利用地震走時(shí)計(jì)算波速與震源深度*

李啟雷，李玉麗

(青海省地震局，青海西寧810000)

0 引言

青藏高原東北緣是晚新生代構(gòu)造變形最強(qiáng)烈的地區(qū)。所謂東北緣是指南以東昆侖斷裂、北以祁連山—海原斷裂、西以柴達(dá)木盆地、東以南北構(gòu)造帶為界的甘肅、青海和寧夏交界地區(qū) (袁道陽(yáng)等，2004)。據(jù)中國(guó)地震局統(tǒng)計(jì) (國(guó)家地震局震害防御司，1995;國(guó)家地震局震害防御司，1999)，自有文字記載以來(lái)，該地區(qū)已發(fā)生24次M≥7.0地震，其中5次M≥8.0地震。

祁連山活動(dòng)斷裂帶是位于青藏高原東北緣主要斷裂帶之一，該斷裂帶晚第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為整體活動(dòng)性強(qiáng)，地震活動(dòng)頻率高、強(qiáng)度大的特點(diǎn) (王永成，劉百篪，2001)。其中在青海境內(nèi)主要有門(mén)源冷龍嶺斷裂和祁連托萊山斷裂。確定地殼速度結(jié)構(gòu)，對(duì)研究區(qū)域介質(zhì)性質(zhì)和構(gòu)造活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)條件、地震精確定位及地震預(yù)報(bào)等具有重要意義。

20世紀(jì)60年代初期，中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所利用人工地震進(jìn)行了地震深部探測(cè)，得到了部分地區(qū)的地殼內(nèi)部速度分布。許忠淮等 (2003)利用層析成像方法分析了青藏高原東北地區(qū)上地幔頂部P波速度及其各向異性的橫向變化。金春華等 (2011)利用地震和爆破資料，通過(guò)差分正演及LSQR反演，獲得了寧夏及鄰區(qū)不同深度及不同位置的深度速度剖面圖像。周民都等 (2012)利用層析成像法研究了青藏高原東北緣地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)，得到了上地幔頂部多數(shù)地區(qū)的平均P波速度。劉文輝 (2007)利用人工地震剖面資料得出祁連塊體地殼平均波速。李永華等 (2006)分別采用接收函數(shù)法和線性反演法對(duì)青藏高原東北緣的殼幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，獲取了臺(tái)站下方的地殼厚度、VP/VS值及殼幔S波速度結(jié)構(gòu)。這些研究工作，對(duì)了解青藏高原東北緣地殼速度結(jié)構(gòu)具有重要的參考價(jià)值。

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定:2014年6月9日20時(shí)51分在青海省海北藏族自治州祁連縣(38.1°N，100.1°E)發(fā)生3.2級(jí)地震，震源深度3 km。這次地震震源淺，縣境內(nèi)震感明顯。震中位于托萊山斷裂帶上，與1991年1月2日2時(shí)58分5.1級(jí)地震震中相距僅14.7 km，與1984年2月17日10時(shí)37分5.1級(jí)地震震中相距61.9 km。青海臺(tái)網(wǎng)共有46個(gè)臺(tái)站記錄到此次地震的88條震相，其中震中距最小 (4.05 km)。筆者利用這些觀測(cè)資料，假設(shè)介質(zhì)均勻并且為單層，根據(jù)近震走時(shí)方程計(jì)算直達(dá)波與首波 (或折射波)傳播速度及震源深度。

1 資料選取

青海數(shù)字遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)于2007年6月建成并進(jìn)入試運(yùn)行階段，10月通過(guò)工程驗(yàn)收后正式投入運(yùn)行?，F(xiàn)有88個(gè)數(shù)字地震臺(tái) (包括新架設(shè)臺(tái)站17個(gè)，接入外省臺(tái)站24個(gè))，臺(tái)網(wǎng)國(guó)家臺(tái)和區(qū)域臺(tái)分別架設(shè)了甚寬頻帶、寬頻帶地震計(jì)，所有臺(tái)站全部配置了大動(dòng)態(tài)范圍的24位數(shù)據(jù)采集器。青海遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)在省內(nèi)絕大部分地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML3.0，中東部地區(qū)達(dá)到ML2.0、西寧附近重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)域達(dá)到ML1.5。

本文所選取的震相資料初動(dòng)清晰，到時(shí)殘差在1.5 s以內(nèi)，其中直達(dá)波Pg震中距在200 km以內(nèi)，首波Pn震中距在500 km以內(nèi)。青海省遙測(cè)地震臺(tái)站分布如圖1所示。

圖1 青海省遙測(cè)地震臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of telemetering seismic stations in Qinghai province

2 近震走時(shí)規(guī)律

2.1 直達(dá)波走時(shí)方程

假設(shè)地層介質(zhì)均勻，則地震波在層內(nèi)沿直線傳播，直達(dá)波射線傳播路徑如圖2所示。傳播速度為常數(shù)，設(shè)V1為由震源O傳播到臺(tái)站S的時(shí)間為t1，震中距為Δ，震源距為D(傅淑芳，劉寶誠(chéng)，1980)。則直達(dá)波走時(shí)方程為

