陜西地區(qū)地殼速度模型研究1

惠少興 金昭娣 宋秀青

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陜西地區(qū)地殼速度模型研究1

惠少興1）金昭娣1）宋秀青2）

1）陜西省地震局，西安 710068 2）上海市地震局，上海 200062

本文以陜西地震臺網(wǎng)2009年1月—2014年4月地震觀測報告數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并在前人對該區(qū)域地殼速度模型研究成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)地震、爆破及塌陷的震相速度擬合曲線與折合走時曲線等結(jié)果，確定初始模型及擾動范圍。再采用Hyposat定位程序?qū)Φ卣鹳Y料進行“試錯”，最終確定了可供臺網(wǎng)日常使用的地殼速度模型及各層的波速比結(jié)果，最后對模型進行了對比檢驗。結(jié)果表明：2015模型比1985模型的定位走時殘差小，震中位置偏差減小，確定的實測爆破地震位置參數(shù)更準(zhǔn)確。2015模型較1985模型更符合陜西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

地殼速度模型 1985模型 2015模型

引言

地殼速度模型和地震研究有著密不可分的聯(lián)系，如何得到合適的地殼速度模型是地震學(xué)中的經(jīng)典問題。準(zhǔn)確的速度模型對于地震定位、震源機制、矩張量反演（趙韜等，2016）等研究至關(guān)重要，同時也可以約束地殼介質(zhì)的組分。區(qū)域地震臺網(wǎng)的日常工作，就是為了獲得可靠的地震基本參數(shù)（發(fā)震時刻、震中位置、震源深度和震級），同時也為地震預(yù)測和地震學(xué)研究工作提供基礎(chǔ)資料。而地殼速度模型在很大程度上決定了地震的定位精度，合理的地殼速度模型有助于對地震測定精度進行可靠估計（朱元清等，1997，2002；呂作勇等，2014；羅佳宏等，2017）。長期以來，地震工作者用各種方法深入研究地殼速度模型，以進一步揭示地震活動和地球內(nèi)部的奧秘。

20世紀(jì)80至90年代，多位研究者利用地震模擬記錄資料及爆破資料在陜西地區(qū)開展了地殼速度模型相關(guān)研究工作（姜家蘭，1985；丁韞玉等，1987）。目前陜西地區(qū)采用的地殼速度模型（1985模型）就是姜家蘭等（1985）利用陜西省7次爆破和鄰近地區(qū)72個地震模擬記錄資料計算得到的。近年來，隨著數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展，一些學(xué)者利用數(shù)字地震資料對陜西一些局部地區(qū)的速度模型進行了研究，如：利用聯(lián)合走時與波形反演技術(shù)研究陜、甘、寧、青地殼三維速度結(jié)構(gòu)（張元生等，1998；郭瑛霞等，2017），渭河斷陷盆地及鄰近地區(qū)地震活動的深部背景（王衛(wèi)東等，2004），瑪沁—蘭州—靖邊地震測深剖面速度結(jié)構(gòu)的初步研究（李松林等，2002），渭河盆地及鄰區(qū)地殼深部結(jié)構(gòu)特征研究（任雋等，2012），秦嶺造山帶與鄰域華北克拉通和揚子克拉通的殼、幔精細速度結(jié)構(gòu)與深層過程（滕吉文等，2014）等。盡管利用這些方法，獲得了陜西部分區(qū)域比較精確的地殼速度結(jié)構(gòu)，但是，這些結(jié)果很難較好地描述陜西地區(qū)整體速度結(jié)構(gòu)特征。在實際應(yīng)用中以彩色圖形和等值線方式給出的二維剖面和三維速度結(jié)構(gòu)更適用于科學(xué)研究。然而，目前測震臺網(wǎng)地震分析工作中，定位程序還難以直接使用這類研究成果。

陜西1985地殼速度模型和現(xiàn)今的研究成果存在一定的差異，如：1985模型的康拉德界面為16km，滕吉文等（2014）及任雋等（2012）認為陜西地區(qū)的康拉德界面在20km以上。一直以來，采用1985模型進行地震速報和編目工作，與中國地震臺網(wǎng)中心及8個鄰省臺網(wǎng)的地震定位結(jié)果差異較大，給地震監(jiān)測預(yù)報以及應(yīng)急救援等工作帶來困惑。因此，急需建立更符合陜西區(qū)域地質(zhì)特征的地殼速度模型。

