〔作者简介〕 赵韬, 男, 1989年生, 2017年于中国科学技术大学地球与空间科学学院获地质工程专业硕士学位, 工程师, 主要从事地震监测数字地震资料分析处理工作以及震源机制解快速产出方面的研究, 电话: 15929933676, E-mail: zhaotaowy@163.com。
2016年7月31日广西苍梧发生的 MS5.4地震是广西测震台网自建立以来所记录到的区域内最强地震。不同机构对于此次事件给出的震源深度结果相差较大, 例如美国地质调查局(USGS)地震目录显示其深度为24.5km, 而全球矩心矩张量研究中心(Global CMT)测定的深度为15.6km。为了进一步准确确定广西苍梧地震的震源深度, 文中基于区域速度模型, 首先利用走时残差全局搜索法初步得到此次地震震源深度及误差范围, 然后使用CAP(Cut and Paste)方法反演苍梧地震震源机制, 在此基础上, 采用Rayleigh波振幅谱和sPL震相方法进一步约束了此次地震的震源深度。研究结果显示: 利用走时残差全局搜索法获得的苍梧 MS5.4地震震源深度及误差范围为(13±3)km, CAP方法反演的深度为10km, Rayleigh波振幅谱测定深度结果为9~10km, sPL震相测定深度结果为10km, 最终确定广西苍梧 MS5.4地震的震源深度约10km, 这表明此次事件仍为发生于上地壳的地震。本文结果同时表明, USGS地震目录在研究区的震源深度精度有待提高。
On July 31th, 2016, a magnitude 5.4 earthquake struck Cangwu Country, Guangxi Zhuang Autonomous Region, it was the largest earthquake recorded by Guangxi Seismological Network since it set up. The number of people affected by the earthquake had reached 20 000, and the direct economic losses caused by the earthquake were nearly 100 million Yuan.
After the earthquake, USGS provided a global earthquake catalog showing that the focal depth of Cangwu earthquake was about 24.5km. However, the result given by the Global Centroid Moment Tensor showed the focal depth of this earthquake was 15.6km. However, the result obtained by Xu Xiaofeng et al. using CAP method was 5.1km. It was clear that the focal depths of Cangwu earthquake given by different institutions were quite different from each other. However, accurate focal depth of the earthquake has important significance for exploring the tectonic mechanism near the epicenter, so it is necessary to further determine the more accurate depth of the Cangwu earthquake.
In order to further accurately determine the focal depth of Cangwu earthquake, we used the global search method for travel-time residual to calculate the focal depth of this earthquake and its error range, based on the regional velocity model, which is a one-dimensional velocity model of the Xianggui tectonic belt produced by the comprehensive geophysical profile. Then, we inverted the focal mechanism of this earthquake with the CAP method. Based on this, the focal depth of Cangwu MS5.4 earthquake was further determined by the method of the Rayleigh surface wave amplitude spectrum and the sPL phase, respectively.
Computed results reveal that the focal depth of this earthquake and its error range from the travel-time residual global search method is about(13±3)km, the focal depth inverted by CAP method is about 10km, the focal depth from sPL phase is about 10km, and the focal depth from Rayleigh surface wave amplitude spectrum is about 9~10km. Finally, we confirmed that the focal depth of Cangwu MS5.4 earthquake is about 10km, which indicates that this earthquake still occurred in the upper crust. In the case of low network density, the sPL phase and Rayleigh wave amplitude spectrum recorded by only 1 or 2 broadband stations could be used to obtain more accurate focal depth.
The focal depth's accuracy of Cangwu MS5.4 earthquake in the USGS global earthquake catalog has yet to be improved. In the future, we should consider the error of the source parameters when using the USGS global earthquake catalog for other related research.
