晉冀蒙交界地區(qū)最小一維速度模型

馮向東，王曉山，陳 婷，張素欣

(河北省地震局，石家莊 050021)

晉冀蒙交界地區(qū)最小一維速度模型

馮向東，王曉山，陳 婷，張素欣

(河北省地震局，石家莊 050021)

收集整理晉冀蒙交界地區(qū)2014年9月1日至2016年5月28日間448次1.0級以上地震事件的6 678條P波和6 103條S波到時資料，采用震源位置-速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演方法，使用Velest程序計算了晉冀蒙交界地區(qū)“最小一維速度模型”，并利用這一模型對該地區(qū)1 763次地震進行了重新定位。結(jié)果顯示：重新定位后震源深度分布集中于5～20 km區(qū)間，趨于正態(tài)分布，定位結(jié)果有顯著改善。

晉冀蒙交界地區(qū)；“最小一維速度模型”；地震定位；Velest 程序

0 引言

高精度震源位置是地震學基礎(chǔ)資料，在影響震源定位精度的各種因素中，速度模型至關(guān)重要，而如何反演地震波速度結(jié)構(gòu)是地震學一個最基礎(chǔ)的問題。Crosson[1]采用震源參數(shù)和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演方法將速度結(jié)構(gòu)作為未知參數(shù)與震源參數(shù)同時反演，可以有效解決地震定位和地震波速度反演的耦合問題。Kissling等[2]在研究震源位置和一維速度模型耦合問題中提出確定最佳一維速度模型的方法，此方法基于走時殘差均方根最小作為目標函數(shù)進行一維速度結(jié)構(gòu)和震源位置聯(lián)合反演，定位精度更高，在此意義上，稱此速度模型為“最小一維速度模型”。該方法被國內(nèi)外學者廣泛地應(yīng)用于地震精定位等初始速度模型的確定[3-12]，相應(yīng)的Velest程序也在使用過程中被不斷地改進和完善。Velest程序是用fortran77語言編寫的[13-14]，最初用于地震層析成像學習[15-16]。1984年E Kissling et al h[17]修改了程序并將它用于計算加利福尼亞長谷地區(qū)的“最小一維速度模型”。程序通過在合理的范圍內(nèi)調(diào)整大量的初始模型和震源位置，搜索不同有著最小誤差(RMS)的解，經(jīng)過反復計算得到走時均方根殘差最小的一維速度模型即為“最小一維速度模型”。

晉冀蒙交界區(qū)(112°～116°E，39°～41°N)位于華北地塹盆地的西北緣，處于山西地塹系和張家口—渤海NW向構(gòu)造的交接部位，處在張應(yīng)力場的作用之下，主張應(yīng)力軸為NW向。受這種引張力的作用，盆地的斷裂做正斷層活動，同時盆地和山地塊體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，前者凹陷，后者相對隆起，是典型的盆—嶺構(gòu)造[18]。 利用Kissling方法，結(jié)合晉冀蒙地區(qū)構(gòu)造特征計算本地區(qū)“最小一維速度模型”，可為這一地區(qū)地震定位提供基礎(chǔ)資料，提高該區(qū)地震定位的精度。

1 Velest程序參數(shù)設(shè)置和觀測資料

Velest程序設(shè)置了較多控制參數(shù)，需要使用者根據(jù)具體研究區(qū)資料合理選擇，以便調(diào)控程序的運行，使得結(jié)果更加符合實際。為了了解和選擇合適的參數(shù)需要，我們對一些常用的控制參數(shù)進行調(diào)控測試。通過測試發(fā)現(xiàn)阻尼值由小變大，RMS收斂越來越慢(圖1)。紅色曲線區(qū)由淺到深表示阻尼值設(shè)定為0.01～0.09，綠色曲線區(qū)由淺到深表示阻尼值在0.1～0.9，藍色曲線區(qū)由淺到深阻尼值為1～9，黃色曲線區(qū)由淺到深表示阻尼值10～90，紫色曲線區(qū)從淺到深表示阻尼值100～900。從圖1中可以明顯看出，隨著阻尼值由小變大，RMS收斂越來越慢；測試還發(fā)現(xiàn)阻尼的大小對計算時間幾乎沒有影響，因此在0.01～0.09之間選擇一個值是合適的，在實際中我們選擇這個值為0.01。

圖1 阻尼(Damping)對殘差均方根RMS的影響

在以往的研究中多采用速度模型、震源位置、臺站校正聯(lián)合反演。我們基于臺站位置已知的條件下將臺站校正鎖定， 僅僅使用速度模型和震源位置聯(lián)合反演， 最后的地震重新定位也不使用臺站校正。同時在反演過程中，強制不允許出現(xiàn)低速層，為了反映高程的影響，我們在海平面以上設(shè)置了厚度為2 km的一層。

晉冀蒙交界地區(qū)1998年發(fā)生過張北MS6.2的中強地震，多年來小震活動比較頻繁，是備受關(guān)注的強震危險地區(qū)，地震臺網(wǎng)相對較密，除了河北、山西、內(nèi)蒙古3省地震臺網(wǎng)的33個固定觀測臺站外，還有26個臨時臺站(圖2)。

