基于华南地区近震走时表的震相随深度变化的研究

Study on Phase Variation with Depth Based on South China Region Near Earthquake Travel Time Table

摘要: 利用华南地区近震走时表研究不同震中距的震相走时随深度的变化关系。结果表明，每个近震震相走时随震源深度的变化基本呈线性相关，同时选取广州台记录的近震进行了检验。

Abstract: Studying the Relationship of the change among the phase travel time, focal depth by using the travel time table for near earthquake in south China region. Results show that the near seismic phase travel time exist the linear correlations with varying the depth when fixing the epicentral distance variable. Also selecting one near earthquake event from Guangzhou seismic station to verify the positional accuracy.

1. 引言

地震波走时表是识别震相、测定地震基本参数、研究地球内部地震波速度分布的重要工具。近震走时表是区域性的地震波走时表，反映一定区域的地壳结构特征，是研究区域性地震的震源性质、地震活动性等不可缺少的工具。最早使用的是1940年出版的由H.Jeffreys和K.E.Bullen合编的地震波走时表(以下简称J-B表) [1]。事实上，由于地壳结构的区域性差异，J-B表并不适合于广东地区和中国其它地区[2]。1979年9月由国家地震局地球物理研究所编著的《中国地区近震走时表》，该表根据我国及领区发生的地震，运用我国台站记录的实际资料做出的，又比J-B表更适合我国的构造特点。而在1988年6月由广东省地震局范玉兰等人编著的《华南地区近震走时表》[3]，该表测定的震中位置、发震时刻的精度均比中国地区近震走时表和J-B表高。因此，本文按1˚、2˚、3˚、4˚、5˚、6˚、7˚和8˚ (1˚=111.19 km)八种震中距分别研究近震理论震相走时与深度的变化关系。

2. 华南地区近震走时表概况

《华南地区近震走时表》是以广东、广西、福建、江西、湖南和海南六省地区的天然地震和部分人工爆破观测资料为基础研制的近震走时表[4]。采用双层地壳模型，该表包括华南地区天然地震常见的几种近震震相(Pn、Sn、Pg、Sg、Pb、Sb、PC、SC，PM、SM)走时。表中按0、5、10、15、20、25、30 km七种深度(H)分别列出震中距从0到800 km的各种近震地震波的走时及它们之间的走时差，单位为秒，“S-P”的步长（间隔）为0.1秒。震中距550 km以内资料较多，计算结果精确，随震中距的增加资料数量逐渐减少，相应的误差有所增大，800 km以外，没有资料，表中数值为外推结果。

2.1. 常见震相

本文主要研究最上层地幔内或者沿莫霍界面传播的P、S波，在下地壳内或沿康拉德界面传播的P、S波以及在上地壳(花岗岩层)传播的直达P、S波，分别为Pn、Sn、Pb、Sb、Pg和Sg震相。

2.2. 线性回归拟合

线性回归拟合是最简单的拟合方式。将选中的数据($X_i,Y_i$ )拟合为直线，以X为自变量，Y为因变量，线性回归拟合的结果可表示为：$Y=A+BX$ ，其中A、B为参数。假定数据残差$re{s}_i=Y_i-\left(A+B{X}_i\right)$ 服从平均值为0、方差为${\sigma }_i^2$ 的正态统计分布，A、B可由最小二乘法确定，最终得到斜率B，截距A。

3. 走时关系

主要讨论震中距为1˚、2˚、3˚、4˚、5˚、6˚、7˚和8˚时，走时表中Pn、Pb、Pg、Sn、Sb及Sg震相的走时随深度的变化规律，深度范围选择0~30 km，深度间隔为5km，震中间隔为1˚，具体结果如图1。

Figure 1. The relationship of phase travel times and depth under different epicentral distance

