山西及鄰區(qū)S波速度模型研究

殷偉偉,梁向軍

(山西省地震局，山西 太原 030021)

長期以來，地殼速度結(jié)構(gòu)一直是地震學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)之一，也是地震學(xué)研究中的一個(gè)經(jīng)典問題。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)也可以約束地殼介質(zhì)的組成成分。在區(qū)域地震臺網(wǎng)的日常工作中，震中位置和震源深度的準(zhǔn)確測定和速度結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。為此，地震學(xué)家們嘗試用各種方法來研究地殼和上地幔的速度結(jié)構(gòu)。1940年，舉世聞名的J-B走時(shí)表(Jeffreys et al，1940)問世，因其計(jì)算方法完善且震相豐富而被各國廣泛應(yīng)用。隨著觀測技術(shù)的不斷提高，各國紛紛開始研制自己的走時(shí)表。在20世紀(jì)80年代初，郭履燦等(1981)通過對中國500多個(gè)地震臺的兩萬多條P波和S波震相到時(shí)整理分析，提出了中國地區(qū)雙層平均地殼速度模型，并得到表面震源P波和S波的走時(shí)表，該走時(shí)表經(jīng)實(shí)踐證明在當(dāng)時(shí)具有較高的精度；之后薛峰(1998)對中國地震速報(bào)臺網(wǎng)大量的走時(shí)殘差進(jìn)行了分析和修正，給出了不同區(qū)域地震走時(shí)的校正值，經(jīng)過校正后的定位精度得到顯著提高。山西地區(qū)(34°～41°N，110°～115°E)地處穩(wěn)定的鄂爾多斯塊體和活躍的華北盆地之間，是著名的強(qiáng)震帶。有史料記載以來發(fā)生過M≥5 地震85次，其中6.0～6.9級地震11次，7.0～7.9級地震5次，8級地震1次。由此引發(fā)諸多學(xué)者對山西不同區(qū)域速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索(于利民等，1995；徐揚(yáng)等，1997；張健獅等，1997；祝治平等，1999；張學(xué)民等，2003，2004；魏文博等，2007；郭震等，2015)，取得了豐碩成果。在測震臺網(wǎng)日常地震分析工作中，目前的定位程序還難以直接使用這類研究成果。山西地震臺網(wǎng)當(dāng)前使用的速度模型是依據(jù)多年實(shí)測地震數(shù)據(jù)得出的“山西2015地殼速度模型”(殷偉偉等，2018)。該模型的確立使山西測震臺網(wǎng)的地殼速度模型實(shí)現(xiàn)了從無到有的跨越。但是也存在一定不足，模型中S波的速度結(jié)構(gòu)是P波速度結(jié)合波速比得出的，缺乏對S波實(shí)測走時(shí)的研究。為此，本文利用2009～2018年山西地震臺網(wǎng)記錄的S波走時(shí)，采用區(qū)域速度擬合，速度穩(wěn)定性分析，“折合走時(shí)”分析和批量定位比較殘差等方法確定山西及鄰區(qū)S波的速度結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

為了進(jìn)一步完善“山西2015地殼速度模型”，文中使用的數(shù)據(jù)包括計(jì)算“山西2015地殼速度模型”的全部數(shù)據(jù)和2015～2019年山西省界及鄰近50 km范圍內(nèi)、具有40個(gè)以上臺站有記錄的地震事件。為了得到更完善的結(jié)果，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行如下預(yù)處理：(1)重新校對并識別震相；(2)保留Pn震相數(shù)大于4個(gè)的地震事件；(3)對于初至震相保留殘差±2 s內(nèi)數(shù)據(jù)，后續(xù)震相適當(dāng)擴(kuò)大范圍，但要求所選走時(shí)殘差在±4 s內(nèi)。按照不同的震級檔，對所用震相數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 不同震級的震相統(tǒng)計(jì)

