區(qū)域地殼速度模型對準(zhǔn)確測定地震參數(shù)的重要性研究

宋秀青，游秀珍，劉　芳，劉雙慶,朱元清

(1．上海市地震局，上?！?00062；2．福建省地震局，福州　350003；3．內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特　010051; 4.天津市地震局，天津　300201)

區(qū)域地殼速度模型對準(zhǔn)確測定地震參數(shù)的重要性研究

宋秀青1，游秀珍2，劉芳3，劉雙慶4,朱元清1

(1．上海市地震局，上海200062；2．福建省地震局，福州350003；3．內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特010051; 4.天津市地震局，天津300201)

摘要：研究區(qū)域地殼速度模型是地震學(xué)研究中的經(jīng)典問題，而震中位置和震源深度的準(zhǔn)確確定與地殼速度模型密切相關(guān)。論述了中國各區(qū)域測震臺(tái)網(wǎng)速度模型的現(xiàn)狀，并分別以福建和內(nèi)蒙古地殼速度模型的地震定位結(jié)果為例，說明合適的地殼速度模型對于準(zhǔn)確測定地震參數(shù)的重要性。

關(guān)鍵詞：速度模型；測震臺(tái)網(wǎng)；地震定位；震源深度

0引言

地球內(nèi)部的“不可入性”，使我們對其的認(rèn)知非常有限，對于地球內(nèi)部構(gòu)造的研究仍處于探索階段。眾所周知，地震波速度是決定地殼結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。地震波經(jīng)由地下介質(zhì)傳播，能反映出地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因此，地震就像是一盞照亮地球內(nèi)部的“燈”，地震工作者可以利用大量的地震資料來研究地球內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)。在測震臺(tái)網(wǎng)的實(shí)際工作中，地殼速度模型和地震定位工作是緊密相關(guān)的，符合實(shí)際地殼結(jié)構(gòu)的速度模型是準(zhǔn)確求得震源深度的前提。各測震臺(tái)網(wǎng)多年積累的地震資料正是開展速度模型應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。2014年，在中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司的支持下，由上海市地震局牽頭開展了“全國區(qū)域一維速度模型建設(shè)及推廣使用工作”，研究得到了31個(gè)省的一維地殼速度模型。這使得中國地殼速度模型工作有了進(jìn)一步實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，同時(shí)也為震源深度的準(zhǔn)確測定提供了必要先決條件。本文將以福建、內(nèi)蒙古2個(gè)具有代表性的區(qū)域作為研究對象，分析區(qū)域地殼模型對地震參數(shù)準(zhǔn)確測定的影響。

1中國測震臺(tái)網(wǎng)速度模型現(xiàn)狀

準(zhǔn)確的速度結(jié)構(gòu)對于地震定位、震源機(jī)制、矩張量反演等研究至關(guān)重要，同時(shí)也可以決定地殼介質(zhì)的組分。近幾十年來，地震學(xué)家們圍繞著地殼速度開展了各種研究。比較成熟的方法,如地震層析成像方法[1-5]、人工測深地震探測方法[6-9]、接收函數(shù)法[10-13]、區(qū)域重磁資料方法[14-18]等，利用這些方法可以得到某一區(qū)域比較精確的地殼速度結(jié)構(gòu)，其研究結(jié)果有效推動(dòng)了地球科學(xué)的進(jìn)步。但是，從實(shí)際應(yīng)用角度來看，這類以等值線圖方式給出的三維地殼速度結(jié)構(gòu)更適用于科學(xué)研究中，在測震臺(tái)網(wǎng)地震分析工作中，目前的定位程序還無法直接使用這類研究成果。中國地震局“十五”項(xiàng)目完成以后，各區(qū)域臺(tái)網(wǎng)定位使用的軟件MSDP是由廣東省地震局開發(fā)的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有21家單位在速報(bào)或編目工作中使用了MSDP自帶的華南模型。部分使用華南模型的區(qū)域，其實(shí)際地殼速度模型顯然與之有一定差距。

