內(nèi)蒙古分區(qū)地殼一維速度模型的檢驗(yàn)

賈昕曄 王鑫 王樹波 翟浩 楊智升 劉永梅 王旭東 張小艷 徐巖 蘇相達(dá) 劉芳

內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010051

0 引言

準(zhǔn)確的區(qū)域地殼速度模型是區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)大震速報(bào)及編目精確定位的重要保證，也是地震預(yù)報(bào)和地震學(xué)相關(guān)研究的重要依據(jù)。以往研究認(rèn)為地殼速度模型對(duì)地震定位結(jié)果有重要影響，例如，張?zhí)熘械?2007)研究表明，合適的地殼速度模型可以幫助地震學(xué)家準(zhǔn)確判斷地震測(cè)定精度。如何準(zhǔn)確測(cè)定符合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征的地殼速度模型一直是地震學(xué)家關(guān)心和研究的重點(diǎn)(朱元清等，1990、1995、1997a、2002)。

多年來，學(xué)者們對(duì)大量不同區(qū)域的地殼速度模型開展了研究工作。曾融生等(1965)開展了中國西北區(qū)地殼中的高速夾層的研究；劉文學(xué)等(2011)、孫安輝等(2011)和陳向軍等(2014)分析了新疆全區(qū)和分區(qū)地殼速度模型，完成了天山東北部地震的重新定位和一維地殼速度模型的改善工作；朱元清等(2017)完成了中國地震測(cè)定參考速度結(jié)構(gòu)的研究。長期以來，內(nèi)蒙古地區(qū)只開展了局部地區(qū)地殼速度模型的研究。劉芳等(2016a)建立了內(nèi)蒙古地區(qū)地殼速度模型(簡(jiǎn)稱“2015模型”，其中vP1=6.05km/s、vP2=6.60km/s、vPn=8.05km/s、H1=24km、H2=17km)，并將該模型應(yīng)用于地震定位；趙艷紅等(2018)在“2015模型”的基礎(chǔ)上，建立了內(nèi)蒙古地區(qū)西部、中部和東部3個(gè)區(qū)域的地殼速度模型。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地形狹長，橫跨西北、華北、東北地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈(曹剛，2001；劉芳等，2007、2010)。區(qū)內(nèi)自東向西包括的主要活動(dòng)斷裂帶有：西拉木倫河斷裂、川井-赤峰斷裂、和林格爾斷裂、大青山山前斷裂、色爾騰山山前斷裂和狼山山前斷裂等。內(nèi)蒙古自治區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次災(zāi)害性大地震，特別是20世紀(jì)70年代以來，發(fā)生了包頭西6.3級(jí)、和林格爾6.3級(jí)、赤峰-阿魯科爾沁旗5.9級(jí)、東烏珠穆沁旗5.9級(jí)以及2015年阿拉善左旗5.8級(jí)等一系列中強(qiáng)地震。因此，建立符合內(nèi)蒙古地區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征的地殼速度模型，對(duì)重要構(gòu)造區(qū)域的地震預(yù)測(cè)以及地震學(xué)研究具有重要意義。

目前，前人研究得到的眾多區(qū)域三維速度模型無法與區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)際使用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(JOPENS系統(tǒng))進(jìn)行對(duì)接，因此，如何將三維速度模型真正運(yùn)用到測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震定位中，還需進(jìn)一步探討和研究。劉芳等(2016b)將“2015模型”應(yīng)用于JOPENS系統(tǒng)中，實(shí)測(cè)結(jié)果表明地震定位精度有一定程度的提高。然而，由于內(nèi)蒙古地區(qū)狹長，橫跨東西約3000多千米，且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，僅建立1個(gè)全區(qū)的平均地殼速度模型不能很好地描述不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征。

本文在內(nèi)蒙古分區(qū)速度模型(表1)的基礎(chǔ)上，分別使用折合走時(shí)、典型地震、爆破和塌陷以及PTD深度測(cè)定方法(即震源深度的確定性方法)(朱元清，1997a；宋秀青，2014)，開展“2015模型”與分區(qū)模型的對(duì)比研究，并將分區(qū)模型與全球地殼模型crust 1.0(Laske et al，2013)、crust 2.0(Bassin et al，2000)和使用接收函數(shù)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證分區(qū)模型的適用性，以期提高測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震定位精度，并為地震預(yù)報(bào)、應(yīng)急救援以及地球科學(xué)相關(guān)研究提供參考。

