大同地震臺(tái)遠(yuǎn)震波形走時(shí)殘差的計(jì)算和應(yīng)用

白偉利 郝雪景 高存英 蘇燕紅 彭麗娟

1）中國(guó)山西 037000 山西省地震局大同中心地震臺(tái)

2）中國(guó)山西 030025 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

0 引言

地震波走時(shí)是指地震波從震源傳播到臺(tái)站接收點(diǎn)所用時(shí)間。地震發(fā)生后地震波實(shí)際走時(shí)與基于均勻分層、橢圓對(duì)稱的理論地球模型的理論走時(shí)之間存在時(shí)間差。地震波，尤其是遠(yuǎn)震體波，傳播介質(zhì)非常復(fù)雜,地球的橫向不均勻性、地核及地幔的起伏、地震孕育區(qū)的活動(dòng)等諸多因素均會(huì)影響走時(shí)。地震波理論走時(shí)與實(shí)際走時(shí)之間的時(shí)間差主要由臺(tái)基誤差和路徑誤差所致，臺(tái)基誤差是指臺(tái)站附近介質(zhì)速度異常引起的走時(shí)誤差；路徑誤差是震源區(qū)域、路徑上介質(zhì)的吸收、地球分層結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)及地幔深部速度異常等所引起的走時(shí)誤差（薛峰等，1998）。在國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)單臺(tái)的日常工作中，需處理分析的地震事件主要是遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震，因此，臺(tái)站附近介質(zhì)速度異常引起的走時(shí)誤差對(duì)地震波走時(shí)的影響較小，實(shí)際地震波的走時(shí)受路徑誤差影響較大。

大同國(guó)家測(cè)震臺(tái)位于上皇莊臺(tái)站山溝內(nèi)，距口泉斷裂僅600 m左右，2010年更換了地震計(jì)和數(shù)據(jù)采集器，現(xiàn)運(yùn)行地震計(jì)型號(hào)為BBVS-120，數(shù)據(jù)采集型號(hào)為EDAS-24IP。

1 資料

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的正式地震目錄，選取大同地震臺(tái)記錄的2010—2019年531個(gè)MS≥5.0地震事件，確定進(jìn)行分類的地區(qū)，按照發(fā)震頻率將其分為日本、喜馬拉雅山地區(qū)、南美洲西海岸地區(qū)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、菲律賓、巴布亞新幾內(nèi)亞、印度尼西亞和斐濟(jì)等。針對(duì)不同發(fā)震區(qū)域，并結(jié)合震中距，對(duì)該區(qū)域的臺(tái)站記錄較明顯的初至震相走時(shí)殘差進(jìn)行整理計(jì)算，各區(qū)域地震震中分布、震中距及待分析的初至震相見表1。

表1 不同區(qū)域地震事件分布Table 1 Distribution of earthquakes in different regions

2 資料處理

在資料處理前，首先，參考中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震目錄，根據(jù)震中經(jīng)緯度篩選出不同地區(qū)MS≥5.0地震事件；然后，查閱臺(tái)站的地震事件波形歸檔資料和紙質(zhì)震相記錄本，結(jié)合JB走時(shí)表計(jì)算走時(shí)殘差。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，對(duì)部分地震事件進(jìn)行了重新分析。走時(shí)殘差和平均走時(shí)殘差的計(jì)算公式為

式中，為第i個(gè)地震事件初至波到達(dá)臺(tái)站的時(shí)間；ti2為根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的地震目錄和臺(tái)站位置，依照J(rèn)B走時(shí)表求出的理論到時(shí)；Δti為地震波實(shí)際到時(shí)與理論到時(shí)之差；ti為N個(gè)地震事件走時(shí)殘差的平均值（黃好等，2017）。標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)CV的計(jì)算公式為

引入變異系數(shù)對(duì)不同地區(qū)走時(shí)殘差分布的離散程度進(jìn)行比較，這是因?yàn)楸容^2組數(shù)據(jù)離散程度時(shí)，不同地區(qū)走時(shí)殘差平均值相差較大，用標(biāo)準(zhǔn)差不能客觀準(zhǔn)確地評(píng)估不同樣本的離散程度。而變異系數(shù)可以消除測(cè)量尺度和量綱的影響，其值為原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，因各地區(qū)走時(shí)殘差平均值可為正或負(fù)，故用絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。