隨著區(qū)域臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站的逐漸增密，地震被臺(tái)站包圍得越來越好。在實(shí)際定位中，即使使用的模型不十分匹配，對震中位置的準(zhǔn)確測定并沒有太大影響。然而，不可忽略的問題是，當(dāng)臺(tái)站分布不均勻，不能很好地包圍震中，尤其在我國西部地區(qū)，臺(tái)間距較大時(shí)，速度模型對震中位置的影響就會(huì)顯現(xiàn)。另一個(gè)問題是，由于在深度方向上沒有臺(tái)站，因此，合適的速度模型對于震源深度的準(zhǔn)確測定有著非常重要的作用。2014年新疆于田MS7.3地震序列的震源深度測定工作[19-20]，就是利用2009年到2013年間發(fā)生在于田地區(qū)的M≥2.0地震，重新確定了更適合于田地區(qū)的一維地殼速度模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行震源深度的準(zhǔn)確計(jì)算，從而獲得比速報(bào)更合理的震源參數(shù)結(jié)果。

2全國區(qū)域一維速度模型研究

由上海市地震局牽頭開展了“全國區(qū)域一維速度模型建設(shè)及推廣使用工作”，研究得到了31個(gè)省的一維地殼速度模型。此項(xiàng)工作涉及全國34家單位，使用了全國約1 500個(gè)臺(tái)站實(shí)際測到的7萬多個(gè)地震、64萬多條震相數(shù)據(jù)。首先，采用2009—2014年發(fā)生在本省的地震，分別對Pg、Pn、Sg、Sn 4種震相進(jìn)行線性擬合和滑動(dòng)窗擬合，得到波速范圍，并通過Pb震相的拾取，擬合得到康拉德界面的速度，由此得到各省初始模型：V1(Pg速度)、V2(Pb速度)、Vn(Pn速度)、VS(Sg速度)、VSn(Sn速度)、H1(上地殼厚度)與H2(下地殼厚度)；然后，通過折合走時(shí)方法和穩(wěn)定性分析確定初始模型的試錯(cuò)范圍，并用Hyposat軟件批處理計(jì)算所有模型，在此基礎(chǔ)上，用PTD方法[21-22]進(jìn)一步驗(yàn)證和調(diào)整模型的合理性和有效性；最后，經(jīng)過和原編目結(jié)果、爆破事件、精定位地震等比較驗(yàn)證，最終確定各省的一維速度模型。采用上述方法求得的一維速度模型是在充分考慮了地震分布、臺(tái)站布局基礎(chǔ)上的等效模型，更符合區(qū)域臺(tái)網(wǎng)實(shí)際工作的需求。

由已經(jīng)完成的模型測試結(jié)果顯示，各省于2015年研究得到的一維速度模型(下稱2015模型)就地震定位殘差、震源深度等方面均有不同程度的改進(jìn)，特別是一些現(xiàn)使用模型與實(shí)際地殼速度結(jié)構(gòu)差別較大的省份。

3福建地震測定結(jié)果分析速度模型和地震定位精度的關(guān)系

福建臺(tái)網(wǎng)使用的是華南速度模型[23]，該省是華南地殼速度模型計(jì)算時(shí)所采用地震資料的5個(gè)省份之一。因此，該地區(qū)的實(shí)際地殼速度結(jié)構(gòu)和華南模型很接近。華南速度模型和研究得到的2015福建速度模型的具體參數(shù)如表1所示。

表1華南速度模型、2015福建速度模型和2015內(nèi)蒙古速度模型參數(shù)表

速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.01Vs3.5521V26.88Vsb3.9311Vn7.98Vsn4.58速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.10Vs3.5721V26.87Vsb3.9011Vn7.98Vsn4.53速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.10Vs3.5724V26.60Vsb3.8617Vn8.05Vsn4.68

對比2個(gè)模型，2015福建模型的Pg速度略大，其他參數(shù)變化很小。但是，即使是微小的變化，對地震定位的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文挑選了2009—2014年間發(fā)生在福建省內(nèi)、50%以上臺(tái)站有記錄且分布較均勻的75個(gè)地震，使用Hyposat批處理定位程序分別配置華南模型和2015福建模型進(jìn)行計(jì)算，并分析2種模型的定位殘差結(jié)果。其中，華南模型的平均定位殘差為0.373，而2015福建模型的平均定位殘差為0.257。使用2015福建模型定位的殘差大部分小于華南模型，僅有6個(gè)地震的殘差大于華南模型。華南模型的定位殘差分布在0.2～0.6之間，2015年福建模型除個(gè)別地震外，絕大部分定位殘差分布于0.1～0.4之間(圖1)。