2016年7月31日发生于广西苍梧的MS5.4地震是广西测震台网建立以来所记录到的区域最大地震, 地震受灾人数达2万多人, 造成的直接经济损失近1亿元(周军学等, 2017)。此次地震发生在江南造山带与华夏地块的过渡区, 打破了东南沿海地震带5级地震长达16a的平静, 可能对东南沿海地震带乃至大陆东部地区6级地震活动具有指示意义。地震震中位于NNE向的贺街-夏郢断裂带附近, 该断裂带的信息在历史资料中无详细记录。地震发生后, 美国地质调查局(USGS)公布的全球正式地震目录显示本次地震的震源深度为24.5km, 全球矩心矩张量研究中心(Global CMT)给出的震源深度为15.6km, 而徐晓枫等(2017)利用CAP(Cut and Paste)方法反演得到的震源深度为5.1km(表1)。获得此次地震准确的震源深度对于探明贺街-夏郢断裂带附近的构造机制有着重要意义, 而各机构给出的震源深度存在显著差异, 因此需要进一步测定更加精确的结果。
震源深度是研究地下介质构造、 孕震环境及地震成因的重要基础(陈立军, 2000; 张国民等, 2002; 石耀霖等, 2003; 朱艾斓等, 2008)。准确的震源深度是研究地震烈度的重要参数, 在震级相同的情况下, 震源深度越小则地表烈度越大, 地震带来的人员和财产损失往往也会增大(Gupta et al., 2013; 曹均锋等, 2015)。2012年9月7日11时19分, 云南彝良发生了5.7级地震, 1h后, 又发生1次5.6级地震, 2次地震共导致81人死亡, 约18万户、 74.4万余人受灾, 并给当地居民造成了重大的财产损失(冯新科等, 2015)。吕坚等(2013)通过深入研究发现, 这2次地震的震源深度均为6km左右, 震源深度较浅是此次彝良地震造成重大财产损失、 惨重人员伤亡的重要原因之一。而2016年1月2日发生在黑龙江林口县的M6.4地震, 其震源深度达580km, 当地居民甚至没有感觉到地震的发生。
震源深度也被广泛用于约束地震成因。随着人类社会的发展, 确定油气开采及地下注水与地震之间的关系, 对于社会的发展和科学研究而言意义重大。通过可靠的震中经纬度和精确的地震震源深度可以判断地震震群震源是否与地下注水井的位置具有对应性, 由此可判断地震震群是否由地下注水诱发(王小龙等, 2012; Ellsworth, 2013; Kim, 2013)。此外, 地震事件的全矩张量解中非双力偶成分所占比例也是鉴别地震成因的重要参数(刘俊清等, 2017)。
然而, 仅通过区域台网数据较难准确测定震源深度。虽然测震台站可在水平方向上较好地包围震中, 但是在垂向(深度方向)上测震台站仅位于震源上侧, 导致角度分布具有局限性(罗艳等, 2013; 郑勇等, 2017)。目前, 很多测震台网使用的震源参数测定方法主要基于Pg、 Sg震相的到时, 这种方法一般在震中距不超过1.4倍震源深度的范围内且有台站分布的情况下才能够获得精确的震源深度(Mori, 1991)。
如今, 越来越多的学者开始使用对深度敏感的震相来测定震源深度, 对于近震, 常使用sPg、 sPn、 sPmP和sPL震相来测定震源深度。sPg震相在震中距为60~100km的台站可被观测到(Langston, 1987; 吕坚等, 2012); sPmP震相在震中距为200~300km的区域才可记录到发育较好的波形(Bock et al., 1996; Ma, 2010); 而sPn震相能量较弱, 一般只有在中强地震时, 在震中距300km左右的区域才有可能被观测到(King, 1979; Zonno et al., 1984; Saikia, 2000); sPL震相为近震震相, 通常在震中距30~50km内可以被观测到(崇加军等, 2010)。此外, 还可以使用地震波形记录特征, 如Rayleigh波振幅谱(Aki et al., 2002)、 Rayleigh波与体波振幅比(罗艳等, 2010; 李志伟等, 2015)、 Love波频谱①(①Pitarka A, Helmberger D V, 2009, Analysis and simulation of 3D scattering due to heterogeneous crustal structure and surface topography on regional phases; magnitude and discrimination, Report, AFRL-RV-HA-TR-2009-1058。)以及CAP和Rayleigh波振幅谱联合测定震源深度(Jia et al., 2017)。
本文以广西苍梧MS5.4地震数字波形为基础, 基于区域速度模型, 首先利用走时残差全局搜索法初步得到苍梧MS5.4地震的震源深度及误差范围, 然后使用CAP方法反演其震源机制, 在此基础上, 利用Rayleigh波振幅谱和sPL震相进一步测定苍梧地震的震源深度。
