浅析巴里坤台记录的兴都库什地震震相特征及sP震相与震源深度的关系①

张 录， 周康云， 张剑锋

(新疆维吾尔自治区地震局巴里坤地震台， 新疆 哈密 839000)

兴都库什地区位于新疆西南端，与帕米尔高原相连，大部分处于阿富汗境内。它位于印度板块与欧亚板块剧烈碰撞的俯冲区域，地壳深部构造复杂，地震活跃，是世界上少有的大陆内部的中、深源地震区，目前对于该地区的地质构造、应力场特征及断层形态等相关研究较多[1-6]。本文中以巴里坤台记录的兴都库什地区2004～2019年发生的138次MW≥5.0地震为研究对象，通过分析其震相特征，总结出该地区地震震相的分析方法。同时，以AK135的sP-P 走时表计算该地区地震的理论震源深度与主要地震数据中心提供的观测深度进行对比及拟合分析，将拟合最好、误差最小的观测深度与sP-P到时差建立方程，形成该地区地震震源深度的简易计算方法。

精确计算震源深度具有重要的意义。首先，对于地震事件的位置及发震时刻具有较好的约束作用；其次，准确的震源深度信息，可作为应急救援前估计地震破坏程度的参考(相同震级下，震源越浅对地表造成的破坏越大)；最后，精确的震源深度信息，对于了解断层形态、区域地质构造、地震孕育环境和地震活动的构造背景提供了重要依据。本文中所研究的兴都库什及周边地质构造复杂，地震活动频繁，通过研究以往地震的深度震相sP来估算其震源深度，可为该地区其他震源深度计算方法起参考、校准作用，使得震源深度更为精确。

1 资料选取

以美国国家地震信息中心提供的兴都库什地区(35.6°N～37.5°N，68.7°E～73.0°E)2004～2019年发生的138次MW≥5.0地震为研究对象(图1)。根据其提供的震源深度信息进行分类(表1)，发现该地区地震以中源地震为主，其所占比例为91%，浅源、深源地震所占比例不足10%。另外计算其距巴里坤台的震中距，介于16°～20°之间，平均距离18.4°，均属于远震。

图1 所选地震分布示意图Fig.1 Selected earthquake distribution

表1 兴都库什地区2004～2019年MW≥5.0

根据地震信息，使用理论走时更为精确的AK135走时表[7]计算出各地震的到时，以此找出各地震的波形数据。剔除掉大震面波干扰、初至震相不清晰及地震计损坏而记录失真的9个地震，对剩余的129个地震进行详细的震相分析。

2 震相特征分析

通过对所选震例的分析，巴里坤台记录到的兴都库什地区地震震相以P、sP、S为主，少数震例可记录到pP、sS或ScS震相，受S波和面波干扰，PcP、PcS、ScP震相均无明显特征。因为震例数量多、篇幅有限，且同地区相同深度的地震震相相似度较高，为避免内容重复，在此以巴里坤台记录的2012年6月11日05 h 29 min 11 s(国际时，下同)MW5.7地震(h=16 km，Δ=19.7°，简称震例1)和2009年10月29日17 h 44 min 32 sMW6.2地震(h=210 km，Δ=18.6°，简称震例2)为代表震例，通过不同仿真，总结出巴里坤台分析兴都库什地区地震震相的方法。

该地区的浅源地震，仅能识别P、S震相，震相起始平缓，其面波发育，地震波持续时间长(图2)。中源地震的震相起始较尖锐，但其面波不发育(图3，4)，在1 200 s的时间扫描下，从宽频带记录可看出，P、sP、S震相记录清晰易识别，sS震相也较明显。尤其是深度震相sP，有明显区别于前后背景的周期、振幅特征，且3个分向上均清晰。在仿真WWSSNSP记录下，仅P、S震相清晰，sP震相不明显，对于个别震例记录到的pP、ScS震相，本震例无明显特征。在仿真SK、763记录下，P、sP、S、sS均清晰易辨识。而深源地震数量少(本文研究时段内仅2个)，震级在MW5.0左右，震相受背景噪声干扰明显，但仍能识别到P、sP、S震相，此处不做典型震例分析。

图2 仿真SK的震相特征(震例1)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD 向Fig.2 Phase characteristics of SK simulation (Earthquake case 1)

图3 宽频带记录的震相特征(震例2)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD向Fig.3 Phase characteristics of Broadband recording (Earthquake case 2)

图4 仿真SK的震相特征(震例2)(a) NS向 (b) EW向 (c) UD向Fig.4 Phase characteristics of SK simulation (Earthquake case 2)

对于该地区的地震震相识别，主要通过有无sP震相和面波来确定地震深度类型，做进一步细化分析。对于浅源地震，主要是在WWSSNSP或SK仿真下识别P、S震相；对于中深源地震，则主要是在WWSSNSP仿真下识别P、pP、ScS震相， SK、763仿真下确定sP、S、sS震相。本文中通过对所选地震的分析，共识别到70个有显著sP震相的地震(震源深度大于80 km)，而浅源地震的sP与P到时差小，受P波干扰，无法识别到sP震相。部分中源地震，因震级较小(MW5.0左右)，且记录时段受气压、地脉动、观测环境等因素的干扰，sP震相记录不清晰，甚至无法记录到。

