新疆精河MS6.6地震震源深度研究①

郑雪刚，马学军，赵鹏毕

(新疆维吾尔自治区地震局新源地震台，新疆 新源 835800)

2017年8月9日07时27分新疆精河县发生MS6.6地震(以下简称精河地震)，根据中国地震台网中心测定震中位于44.27°N、82.89°E，震源深度11 km。此次地震位于精河县城南部约40 km的山区，是继2011年l0月l6日精河MS5.0地震后，该地区发生的又一次强震，数百间房屋倒塌，直接经济损失40亿元[1]。精河地震发生在天山北脉博罗科努山北缘、准噶尔盆地西南端的库松木契克山前断裂的东段附近，该地区处于准噶尔板块与塔里木、天山板块之间的逆冲一褶皱构造活动带[2]。区域内地质构造复杂多样，发育着多条大型断裂和褶皱带，构造活动非常活跃。1900年以来，距震中200 km范围内发生11次MS≥6.0地震，其中，MS≥7.0 地震1次，为1944年新源MS7.2地震，震中距此次地震震中94 km。地震发生后，美国地质调查局(USGS)、中国地震台网中心(CENC)、Global CMT、中国地震局地球物理研究所(CEA-IG)等研究机构测算出精河地震的震源深度为30.5 km[3]、11 km[4]、27.9 km[3]、20 km[3]，深度结果差异明显，增加了对精河地震震源震源孕震机制和深部构造认识的难度。因此，对于准确测定此次地震的震源深度十分必要，可以为深入研究精河地震震源区的发震构造和深部动力学环境提供参考依据。震源深度是地震学研究的重要方向，精确的地震震源深度对于了解地壳流变学的性质[5]、地震成因和其发震结构、判断余震发展趋势、准确评估地震灾害以及监测核爆等科学研究意义非凡[6]。目前常用的测深方法主要可以分为两类，震相到时定位法和波形反演法。震相到时定位法已经被国内外的学者应用到震源深度的研究中，并取得了很多有意义的成果[7-10]。然而该种方法也存在一些限制，比如震源区地壳结构研究的精细化程度及极近台资料的使用，只有当震中距小于1.4倍震源深度时，震相到时定位法测深才有较高的定位精度[6]。波形反演法是利用地震数据中包含更为丰富的信息来获得更为精确的地震深度，常用的有偏振法、振幅信息法、深度震相法及波形反演法等[11]。深度震相法也是一种非常有效的测深方法，深度震相是一种只对震源深度变化线性相关的震相，可以精确测定震源深度。常用的深度震相有sPL、sPg、sPn、pP和sP，其中远震深度震相pP、sP测深法尤其对稀疏台网下中强地震震源深度的测定非常有效[12]。另外对于MS≥4.0地震还可以通过使用地震波形拟合测定震源矩心深度，如CAP方法等。本文中采用双差定位法、远震深度震相法和CAP波形反演法对2018年8月9日精河MS6.6地震的震源深度重新测定，以获得较为准确的深度值。

双差定位方法是一种比绝对定位法精度高的相对定位方法，将一定空间范围内的地震组队，利用组队地震到台站的相对走时残差来修正地震的相对位置，主要是基于假定两个相邻震源之间的距离远小于台站到事件的距离，从而可以认定2个事件到台站的传播路径近似相同，因此能够忽略地壳结构不确定性对定位精度的影响，同时对震源深度进行有效约束[13]。本研究中，设置P波和S波走时权重为1.0、0.5；
双差数据最小观测数与最小连接数设置为6，地震对最大距离为10 km；
波速比根据JHE台的接收函数H-k扫描结果设定为1.73[14]，一维速度模型采用邵学钟等[15]对北天山地壳结构的研究结果。双差定位法对精河地震序列重定位时使用的初始定位结果和震相走时数据来自新疆数字地震台网中心的观测月报，选取2017年8月9日～2017年12月31日记录到的ML≥1.0的464次余震地震事件，进行地震精定位。为了保证定位结果的质量，选取距震中300 km以内的21个固定台站和2个流动台记录到的P波和S波震相到时数据，事件记录台站个数≥3，至少有6条震相记录，共有398次地震事件符合震相筛选条件，其中P波4 031条，S波3 079条。