本研究利用2009年1月—2014年10月間陜西測震臺網(wǎng)的1560個地震，53843條震相數(shù)據(jù)，通過區(qū)域速度擬合、速度穩(wěn)定性分析、折合走時分析，結(jié)合前人爆破測線、重力測深和層析成像等結(jié)果得到了陜西地區(qū)地殼速度模型中各層速度和厚度的平均值和擾動范圍。在此基礎(chǔ)上，采用Hyposat定位程序，在擾動范圍內(nèi)對滿足地震精度條件的地震資料進行“試錯”，批量測定其參數(shù)。然后，參照中國地震局正式地震編目結(jié)果，選取結(jié)果最優(yōu)、總體殘差最小的一組參數(shù)作為陜西地區(qū)地殼速度模型。得到模型后，過濾掉參與速度模型計算的地震資料，另外選取2015年以后的地震資料，運用批量定位殘差比較、震源深度比較、實測爆破結(jié)果對比等方法對得到的地殼速度模型進行驗證，最終確定陜西地區(qū)地殼速度模型（2015模型）。

1 計算方法

擬合方法的總體思路（尹欣欣等，2017）為：根據(jù)陜西測震臺網(wǎng)各臺實際記錄的走時和震中距資料，采用線性和滑動窗2種方法進行擬合。擬合前對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，滑動窗在整個資料包含的震中距范圍內(nèi)，以150km為固定窗長，并按50km的間隔進行滑動線性擬合，最后根據(jù)每個窗所獲得的結(jié)果進行加權(quán)平均求出最后的速度結(jié)果。單個窗內(nèi)樣本數(shù)少于平均樣本數(shù)的80%，則不參與加權(quán)平均計算。

加權(quán)平均的做法是：首先計算所有單個窗內(nèi)獲得結(jié)果的總平均值；然后將每個窗內(nèi)的結(jié)果與平均值之比的倒數(shù)作權(quán)重系數(shù)，并將權(quán)重系數(shù)乘以相應(yīng)窗對應(yīng)的值后再平均。物理意義為偏離平均值越遠的值，權(quán)重就越小。

本文線性擬合是求2組變量、之間的線性函數(shù)關(guān)系：

式中，是震相走時；是震中距；N是擬合速度；是常數(shù)。

利用最小二乘方法，可求得和N，使得每個樣本觀測點與擬合線性方程之間的偏差最小。

根據(jù)線性擬合的速度結(jié)果，可以用折合走時的方法來調(diào)整初始模型并確定模型的試錯范圍。即給定地殼速度模型參數(shù)的擾動范圍，確保真實地殼速度模型參數(shù)值包含在可變化的范圍內(nèi)。

計算折合走Z時可用下式表示：

式中，L是實際觀測走時；是震中距；是波速。用折合走時可對波速進行調(diào)整，使其更接近理論值。當(dāng)與實際地層速度變化一致時，觀測值和理論值吻合，圖像結(jié)果將匯聚成水平條帶狀?；谶@個規(guī)律，我們可以將實際觀測走時與理論計算走時疊加到一張圖上分析。

通過以上工作，獲得了陜西地區(qū)地殼速度模型中各層P波速度、厚度的平均值和擾動范圍。在擾動范圍內(nèi)，用Hyposat定位程序并采用“窮舉法”對地震資料進行“試錯”，分2步進行：①取各層的速度變化步長為0.1km/s，層厚變化步長為1km；②縮小其擾動范圍，取各層速度變化步長為0.01km/s，層厚的變化步長為0.5km，批量測定這些地震事件的空間位置。參照正式地震編目結(jié)果，選取結(jié)果最優(yōu)、總體殘差最小的一組參數(shù)作為區(qū)域地殼速度模型。然后固定P波速度及各層厚度，使用地震資料，將波速比在1.68—1.75、間隔0.01取值進行批量定位，取平均定位殘差最小的波速比為最優(yōu)波速比。