為了獲得盡可能好的反演效果，我們通過以下標準進行地震事件的選擇：

1)地震觀測臺站空隙角gap≤180°，確保參與定位的臺站能夠很好地包圍地震震中；

2)震級1.0以上地震；

3)震相到時選擇200 km以內(nèi)。

經(jīng)過篩選總計有488次地震事件(圖2中紅色圓點)，觀測臺站59個(圖2中綠色三角)，繪出了地震事件和觀測臺站位置。其中紅色實心圓為地震震中，綠色三角形為地震臺站。6 678條P波到時資料和6 103條S波到時資料，地震波射線(藍色)可以很好地覆蓋研究區(qū)(圖2)。

地震原始震源深度在30 km以內(nèi)，優(yōu)勢分布在5～15 km(圖3)。

圖2 震中與臺站分布圖

a P波速度初始模型 b 原始震源深度分布圖3 5種不同的P波速度模型和震源深度分布圖

2 初始模型

由于velest不會自動調(diào)整層的厚度(與層速度)，合適的模型分層必須通過一個試錯過程。因此，計算最小1-D模型通常從尋找一個合適的模型分層開始。有關(guān)晉冀蒙地區(qū)速度結(jié)構(gòu)的研究多以晉冀蒙地區(qū)作為華北地區(qū)研究的一部分來實施的。

陳立華與宋仲和[19]利用近震體波資料，研究了華北地區(qū)地殼和上地幔P波速度結(jié)構(gòu)，認為晉冀蒙交界地區(qū)殼內(nèi)和地幔頂部均有低速層存在，而橫向不均勻性和低速層的存在可能是構(gòu)造活動區(qū)的最主要特征，且低速層深度對震源深度的下限有一定控制作用；為了探測速度分布及其與地震活動的關(guān)系，祝治平等[20]利用北京—懷來—豐鎮(zhèn)寬角反射/折射剖面研究了延懷盆地及外圍地區(qū)的地殼上地幔構(gòu)造，這條剖面斜穿NW向的張家口—渤海地震帶,并在延懷盆地與一條深反射剖面重合，結(jié)果顯示：地殼厚度由順義的35.0 km向西逐漸加厚至 42.0 km，殼內(nèi)界面近于水平或由東向西緩傾，在延懷盆地，地殼呈高低速相間的特征，上地殼的下部存在明顯的低速體；魏文博等[21]利用14條人工地震寬角反射/折射深地震測深(DSS)剖面資料構(gòu)建華北區(qū)域性的地殼三維速度結(jié)構(gòu)模型；段永紅等[22]利用華北及鄰近地區(qū)42條二維人工地震寬角反射/折射探測(簡稱DSS剖面探測)剖面的研究成果，構(gòu)建了華北克拉通中東部地殼三維速度結(jié)構(gòu)模型HBCrust1.0。

除此以外全球速度結(jié)構(gòu)也有多種模型，我們選擇ak135-F[23-24]作為一種參考構(gòu)造模型，ak135-F在iasp91全球速度模型的基礎(chǔ)上，主要利用國際地震中心(ISC)P波到時、深震震相和走時計算的全球模型，這個模型還包括密度和Q值模型。圖3繪出5種不同的分層構(gòu)造速度模型曲線和原始震源深度分布圖，紅色為華北crust1.0模型，藍色為魏文博模型，綠色為祝治平模型，紫色為ak135-F模型，黃色為陳立華模型。其中華北crust1.0模型是梯度模型，陳立華模型中存在20 km左右低速層。

本文利用以上研究結(jié)果分別建立了5種初始速度模型(圖3)，分別嘗試求出“最小1-D速度模型”。根據(jù)計算過程中殘差收斂情況及重新定位結(jié)果的改善程度，選擇合理的分層結(jié)構(gòu)，同時對幾種模型同一深度的平均速度作為最終的速度值，獲得最佳的“最小1-D速度模型”。

3 計算結(jié)果

通過計算得到了5種模型的反演結(jié)果(圖4)，紅色曲線為Hbcrust1.0最終模型，藍色曲線為魏文博最終模型，綠色曲線為祝治平最終模型，紫色曲線為ak135-F最終模型，黃色曲線為陳立華模型。利用5種不同的反演結(jié)果模型，對研究區(qū)內(nèi)的1 763次地震進行重新定位，重定位震中經(jīng)緯度和原始震中經(jīng)緯度分布變化不大，故沒有給出相應(yīng)的圖。深度分布直方圖如圖5所示，圖5a為初始的震源深度。