远震深度震相pP测深法，由震源辐射出的上行P波(S波)在地表自由界面产生反射(偏振)，从而形成反射P波(转换S波)，其射线传播路径与P波近似，这类波列为远震的深度震相pP和sP。pP和sP波的优势发育震中距为30°～90°，直达P波与pP、sP波走时差只对地震深度敏感，并不随震中距变化，可以有效的获得较为准确的地震深度[16]。远震深度震相pP测定震源深度时，从IRIS下载震中距30°～90°的部分台站的观测波形，筛选pP震相清晰的台站数据，然后对选取的台站数据进行预处理，去除仪器响应、波形截取和经过0.8～2.0 Hz的带通滤波。使用Teleseis程序分别计算各台不同深度的理论地震图，速度模型使用Crust1.0得到，包括各台站下方及震源区的速度模型，地震矩4.1×1018N·m，震源破裂持续时间9 s，震源机制解采用GCMT的结果。对理论地震图进行0.8～2.0 Hz的带通滤波，通道数为4，级数为2，比较实际观测波形和不同深度理论地震图的拟合程度，确定精河地震震源深度。经过上述步骤后最终选取IU台网ANTO台和II台网BFO台、LVZ台、MSEY台、OBN台、ESK台的远震波形数据。

震源深度的波形反演采用CAP方法，将宽频带近震数字波形分解成两部分体波Pnl和面波波段，通过赋予不同权重，计算实际观测到的波形与理论地震图的拟合误差函数，采用网格搜索法得到两者之间最小误差的最优解。其优点在于波形反演时提高了体波Pnl的权重值，对震源深度有较好的约束；
同时允许2个波形段理论波形和实际波形适当延时拟合，从而有效消除地壳速度模型的不确定性和地震定位误差带来的影响，从而使拟合更好稳定。使用CAP方法反演震源深度时，数据选取震中距在400 km以内P波初动清晰、不存在断记或限幅、信噪比高且方位角分布均匀的10个台站(图1a)。对体波Pnl和面波分别通过0.05～0.2 Hz和0.05～0.1 Hz带通滤波，深度搜索间隔为1 km，格林函数采用频率波数法，面波权重为1，体波权重为2，速度模型采用Crust1.0。双差定位法和CAP反演法研究精河地震震源深度时所选取的台站见图1(a),速度模型如图1(b)。

图1 精河地震测震台站分布(a)及速度模型(b)

2.1 双差定位法

精河地震序列经过筛选，共选择464个地震做为重定位的初始事件，采用共轭梯度法求解方程，经过3组共15次迭代后得到阻尼最小二乘法解。双差定位后得到395个地震事件重定位震源位置参数，其中南北方向、东西方向和垂直方向的平均标准误差分别为 1.35、1.59和 1.77 km，走时残差由重定位前的0.84 s降低至0.17 s，其定位残差明显减小。精定位后震中位置为82.851°E、44.257°N，震源深度15.25 km。学者采用不同方法对此次地震进行精定位研究，如白淑兰[2]、徐志国等[17]采用双差定位法计算得到的震源深度为14.6 km、15.8 km，何骁慧等[18]采用相对矩心定位法获得震源深度16.3 km，本次双差定位法得到的震源初始破裂深度与其他学者获得的深度值基本一致，说明本次研究得到的深度值可信。

2.2 远震pP深度震相法

为了更准确的测定精河地震的震源深度，本文中采用远震直达P波与体波深度震相pP的走时差来计算地震的震源初始破裂深度。数据选取IRIS的IU台网ANTO台和II台网BFO台、LVZ台、MESY台、OBN台、ESK台的远震波形数据，分别计算各台地震的不同深度的理论地震图，对理论地震图与实际观测波形进行对比拟合(图2)。从实际观测波形与理论波形对比图可以看出，各台体波深度震相pP非常清晰，震源深度和直达P波与pP震相走时差呈现明显的线性相关，通过估算，可以得出pP-P走时差平均值约5.9s，且走时差不随震中距的变化而变化。当震源深度为20 km时有5个台理论地震图与实际观测波形的P波到时与深度震相pP到时、振幅拟合最好，II台网的ESK台在震源深度为23 km时拟合最好，综合各台的震源深度拟合情况，利用pP-P走时差测深方法得到的震源初始破裂深度20 km较为可靠。

