震：一個高角度逆沖地震[J].地球物理學報，2013，56（4）：1 418-1 427.

[20]呂堅，王曉山，蘇金蓉，等.蘆山7.0級地震序列的震源位置與震源機制解特征[J].地球物理學報，2013，56（5）：1 753-1 763.

Rapid Determination of the Earthquake Focal Depth by Using Near Earthquake and Teleseismic Waveforms：a Case Study of MS7.0 Earthquake on April 20th，2013

ZHANG Yingying，AN Yanru
（China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

By using the waveforms recorded by Sichuan province regional stations,the first arrival P phases by precisely manual picking，and a grid search method,the paper gets the depth result of Lushan MS7.0 earthquake through controlling the location residuals by modifying the deep values.Meanwhile,based on the teleseismic waveforms data recorded by global network stations and the given source location，the paper uses Taup to calculate the theoretical arrival time of surface reflections sP，and verifies the focal depth determined by thenear earthquake waveforms by fitting the arrival time of sP.The result shows that the focal depth of Lushan earthquake with 14 km is reasonable which is determined by jointly using the waveforms recorded by regional stations and teleseismic stations.In a limited short time,the method which jointly use the waveforms recorded by regional stations and teleseismic stations is simple and effective,so it will be very suitable to be used in earthquake quick report work.

Near earthquake；Teleseismic；Depth phases；Focal depth

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0075-06

10.13512/j.hndz.2016.03.011

2015-07-29

張瑩瑩（1986－），女，助理工程師，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測、地殼速度結(jié)構(gòu)和各向異性方面的研究。

E-mail：zyycugb1986@163.com.

張瑩瑩，安艷茹.利用近震和遠震波形快速測定地震震源深度——以2013年4月20日四川蘆山MS7.0級地震為例[J].華南地震，2016，36（3）：75-80.[ZHANG Yingying，AN Yanru.Rapid Determination of the Earthquake Focal Depth by Using Near Earthquake and Teleseismic Waveforms：a Case Study of MS7.0 Earthquake on April 20th，2013[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：75-80.]