晉冀蒙交界地區(qū)最小一維速度模型聯(lián)合反演

高 源,張 暉,張 帆，翟 浩

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 100010)

0 引言

地震震源位置一直是人們關(guān)注的焦點之一,也是地震學(xué)中最基礎(chǔ)和重要的問題。因此,研究提高地震精定位的方法一直是地震學(xué)者努力攻克的一個難題。地震定位的精度不僅與震中距、地震儀的精度、臺站的分布以及震相讀取等因素有關(guān),也強(qiáng)烈依賴于所選取的初始速度模型。地球速度模型已由一維發(fā)展到三維，三維速度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要取決于地球內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及物質(zhì)分布等因素。

一維速度結(jié)構(gòu)在地震監(jiān)測和地震學(xué)研究中有特殊的重要性，相對于三維模型，在一定精度范圍內(nèi)具有高效率、低成本等優(yōu)點。無論是地震精定位,地震矩張量反演中的理論格林函數(shù)計算還是進(jìn)行二維或三維精細(xì)地殼速度結(jié)構(gòu)反演,都需要一個比較合適的地殼結(jié)構(gòu)初始速度模型。

1994年Kissling等人提出了一種計算“最小一維速度模型的方法”[1],該方法可在進(jìn)行地震定位的迭代過程中,不斷調(diào)整震源位置和速度模型,使得地震定位結(jié)果的走時均方根殘差和數(shù)據(jù)方差均達(dá)到最小,最終得到的速度模型稱為“最小一維速度模型”。震源參數(shù)和速度模型影響地震定位結(jié)果，在層析成像反演過程中,除非獲得精確的地震源信息,否則必須求解震源-速度模型耦合問題。Kissling等人提出的方法是在參考已有經(jīng)驗知識的基礎(chǔ)上,選取不同的速度模型作為初始模型,在反復(fù)迭代的過程中對初始速度模型和震源參數(shù)進(jìn)行微調(diào),當(dāng)走時均方根殘差和數(shù)據(jù)方差穩(wěn)定時，得到最小一維速度模型、地震震源參數(shù)和臺站校正值。選取不同的初始速度模型反復(fù)迭代是為了求得多值解空間中的全局最小速度模型,避免陷入局部最小。利用Kissling方法計算得到的最小一維速度模型(包括臺站校正值)應(yīng)用于地震定位中,在很大程度上可消除初始速度模型與真實速度模型的差異,進(jìn)而提高地震定位的精度。Velest在國內(nèi)已有廣泛應(yīng)用,趙旭等使用該方法獲得三峽庫首區(qū)一維最小速度模型[2],并應(yīng)用于雙差定位；張洪艷等使用該方法獲得吉林前郭地區(qū)一維速度模型[3],并應(yīng)用于雙差定位；馮向東等使用Velest方法得到晉冀蒙交界地區(qū)最小一維速度模型[4]；高家乙等使用該方法得到云南地區(qū)地殼速度并對當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒舆M(jìn)行研究[5]。

1 研究方法

地震波觀測走時是臺站坐標(biāo)、震源參數(shù)、震源至臺站射線傳播路徑上速度模型的非線性函數(shù),用數(shù)學(xué)形式表達(dá)為：

(1)

式中：tobs=f(s,h,m)為臺站坐標(biāo)s、震源參數(shù)h和速度場速度模型m的非線性函數(shù)；tcal為理論走時；e為走時誤差，其包括觀測誤差，臺站坐標(biāo)、震源參數(shù)、速度模型引起的理論走時誤差以及線性估計引起的誤差。

確定最小一維速度模型的Velest程序是由Kissling等提出的，先用初始參考模型(根據(jù)地質(zhì)或地球物理信息建立)進(jìn)行地震定位，然后采用震源位置修正震源模型，反復(fù)迭代最終獲得n個解，從中選取走時均方根殘差最小的解即為最小一維速度模型。由圖1給出Velest程序的計算過程。

圖1 Velest計算過程Fig.1 Velest computational process

2 選取數(shù)據(jù)

使用內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)2010年1月至2016年12月37個臺站記錄的514條定位地震，如圖2所示，地震和射線基本覆蓋晉冀蒙交界地區(qū)。

圖2 地震和臺站射線圖Fig.2 Ray images of earthquakes and seismic stations

在數(shù)據(jù)使用過程中發(fā)現(xiàn)有部分誤差較大數(shù)據(jù)可能是震相分析錯誤造成的。文章使用擬合得到的走時曲線對走時數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，刪除誤差超過5 s的走時數(shù)據(jù)。圖3給出刪除錯誤數(shù)據(jù)前后的對比圖。

因初始模型速度對反演結(jié)果有較大影響，所以選用內(nèi)蒙古地區(qū)兩層速度模型作為初始模型[6]。將初始模型的深度以5 km為步長重新分層，得到較細(xì)致的速度模型。

圖3 刪除錯誤數(shù)據(jù)前后對比圖Fig.3 Comparison chart before and after deleting erroneous data

3 分析結(jié)果

Velest程序涉及較多參數(shù)，使用中有較大自由，為得到較可靠的反演結(jié)果，在計算過程中需對參數(shù)反復(fù)調(diào)試，以獲得最優(yōu)結(jié)果。文中設(shè)置迭代次數(shù)為100。第21頁圖4給出反演得到的速度模型和初始模型的對比?？梢钥闯?，初始模型地殼為兩層，反演結(jié)果顯示速度隨深度增加，分層不明顯。這可能是因為初始模型假設(shè)地殼為兩層結(jié)構(gòu)，而反演結(jié)果卻表現(xiàn)出比較精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)分層。初始模型在35 km以下P波的速度接近8 km/s，反演結(jié)果在6.5 km/s以上，造成這種差異的原因，可能與初始模型給定速度初始值有關(guān)，反演結(jié)果得到的地殼結(jié)構(gòu)及地震波速度還需以后進(jìn)一步探討。

第21頁圖5給出聯(lián)合反演結(jié)果和原始報告中的震中位置對比，可以看出，聯(lián)合反演得到的震中位置較原始報告的分布更集中，簇狀分布更明顯。

圖4 初始模型和反演結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison chart between initial model and inversion results

圖5 重新定位結(jié)果圖Fig.5 Result chart of relocation

4 結(jié)論

使用內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)2010年1月至2016年12月記錄的514條定位地震、37個臺站的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Velest方法對震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演，得到速度模型和重新測定的震源位置。反演結(jié)果顯示，速度隨深度增加，分層不明顯，造成此結(jié)果的原因還需要進(jìn)一步研究。反演得到的震中位置較原始報告的分布更集中，簇狀分布更明顯。