图1. 不同震中距的震相走时随深度的变化关系

从图中可以看出：1) 图1(a)中Pn震相和(b)中Sn震相在相同的震中距时，其震相走时随着深度的增加而减小；在相同的深度下，随着震中距的增加，其震相走时增加幅度基本保持不变。2) 图1(c)中Pb震相和(d)中Sb震相在相同的震中距时，其震相走时随着深度的增加而稍微减小；在相同的深度下，随着震中距的增加，其震相走时增加幅度基本保持不变。Pb震相是来自下地壳内震源的上行Ｐ波，或其底部到达下地壳的Ｐ波。Pb震相是康拉德界面的绕射波，所以Pb作为初至震相，波形类似于正弦波，振幅比Pg波小，周期比Pg波大。相对于北部和中部震源深度较深，而震源深度越深，Pb震相走时越短，Pg震相走时越长[5]。Pb波是在康拉德面上的纵波性首波，Pb震相包含有丰富的下地壳地质构造信息，由于康拉德界面不是一个统一的间断面，部分区域内地震波速度随深度变化比较均匀[6]，导致Pb波能量较弱，震相识别难度较大。3) 图1(e)中Pg震相和(f)中Sg震相在相同的震中距时，走时随着深度的变化比较小；在相同的深度下，随着震中距的增加，震相走时增加幅度基本保持不变。同时利用线性回归方法对常用震相的走时数据进行拟合，即得到不同震中距下，震相走时随深度的变化关系，结果见表1。

Table 1. Linear fitting function

表1. 线性拟合函数

震相	震中距	参数A	参数B	相关系数R	标准偏差SD	显著性水平P	拟合结果
Pn	1˚	20.11071	−0.10071	−0.99722	0.08904	<0.0001	Y = 20.11071 − 0.10071X
Pn	2˚	34.15000	−0.10143	−0.99498	0.12071	<0.0001	Y = 34.15000 − 0.10143X
Pn	3˚	47.99286	−0.09857	−0.99510	0.11588	<0.0001	Y = 47.99286 − 0.09857X
Pn	4˚	62.03571	−0.10143	−0.99674	0.09710	<0.0001	Y = 62.03571 − 0.10143X
Pn	5˚	75.83929	−0.09786	−0.99769	0.07883	<0.0001	Y = 75.83929 − 0.09786X
Pn	6˚	89.88929	−0.10214	−0.99905	0.05278	<0.0001	Y = 89.88929 − 0.10214X
Pn	7˚	103.7714	−0.10000	−0.99756	0.08281	<0.0001	Y = 203.7714 − 0.10000X
Pn	8˚	118.0607	−0.14500	−0.98115	0.33796	<0.0001	Y = 118.0607 − 0.14500X
Sn	1˚	34.61786	−0.16786	−0.99907	0.08577	<0.0001	Y = 34.61786 − 0.16786X
Sn	2˚	59.02857	−0.16857	−0.99728	0.14736	<0.0001	Y = 59.02857 − 0.16857X
Sn	3˚	83.18214	−0.16357	−0.99720	0.14516	<0.0001	Y = 83.18214 − 0.16357X
Sn	4˚	107.6321	−0.16786	−0.99784	0.13066	<0.0001	Y = 107.6321 − 0.16786X
Sn	5˚	131.7464	−0.16786	−0.99871	0.10107	<0.0001	Y = 131.7464 − 0.16786X
Sn	6˚	156.1429	−0.16857	−0.99907	0.08619	<0.0001	Y = 156.1429 − 0.16857X
Sn	7˚	180.3000	−0.16571	−0.99830	0.11464	<0.0001	Y = 180.3000 − 0.16571X
Sn	8˚	205.2429	−0.24286	−0.97669	0.63155	1.57367E−4	Y = 205.2429 − 0.97669X
Pb	2˚	35.80000	−0.08000	−1.00000	0.00000	<0.0001	Y = 35.80000 − 0.08000X
Pb	3˚	51.90000	−0.08000	−1.00000	4.10232E−15	<0.0001	Y = 51.90000 − 0.08000X
Pb	4˚	68.14000	−0.08000	−0.99627	0.06325	2.73203E−4	Y = 68.14000 − 0.08000X
Pb	5˚	84.24000	−0.08400	−0.99550	0.07303	3.62672E−4	Y = 84.24000 − 0.08400X
Pb	6˚	100.4800	−0.08400	−0.99774	0.05164	1.28919E−4	Y = 100.4800 − 0.08400X
Pb	7˚	116.6200	−0.08600	−0.99919	0.03162	<0.0001	Y = 116.6200 − 0.08600X
Pb	8˚	132.8000	−0.08000	−1.00000	0.00000	<0.0001	Y = 132.8000 − 0.08000X
Sb	1˚	33.42000	−0.12600	−0.99962	0.03162	<0.0001	Y = 33.42000 − 0.12600X
Sb	2˚	61.86000	−0.12400	−0.99948	0.03651	<0.0001	Y = 61.86000 − 0.12400X
Sb	3˚	90.00000	−0.12000	−1.00000	8.20464E−15	<0.0001	Y = 90.00000 − 0.12000X
Sb	4˚	118.3400	−0.11800	−0.99842	0.06055	<0.0001	Y = 118.3400 − 0.11800X
Sb	5˚	146.5200	−0.11800	−0.99842	−0.06055	<0.0001	Y = 146.5200 − 0.11800X
Sb	6˚	175.0000	−0.12200	−0.99906	0.04830	<0.0001	Y = 175.0000 − 0.12200X
Sb	7˚	203.0800	−0.11400	−0.99954	0.03162	<0.0001	Y = 203.0800 − 0.11400X
Sb	8˚	231.6000	−0.12000	−1.00000	1.64093E−14	<0.0001	Y = 231.6000 − 0.12000X

