利用井下擺近震記錄研究華北盆地沉積層速度結(jié)構(gòu)

朱音杰，劉 麗，杜 航，丁 成，劉 檀，石 磊

（1. 河北省地震局 石家莊中心臺(tái)，石家莊 050021；2. 河北省地震局，石家莊 050021；3. 江蘇省地震局，南京 210000；4. 河北省地震局承德中心臺(tái)，河北 承德 067000）

0 引言

華北盆地是位于華北克拉通東部的一個(gè)大型裂陷盆地，區(qū)內(nèi)廣泛分布數(shù)千米厚的新生代地層[1]，是一個(gè)板內(nèi)地震活躍、歷史震害嚴(yán)重的區(qū)域。地震學(xué)研究表明，松散沉積層對(duì)震相走時(shí)和波形的影響十分顯著，可能給地震定位帶來(lái)較大誤差[2-3]。華北盆地沉積層速度結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)該區(qū)地震的精確定位具有重要意義。前人關(guān)于研究區(qū)沉積層速度結(jié)構(gòu)已有過(guò)一些研究。嘉世旭等[4]利用深地震反射/折射剖面探測(cè)得到華北盆地地表P波平均速度在1.5～1.8 km/s；沈偉森等[5]利用井下擺天然地震記錄中直達(dá)S波與其地表反射波的到時(shí)差計(jì)算得到首都圈地區(qū)淺層100～500 m深度范圍的S波速度結(jié)構(gòu)為：淺部100 m的平均S波速度低于300 m/s，500 m時(shí)S波速增加到800 m/s，平均速度梯度為0.8 (m/s)/m；劉淵源等[6]利用井下擺天然地震數(shù)據(jù)測(cè)量得到首都圈區(qū)域近地表P波和S波平均速度分別約為1.6～2.0 km/ s和0.34～0.48 km/ s，波速比約為4.0～5.3。

近年來(lái)，華北盆地內(nèi)小震活動(dòng)十分活躍，積累了豐富的井下擺近震觀測(cè)資料，為我們開(kāi)展沉積層速度結(jié)構(gòu)研究提供了新的數(shù)據(jù)。本文擬收集2015—2018年首都圈地區(qū)M1.0以上地震的波形數(shù)據(jù)，選取近場(chǎng)井下地震計(jì)觀測(cè)記錄，通過(guò)拾取井下擺記錄的直達(dá)P波、S波及相應(yīng)地表反射波的到時(shí)并測(cè)量其到時(shí)差，研究臺(tái)站下方地殼淺部P波、S波平均速度，并將沉積層模型應(yīng)用于地震定位，檢驗(yàn)速度結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度的影響。

1 方法與數(shù)據(jù)

在華北盆地的近震井下觀測(cè)記錄中，經(jīng)常能夠觀測(cè)到Pg波和Sg波的地表反射震相，即由直達(dá)波經(jīng)自由地表反射、被井下地震計(jì)所接收的震相（P2,S2）（圖1）。該震相通常與其參考震相成對(duì)出現(xiàn)，且兩者的到時(shí)差僅依賴(lài)于地殼淺部的速度結(jié)構(gòu)[7]。由于地震計(jì)的埋深是一個(gè)已知量，通過(guò)測(cè)量地表反射波與直達(dá)波的到時(shí)差，可以獲得對(duì)淺地表平均速度的約束。以P波為例，對(duì)于井下擺震中距小于100 km，深度大于1 km的地震，其P波折射角均是小量[6]，在沉積土層中可簡(jiǎn)化為垂直入射，那么P波直達(dá)波與近地表反射波到時(shí)差就可以近似為

圖 1 直達(dá)波（P1，S1）與地表反射波（P2，S2）

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄，收集2015—2018年首都圈地區(qū)M1.0以上地震的波形記錄數(shù)據(jù)（圖2），選取震中距50 km以?xún)?nèi)的井下地震計(jì)觀測(cè)記錄，拾取P、S的直達(dá)波及其地表反射波震相到時(shí)（圖3），獲得了42個(gè)臺(tái)站、211個(gè)地震事件、364個(gè)震相到時(shí)數(shù)據(jù)。在采用的臺(tái)站近震波形數(shù)據(jù)中均顯示出了2個(gè)清晰的直達(dá)波和地表反射波震相，說(shuō)明臺(tái)站上方土層內(nèi)沒(méi)有顯著的速度分層，否則將出現(xiàn)多個(gè)反射波震相。