图2 深度震相pP测深所选台站分布图和IU、II台网部分台站记录的精河地震垂直分量震源深度测试

2.3 CAP方法

CAP方法反演得到精河地震震源机制解和震源深度，其中震源机制解节面I走向273.4°，倾向49.9°，滑动角99.4°;节面II走向走向79°，倾角41°，滑动角79°，震源深度20.4 km，拟合误差0.1%。图3为精河MS6.6地震CAP方法计算结果，参与CAP震源机制反演的10个台站理论合成波形与实际波形拟合效果较好，相关系数>80%的波段数有47个，占总波段数的94%，属于强相关。同时在深度拟合误差图中也能够明显看出震源球震源机制解一致性较好，表明反演计算结果较为稳定。国内外不同研究机构及学者也测算出震源机制解和震源深度(表1)，本文中的震源机制解与CENC、CEA-IG等研究机构的结果基本一致，震源深度与徐志国采用gCAP反演方法得到深度值21 km[17]，李艳永[19]、金花等[20]采用CAP方法计算得到的21 km、20.8 km基本一致。因此，本文中采用CAP方法反演得到的震源机制解和震源矩心深度结果可靠。

图3 2017年8月9日精河MS6.6地震CAP法计算结果

2.4 结果对比分析

精河地震发生后，国内外不同研究机构及学者对此次地震开展研究工作，本文中收集了不同机构及个人测算的精河地震震源参数。由表1可见，精河地震的震源机制解类型基本相同，都为逆冲型地震，但震源深度差异明显。哈弗大学全球中心矩张量(GCMT)使用地幔波得到的矩心深度为27.6 km，美国地质调查局(USGS)采用远场W-Phase震相资料反演的矩心深度为30.5 km，徐志国等[17]采用gCAP方法反演得到的矩心深度为21 km，何骁慧[18]、李艳永等[19]采用CAP方法反演得到的矩心深度为21 km，郭志等[3]基于W-Phase震相资料，采用矩张量反演得到的矩心深度16 km，本文中采用CAP方法反演所得矩心深度为 20.4 km。使用近场波形反演所得到矩心深度都较为一致，而使用远场波形反演的矩心深度差异显著，这也表明近场波形对反演矩心深度有更好的约束及更高的分辨度。

表1 不同研究机构得到的新疆精河MS6.6地震震源机制解

采用双差定位法、CAP波形反演法和体波深度震相测深法对精河地震震源深度进行重新测定，其中双差定位法测定的震源深度为15.25 km，CAP波形反演法测定的震源深度为20.4 km，体波深度震相法测定的深度为20 km。3种方法中，CAP波形反演法得到是震源的最佳矩心深度，而双差定位法和体波深度震相测定法得到的是震源的破裂起始点深度，这两个深度所表征的物理含义不同，利用震相走时方法得到的深度表示的是地震破裂起始点的位置，而矩心深度体现的是震源的矩心，实质上是地震矩张量密度分布的某种矩心深度，反映了地震破裂断层面的中心位置。本次使用双差定位和深度震相pP测深法得到的震源初始破裂深度存在5 km的差异，那么哪种破裂起始点深度更加接近真实的初始破裂点位置呢？逆断型地震沿断层面近垂直或斜向破裂时，采用震相走时方法测定的震源破裂起始点深度要大于地震波形反演方法获得的矩心深度，相对于精河地震来说，即震源破裂起始点深度应该大于20 km。而由双差定位结果来看，其震源深度明显小于CAP波形反演法得到是震源的最佳矩心深度。双差定位法是一种描述地震丛集之间相对位置变化的相对定位法，定位方法对地震对之间的相对位置结果变化影响不大，如果地震丛集定位的初始深度与真实震源位置存在整体偏差，那么双差定位法得到的震源深度会受到破裂起始点深度的影响而出现整体性的偏移。当地震丛集的初始震源深度每增加或减少5 km时，双差定位后震源深度变化幅度会相应变化约50%[21]。本文中使用远震体波深度震相法得到的精河地震震源破裂起始点深度为20 km，与上述双差定位研究中震源初始深度13 km存在7 km的偏差，对精河地震丛集整体初始震源深度向下偏移7 km，则重定位结果应该至少向下平移7 km，因此，可以初步推断出偏移后的重定位震源深度为22.25～26.5 km，大于CAP地震波形反演方法获得的矩心深度20.4 km，符合逆冲型地震震源破裂起始点深度和矩心深度的物理含义。