地球內(nèi)部隨著密度變大，溫度升高，S波速度比P波速度增加慢，波速比會隨著深度變大，求得合適的分層波速比，就可以換算得到分層的S波速度。取得上述地震模型后，采用Hyposat定位程序，分2步計算得到各層的波速比：

第1步：將已經(jīng)求得的地殼速度模型第1、2層波速比固定為最優(yōu)波速比，“試錯”莫霍面波速比，將綜合殘差最小且震中差也最小所對應(yīng)的波速比，確定為莫霍面波速比；

第2步：固定第1層和莫霍面波速比，“試錯”第2層波速比，不斷統(tǒng)計定位殘差和檢驗震中位置，選取殘差最小且滿足震中誤差更小的模型為下一輪的初始值。不斷重復(fù)以上過程，通過調(diào)整各層波速比，最后綜合選取總體殘差和震中差均為最小的參數(shù)，作為最終陜西地區(qū)地殼速度模型。

2 資料及地震事件篩選

經(jīng)過“十五”測震臺網(wǎng)及“災(zāi)后恢復(fù)重建”建設(shè)，陜西省目前管理的國家和區(qū)域測震臺站達52個，其中包括4個國家數(shù)字地震臺，48個區(qū)域數(shù)字地震臺；匯集周邊20個臺站（其中四川3個，湖北4個，山西3個，河南2個，寧夏2個，甘肅3個，內(nèi)蒙古3個）及榆林市地方地震臺7個，即同時接收79個臺站的數(shù)據(jù)。陜西省內(nèi)59個臺站較均勻地分布于全省境內(nèi)，平均臺間距約60km，北部地區(qū)臺站間距較大，約80km，東部及南部老震區(qū)，為加強地震監(jiān)測，臺站分布較為密集，臺站間距約為50km。

考慮到汶川余震序列過多，若采用全部選取的資料會導(dǎo)致權(quán)重過大，對最終結(jié)果造成不利影響。為此，我們對資料進行了篩選，選取震相清楚、定位結(jié)果比較可靠的地震用于速度結(jié)構(gòu)研究，剔除了位置相近、震相數(shù)量較少或震相不清楚的地震，同時考慮了地震完整性（王平等，2014）。最終，共選取2組地震資料進行研究：第1組選自2009年1月—2014年10月，陜西臺網(wǎng)記錄臺站數(shù)≥10的1560個地震事件（其中Pg震相21170個，Pn震相8258個，Pb震相106個，Sg震相21038個，Sn震相3377個）（圖1（a））。第2組資料從第1組資料中選擇陜西臺網(wǎng)記錄臺站數(shù)不少于同期臺網(wǎng)臺站總數(shù)（包括本省和接入的臨省臺站）80%的52次地震事件（其中Pg震相1495個，Pn震相903個，Pb震相106個，Sg震相1334個，Sn震相335個）（圖1（b））。第1組數(shù)據(jù)主要用于確定初始模型，包括各層速度、厚度和擾動范圍以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析；第2組數(shù)據(jù)用于最終地殼速度模型的確定。

圖1 震中及射線分布圖

3 初始模型及最優(yōu)模型的確定

參考前人對陜西地區(qū)地殼速度模型的研究成果，并依據(jù)地震、爆破及塌陷的震相速度擬合曲線與折合走時曲線等結(jié)果，對上地殼速度Pg，下地殼速度Pb、上地幔速度Pn、上地殼厚度1和下地殼厚度2等5個參數(shù)進行合理調(diào)整，建立初始模型。調(diào)整原則為：刪除與理論走時曲線相差4s的震相數(shù)據(jù)；在折合走時圖中，調(diào)整厚度使實際震相數(shù)據(jù)位于理論走時曲線中間；調(diào)整層速度、震源深度使觀測數(shù)據(jù)與理論走時曲線相一致。

依據(jù)震相特征，對現(xiàn)有編目資料中未標(biāo)注的Pb震相進行識別?？紤]到震源深度的影響，天然地震擬合選取震中距大于50km的臺站。根據(jù)陜西省測震臺網(wǎng)跨度、分布及考慮地球扁率等的影響，震中距上限選取550km。

