使用遼寧地區(qū)P波走時(shí)反演一維速度模型

王承偉，陶 達(dá)，梁一婧（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

使用遼寧地區(qū)P波走時(shí)反演一維速度模型

王承偉，陶 達(dá)，梁一婧
（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

選取遼寧地震臺網(wǎng)記錄到的67個(gè)天然地震，使用單純型法定位方法和Pn/Pg聯(lián)合測定深度的方法，對震中和震源深度測定，提取定位結(jié)果的P波走時(shí)數(shù)據(jù)。使用理論走時(shí)公式，將已知變量和未知變量分離，利用走時(shí)公式，構(gòu)造方程組進(jìn)行求解，反演得到兩層均勻速度模型。使用Hyposat定位程序，對此次研究的模型和目前使用的華南模型進(jìn)行定位對比，定位結(jié)果優(yōu)于華南模型。

速度模型；地震定位；定位殘差；Hyposat

0 引言

在關(guān)系到臺網(wǎng)定位質(zhì)量的種種條件中，速度模型相對較為重要。由于本省目前暫無本區(qū)域的速度模型，所以遼寧臺網(wǎng)仍采用MSDP中自帶的華南模型，由于華南模型與本省的實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一定的差異，在地震定位中會(huì)存在一定的偏差。對于這種問題，本省內(nèi)臺站記錄到的地震數(shù)據(jù)發(fā)揮了很重要的彌補(bǔ)作用，通過對各個(gè)臺站的震相數(shù)據(jù)的收集可以有效地對因速度模型本身造成的偏差進(jìn)行科學(xué)合理地糾正，改變了實(shí)際中出現(xiàn)的各種差異，有助于提升整體定位水平。遼寧地區(qū)臺網(wǎng)比較密集，能清晰記錄到地震事件，為地震研究提供了依據(jù)。本文將利用本省采集到的各種震相數(shù)據(jù)，近而對本省地殼兩層速度模型進(jìn)行反演。

1 遼寧地質(zhì)結(jié)構(gòu)及前人成果

遼寧地區(qū)（38o～44oN，119o～126oE）位于華北斷塊區(qū)北部，是中強(qiáng)震較活躍的地區(qū)。自歷史紀(jì)錄的公元419年朝陽5?級地震發(fā)生至今，共記錄到45次MS≥5.0級的地震（包括余震），其中包括5次7級地震，9次6級地震和31次5級地震。

遼寧地區(qū)地震的空間分布不均勻，受到朝陽—北票斷裂、郯廬斷裂、鴨綠江斷裂、金州斷裂、海城河斷裂等地質(zhì)構(gòu)造控制，有明顯的中強(qiáng)地震發(fā)生。另一方面，構(gòu)造盆地及其邊緣地震活動(dòng)較多，多次重復(fù)發(fā)生5級左右地震（如營海老震區(qū)）。中強(qiáng)地震活動(dòng)與地質(zhì)構(gòu)造之間具有密切的關(guān)聯(lián)。遼寧附近海域地震有兩個(gè)較為集中的地方，一個(gè)是遼東半島東側(cè)的黃海海域；一個(gè)是在大連西偏南的渤海海域。遼寧省的礦震也相當(dāng)活躍，主要集中在北票、康平、撫順和阜新地區(qū)。

通過查閱已有文獻(xiàn)，將前人對遼寧地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)和莫霍面深度所做的研究進(jìn)行歸納匯總：盧造勛等[1]人通過對地球物理方面資料的研究，實(shí)現(xiàn)了對地殼兩層模型的綜合反演，并在此基礎(chǔ)上對我國東北地區(qū)和周邊地殼厚度進(jìn)行了重新界定，修改后的厚度發(fā)生了一些變化，他們將東北地區(qū)地殼厚度界定為30～38km（除渤海地區(qū)為26～30km外）。趙光慧等[2]人應(yīng)用板塊構(gòu)造理論研究遼寧大地構(gòu)造，獲得下遼河—遼東灣新生代裂谷（沈陽、營口等遼河平原區(qū)，向南西延入遼東灣海域內(nèi)）帶內(nèi)地殼厚度為33～31km。王謙身等[3]人（1976）為了研究遼寧省海城7.3級地震發(fā)生的地質(zhì)背景—遼南地區(qū)的地殼構(gòu)造,根據(jù)已有的反映深部界面起伏的重力資料，以及除去新生代沉積和淺部構(gòu)造影響后的重力異常，用等效壓縮質(zhì)面方法計(jì)算莫霍界面深度為30～36km。賈麗華等[4]人用遠(yuǎn)震接收函數(shù)研究獲得遼寧地區(qū)的地殼厚度為31～36km。