目前，中国地震台网中心及新疆地震局的地震目录中震源深度是利用震相到时测定的深度，也就是破裂起始点深度。针对精河地震两所研究机构所测算的震源深度分别是11 km、13 km，也与本文中利用远震深度震相测深法得到的初始破裂深度20 km存在较大偏差，可能是由于在缺乏近台资料时，基于震相到时定位法无法有效约束震源深度所造成。

远震体波深度震相pP测深法是通过震源参数合成的远场台站的理论地震图与实际观测波形的拟合度来测定震源深度，已被广泛应用于稀疏台网的中强地震震源深度的测定中。其测定误差主要来自于震源区的速度模型，如果速度模型存在10%的不确定性，误差可以控制在2 km[22]，考虑到本次研究所使用震源区Crust1.0速度模型及震源机制解等因素的影响，本次精河地震破裂起始点深度约为20 km，误差约为2～3 km。

震源的破裂起始点深度和破裂矩心深度之间的差异与破裂方向性和震级有关，当MS>6.0 时，可能达到破裂尺度的一半[23]。从已有的精河地震序列精定位、破裂过程和震源机制解(表1)研究结果，此次地震是一次单侧破裂的高角度逆冲型事件，震源破裂滑动深度11～18 km，破裂尺度约7 km[24]。从深度破裂尺度和两种深度的物理意义可以初步得出震源的这两种深度的差异约3 km，而本次使用深度震相pP测深法所得到的精河地震震源破裂起始点深度约为20 km，使用CAP波形反演法得到的最佳矩心深度为20.4 km，两者相差较近。为了便于讨论本次精河地震震源深度的物理意义，参考其他学者关于两种深度的研究成果，如矩心深度18 km[23]、16 km[3]、21 km[17，19-20]，破裂起始点深度20 km[17]、22.8 km[17]；
同时由精河地震序列精定位震源深度的分布，余震序列相对定位深度在4～16 km[17，25]，主要分布在主震西南侧上方，结合精河地震序列精定位及两种震源深度已有的研究成果，可以得出破裂起始点深度比矩心深度要深，表明此次地震是一次由下向上破裂的逆冲型地震。本研究的破裂起始点深度和矩心深度相差较近，可能由远震深度震相pP测深法在使用震源区Crust1.0速度模型测定震源深度时误差相对较大引起。

利用双差定位法、CAP波形反演法和远震深度震相测定法对精河MS6.6地震震源深度进行重新测定，测定结果较为一致。CAP波形反演法得到的最佳矩心深度为20.4 km。双差定位法估算的破裂起始点深度约为22.25 km。远震深度震相测深法估算的破裂起始点深度为20 km，与新疆地震台网中心测算的初始震源深度13 km相比，估计精河地震序列震源深度可能整体存在大约7 km的偏移量。综合不同研究机构和本文测算的破裂起始点深度和矩心深度结果，精河地震震源破裂起始点深度约为20 km。地震震源深度的准确测定一直是难题，不同的震源深度表征的孕震机制和深部构造等物理解释也会有较大差异，这增加人们对震源过程的认识难度。同样的矩心深度，因采用的研究数据、使用的反演方法和速度模型等不同，各个研究机构所得到的结果也有明显差异，但使用近场波形反演所得到矩心深度都较为一致，表明近场波形对反演矩心深度有更好的约束及更高的分辨度。受到台网布局的影响，在台网稀疏的区域基于震相走时定位法的地震目录中震源深度参数可能存在较大偏差，在做震源深度相关研究时需要考虑地震目录中震源深度存在的系统偏差。

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