基于第1、2組數(shù)據(jù)及抽取的18次非天然地震，進行Pg、Sg、Pb、Pn和Sn震相速度擬合，得到了5種震相對應(yīng)的Pg、Sg、Pb、Pn和Sn擬合曲線（圖2）。從擬合結(jié)果可知，第1組數(shù)據(jù)（圖2（a））、第2組數(shù)據(jù)（圖2（b））和非天然地震（圖2（c））的Pg波速Pg分別為6.06km/s、6.06km/s和6.10km/s，平均為6.07km/s；Pn波速Pn分別為7.82km/s、7.99km/s和8.09km/s，平均為7.97km/s；Sg波速Sg分別為3.56km/s和3.58km/s，平均為3.57km/s；Sn波速Sn分別為4.47km/s和4.46km/s，平均為4.47km/s；Pb波速Pb同為6.55km/s；P波與S波的波速比Pg/Sg≈1.7。

對第1組數(shù)據(jù)進行速度穩(wěn)定性分析，分別考察Pg、Sg、Pn和Sn在下面3種情況下的穩(wěn)定性（表1）：①隨著震中距增大時的變化情況；②震中距以150km為窗口，50km為步長，速度值的變化情況；③震中距以200km為窗口，50km為步長，速度值的變化情況。結(jié)果表明：擬合的趨勢性是一致的，但具體的速度范圍存在一定差別；速度的平均值比較接近，線性擬合的速度具有一定的穩(wěn)定性。

圖2 地震震相速度擬合

表1 3種情況下速度穩(wěn)定性

基于陜西1985模型（表2），使用公式（2）分別計算第1、2組地震事件數(shù)據(jù)和抽取的18次非天然地震的P波折合走時曲線（圖3（a）—（c）為陜西模型結(jié)果，圖3（d）—（f）為速度模型調(diào)整后的結(jié)果），調(diào)整后的模型為：Pg＝6.03km/s，Pb＝6.68km/s，Pn＝7.95km/s，1＝19km，2＝21km。從圖（3）可知，Pg、Pb和Pn震相理論折合走時和實測折合走時大致平行，但實測折合走時與理論折合走時水平位置有一定偏離。折合走時曲線顯示Pg、Pb、Pn、1和2的實際值與理論值不吻合。不同震源深度速度擬合對比表明，Pg實際走時與理論走時不符，需要增大Pg值；Pb實際走時也與理論走時不符，需要增大Pb值，并調(diào)整地殼各層厚度。因此，原陜西模型與陜西區(qū)域地質(zhì)特征存在一定的差異。根據(jù)陜西模型獲得的速度擬合曲線、折合走時曲線以及不同震源深度速度擬合對比結(jié)果，得到了陜西地區(qū)速度初始模型（表3）。通過不同深度速度理論與實際走時的對比可知，初始模型還需進一步修正。

表2 陜西1985地殼速度模型

綜合天然地震和非天然地震數(shù)據(jù)速度擬合曲線及折合走時曲線，得到陜西地區(qū)地殼速度模型各層的平均值及其擾動范圍（表3）。

表3 初始模型

基于初始模型，對第2組數(shù)據(jù)利用Hyposat定位方法進行批處理計算，獲得的最優(yōu)模型做為陜西模型的P波結(jié)構(gòu)；通過多輪“試錯”獲得各層的波速比，從而得到S波速度結(jié)構(gòu)。綜合選取總體殘差和震中差均為最小的參數(shù)，作為最終的陜西地區(qū)地殼速度模型（表4），簡稱2015模型。結(jié)果表明2015模型和1985模型有較大差異（圖4）。

表4 2015地殼速度模型

圖4 陜西地區(qū)2015模型與1985模型對比圖

針對第2組數(shù)據(jù)，使用Hyposat方法分別對1985模型和2015模型進行定位，得到了2種模型的定位走時殘差（圖5（a））。從圖中可以看出，1985模型走時殘差分布范圍為0.182—1.659s，均值為0.494s；2015模型走時殘差分布范圍為0.129—0.605s，均值為0.306s。對比結(jié)果顯示，2015模型定位走時殘差均值降低了0.188s。