在地震波實(shí)際傳播過程中，其傳播路徑、介質(zhì)及地震的發(fā)震方式、震中距等因素，都會(huì)影響地震波到時(shí)，因此，為了提高分析結(jié)果的可信度，將不同發(fā)震地區(qū)的地震事件分類進(jìn)行分析顯然更科學(xué)。在國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)單臺(tái)的日常工作中，國(guó)外MS≥5.0遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震地震事件占記錄地震事件的大多數(shù)，因此，根據(jù)發(fā)震頻率，將研究區(qū)分為日本、喜馬拉雅山地區(qū)、南美洲西海岸地區(qū)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、菲律賓、巴布亞新幾內(nèi)亞、印度尼西亞和斐濟(jì)等，分別對(duì)這些地區(qū)地震的初至波走時(shí)殘差進(jìn)行計(jì)算。

3 走時(shí)殘差的計(jì)算結(jié)果與應(yīng)用

3.1 計(jì)算結(jié)果

通過調(diào)取收集的531個(gè)地震事件波形的歸檔數(shù)據(jù)和地震目錄，利用式（2）、（3）、（4）計(jì)算不同地區(qū)地震波形的平均走時(shí)殘差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)（表2）。為了更直觀地展示計(jì)算結(jié)果，以發(fā)震時(shí)間和走時(shí)殘差為縱軸、橫軸，繪制所有地震事件波形走時(shí)殘差分布情況（圖1）。

表2 不同地區(qū)的平均走時(shí)殘差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)Table 2 Average travel time residuals for earthquakes in different regions

圖1 走時(shí)殘差分布Fig.1 Distribution of travel time residuals

經(jīng)計(jì)算初步得出，斐濟(jì)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)和南美洲西海岸地區(qū)地震波形的走時(shí)殘差呈密集型的正值分布，平均殘差分別為0.79 s、1.83 s、1.86 s，說明這些地區(qū)地震實(shí)際初至波到達(dá)臺(tái)站時(shí)間比理論時(shí)間晚，且3個(gè)地區(qū)的變異系數(shù)均較小，殘差分布較集中，南美洲西海岸地區(qū)地震波形走時(shí)殘差密集分布在均值附近。圖2為2019年9月29日智利6.7級(jí)、6月18日日本6.5級(jí)地震波形記錄。由圖2可見，PKPbc波實(shí)際到時(shí)比理論到時(shí)晚1.69 s。圖1、2也驗(yàn)證了薛峰等（1998）的分析，其原因是地震波穿過地幔進(jìn)入地殼路徑時(shí)，該路徑是以玄武巖為主的海洋路徑，其平均品質(zhì)因子Q一般小于大陸的平均品質(zhì)因子，所以通過海洋路徑傳播的地震波平均群速度偏小，并且中國(guó)東部歐亞板塊與太平洋板塊的交結(jié)帶是一個(gè)大的地震波阻隔帶，其存在會(huì)改變波的頻譜，降低波速，減小波的幅度（薛峰等，1998）。

圖2 大同地震臺(tái)智利、日本地震波形記錄Fig.2 Seismic waveforms at the Datong Seismic Station for earthquakes in Chile and Japan

日本、喜馬拉雅地區(qū)地震波形的走時(shí)殘差總體呈負(fù)值分布（圖3），平均殘差分別為 -1.51 s、-0.70 s。日本地區(qū)變異系數(shù)較小，分布較集中，超過70%地震事件波形的走時(shí)殘差都分布在零軸左側(cè)。由圖2可見，2019年6月18日日本6.5級(jí)地震P波實(shí)際到時(shí)比理論到時(shí)提前2.01 s。日本地區(qū)地震波到達(dá)臺(tái)站的傳播路徑中海洋路徑占比大于50%，理論上，P波經(jīng)過海洋路徑時(shí)速度會(huì)減小，初步分析，其原因可能為日本地區(qū)地震波在向大同地震臺(tái)傳播的路徑中存在高速區(qū)，這使得P波實(shí)際到時(shí)比理論到時(shí)早，即P波走時(shí)殘差呈密集型的負(fù)值分布。

