2021年11月17日江苏大丰海域MS5.0地震震源深度对比分析*

周文杰 雷 蕾 周 健 倪昊琦

1) 江苏省地震局，江苏南京 210014 2) 中国地震局发展研究中心，北京 100036

引言

2021年11月17日13时54分（UTC+8），江苏大丰海域（33.50°N，121.19°E）发生MS5.0地震，该地震是近年来江苏—南黄海地区震级最大的地震，江苏测震台网中心速报给出的震源深度为17 km，正式编目结果为10 km。该地震发生在距江苏陆地约50 km的海域，仅震中西侧有地震台站分布，台站的方位角覆盖不佳，因而，此次地震的震源深度测定存在一定困难和争议。

震源深度是描述地震的一个基本参数，是反映地壳脆性韧性转化深度的重要参数，它的精确测定不但对认识震源过程、断层构造、壳幔结构、应力作用、板块运动等一系列研究具有重要意义，也在评估地震灾害、判断区域地震活动性及危险性等方面发挥关键作用。因此，有必要重新精确测定江苏大丰海域MS5.0主震的震源深度[1]。然而，震源深度测定是地震定位难题，地震活动及其随时间的空间变异性、地震台网分布结构和区域地质构造都是影响定位方法计算性能的关键因素，没有一种通用的定位方法能较好地适用于所有情况[2]。

本文使用单纯形、LocSAT、HypoSAT地震定位方法，分别采用华南速度模型、郯庐断裂带中南段速度模型以及IASP91全球速度模型对此次江苏大丰海域MS5.0地震震源深度进行重新测定，以控制变量的方式，每次计算仅在地壳速度模型或地震定位方法中选择一个变量，对获取的深度值进行对比分析。

1 构造背景

处于下扬子陆块的苏北—南黄海盆地，从北到南可依次划分出5个构造单元，分别是千里岩隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷和勿南沙隆起，受太平洋板块与亚欧板块互相作用影响，新生代构造活动活跃[3-4]。苏北—南黄海南部坳陷区地质构造较为复杂，众多断裂隐伏于第四系沉积层之下，该区以东海域沿海岸线分布NW向苏北—滨海断裂，历史上多次破坏性地震发生在该断裂带附近[5]。2021年11月17日江苏大丰海域MS5.0地震震中位于苏北—滨海断裂东侧（图1），震中附近的主要断裂有：苏北—滨海断裂（F1）、洪泽—沟墩断裂（F2）、盐城—南洋岸断裂（F3）、陈家堡—小海断裂（F4）。

图1 研究区地质构造、地震射线路径及地震台站分布Fig. 1 Geological structure，seismic ray paths and distribution of seismic stations in the study area

2 定位方法

日常地震定位工作中采用的绝对定位法，主要是基于盖革法[6]。以此方法为基础，采用各种迭代反演方法，地震学家们开发了不同的地震定位算法，包括Hypo系列程序，以及单纯形、全局搜索、遗传算法等各种非线性算法，在地震分析软件中得到广泛应用[7-9]。

单纯形定位方法[10]，是直接搜索法，使用单纯形法求目标函数极值，搜索残差最小的震中位置。该方法采用反射、扩展、收缩、压缩等计算方法，在n维模型空间中使用n+ 1个顶点构建多面体，以单纯形法运算每个顶点的函数值后进行比较，确定优劣并继续计算新点，不断优化顶点值使目标函数单纯形地向最小方向移动，当其均方根小于预设的精度值时停止迭代，最终获得最优解[11-12]。

LocSAT定位方法[13]，是阻尼最小二乘法，为计算初值，没有加权。该方法中所有台站均使用水平分层的同一地壳速度模型进行反演计算，将震中方位角和地震波视速度作为输入参数参与计算震相到时。可使用单台或小型台阵给出的震中方位角对地震位置坐标的偏导数进行地震定位。

HypoSAT定位方法[14]，是奇异值分解最小二乘法，对所有输入参数使用观测数据的标准差进行加权计算，反演采用广义矩阵反演程序。通过使用局部速度模型，可以进行台站校正和地表反射点相位校正。

LocSAT、HypoSAT的求解方法都是基于盖革法的改进方法。在初值(x，y，z)附近将走时T作泰勒展开，然后取一级近似为：

式中，T'是对应于初值(x，y，z)附近一点(x'，y'，z')的走时，T为实际走时，以此为基础，构建观测方程组并求解。

3 速度模型

速度模型用于计算震源和地震台站之间地震波的传播时间，它与地震位置相互耦合，使用合适的速度模型对地震定位精度起着至关重要的作用。为了有效计算传播时间，大多数定位方法使用一维速度模型，传播速度仅随深度变化。对于局部或区域地震定位，水平分层的地壳速度模型简化了地震波传播速度的计算方式。对于更大区域或全球性地震定位，使用球对称的地壳速度模型来表现地球的曲率。二维和三维速度模型更准确地表示地震波的速度变化，但计算所需耗时太多。因此，在实践中，最常用的是一维速度模型[15]。