采用2015模型，使用Hyposat方法對52個地震定位，其定位震中結(jié)果與1985模型結(jié)果對比，分別得到了2015模型和1985模型（Hyposat方法）定位結(jié)果與編目結(jié)果的震中差。圖5（b）中可以看出，2015模型與編目定位震中差范圍在0.18—10.14km，均值為1.92km；1985模型與編目震中差范圍在0.28—11.76km，均值為2.54km，新模型比舊模型平均減少0.62km。由于采用同一種定位方法，差異來自速度模型，說明2015模型確定的震中位置更穩(wěn)定。

圖5 走時殘差及震中差對比圖

4 實測爆破檢驗

2015年1月8日01:40陜西蒲城發(fā)生L1.6爆破。隨后，陜西省地震局進行了核實，確定了爆破地點。此次爆破在500km范圍內(nèi)有55個臺站記錄到較清晰震相，共記錄Pg到時37個，Pn到時32個。采用同樣震相和定位方法、不同速度模型的定位結(jié)果見表5。

表5 不同速度模型的實測爆破定位結(jié)果

檢驗結(jié)果表明2015模型震中位置更接近實測爆破位置，且殘差更小，更符合陜西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

5 結(jié)論

通過對陜西地區(qū)地殼速度模型的研究及確定，得到以下結(jié)論：

（1）滕吉文等（2014）及任雋等（2012）認為陜西地區(qū)的康拉德界面在20km以上，本文基于陜西地震臺網(wǎng)走時資料建立的新速度模型的康拉德界面深度為24km，表明目前陜西測震臺網(wǎng)使用的1985模型康拉德界面偏淺。

（2）以前人研究成果為基礎(chǔ)，依據(jù)地震、爆破及塌陷的震相速度擬合曲線與折合走時曲線等結(jié)果，確定初始模型及擾動范圍。利用Hyposat定位法確定的P波最優(yōu)模型為Pg＝6.09km/s，Pn＝6.67km/s，Pn＝7.99km/s，1＝24km，2＝15km；采用“試錯”法確定的波速比分別為上地殼1.70，下地殼1.74，上地幔1.79。

（3）利用新模型，采用Hyposat定位軟件對地震進行重定位，結(jié)果表明，2015模型比1985模型定位殘差平均低近0.2s，震中差平均低0.62km。利用實測爆破對模型進行檢驗，結(jié)果表明2015模型更接近實測爆破結(jié)果，且殘差更小，進一步表明了新模型更符合陜西地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

致謝：感謝中國地震局監(jiān)測預(yù)報司、中國地震臺網(wǎng)中心、上海市地震局、陜西省地震局和“全國區(qū)域一維速度模型建設(shè)及推廣使用”項目組全體成員，對本文研究工作給予的支持和幫助。

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Crustal Velocity Model of the Shaanxi Region

Hui Shaoxing1), Jin Zhaodi1)and Song Xiuqing2)

1) Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710068, China 2) Shanghai Earthquake Agency, Shanghai 200062, China

Based on previous studies of the crustal velocity model in the Shaanxi area, we reviewed the seismic curve of “phase velocity fitting curve” of earthquake, and determined blasting and collapse, the initial model and the disturbance range via the seismic observation data of Shaanxi Digital Seismic Network from January 2009 to April 2014. And then, the Hyposat locating program is used to test and verify the seismic data. Finally, the crustal velocity model and the wave velocity ratio of each layer are determined for the daily use of the network. Comparison of the results from different models shows that the 2015 model has smaller residual error and epicentral difference than the 1985 model. The basic parameters of the measured blasting for the 2015 model are also relatively accurate. Therefore, the 2015 model is better in application in the geological structure characteristics of the Shaanxi region than the 1985 model.

Crustal velocity model; 1985 model; 2015 model

惠少興，金昭娣，宋秀青，2018．陜西地區(qū)地殼速度模型研究．震災(zāi)防御技術(shù)，13（2）：363—372．

10.11899/zzfy20180211

陜西省地震局啟航與創(chuàng)新基金（201604）

2017-11-08

惠少興，男，生于1987年。工程師。主要從事地震監(jiān)測及地球深部介質(zhì)研究。E-mail：huisx2011@163.com