圖1　2015福建速度模型和華南速度模型定位殘差比較

一般情況下，P波初至震相拾取誤差小于0.5 s，后續(xù)震相拾取誤差小于1 s。根據(jù)中國地震局對地震編目的各項(xiàng)要求，同時(shí)考慮到很多震中位置能被地震臺(tái)站包圍，故假定編目報(bào)告中的震中定位結(jié)果是相對可靠的，我們將其作為相對標(biāo)準(zhǔn)分別衡量采用不同模型定位的震中水平位置偏差。計(jì)算結(jié)果顯示，使用2015福建模型的定位結(jié)果要優(yōu)于華南模型。華南模型的定位結(jié)果和編目相比，平均震中水平差是1.223 km，而使用2015福建模型定位的平均震中水平位置偏差是0.701 km。其中，華南模型震中水平偏差<1 km的地震37個(gè)，震中水平偏差>2 km的地震11個(gè)；使用2015福建模型定位的全部75個(gè)地震震中水平偏差<2 km，其中，震中水平偏差<1 km的地震達(dá)到57個(gè)(圖2)。由此可以看出，模型的改變，會(huì)影響到地震的定位結(jié)果。2015福建模型和華南模型相比結(jié)果顯示，雖然變化值較小，但確實(shí)改善了定位結(jié)果的殘差，提高了可靠性。

需要說明的是，在原編目結(jié)果中，為了追求較小的定位殘差，部分Pn震相權(quán)重置0，而在使用Hyposat批處理程序重新定位時(shí)，所有震相權(quán)重置為1(全部參與定位)。這樣做的目的，一是提高數(shù)據(jù)資料的使用率，二是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴Ｈ绻Ｐ洼^符合實(shí)際地殼結(jié)構(gòu)，定位殘差會(huì)呈現(xiàn)總體變小的趨勢。

圖2　2015福建模型和華南模型震中水平位置偏差比較(和編目結(jié)果相比較)

4內(nèi)蒙古地震測定結(jié)果分析速度模型和震源深度的關(guān)系

內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)目前使用的是華南速度模型，該模型和內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)際地殼速度結(jié)構(gòu)有一定差別[24-25]。圖3是2009年1月1日至2015年9月20日內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)記錄到的M≥2.0的全部地震的震源深度對比(選取震中位置在內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)，共計(jì)354個(gè)地震)。圖3中，紅色圓圈代表原來的編目結(jié)果深度，用單純型定位方法和華南模型分析所得；藍(lán)色圓圈是從國家臺(tái)網(wǎng)編目數(shù)據(jù)庫中下載的內(nèi)蒙古臺(tái)網(wǎng)震相數(shù)據(jù)，用PTD方法結(jié)合2015內(nèi)蒙古速度模型計(jì)算所得到的新深度。

可以清晰地看到，同一個(gè)地震同樣的震相資料，華南模型計(jì)算所得的深度絕大部分偏淺。其主要原因如下：首先，單純型定位方法的深度結(jié)果強(qiáng)烈依賴初值，定位程序中深度的初始值設(shè)定為10 km，因此震源深度始終在10 km附近搜索；其次，因?yàn)槟Ｐ筒环蠈?shí)際地殼結(jié)構(gòu)，有1/6地震的震源深度無法求出，顯示為0 km(圖3，紅色圓圈)。而使用2015內(nèi)蒙古模型后，由于更符合該區(qū)域的實(shí)際地殼結(jié)構(gòu)，不僅能求得震源深度，而且呈現(xiàn)垂向變深的總體趨勢，其值大致分布在10～20 km左右。原編目結(jié)果使用華南模型計(jì)算的354個(gè)地震的平均震源深度為6.3 km,使用2015內(nèi)蒙古模型并結(jié)合PTD方法重新計(jì)算的平均深度結(jié)果是13.9 km。同樣的，在原編目結(jié)果中，部分殘差較大的Pn震相權(quán)重置0，不參與運(yùn)算，在使用PTD方法重新計(jì)算深度時(shí)，使用了全部初至震相。

對比華南速度模型和2015內(nèi)蒙古模型，兩者最大的差別是莫霍面深度相差9 km左右，各層的速度也有一定變化(表1)，這一差別使得震相實(shí)際走時(shí)和給出的理論走時(shí)不匹配，從而無法得出較好的震源深度。綜上所述，目前由于大部分測震臺(tái)網(wǎng)的布局較密，地震基本能被臺(tái)站包圍，因此模型匹配與否，對震中位置的準(zhǔn)確測定影響不是很大。但是，不準(zhǔn)確的速度模型必定會(huì)影響震源深度的準(zhǔn)確測定。