1 資料選取

本文分別選取4類數(shù)據(jù)(折合走時(shí)、典型地震、爆破和塌陷事件、PTD深度)對(duì)內(nèi)蒙古西部(36°～46°N，97°～108°E)、中部(38°～54°N，108°～116°E)和東部(36°～50°N，116°～126°E)的地殼速度模型進(jìn)行檢驗(yàn)。①隨機(jī)抽取2007年10月～2019年6月內(nèi)蒙古西部112次、中部207次、東部200次地震進(jìn)行折合走時(shí)檢驗(yàn)(圖1)；②選取2015年11月22日阿拉善左旗ML4.1、2015年10月29日和林格爾ML3.4、2018年11月19日科爾沁M(jìn)L3.7等典型地震進(jìn)行定位結(jié)果檢驗(yàn)；③選取爆破和塌陷事件的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)；④隨機(jī)抽取內(nèi)蒙古西部26次、中部47次和東部98次ML≥3.0地震進(jìn)行PTD深度檢驗(yàn)。其中，折合走時(shí)的計(jì)算依據(jù)Pg、Pb和Pn震相，由下式得到

TZ=TL-(Δ/v)

(1)

式中，TZ為折合走時(shí)，TL為理論走時(shí)，Δ為震中距，v為波速。

圖 1 3個(gè)區(qū)域的地震射線圖(a)西部；(b)中部；(c)東部

2 內(nèi)蒙古區(qū)域模型檢驗(yàn)

從折合走時(shí)、典型地震、爆破和塌陷以及PTD深度測(cè)定方法4個(gè)方面入手，開展“2015模型”和分區(qū)模型的對(duì)比分析，進(jìn)一步檢驗(yàn)分區(qū)模型的適用性。

2.1 折合走時(shí)檢驗(yàn)

2.1.1 西部模型的檢驗(yàn)

隨機(jī)抽取2015年1月～2019年6月西部地區(qū)112次ML≥3.0地震，分別采用“2015模型”、西部模型得到折合走時(shí)曲線(圖2)。由圖2(a)可見，“2015模型”設(shè)置的Moho面深度偏淺，震相數(shù)據(jù)位于理論線的上方，需要增加Moho面的深度；盡管vP1和vPn震相分布與理論線接近，但也存在一定的差異。由圖2(b)可知，采用西部分區(qū)模型時(shí)，Moho面深度為44km，理論線位于實(shí)際數(shù)據(jù)中間位置；vP1、vP2和vPn震相數(shù)據(jù)整體分布趨勢(shì)與理論線平行，且位于理論線中間。由此可見，西部模型更符合內(nèi)蒙古西部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

圖 2 112次ML≥3.0地震的P波折合走時(shí)曲線(a)“2015模型”；(b)西部模型

圖 3 中部地震P波折合走時(shí)曲線(a)“2015模型”；(b)中部模型

2.1.2 中部模型的檢驗(yàn)

基于“2015模型”和中部模型，隨機(jī)抽取2007年10月～2019年5月中部地區(qū)207次ML≥3.0地震，繪制P波折合走時(shí)曲線(圖3)。由圖3(a)可見，“2015模型”設(shè)置的Moho面深度與中部模型相同，均為41km，且“2015模型”與中部模型的vP1、vP2、vPn均比較接近。由圖3(a)、(b)可以看到，震相分布與理論值接近，vP1、vP2和vPn震相數(shù)據(jù)整體分布趨勢(shì)與理論線平行，且位于理論線中間。由此可見，“2015模型”和中部模型均適合內(nèi)蒙古中部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

2.1.3 東部模型的檢驗(yàn)

基于“2015模型”和東部模型，隨機(jī)抽取2010年1月～2019年6月東部地區(qū)200次ML≥3.0地震，繪制P波折合走時(shí)曲線(圖4)。由圖4(a)可知，“2015模型”設(shè)置的Moho面深度為41km，深度設(shè)定偏大，震相數(shù)據(jù)位于理論線的上方，需要減小Moho面的深度；盡管vP1和vP2的實(shí)際分布與理論分布接近，但還是偏小。由圖4(b)可知，采用東部模型時(shí)，Moho面深度為39km，實(shí)際震相數(shù)據(jù)位于理論線的中間位置；vP1、vP2和vPn震相數(shù)據(jù)整體分布趨勢(shì)與理論線平行，且位于理論線中間。由此可見，東部模型更適合內(nèi)蒙古中部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

圖 4 東部地震P波折合走時(shí)曲線(a)“2015模型”；(b)東部模型

2.2 典型地震事件檢驗(yàn)