3 sP震相与震源深度的关系

sP震相是指上行S波在自由表面或洋底反射而形成的P震相[8]。它与P波的到时差对震源深度的增减变化敏感，而震中距的变化对其影响不大(图5a)，所以常用sP来确定震源深度[9-11]。这种基于波形的震源深度测定方法，还可以通过aP、sPn、ScS等震相实现[12-13]。

对识别到的70个sP震相和其对应的P震相到时做精确标定分析，计算出sP-P到时差T0。因研究区距巴里坤台的平均距离为18.4°，所以使用AK135走时表给定的18°的sP-P与深度H的关系进行拟合，发现一元二次多项式最优，其决定系数R2达到了0.999 4(方程式1)，

H=0.0109T2+2.8462T+0.2801.

(1)

以方程式(1)计算出各地震的理论震源深度(以H0表示)，将其与日常地震分析时所参考的美国国家地震信息中心(NEIC)、欧洲地中海地震中心(EMC)和中国地震台网中心(CENC)提供的地震深度(分别用H1、H2和H3表示)做对比，得出深度的误差值Δh(本文中采用其绝对值)，同时进行拟合分析。

通过对计算所得的理论深度与NEIC、EMC给定的深度对比发现，H0与H1的误差范围在0～28 km之间，平均误差为7 km；与H2的误差范围在0～52 km之间，平均误差为10 km；而与H3的误差范围则在3～31 km之间，平均误差为14 km(表2)。

表2 不同震源深度及对比(识别到sP震相的70个地震)

续表

以AK135走时表sP-P计算的理论震源深度H0与NEIC提供的深度H1拟合最好(图5b)，与EMC提供的深度H2拟合次之(图5c)，而与CENC提供的深度H3拟合较差(这可能与其提供的震例信息少有关。 图5d)。各拟合方程的决定系数R2分别为0.972 1、0.935和0.824。另外，从拟合图可以看出(图5b、c)，该地区中源地震的震源深度主要集中在100 km和220 km附近的2个深度区，且2个深度区域中间存在地震空区，这与其所在的特殊地质构造有关[14-16]。以上分析发现，通过AK135走时表计算的理论深度最接近NEIC提供的观测深度，可以作为兴都库什地区地震震源深度的参考。同时，将H1与sP-P到时差T0拟合方程，作为该地区地震震源深度的简易计算模型，为提高精度，在此以H0与H1误差≤7 km的地震为拟合对象(剔除掉误差大于均值的地震)，得到的方程

图5 震源深度的拟合分析(a) AK135走时表提供的sP-P到时差与深度的关系 (b)sP-P计算的深度与NEIC提供的深度拟合 (c) sP-P计算的深度与EMC提供的深度拟合 (d)sP-P计算的深度与CENC提供的深度拟合Fig.5 Fitting analysis of focal depth

H=4.0789T-30.954 (R2=0.991).

(2)

H=0.0104T2+2.9309T-1.2287 (R2=0.996).

(3)

方程式(2)、(3)均较优，且具有较高的决定系数R2，但两者仅相差0.005，所以从简便易算的角度考虑，线性方程式(2)为最优选择。

分析巴里坤台记录的兴都库什地区深度震相sP与P的到时差，可用于快速准确的计算该地区地震震源深度，有利于该地区的地震地质研究。同时对各地震数据中心提供的地震震源深度信息或其他计算震源深度的方法(如偏振法、振幅法、CAP方法等)起参考和辅助校准作用。

4 结语

(1) 巴里坤台记录的兴都库什地区地震震相以P、sP、S为主，尤其深度震相sP为该地区判断并计算震源深度的显著震相。此外，少数地震可记录到pP、sS或ScS震相，受S波和面波干扰，PcP、PcS、ScP震相均无明显特征。

(2) 兴都库什地区地震以中源地震为主，且其震源深度主要集中在100 km和220 km附近的2个深度区域。这对于探索该地区地震孕育和发生的深部环境、地震活动的构造背景及其附近的力学属性有一定的参考价值。

(3) sP-P到时差通过AK135走时表计算的理论震源深度与NEIC提供的震源深度拟合最好，误差最小。以sP-P到时差与NEIC震源深度拟合的方程可作为兴都库什地区地震震源深度的简易计算模型，该方法可对其他地区地震震源深度的计算提供参考。

(4) 本研究具有一定的局限性，虽然有较多的深度震相可用于估算远震震源深度，但兴都库什地区地震仅sP震相清晰可靠。这对于仅能识别P、S震相的浅源地震以及MS≤5.0波形信噪比低的地震[17]，其深度的估算难以通过sP震相实现。