注：選用2009年1月1日至2015年9月20日內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)記錄到的M≥2.0地震。原深度使用模型：華南速度模型；新深度使用模型：2015內(nèi)蒙古速度模型；主圖表示震源深度的三維分布，右側(cè)圖代表震源深度沿緯度方向的分布，下方圖代表震源深度沿經(jīng)度方向的分布圖3　使用不同模型計(jì)算的震源深度結(jié)果對比

5結(jié)果與討論

1)合適的速度模型對測定地震定位參數(shù)具有重要的意義，特別是對于準(zhǔn)確確定震源深度更有著舉足輕重的作用。

2)以等值線和色標(biāo)方式給出的三維地殼速度結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)階段更適用于科學(xué)研究。“十五”項(xiàng)目以后，我國各區(qū)域測震臺(tái)網(wǎng)均使用由廣東省地震局開發(fā)的MSDP軟件進(jìn)行地震分析和定位，該軟件所包含的幾種定位方法均采用一維速度模型。因此，充分考慮了地震分布和臺(tái)站布局基礎(chǔ)上的等效一維速度模型，更符合現(xiàn)階段區(qū)域臺(tái)網(wǎng)實(shí)際工作的需求。

3)“全國區(qū)域一維速度模型建設(shè)及推廣使用工作”使很多省級臺(tái)網(wǎng)中心實(shí)現(xiàn)了適用于本地區(qū)的速度模型從無到有的跨越。當(dāng)然，地震的實(shí)際發(fā)生不可能按照行政區(qū)域的劃分，對于一些地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，比如“南北地震帶”，東西兩邊的地質(zhì)構(gòu)造差別很大，莫霍面深度相差20 km左右，如果使用四川省的全省平均一維速度模型，是很難解決精確測定震源深度的問題。對于這樣的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，有必要進(jìn)一步細(xì)化模型。另外，兩省或兩省以上交界處的地震，該使用哪個(gè)速度模型來定位，或如何更好地解決相鄰省交界處的地震定位，也是值得進(jìn)一步探究的問題。

總而言之，合適的速度模型對于準(zhǔn)確測定地震有著非常重要和深遠(yuǎn)的意義，這是一項(xiàng)需要長期堅(jiān)持的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Aki K, Lee W H K. Determination of three—dimensional velocity anomalies under a seismic array using first P arrival times from local earthquakes: 1. A homogeneous initial model[J]. Journal of Geophysical Research, 1976, 81(23): 4381-4399.

[2]劉福田, 李強(qiáng), 吳華, 等. 用于速度圖象重建的層析成象法[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1989, 32(1): 46-61.

[3]Zhao D P, Hasegawa A, Horiuchi S. Tomographic imaging of P and S wave velocity structure beneath Northeastern Japan[J]. Journal of Geophysical Research, 1992, 97(B13): 19909-19928.

[4]張致偉，程萬正，吳朋,等. 自貢—隆昌地區(qū)地震重新定位及P波速度結(jié)構(gòu)研究[J]. 中國地震，2013，29(1)：37-47.

[5]宮猛, 郭蕾, 王曉山, 等. 基于背景噪聲研究河北及鄰區(qū)群速度分布特征[J]. 華北地震科學(xué), 2016, 34(1): 6-12.

[6]孫譯, 賴曉玲. 利用斷層圍陷波資料研究汶川MS8.0地震構(gòu)造特征[J]. 華北地震科學(xué), 2014, 32(3): 1-4.

[7]吳宣志, 吳春玲, 盧杰, 等. 利用深地震反射剖面研究北祁連——河西走廊地殼細(xì)結(jié)構(gòu)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1995, 38(增刊): 29-35.

[8]張先康, 王椿鏞, 劉國棟, 等. 延慶—懷來地區(qū)地殼細(xì)結(jié)構(gòu)——利用深地震反射剖面[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1996, 39(3): 356-364.

[9]尹周勛, 賴明惠, 熊紹柏, 等. 華南連縣—博羅—港口地帶地殼結(jié)構(gòu)及速度分布的爆炸地震探測結(jié)果[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1999, 42(3): 383-392.