選取3個(gè)區(qū)域ML≥3.0的典型地震事件，分別采用“2015模型”和分區(qū)模型，使用Hyposat定位方法進(jìn)行定位，對(duì)比其定位殘差結(jié)果，進(jìn)而檢驗(yàn)分區(qū)模型。

2.2.1 西部典型地震檢驗(yàn)

圖 5 “2015模型”(a)和西部模型(b)的定位結(jié)果

圖 6 “2015模型”(a)和中部模型(b)的定位結(jié)果

2.2.2 中部典型地震事件檢驗(yàn)

選取中部地區(qū)2015年10月29日和林格爾ML3.4地震，使用Hyposat方法對(duì)15個(gè)臺(tái)站的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行定位(圖6)。圖6(a)顯示了“2015模型”的定位結(jié)果，定位殘差為0.631，定位深度為15.0km；圖6(b)給出了中部模型的定位結(jié)果，定位殘差為0.303，定位深度為20.7km。中部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.32。

2.2.3 東部典型地震事件檢驗(yàn)

選取東部地區(qū)2018年11月19日科爾沁旗ML3.7地震，使用Hyposat方法對(duì)14個(gè)臺(tái)站的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行定位(圖7)，圖7(a)顯示了“2015模型”的定位結(jié)果，定位殘差為0.960，定位深度為16.2km；圖7(b)顯示了東部模型的定位結(jié)果，定位殘差為0.784，定位深度為16.8km。分析認(rèn)為，東部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.17，深度測(cè)定值比較接近。

圖 7 “2015模型”(a)和東部模型(b)的定位結(jié)果

2.3 爆破和塌陷的檢驗(yàn)

選取西部地區(qū)20次爆破、中部地區(qū)24次爆破和8次塌陷、東部地區(qū)9次爆破，分別采用“2015模型”和分區(qū)模型進(jìn)行定位，對(duì)比其定位殘差和震中差的變化情況，從而檢驗(yàn)分區(qū)模型的適用性。

2.3.1 西部地區(qū)爆破事件檢驗(yàn)

選取2017～2018年西部地區(qū)發(fā)生的20次爆破(1.9≤ML≤2.7)，采用Hyposat定位，得到“2015模型”和西部模型的定位殘差和震中差結(jié)果。

采用“2015模型”得到的定位殘差范圍為0.460～1.013，均值為0.584；使用西部模型得到的定位殘差為0.210～0.723，均值為0.474。西部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.11(圖8(a))。

由“2015—編目”得到的震中差分布范圍為1.37～7.62km，均值為4.305km；由“西部模型—編目”得到的震中差分布范圍為1.27～6.93km，均值為3.568km。由此可見，“西部模型—編目”的震中差均值較“2015—編目”降低了0.73km(圖8(b))。

圖 8 “2015模型”和西部模型的定位殘差(a)、震中差(b)對(duì)比

2.3.2 中部地區(qū)爆破和塌陷事件檢驗(yàn)

選取2015～2016年中部地區(qū)發(fā)生的24次爆破(2.5≤ML≤3.4)和8次塌陷(2.2≤ML≤3.1)，采用Hyposat定位方法對(duì)定位殘差、震中差進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3.2.1 爆破檢驗(yàn)

基于“2015模型”和中部模型，得到了24次爆破的定位殘差和震中差對(duì)比圖(圖9)。采用“2015模型”得到的定位殘差范圍為0.301～1.010，均值為0.557；使用中部模型得到的定位殘差為0.202～0.803，均值為0.485。中部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.07(圖9(a))。

由“2015—編目”得到的震中差分布范圍為1.22～8.61km，均值為4.16km；由“中部模型—編目”得到的震中差分布范圍為1.20～8.23km，均值為3.63km。分析可見，“中部模型—編目”的震中差均值較“2015—編目”降低了0.53km(圖9(b))。

圖 9 “2015模型”和中部模型的爆破定位殘差(a)、震中差(b)對(duì)比

2.3.2.2 塌陷檢驗(yàn)

分別采用“2015模型”和中部模型對(duì)8次塌陷進(jìn)行定位，圖10 顯示了定位殘差及震中差的對(duì)比。圖10(a)給出了定位殘差的對(duì)比結(jié)果，采用“2015模型”定位，定位殘差范圍0.451～0.710，均值0.573；使用中部模型定位，定位殘差范圍0.364～0.652，均值0.513；中部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.06。由圖10(b)可知，由“2015—編目”得到的震中差分布范圍2.62～13.51km，均值7.08km；由“中部模型—編目”得到的震中差分布范圍1.65～12.23km，均值5.95km；“中部模型—編目”的震中差較“2015—編目”降低了1.13km。