为提高地震定位计算速度，对预先计算的走时表进行插值，最常用的方法是将tau-p算法[16]应用于全球（例如IASP91[17]、AK135[18]）或区域地壳速度模型，以获得每个震相的到达时间。江苏陆区和南黄海海域地形结构较为复杂，尚无适用于该地区的特定速度模型。山东、安徽测震台网均采用华南地区近震走时表[19]。江苏测震台网常使用IASP91速度模型。何奕成等[20]采用双差地震层析成像方法，研究出郯庐断裂带中南段中上地壳介质速度模型。本文采用华南、郯庐断裂带中南段以及IASP91地壳速度模型分别进行研究（图2）。

图2 华南、郯庐断裂带中南段和IASP91速度模型对比Fig. 2 Comparison of velocity models between South China，the middle-south segment of Tan-Lu Fault Zone and IASP91

4 震源深度测定

在近震定位中，地震台站分布密度关系到测定震源深度的精度。为减小误差，本文选取江苏地震台网震中距2°以内地震台站记录的波形资料，筛选得到18个记录完整、震相清晰、信噪比较高的波形资料（图1），分别拾取震相到时数据。采用单纯形、LocSAT和HypoSAT定位方法，配置华南、郯庐断裂带中南段以及IASP91速度模型参数进行定位，定位过程中残差大于3倍标准差的震相予以剔除，最终得出震源深度结果（表1）。

表1 定位结果参数Table 1 Positioning result parameters

除震源深度外，发震时间、经度、纬度等基本参数定位结果差别较小。9种情况计算的发震时间平均值为13:54:28.8，最大差值为2.9 s；经度平均值为121.17°E，最大差值为0.20°；纬度平均值为33.52°，最大差值为0.06°。

5 讨论

从表1、图3中可以看出，单纯形法（编号1—3）不能给出有关定位精度的误差估计[8，12]；LocSAT和HypoSAT（编号4—9）给出了深度定位结果的误差范围。使用同一地震定位方法，配置不同速度模型时，HypoSAT计算结果残差最小，均值为0.491 s，残差整体分布更稳定；单纯形和LocSAT计算结果残差较大。使用不同地震定位方法，配置相同速度模型时，华南模型的定位结果不如郯庐断裂带中南段、IASP91模型稳定。震相走时残差反映了实际走时与理论走时之差，图4以HypoSAT方法配置IASP91速度模型为例，给出了各个台站资料所用震相走时残差的分布情况，多数台站震相走时残差在1倍标准差范围内，证明该方法定位效果相对较好，适用于该区域震源深度计算。

图3 不同方法和速度模型测定的震源深度对比Fig. 3 Comparison of focal depth measured by different methods and velocity models

图4 各个台站资料所用震相走时残差的分布情况Fig. 4 Distribution of seismic phase travel time residuals used in the data of each station

在定位过程中，单纯形法是一种非线性算法，根据特定规则在目标函数最小化的方向上完成全局搜索，并得到最优解；当引入少量随机变量在初始单纯形的顶点坐标中，采用相同的波形到时数据多次进行定位时，计算结果都略有不同。LocSAT、HypoSAT都是线性迭代算法，除了地震波走时和震中方位角等参数外，HypoSAT在定位过程中还使用了射线参数、不同震相的到时差等更多的观测数据，残差较小；LocSAT常用于远震的定位，对于近震定位表现不如HypoSAT。

王恩惠等[21]运用双差定位法对2009—2018年发生在盐城及邻近地区2010次地震事件进行了重新定位，研究结果显示，震源深度主要分布在5—15 km的范围内，说明盐城及邻近地区地震基本都发生在中上地壳，这与本文研究结果较为一致。

6 结论

本文选取了江苏地震台网的大丰海域地震波形资料，使用单纯形、LocSAT、HypoSAT定位方法，分别采用华南、郯庐断裂带中南段以及IASP91速度模型重新测定震源深度，得到如下结论：

（1）对于大丰海域MS5.0地震，单纯形法、Loc-SAT和HypoSAT测定的震源深度结果接近，约为11 ±2 km。

（2）通过对比分析认为，HypoSAT测定的结果较为稳定，配置IASP91、郯庐断裂带中南段模型时均适用于该区域震源深度计算。

（3）对于江苏海域地震，不能将震中完全包裹在测震台网的台站中，方位角覆盖较差，是影响地震定位精度的要素之一，定位结果整体残差较大，难以计算出高精度的地震定位结果。