[10]Zhu L P, Kanamori H. Moho depth variation in southern California from teleseismic receiver functions[J]. Journal of Geophysical Research, 2000, 105(B2): 2969-2980.

[11]段永紅, 張先康, 劉志, 等. 長白山-鏡泊湖火山區(qū)地殼結(jié)構(gòu)接收函數(shù)研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2005, 48(2): 352-358.

[12]許曉慶, 馬禾青, 馬小軍, 等. 寧夏銀川基準(zhǔn)臺(tái)下方地殼厚度研究[J]. 華北地震科學(xué), 2015, 33(1): 35-38.

[13]呂睿, 宮猛, 孟小琴, 等. 利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)反演山西地區(qū)臺(tái)站下方的地殼厚度及泊松比[J]. 華北地震科學(xué), 2016, 34(1): 59-64.

[14]潘玉青. 利用區(qū)域重磁資料研究湖北省地質(zhì)構(gòu)造的幾點(diǎn)認(rèn)識[J]. 資源環(huán)境與工程, 2005, 19(2): 90-94.

[15]魏代云, 吳燕岡, 郇恒飛. 松遼盆地北部布格重力異常場源分布[J]. 華北地震科學(xué), 2014, 32(1): 1-4.

[16]姜文亮, 張景發(fā). 首都圈地區(qū)精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)——基于重力場的反演[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2012, 55(5): 1646-1661.

[17]王謙身, 滕吉文, 張永謙, 等. 中秦嶺地帶重力異常特征及地殼結(jié)構(gòu)的探榷[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(12): 3999-4008.

[18]董崇志, 丁巍偉, 李家彪, 等. 南極洲東部普里茲灣海域重磁場特征及地殼結(jié)構(gòu)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(10): 3346-3360.

[19]宋秀青, 繆發(fā)軍, 劉雙慶, 等. 2014年新疆于田MS7.3地震序列的震源深度測定[J]. 中國地震, 2014, 30(2): 198-207.

[20]陳向軍, 上官文明, 宋秀青, 等. 新疆全區(qū)和分區(qū)地殼速度模型的分析[J]. 中國地震, 2014, 30(2): 178-187.

[21]朱元清, 石耀霖, 李平. 一種確定地震深度的新方法[J]. 地震地磁觀測與研究, 1990, 11(2): 4-12.

[22]朱元清, 夏從俊, 李平. 確定震源深度的PTD方法及其應(yīng)用[J]. 地震地磁觀測與研究, 1997, 18(3): 21-29.

[23]范玉蘭, 林紀(jì)曾, 胡瑞賀, 等. 華南地區(qū)近震走時(shí)表的研制[J]. 華南地震, 1990, 10(2): 1-16.

[24]劉芳, 蔣長勝, 張帆, 等. 基于EMR方法的內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力[J]. 地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 38(6): 1356-1362.

[25]劉芳，蔣長勝，張帆，等. 內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測能力研究[J]. 地震學(xué)報(bào)，2014，36(5)：919-929.

Importance of Velocity Model to Accurate Location of earthquake

SONG Xiu-qing1, YOU Xiu-zhen2, LIU Fang3, LIU Shuang-qing4, ZHU Yuan-qing1

(1. Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 200062, China;2. Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003, China;3. Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Huhhot 010051, China;4. Earthquake Administration of Tianjin Municipality, tianjin 300201, China)

Abstract:How to get the appropriate crustal velocity model is a classical problem in seismology research. And the accurate determination of the epicenter and the focal depth is closely related to the velocity model. This paper briefly introduces the present situation of the velocity model of the seismic network in China, and selects earthquakes took place in Fujian and Inner Mongolia as examples to explain the importance of the appropriate velocity model for the accurate determination of earthquakes.

Key words:velocity model; seismic network; earthquake location; focal depth

收稿日期:2015-10-30

基金項(xiàng)目：地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH15017Y)；中國地震局監(jiān)測司專項(xiàng)任務(wù)(15080404)

作者簡介：宋秀青(1974—)，女，工程師，主要研究方向：震源深度及地殼速度模型等．E-mail：dzzysdyj@126.com

中圖分類號:P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1003-1375(2016)02-0027-05

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.005

宋秀青，游秀珍，劉芳，等．區(qū)域地殼速度模型對準(zhǔn)確測定地震參數(shù)的重要性研究[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(2):27-31.