式中，對(duì)同一個(gè)地震，t1只與震中距相關(guān)。如果到時(shí)t1和震中距Δ已知，便可由兩個(gè)臺(tái)的記錄聯(lián)立組成方程組，求解出待定常數(shù)V1和h:

(2)、(3)式中，Δ、Δ'及t1、t'1分別為兩個(gè)臺(tái)站的震中距及直達(dá)波到時(shí) (下同)。

圖2 直達(dá)波射線傳播路徑Fig.2 Propagation path of the direct wave

2.2 首波走時(shí)方程

圖3 為首波射線傳播示意圖，設(shè)界面以上傳播速度為V1，界面以下速度為V2，V2＞V1，i0為臨界角:

由式 (4)可以看出，首波走時(shí)曲線是以波速的倒數(shù)為斜率的直線，不同臺(tái)站的到時(shí)差僅與式中第一項(xiàng)相關(guān)，即震中距和上地幔波速。所以由任意兩個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)資料便可計(jì)算首波速度V2，其表達(dá)式為

圖3 首波射線傳播路徑Fig.3 Propagation path of the head wave

3 資料處理與結(jié)果分析

3.1 直達(dá)波

本文選取了17條震相清晰，且震中距在100 km范圍內(nèi)的縱波記錄，任意兩組組合即可計(jì)算出一個(gè)波速值，共得到126個(gè)有效數(shù)值。圖4a為直達(dá)波速度正態(tài)分布圖，在95%置信區(qū)間內(nèi)直達(dá)波速度分布區(qū)間為5.96～6.09 km/s。有極少數(shù)值偏離平均值較大，而震相到時(shí)讀取的誤差一般為0.1 s以內(nèi)，不會(huì)有太大影響，這可能是由臺(tái)站儀器響應(yīng)造成的。在置信區(qū)間內(nèi)直達(dá)波平均值6.03 km/s，小于周民都等 (2012)層析成像法獲取的青藏高原東北緣地殼平均波速6.25 km/s，也低于劉文輝 (2007)利用人工地震剖面資料得出的祁連塊體地殼平均波速6.22 km/s。本文沒(méi)有對(duì)直達(dá)橫波速度進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)闄M波不是初至波，震相識(shí)別時(shí)會(huì)受到前面震相的干擾，讀取誤差過(guò)大，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性 (張晁軍等，2010;羅艷等，2013;劉明軍等，2008)。

圖4 直達(dá)波 (a)、首波 (b)速度和震源深度 (c)正態(tài)分布圖Fig.4 Normal distribution of the velocity of the direct wave(a)，the head wave(b)and focal depth(c)

3.2 首波

由于首波起始平緩，震相初動(dòng)信號(hào)較弱，故可用震相沒(méi)有直達(dá)波豐富。本文選取了13條縱波記錄，共得到78個(gè)計(jì)算結(jié)果。圖4b中的點(diǎn)隨樣本數(shù)近似呈平均分布，與圖4a的表現(xiàn)不同。這可能因?yàn)槭撞ㄗ邥r(shí)是直線，只有震中距一個(gè)變量。只要Pn震相清晰、到時(shí)讀取準(zhǔn)確，震中距較大的臺(tái)站也可以參與計(jì)算。舍棄不合理數(shù)值，計(jì)算出縱波波速平均值為7.92 km/s。這個(gè)結(jié)果低于許忠淮等 (2003)使用層析成像法獲取的平均波速度8.09 km/s，也低于周民都等 (2012)用同樣方法得到的上地幔平均波速8.05 km/s(李永華等，2006)，高于川滇地區(qū)速度7.8 km/s(吳建平等，2006)。

3.3 震源深度

本文選取震中距小于100 km的臺(tái)站記錄波形資料進(jìn)行分析演算震源深度。雖然震相較少，但因?yàn)槠钸B臺(tái)距離震中只有4.05 km，可以對(duì)計(jì)算結(jié)果起到很好的約束 (王登偉，2010)，在95%置信區(qū)間內(nèi)計(jì)算出震源深度分布范圍為5.6～5.8 km，均值為5.7 km(圖4c)。

4 結(jié)論

本文利用17條直達(dá)縱波到時(shí)和13條首波縱波到時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算了2014年6月9日20時(shí)51分發(fā)生在青海省海北藏族自治州祁連縣3.2級(jí)地震的波速和震源深度。得到直達(dá)波速95%置信區(qū)間為5.96～6.09 km/s，首波波速置信區(qū)間為7.69～8.06 km/s，震源深度置信區(qū)間為5.6～5.8 km。

本次計(jì)算的對(duì)象是單個(gè)地震，計(jì)算結(jié)果有一定的偶然性和隨機(jī)性，加上青海臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)臺(tái)站分布不均勻，密度小，現(xiàn)有的震相資料對(duì)于研究一個(gè)區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)尤其是震源深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。今后將收集更多的近場(chǎng)資料，豐富和優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。

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