2 測震臺網(wǎng)介紹及資料數(shù)據(jù)的選擇

遼寧測震臺網(wǎng)由眾多數(shù)字測震臺組成，包括國家臺、區(qū)域臺以及新建背景場項(xiàng)目，相應(yīng)的數(shù)量分別為5個(gè)、30個(gè)和2個(gè)。這些測震臺站構(gòu)成了密集的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。測震臺站以比較均勻的方式分布在全省各地，平均臺站間距70km，中部地區(qū)臺站分布密集一些。通過中國地震臺網(wǎng)中心實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)流服務(wù)器接入鄰省臺站14個(gè)。我省能夠?qū)⒔^大部分區(qū)域監(jiān)測能力保持在ML1.5級，對于網(wǎng)緣和臨海區(qū)域的監(jiān)控能力相對較弱，為ML2.0級。同一范圍內(nèi)速報(bào)能力大約比監(jiān)控能力低0.2級。

采用數(shù)據(jù)時(shí)間來源于2009年至2015年期間，選取M 2.5級以上的67次地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取其震相，在研究中采用單純形方法再次對地震進(jìn)行定位。由于采用的這種方法對震中位置控制相對較好，但存在深度方面掌控的比較弱的問題，使用Pn和Pg聯(lián)合測定震源深度的方法[5]對震源深度重新測定。這種方法要求地震發(fā)生時(shí)記錄到一定數(shù)量的Pn震相，所以選用的地震也一定的滿足了這一要求。提取的震相數(shù)量分別為：2618個(gè)Pg震相，62個(gè)Pb震相1495個(gè)Pn震相；震中距100～600km，Pn走時(shí)范圍23～80s；震中距50～600km，Pg走時(shí)范圍為8～101s；震中距80～200km，Pb走時(shí)范圍為15～32s。圖1給出所選地震的射線圖。

圖1 地震射線覆蓋圖Fig.1 The distribution of seismic ray

圖2 地殼內(nèi)縱波路徑Fig.2 Longitudinal wave path within the earth’ s crust

3 反演方法

大陸地殼按照化學(xué)成分可分為花崗巖層和玄武巖層,平均厚度大約為35km，高山和高原地區(qū)厚度可達(dá)70km。通過對所拾取Pb震相值進(jìn)行研究，也證明了康拉德面需要的假設(shè)條件是合理的。假設(shè)具體內(nèi)容是：地殼結(jié)構(gòu)是由兩層構(gòu)成的，地震波在傳遞過程中保持勻速狀態(tài)，這時(shí)速度模型應(yīng)由5個(gè)參數(shù)組成：上地殼速度為V1，下地殼速度為V2，沿莫霍面波速為VN，上下地殼厚度分別記為H1和H2。參照圖2可分析縱波傳播路徑。

已知本省區(qū)域內(nèi)上地殼厚度范圍大約在16～22km之間，本文中取平均值 19km，研究過程中重新測定的地震震源深度處于12km以內(nèi)，所測地震可以確定均發(fā)生在上地殼內(nèi)。由于目前采用的地震數(shù)據(jù)有限，采用多個(gè)參數(shù)同時(shí)反演造成了參數(shù)與參數(shù)之間的影響，因此要分步對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行反演，步驟為：利用直達(dá)波Pg走時(shí)獲取上地殼P波速度，利用康拉德面折射波Pb走時(shí)反演下地殼波速，通過首波Pn走時(shí)利用反演可以分別獲取地殼總厚度和莫霍面的波速。

直達(dá)波走時(shí)公式為：

康拉德界面折射波走時(shí)公式為：

單層地殼模型莫霍面走時(shí)公式為：

二層地殼模型莫霍面走時(shí)公式為：

以上各公式的含義為： 直達(dá)波走時(shí)（tpg），上地殼縱波速度（V1），下地殼縱波速度（V2）,一層地殼模型的地殼波速（Vg），上地殼厚度（H1）， 下地殼厚度（H2），莫霍面厚度（H），莫霍面波速（Vn），Δ為震中距，h為震源深度。假設(shè)Pg走時(shí)均勻，V1可以有第一步獲得。通過假定康拉德面波速等于下地殼波速的前提下，上地殼厚度和下地殼波速能夠由第二步獲得；由于Pb震相很少，并且獲得的數(shù)據(jù)存在一定的差異，所以只用公式（2）求解V2；通過第三步可以獲取地殼厚度和莫霍面縱波速度。已知V1、V2和H，則由最后一步可以求得上地殼厚度。

本文的反演方法是，把觀測數(shù)據(jù)已知變量與未知變量分離，使用走時(shí)公式，將構(gòu)造方程組，使用共軛梯度法進(jìn)行求解。共軛梯度法是求解特定線性系統(tǒng)數(shù)值解的方法，適用于稀疏矩陣系統(tǒng)，也可以用于求解無約束的最優(yōu)化問題。在本文中，對反演方程組使用Matlab自帶的共軛梯度算法求解[6]。

4 檢驗(yàn)成果

4.1 地殼速度模型

通過反演的方法獲得的地殼速度模型如表1所示：

4.2 定位殘差檢驗(yàn)