圖 10 “2015模型”和中部模型的塌陷定位殘差(a)、震中差(b)對(duì)比

2.3.3 東部地區(qū)爆破事件檢驗(yàn)

選取2009～2014年內(nèi)蒙古東部地區(qū)發(fā)生的9次爆破(2.5≤ML≤2.9)，分別采用“2015模型”和東部模型對(duì)其進(jìn)行定位殘差、震中差檢驗(yàn)。

采用“2015模型”對(duì)9次爆破進(jìn)行定位，定位殘差范圍0.192～1.340，均值0.570；使用東部模型定位，定位殘差0.122～0.823，均值0.388；東部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.18(圖11(a))。

使用“2015—編目”、“東部模型—編目”進(jìn)行震中差對(duì)比(圖11(b))，可以看到，由“2015—編目”得到的震中差分布范圍為1.32～10.01km，均值為4.10km；由“東部模型—編目”得到的震中差分布范圍為1.10～9.82km，均值為1.03km；“東部模型—編目”震中差較“2015—編目”降低了3.07km。

圖 11 “2015模型”和東部模型的定位殘差(a)、震中差(b)對(duì)比

2.4 PTD深度檢驗(yàn)

2.4.1 西部地區(qū)

隨機(jī)抽取內(nèi)蒙古西部26次ML≥3.0地震，分別使用“2015模型”和西部模型進(jìn)行PTD深度測(cè)定，深度分布和柱狀圖如圖12、13所示，其中圖12(b)、圖12(c)分別為震源深度結(jié)果按緯度和經(jīng)度方向的投影圖像。

圖 12 西部地震深度分布(a)三維分布；(b)緯度方向投影；(c)經(jīng)度方向投影

圖 13 西部模型與“2015模型”深度柱狀圖

由圖12(a)和圖13 可知，西部模型測(cè)定深度分布范圍為1.24～26.12km，均值為14.39km；“2015模型”測(cè)定深度分布范圍為1.01～21.23km，均值為11.38km；“2015模型”測(cè)定的震源深度均值較西部模型淺3km。分析認(rèn)為，由于內(nèi)蒙古西部模型得到的Moho面厚度比“2015模型”深3km，故“2015模型”測(cè)定的震源深度較淺。因此，西部模型測(cè)定震源深度更符合內(nèi)蒙古西部地區(qū)的構(gòu)造特征。

圖 14 中部地震深度分布(a)三維分布；(b)緯度方向投影；(c)經(jīng)度方向投影

圖 15 中部模型與“2015模型”深度柱狀圖

圖 16 東部地震深度分布(a)三維分布；(b)緯度方向投影；(c)經(jīng)度方向投影

圖 17 東部模型與“2015模型”深度柱狀圖

圖 18 “2015模型”與分區(qū)模型對(duì)比

圖 20 內(nèi)蒙古地區(qū)Moho面厚度

2.4.2 中部地區(qū)

隨機(jī)抽取內(nèi)蒙古中部47次ML≥3.0地震，分別使用“2015模型”和中部模型進(jìn)行PTD深度測(cè)定，深度分布和柱狀圖如圖14、15所示，其中圖14(b)、圖14(c)分別為震源深度結(jié)果按緯度和經(jīng)度方向的投影圖像。

由深度分布可知，中部模型測(cè)定的深度分布范圍為1.15～24.61km，均值為10.34km；“2015模型”測(cè)定的深度分布范圍為1.05～2.83km，均值為9.52km。“2015模型”的震源深度均值較西部模型淺0.82km。由于內(nèi)蒙古西部與“2015模型”測(cè)得的Moho面厚度均為41km，因此從PTD深度測(cè)定值來講，“2015模型”比較符合內(nèi)蒙古中部地區(qū)的構(gòu)造特征。

2.4.3 東部地區(qū)

隨機(jī)抽取內(nèi)蒙古東部98次ML≥3.0地震，分別使用“2015模型”和東部模型進(jìn)行PTD深度測(cè)定，深度分布和柱狀圖如圖16、17所示，東部模型測(cè)定的深度分布范圍為1.32～21.8km，均值為11.03km；“2015模型”測(cè)定的深度分布范圍為1.55～22.8km，均值為12.31km；東部模型的震源深度較“2015模型”淺1.28km。由于內(nèi)蒙古東部測(cè)得的Moho面厚度比“2015模型”淺2km，因此從PTD深度測(cè)定值來講，東部模型比較符合內(nèi)蒙古東部地區(qū)的構(gòu)造特征。