本文使用的速度模型为郑圻森等(2003)使用地球物理综合剖面产出的湘桂构造带的一维速度模型。该模型主要通过人工地震测深剖面资料, 并参考重力反演和地震面波频散反演数据等得到, 是一个3层一维速度模型, 也是目前广西苍梧地区较为合理且使用较广的速度模型(表2)。
朱元清等(1990)研究表明, Pn、 Pg震相走时差对震源深度有较高的敏感度, 在已知震中位置和地壳速度模型的情况下, 可以采用全局搜索法计算每个台站的Pn、 Pg理论走时差, 然后对比理论走时差和实际观测走时差以确定震源深度。
考虑到地震定位存在误差, 以中国地震台网中心编制的地震目录震中位置为搜索参考点, 将搜索空间划分为52 111个网格点, 其中水平方向的搜索范围为± 0.2° , 搜索间隔为0.01° , 深度的搜索范围为0~30km, 搜索间隔为1km。单个网格点的走时残差定义如下:
式(1)中, 上角标 “ * ” 表示理论计算走时, 上角标 “ ^” 表示人工提取的走时。 N为Pn震相数, M为Pg震相数, 取最小走时残差点作为最优深度。当使用震中距≤ 60km的Pg震相和震中距160~300km的Pn震相时, 通过该方法得到的深度误差≤ 3km(宋秀青等, 2014)。
CAP方法(Zhao et al., 1994; Zhu et al., 1996)是一种使用体波和面波联合反演的方法。该方法把原始波形分为Pnl和Snl 2部分, 采用频率-波数方法(F-K)(Zhu et al., 2002)计算台站的格林函数, 利用格林函数得到合成地震图后, 为Pnl和Snl 波形分别赋予不同的权重, 通过格点搜索方法在空间搜索、 拟合、 反演地震事件的最佳震源机制。该方法分别对体波、 面波进行拟合, 由此减小了深度模型及地壳横向不均匀性对反演结果的影响。
sPL震相是从震源出发的上行SV波临界入射到地表后转换形成的P波, 主要沿着地表传播(图1)。其初动可能较直达S波更加尖锐, 能量在径向最强, 垂直向次之, 切向则最弱。 但是随着震中距的增加衰减加快, sPL震相法基于sPL和Pg波的到时差计算深度, 因此减小了震中位置对深度结果的影响。同时, 由于sPL震相法使用近震数据(震中距30~50km), 在此震中距范围内其它反射震相(如PmP、 Pn等)还未出射, 故不易误认(崇加军等, 2010)。图 2为一维简单速度模型下震中距为40km的台站的理论震动图。从图中可以看出, sPL与Pg的走时差随着深度的变化呈线性变化, 前者能量在径向最强, 垂直向次之, 切向最弱。
Rayleigh波可以表示为
式中,
利用CAP方法对广西苍梧地震的震源机制解进行反演, 反演时分别对观测波形和理论震动图的Pnl震相及面波波形进行0.05~0.15Hz及0.05~0.1Hz带通滤波, 设Pnl震相的权重为2, 面波部分的权重为1, 拟合结果显示苍梧地震的震源机制在深度为10km时拟合最好(图5), 最佳双力偶解节面Ⅰ 的走向为339° 、 倾角为57° 、 滑动角为-17° , 节面Ⅱ 的走向为78° 、 倾角为75° 、 滑动角为-145° 。将本文反演的苍梧地震震源机制结果与Harvard矩张量反演中心所给出的震源机制解结果进行比较, 可以看出两者较为一致(表3), 说明本文利用CAP方法得到的结果比较可靠。
基于sPL震相的特征可知, 震中距为30~50km时比较容易清晰地观测到该震相。经过筛选, 最终选择震中距为38.46km、 方位角为6.7° 的贺州台(HZS)进行sPL震相研究(图6)。
以1Hz为截止频率对旋转后的波形进行低通滤波。滤波后的sPL震相波形在径向分量上能量最强, 垂直向次之, 切向则很弱, 这一特征与上行SV波经全反射转换成沿地表传播的P波的记录特征相符(图7)。基于CAP方法反演的苍梧地震的震源机制解(表3), 结合苍梧地区的一维速度模型(表2), 使用F-K方法合成了贺州台震源深度为0~20km的理论震动图, 再以1Hz为截止频率对其进行低通滤波, 并将贺州台的实际观测波形与理论波形进行对比(图8)。结果显示, 在震中距固定的情况下, sPL震相只对深度敏感, 且贺州台的sPL震相和Pg震相的到时差约2.3s。对比观测波形和理论震动图可最终确定广西苍梧MS5.4地震的震源深度约10km。
提取所有垂直向波形数据的Rayleigh波频散曲线, 挑选出其中具有明显频谱极小值点的台站。依据本次地震事件的波形数据共筛选出2个台站, 分别是南平东坑台(NPDK)和进贤台(JIX)。基于所得的震源机制解, 计算南平东坑台(NPDK)和进贤台(JIX)震源深度1~21km的Rayleigh波理论振幅谱, 将实际观测波形的Rayleigh波振幅谱和理论Rayleigh波振幅谱进行比对。 结果显示, 南平东坑台(NPDK)在震源深度9km, 进贤台(JIX)在震源深度10km的情况下实际观测波形的Rayleigh波振幅谱与理论Rayleigh波振幅谱吻合程度较高, 故利用Rayleigh波振幅谱测定的广西苍梧MS5.4地震震源深度为9~10km(图9)。