4. 近震震相分析示例

2016年07月31日17时18分11秒在广西壮族自治区梧州市苍梧县发生M5.4级地震，震源深度10 km，距离广东广州台约为217.97 km，事件波形如图2。

Figure 2. Phase marking of the Cangwu M5.4 earthquake

图2. 梧州市苍梧县M5.4地震震相标注

相同震相在不同地区出现的形态和到达的时间会有所不同，这与震源的深度和类型、局部地壳内部结构的复杂性和不均匀性等有关[5]，例如华南地区绕射波Pb出现的最小震中距平均约87 km [3]，山西地区震中距约100~130 km时Pb作为初至震相比较容易识别[5]。该地震事件深度h = 10 km (即为拟合公式中的X变量)，理论震中距约为217.97 km，一般一度约等于111.19 km，根据表1线性拟合公式，再结合震相的物理特征[7] [8]，可知地震波震相大致走时。Pn波在地震图上开始成为首波，按地壳模型计算，震中距87 km以后产生Pn波，这和范玉兰等[3]的研究结果基本接近，所以在走时表中Pn、Sn从90 km (震中距)开始列入，接近理论首波震中距离。Pb(Sb)震相只有部分地区能观测到，通常位于Pn(Sn)和Pg(Sg)之间，其振幅比Pn(Sn)大一点，比Pg(Sg)则小得多。Pb(Sb)与Pn(Sn)波的走时差随震中距增大而增大，根据震相特征依次标注后续震相。

5. 结论

本文通过研究近震走时表中震相走时与震源深度的关系，结果表明：常用震相Pn和Sn在相同的震中距时，其走时随着深度的增加而减小,略微区别于Pb、Pg、Sb、Sg震相；在相同的深度下，随着震中距的增加，各个震相走时增加幅度基本保持不变。

致 谢

感谢湖北省地震局提供的项目支持，感谢审稿人和编辑提出的宝贵意见。

基金项目

中国地震局地震研究所基本科研业务费专项资助项目和中国地震局地壳应力研究所基本科研业务费专项资助项目以及湖北省地震局基础科研基金项目(No.2022HBJJ029)。

NOTES

^*通讯作者。