2 速度范圍的確定

模型中確定S波速度值波動(dòng)范圍的方法與確定P波波動(dòng)范圍的方法相同，上地殼S波速度值v1和莫霍面S波速度值vn采用不同震中距范圍內(nèi)實(shí)測走時(shí)線性擬合的方法確定；受Sb震相難以準(zhǔn)確識別的影響，下地殼S波速度值v2的波動(dòng)范圍只能用線性擬合的方法確定。

2.1 v1和vn波動(dòng)范圍

分別提取處理后地震事件中的Sg、Sn震相的震中距和走時(shí)，在不同震中距范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表2。不難發(fā)現(xiàn)，隨著震中距的不斷增大，v1和vn整體呈逐步增大的趨勢。其中，v1由3.5968 km/s增大到3.6786 km/s，震中距達(dá)到400 km后趨于穩(wěn)定；vn的波動(dòng)范圍在4.2238～4.5387 km/s，震中距在0～100 km范圍內(nèi)沒有Pn震相，因此vn在此范圍內(nèi)沒有值。

表2 Sg和Sn震相在不同震中距范圍內(nèi)擬合結(jié)果

圖1 Sb震相線性擬合結(jié)果

2.2 v2波動(dòng)范圍

為了研究山西地區(qū)下地殼S波的速度，本文識別了部分Sb震相。根據(jù)殷偉偉等(2017)山西地區(qū)Pb震相的特征，在Pb震相可能出現(xiàn)的震中距范圍內(nèi)按照識別Pb震相的方法嘗試識別了98個(gè)Sb震相，用震中距和走時(shí)做線性擬合的結(jié)果見圖1，得出下地殼Sb速度值v2=3.9695 km/s，擬合標(biāo)準(zhǔn)差為0.4534，決定系數(shù)為0.9278。參考目前全國各個(gè)臺網(wǎng)使用的速度模型，其中J-B模型、AK135模型、甘青模型和華南模型中Sb速度值v2分別為3.74 km/s、3.85 km/s、3.81 km/s和3.93 km/s，本文擬合速度值略微偏大，可能與拾取震相的精度有關(guān)。所以，筆者認(rèn)為山西地區(qū)S波在下地殼的傳播速度波動(dòng)范圍在3.74～3.97 km/s。

3 S波速度的確定

文中采用HYPOSAT批處理地震事件的方法確定山西地區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)，原理與殷偉偉等(2018)確定P波速度結(jié)構(gòu)類似。為了消除P波對速度結(jié)構(gòu)的影響，在批處理過程中將P波到時(shí)權(quán)重置為零，只用S波參與計(jì)算。其中v1的取值范圍為3.59～3.68 km/s，v2的取值范圍為3.74～3.97 km/s，vn的取值范圍為4.22～4.54 km/s。由于康氏界面和莫霍面深度已經(jīng)確定，批處理計(jì)算量較小，本文使用一次批處理計(jì)算，速度值以0.01 km/s為步長，組合得出7 360組模型，共進(jìn)行1 729 600次計(jì)算。選擇殘差最小的一組模型參數(shù)(見表3)作為山西地區(qū)S波地殼速度模型。結(jié)合山西地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)，可以得出本區(qū)域內(nèi)的波速比：上地殼的波速比為1.702，下地殼為1.719，而莫霍面為1.751。

表3 殘差最小的一組模型參數(shù)

4 結(jié)論

本文利用2009～2018年山西測震臺網(wǎng)大量的實(shí)測S波震相數(shù)據(jù)，開展了山西地區(qū)S波速度模型的研究，得到了以下結(jié)論：(1)山西地區(qū)上地殼S波傳播速度為3.63 km/s，波速比為1.702；下地殼S波傳播速度為3.95 km/s，波速比為1.719；莫霍面S波傳播速度為4.54 km/s，波速比為1.751。(2)本文研究的結(jié)果與利用P波速度和波速比結(jié)果比較接近，誤差在0.5%范圍內(nèi)，說明“山西2015地殼速度模型”能夠滿足地震臺網(wǎng)日常工作需求。(3)山西地區(qū)地殼縱橫波速比隨深度的增加逐步變大，揭示了研究區(qū)內(nèi)隨著密度變大，溫度升高，S波波速比P波波速增加慢。