本文使用走时残差全局搜索法、 CAP法并基于sPL震相和Rayleigh波振幅谱对广西苍梧MS5.4地震的震源深度进行测定, 结果显示: 走时残差全局搜索法给出的此次地震震源深度为(13± 3)km; CAP法和sPL震相法给出结果均为10km; Rayleigh波振幅谱法给出的结果为9~10km。走时残差全局搜索法与其它方法给出的震源深度定位结果相差3~4km。由于走时残差全局搜索法基于走时数据, 反映了震源体破裂起始点的位置, 而CAP、 sPL震相和Rayleigh波振幅谱法基于波形数据, 反映了震源体的质心深度, 两者在物理含义上有本质区别(张广伟等, 2014)。对于5级左右的中等地震而言, 震源体尺度一般为km量级, 考虑到定位方法的物理含义存在差别, 3~4km左右的误差可以接受。基于走时的定位方法在缺少震中距< 2倍震源深度的台站数据时, 震源深度误差较大, 而此情况对基于波形反演的震源深度测定方法影响较小。综上所述, 此次苍梧地震震源深度应为10km左右。
通过CAP、 sPL震相与Rayleigh波振幅谱获得的震源深度较为一致, 但也存在1km左右的差异, 这可能是由于本文使用的苍梧地区一维速度模型与地壳真实速度模型存在偏差所致。理论模型与实际模型存在误差, 可能会影响CAP方法的反演结果(孟庆君, 2013)。而sPL震相和Rayleigh波理论振幅谱法均使用了CAP方法反演的震源机制解, 因此震源机制解的误差也会对最终定位结果造成影响。有研究表明, 当速度模型误差为10%时, sPL震相法对于真实震源深度为10km的地震测量误差在1km左右(崇加军等, 2010)。
USGS测定的苍梧地震震源深度为24.5km, 该结果说明其为一个发生在下地壳的地震。和本文所用的走时残差全局搜索法相同, 在此次地震定位中, USGS也使用了走时数据, 两者在物理含义上是一致的, 均反映了震源体破裂起始点的位置。但我们认为本文通过走时残差全局搜索法获得的定位深度相对USGS给出的定位深度精度更高, 这主要是由于本文在定位中使用的是震中距≤ 300km的近震数据, 而USGS对此次地震进行定位时所选用台站的震中距最小为590km。由此可知, USGS给出的部分地震目录的震源深度精度有待进一步提高, 在使用USGS全球地震目录进行其它相关研究时需要考虑震源深度误差带来的影响(李志伟等, 2015)。Harvard矩张量解给出的此次地震的质心深度为15.6km, 与本文的给出的质心深度也有一定差别, 这主要是由于其反演时使用了全球均匀速度模型, 对震源深度最终反演结果有一定影响。
利用Rayleigh波振幅谱测定震源深度需要注意以下几点: 1)需要提取较为完整的振幅谱极小值曲线, 当台站记录没有明显频散及最小值时, 此方法不再适用; 2)Rayleigh波理论振幅谱计算严重依赖震源机制解的准确性, 因此在使用此方法进行震源深度测定时, 需要尽可能保证震源机制解的准确性。
2016年7月31日发生于广西苍梧的MS5.4地震震中位于江南造山带向华夏地块过渡的区域, 震中位于NNE向的贺街-夏郢断裂带附近, 历史上此次地震震中附近100km内仅发生过1次5级以上地震, 与贺街-夏郢断裂带相关的基础研究资料缺乏, 无法对苍梧地震的发震机制作进一步分析。目前广西壮族自治区地震局正在开展针对贺街-夏郢断裂带的探测项目, 获取广西苍梧地震精确的震源深度对于进一步探明贺街-夏郢断裂带的构造有一定的参考价值。
准确的震源深度对于研究地震的孕震机制、 成因及地震烈度评估有着重要的作用, 但震源深度的测定是一个难题, 如何利用较少的地震信息测定震源深度更是研究者所关心的问题。本文利用走时残差全局搜索法、 CAP法、 sPL震相法和Rayleigh波振幅谱法对2016年7月31日发生于广西苍梧的MS5.4地震的震源深度进行了测定, 结果表明, 广西苍梧地震的震源深度为10km左右, 仍为发生在上地壳的地震。在台网密度不高的情况下, 只利用1~2个宽频带台站记录到的sPL震相和Rayleigh波振幅谱就可以获得较为精确的震源深度。
USGS全球地震目录给出的此次地震的震源深度有着明显偏差。未来在使用USGS全球地震目录进行其它相关研究时, 应该考虑到震源参数的误差。本文仅仅针对广西苍梧地震进行了相关分析及研究, 对于USGS全球地震目录进行整体评估尚需更多震例予以补充。
致谢 中国地震局地球物理研究所国家测震台网数据备份中心为本研究提供了丰富的地震波形数据; 审稿专家对本文提出了非常宝贵的意见及建议。在此一并表示感谢!
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