圖 2 2015—2018年M1.0以上地震震中分布圖

2 結(jié)果分析

量取P、S直達(dá)波與地表反射波的到時(shí)差，選取到時(shí)差個(gè)數(shù)在3個(gè)以上的臺(tái)站，計(jì)算各臺(tái)站P、S波到時(shí)差的平均值，結(jié)合地震計(jì)的埋深，計(jì)算得到各臺(tái)站下方P、S波平均速度（圖4, 表1）。從表1可以看出，華北盆地井下擺臺(tái)站下方地殼淺部300 m深度上的P波平均速度分布在1.36～3.12 km/s區(qū)間，S波平均速度分布在0.32～0.91 km/s區(qū)間。為了考察華北盆地地殼淺部速度結(jié)構(gòu)的整體特征，計(jì)算P、S波平均速度得知，VP約為1.98 km/s，VS約為0.46 km/s，波速比約為4.3。

劉淵源等[6]研究表明，研究區(qū)近地表P波和S波平均速度分別為1.6～2.0 km/s和0.34～0.48 km/s,波速比約為4.0～5.3[6]，本文結(jié)果與其基本一致。同時(shí)，將單臺(tái)的平均波速進(jìn)行對(duì)比顯示：絕大多數(shù)臺(tái)站的結(jié)果差異較小。例如，對(duì)于WEA臺(tái)，劉淵源等得到的VP和VS分別為 1.77 km/s和0.42 km/s[6]，本文結(jié)果為1.88 km/s和0.42 km/s，偏差分別為6%和0%。僅有個(gè)別臺(tái)站的VP差異較大（偏差超過(guò)10%），例如JIH臺(tái)，應(yīng)當(dāng)與P波震相信噪比較低引起的到時(shí)判讀誤差有關(guān)。對(duì)于該問(wèn)題，因目前所掌握的近震數(shù)據(jù)仍比較有限，可以通過(guò)進(jìn)一步積累觀測(cè)資料予以核實(shí)。

為了考察速度結(jié)構(gòu)對(duì)地震定位精度的影響，在crust1.0基礎(chǔ)上構(gòu)建含有松散沉積層的速度模型（表2）。使用Hypo2000方法對(duì)華北盆地2015—2018年27個(gè)M3.0以上地震事件進(jìn)行重新定位。在定位過(guò)程中，選用相同的臺(tái)站和震相到時(shí)，分別采用本文模型和華南模型（表3），并將定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表4）。從表4可以看出，在刪除殘差≥10的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后，基于沉積層模型和對(duì)比模型的定位殘差均值分別為0.46 s和0.51 s，水平誤差均值為0.68 km和 0.73 km，垂直誤差均值為2.05 km和2.23 km。結(jié)果表明，沉積層模型可顯著改善華北盆地地震定位的精度。

圖 3 利用SAC軟件拾取直達(dá)波及地表反射波到時(shí)

圖 4 研究區(qū)地殼300 m平均速度分布圖

3 結(jié)論

收集了2015—2018年首都圈地區(qū)M1.0以上地震的波形數(shù)據(jù)，選取近場(chǎng)井下地震計(jì)觀測(cè)記錄，通過(guò)拾取直達(dá)P波、S波及相應(yīng)地表反射波的到時(shí)并測(cè)量其到時(shí)差，獲得了臺(tái)站下方地殼淺部300 m的P波、S波平均速度，并分析了波速的水平分布特征。

1）華北盆地沉積層淺部300 m的P波平均速度約1.98 km/s，S波平均速度約0.46 km/s，波速比約4.3。

2）在采用的臺(tái)站近震波形數(shù)據(jù)中均顯示了2個(gè)清晰的直達(dá)波和地表反射波，表明在井下擺以上的土層內(nèi)均沒(méi)有顯著的速度分層。

表 1 研究區(qū)域內(nèi)近地表速度結(jié)構(gòu)部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表 2 本文模型

表 3 華南模型

表 4 地震定位結(jié)果對(duì)比表

續(xù)表 4

3）地震定位結(jié)果表明，沉積層模型可顯著改善華北盆地地震定位的精度。速度模型的不確定性對(duì)定位結(jié)果有較大影響，同時(shí)考慮到松散土層對(duì)P波、S波傳播的延時(shí)性，故須經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)計(jì)算與研究獲取臺(tái)站校正值，使沉積層模型更加有效地改善華北盆地地震定位的精度。