2.5 Moho面厚度結(jié)果對(duì)比

2.5.1 分區(qū)模型與“2015模型”的對(duì)比

對(duì)比內(nèi)蒙古西、中、東部3個(gè)區(qū)域速度模型與“2015模型”(圖18)可知：①西、中、東3個(gè)區(qū)域vp1值接近，與“2015模型”分別相差 0.4km/s、0.4km/s和 0.5km/s；②西部vP2值與“2015模型”一致，中、東部vP2值與“2015模型”分別相差 0.02km/s和 0.11km/s；③中部Moho面厚度與“2015模型”相同，西部、東部Moho面厚度與“2015模型”分別相差3km和2km；④Moho面厚度的變化趨勢(shì)為由西向東逐漸變淺，變化過程為44～41km到39km。

2.5.2 分區(qū)模型與全球地殼模型、接收函數(shù)結(jié)果的對(duì)比

He等(2014)利用接收函數(shù)方法得到了中國大陸地區(qū)的Moho面厚度分布(圖19)，從圖19可以看到，內(nèi)蒙古地區(qū)Moho面厚度由西向東為44～42km到36km。使用全球地殼模型crust 1.0(Laske et al，2013)、crust 2.0(Bassin et al，2000)得到了內(nèi)蒙古地區(qū)1°×1°的Moho面厚度分布(圖20)，由全球地殼模型crust 1.0得到的內(nèi)蒙古地殼Moho面厚度均值由西至東為44～42km到37km(圖20(a))；由crust2.0得到的內(nèi)蒙古地殼Moho面厚度均值由西至東為44～41km到35km(圖20(b))。綜合分析認(rèn)為，全球地殼crust 1.0、crust 2.0以及接收函數(shù)方法得到的內(nèi)蒙古地區(qū)Moho面厚度為西部—中部—東部逐漸變淺，與本文驗(yàn)證的結(jié)果基本一致，由此也驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)論

通過對(duì)內(nèi)蒙古西部、中部和東部一維速度模型進(jìn)行的折合走時(shí)、典型地震事件、爆破和塌陷、PTD深度檢驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)通過隨機(jī)抽取西部112次、中部207次和東部200次地震P波折合走時(shí)曲線擬合檢驗(yàn)，認(rèn)為“2015模型”和中部模型均適用于內(nèi)蒙古中部地區(qū)，西部、東部模型較“2015模型”更符合內(nèi)蒙古西、東區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征。

(2)分析典型地震檢驗(yàn)結(jié)果可知，阿拉善左旗ML4.1、和林格爾ML3.4、科爾沁M(jìn)L3.7典型地震事件的定位殘差較“2015模型”分別降低0.46、0.32和0.17。

(3)由爆破和塌陷的定位殘差和震中差檢驗(yàn)可知：①對(duì)于西部的20次爆破，西部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.11，“西部模型—編目”震中差均值較“2015—編目”降低了0.73km；②對(duì)于中部24次爆破，中部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.07，“中部模型—編目”震中差均值較“2015—編目”降低了0.53km；對(duì)于8次塌陷，中部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.06，“中部模型—編目”震中差均值較“2015—編目”降低了1.13km；③對(duì)于東部9次爆破，東部模型的定位殘差較“2015模型”降低了0.18，“東部模型—編目”震中差均值較“2015—編目”降低了3.07km。

(4)PTD震源深度測(cè)定值檢驗(yàn)結(jié)果顯示，“2015模型”測(cè)定的震源深度均值較西部模型淺3km；“2015模型”測(cè)定的震源深度均值較西部模型淺0.82km；東部模型測(cè)定的震源深度均值較“2015模型”淺1.28km。

(5)由Moho面厚度對(duì)比結(jié)果可知，內(nèi)蒙古分區(qū)模型得到的Moho面厚度變化趨勢(shì)由西向東逐漸變淺(44～41km到39km)。由全球地殼模型crust 1.0、crust 2.0得到的結(jié)果與分區(qū)模型基本一致，證明了模型的準(zhǔn)確性。

(6)通過對(duì)內(nèi)蒙古分區(qū)速度模型的檢驗(yàn)，認(rèn)為分區(qū)速度模型更符合內(nèi)蒙古西部、中部和東部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

致謝：中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司、中國地震臺(tái)網(wǎng)中心、上海市地震局、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局和“全國區(qū)域一維速度模型建設(shè)及推廣使用”項(xiàng)目組全體成員對(duì)本文研究工作給予了支持和幫助，在此表示感謝。