從利用不同結(jié)果速度模型重定位后的震源深度分布來看，利用陳立華模型、ak135-F模型反演得到的結(jié)果模型，在地震重定位后會有部分震源集中于地表；使用魏文博模型反演的結(jié)果模型定位結(jié)果在10 km出現(xiàn)了異常集中；使用祝治平、Hbcrust1.0模型反演的結(jié)果模型進行定位后，震源深度分布相對更好一些?？傮w上祝治平的模型分層構(gòu)造更為合理，因此選擇祝治平模型分層構(gòu)造作為最終模型的分層結(jié)構(gòu)，每層速度取5個模型的平均值(圖4中黑色線)得到了晉冀蒙交界地區(qū)“最小一維速度模型”。利用“最小一維速度模型”對晉冀蒙交界地區(qū)1 763次地震進行重新定位(圖6)，重新定位后震源深度分布接近正態(tài)分布，更加合理。

a 初始震源深度；b 祝治平結(jié)果模型；c 陳立華結(jié)果模型；d Hbcrust1.0結(jié)果模型；e 魏文博結(jié)果模型；f ak135-F結(jié)果模型圖5 使用不同結(jié)果速度模型重定位后的震源深度分布圖

a 初始震源深度分布； b 重定位后震源深度分布圖6 利用晉冀蒙地區(qū)“最小一維速度模型”對地震重定位后震源深度分布圖

為了更清晰地反映定位后震源位置是否有明顯改善，我們選取延懷盆地構(gòu)造單元，做一條橫穿盆地的剖面， 將重定位震源深度與初始震源深度做一個

對比(圖7)。

4 討論與結(jié)論

Velest作為供研究者使用的程序，提供了很多的可調(diào)控參數(shù)，這些參數(shù)都需要根據(jù)實際情況合理調(diào)整。程序本身給定的一些初始參數(shù)大多數(shù)是相對合理的，但在使用前利用實際數(shù)據(jù)進行測試也是十分必要的。由于程序不能對速度模型的層厚進行調(diào)整，選擇合適的分層結(jié)構(gòu)變得極為重要。Emanuela M[25]在研究意大利南部Campania-Lucania 地區(qū)的“最小一維速度模型”時曾嘗試了11種初始模型，其中包括了3種均一模型和3種梯度模型。我們選擇的5個初始模型中，Hbcrust1.0模型接近梯度模型，在反演過程中如果允許存在低速層，反演結(jié)果會比較不切實際，因此如果實際構(gòu)造中存在低速層，在初始模型中給定也許是最好的選擇。在我們選取的5個初始模型中，只有陳立華的模型在15～20 km 之間存在低速層(圖3)，如何選擇初始模型仍然需要更多的深入研究。

a 延懷盆地內(nèi)小震重定位后平面分布及剖面位置； b 初始震源深度沿剖面的分布；c 重定位后震源深度沿剖面分布圖7 延懷盆地內(nèi)地震平面分布與震源深度分布

由于晉冀蒙交界地區(qū)地震觀測臺站較多，初始定位結(jié)果已經(jīng)比較精確，初始定位平面震中分布和利用最終模型重新定位的震中分布差別不大。但從重定位后震源深度近正態(tài)分布，集中于5～20 km深度(圖6a)，而初始位置震源深度在10～15 km(圖6b)，其相比初始震源深度更為合理，延懷盆地的震源深度—剖面分布(圖7)更清楚地表明使用新的模型定位后震源深度分布合理有序，沒有了初始的震源深度較多的水平層狀的不合理分布。通過以上研究可以得到以下2點結(jié)論：

1)在使用Velest程序時，阻尼(Damping)參數(shù)對反演中迭代收斂速度影響顯著，總體上收斂速度隨著阻尼值的增加而變慢，選擇0.01～0.09之間效率更高。

2)使用研究得到的晉冀蒙交界地區(qū)“最小一維速度模型”重新定位后得到的震源深度更為合理。

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1-DMinimumVelocityModelofShanxi-Hebei-InnerMongoliaBorderArea

FENG Xiang-dong, WANG Xiao-shan, CHEN Ting， ZHANG Su-xin

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

In this study, we collected 6 678 P-wave traveltimes and 6 013 S-wave traveltimes in the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area. On basis of these data, using the simultaneous inversion methods in the Velest program for hypocenter-velocity structure, we present a 1-D minimum velocity model of the study area. With the 1-D minimum velocity model, we relocate 1 763 earthquakes in the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area. The result shows that: the hypocenter depth is mostly between 5 km to 20 km.

the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area; 1-D minimum velocity model; earthquake location; Velest program

馮向東，王曉山，陳婷，等. 晉冀蒙交界地區(qū)最小一維速度模型[J]．華北地震科學，2017，35(4):16-21.

2017-01-04

河北省地震局地震科技星火計劃項目“晉冀蒙交界地區(qū)典型盆地孕震動力學模型構(gòu)建” (DZ20160621076)；河北省地震局地震科技星火計劃重點項目“晉冀蒙交界區(qū)臨時測震臺網(wǎng)建設(shè)運行及強震背景跟蹤研究(DZ20150428102)”；中國地震局2017年度震情跟蹤定向工作任務(wù)“唐山地震序列特征及動力過程研究(2017020104)”

馮向東(1970—)，男，山東聊城人，副研究員，現(xiàn)從事地震學及地震綜合預(yù)報研究.E-mail：fxd23@126.com

P315.73

A

1003-1375(2017)04-0016-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.003