表1 模型參數(shù)

出于對模型成果的檢驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)提升地震定位質(zhì)量的目標(biāo)，在文章中利用Hyposat定位方法，通過上述提到的華南模型和已研究得出的結(jié)果來對殘差進(jìn)行分析對比，分析本文模型在遼寧地區(qū)的適用性。結(jié)果顯示本文模型定位殘差平均約為0.5，華南模型平均殘差約為0.7，可見本文模型要優(yōu)于華南模型（圖3—4）。

圖3 本文模型殘差/sFig.3 Residual error of this model /s

圖4 華南模型殘差/sFig.4 Residual error of Huanan model /s

4.3 檢驗(yàn)震源深度

在定位深度的測量方面進(jìn)行比較檢驗(yàn)，對所采用的兩個(gè)模型利用Pn/Pg聯(lián)合測定深度檢測[5]，以實(shí)現(xiàn)對本文結(jié)果在震源深度方面的驗(yàn)證。結(jié)果顯示，使用本文地殼速度模型測定的深度與Pn/Pg聯(lián)合測定深度有一定差異但不明顯（圖5—6）。

圖5 本文模型深度/kmFig.5 Depth of this model /km

圖6 華南模型深度/kmFig.6 Depth of Huanan model /km

4.4 震中位置檢驗(yàn)

使用Hyposat定位程序分別對所選地震進(jìn)行重新定位，產(chǎn)出結(jié)果與編目結(jié)果對比，本文模型震中位置與編目結(jié)果相差不大，均小于10km。經(jīng)復(fù)核，部分誤差大的地震為網(wǎng)外或網(wǎng)緣地震，對應(yīng)的震相偏少、臺站空隙角偏大（圖7—8）。

圖7 本文模型震中差/kmFig.7 Epicenter difference of this model /km

圖8 華南模型震中差/kmFig.8 Epicenter difference of Huanan model /km

5 結(jié)論

（1）反演直達(dá)波走時(shí)獲得遼寧地區(qū)地殼兩層速度模型，使用hyposat方法對定位成果進(jìn)行驗(yàn)證，地震定位殘差與之前相比有所減小，對震源深度的測定也更為準(zhǔn)確，可見本文模型較有效的提高了地震定位質(zhì)量。

（2）兩層均勻地殼速度模型與本省實(shí)際的地殼結(jié)構(gòu)也更為符合，這對于本省臺網(wǎng)在對地震的監(jiān)測方面更提供了為可靠和有效的支持。

（3）通過與編目結(jié)果對比，對本文模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明最優(yōu)模型相較于原使用的華南模型定位精度更高，殘差更小，更進(jìn)一步說明了最優(yōu)模型在遼寧區(qū)域的適用性。

（4）震源深度方面需要更為精確，采用Pn/ Pg聯(lián)合測定的方法來研究，大大減小了數(shù)據(jù)差異造成的影響，但是這需要在研究中獲得相應(yīng)的Pn震相，由此造成了數(shù)據(jù)范圍的縮減，會(huì)對研究成果帶來一定的負(fù)面作用。

[1] 盧造勛，姜德祿，白云，等. 東北地區(qū)上地幔結(jié)構(gòu)的探測與研究[J]. 東北地震研究， 2005， 21（1）: 1-8.

[2] 趙光慧， 關(guān)玉波， 趙建軍. 遼寧板塊構(gòu)造特征及大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐諿J]. 地質(zhì)與資源， 2011， 20（2）: 101-106.

[3] 王謙身，劉員龍. 遼南地區(qū)地殼構(gòu)造輪廓[J]. 地球物理學(xué)報(bào)， 1976， 19（3）: 165-176.

[4] 賈麗華，崇加軍，劉淵源，等. 用遠(yuǎn)震接收函數(shù)研究遼地區(qū)的地殼厚度及泊松比[J]. 地震地質(zhì)， 2010， 32（2）: 260-267.

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

[6] 張帆，劉芳，張暉，等. 內(nèi)蒙古中西部一維均勻地殼速度模型研究[J]. 地震地磁觀測與研究， 2015， 36（4）: 1-5.

One-dimensional Velocity Model Inferred by Liaoning P Wave Travel Time

WANG Cheng-wei, Tao Da, Liang Yi-jing
（Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034，China）

Selected 67 natural earthquakes recorded by Liaoning Seismic Network by using the Simplex method of location and Pg/Pnjoint of depth determination method to determine the epicenter and focal depth. Separated known variables from unknown variables and formed equations to solve by the theoretical formula, two-layer uniform velocity model was got by inversion, and it was better than the South China model after comparison by Hyposat locating procedure.

velocity model; seismic location; location residuals; Hyposat

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.014

1674-8565（2017）02-0085-05

2017-01-23

2017-03-14

王承偉（1983-），男，山東省龍口市人，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測方面的工作。E-mail: sea0929@163.com