菲律賓地區(qū)地震波形走時(shí)殘差正負(fù)值分布不明顯，平均殘差為0.04 s，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均較大，表明各地震事件的殘差值分布離散。印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞地區(qū)地震波形平均走時(shí)殘差為-0.55 s、-0.43 s，雖然均方差不大，但變異系數(shù)與其他地區(qū)相比偏大。綜合來看，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、日本、斐濟(jì)和南美洲西海岸地區(qū)地震波形走時(shí)殘差分布集中，在震相分析時(shí)可用來參考進(jìn)行初至震相的標(biāo)注；喜馬拉雅地區(qū)、菲律賓、印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞地區(qū)地震波形的走時(shí)殘差相對(duì)平均值分布較離散，因此，在實(shí)際工作中這 4個(gè)地區(qū)地震波形的平均殘差參考意義不大。

雖然圖1中部分地區(qū)地震波形走時(shí)殘差值分布密集，但仍有個(gè)別地震走時(shí)殘差與平均走時(shí)殘差相差較大，這可能與地震目錄的準(zhǔn)確性、地震發(fā)生時(shí)受其他地震波形干擾疊加有關(guān)，甚至人為因素也會(huì)影響走時(shí)殘差結(jié)果。部分地區(qū)地震波形走時(shí)殘差分布較分散，如菲律賓、喜馬拉雅等地區(qū),且不同年份地震的殘差有正有負(fù)，且殘差值也相差較大。通過查閱相關(guān)地區(qū)地震震源機(jī)制解和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方面的文獻(xiàn)（田建慧等，2019），并結(jié)合相關(guān)資料分析認(rèn)為，這可能與地震發(fā)震方式和震源區(qū)域內(nèi)地下速度模型異常有關(guān)。如喜馬拉雅地區(qū)，其周邊地區(qū)應(yīng)力環(huán)境、震源機(jī)制解類型多樣，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，除了走滑型地震外，青藏高原內(nèi)部和東南緣還存在正斷型地震，而高原周緣，還存在逆斷型地震（張培震等，2002）。同時(shí)，劉震等（2013）指出，青藏高原地區(qū)在32° N以南P波表現(xiàn)為高速異常，S波也表現(xiàn)為高速異常；而在33.5° N以北 P波表現(xiàn)為低速異常，S波也表現(xiàn)為低速異常。因此，初步分析認(rèn)為，同一地區(qū)地震波形走時(shí)殘差分布較離散可能與該區(qū)域內(nèi)發(fā)震方式和地下速度模型異常有關(guān)，而不同時(shí)間段內(nèi)走時(shí)殘差差別較大是該地區(qū)內(nèi)不同地震斷裂帶處于發(fā)震活躍期的體現(xiàn)。

3.2 走時(shí)殘差計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用

在識(shí)別遠(yuǎn)震初至波形時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)爆破、背景噪聲等其他干擾造成初至波震相無法識(shí)別或誤標(biāo)的情況。如2020年8月21日3時(shí)51分36.53秒日本4.6級(jí)地震，震中42.758°N、145.483°E，震源深度8 km。經(jīng)過查詢JB走時(shí)表，理論P(yáng)波到時(shí)為03:56:54.74（圖3）。由圖3可見，數(shù)字1、2位置的波形周期和振幅都發(fā)生變化，均滿足初至震相的標(biāo)注條件，但是由表2可知，日本地區(qū)地震波形實(shí)際P波到時(shí)比理論到時(shí)平均早1.51 s，因此，實(shí)際P波標(biāo)注時(shí)間應(yīng)該在圖3中數(shù)字1位置附近，而在日常地震分析時(shí)容易誤標(biāo)到數(shù)字2位置。同樣，因大同地區(qū)礦震和爆破較頻繁，有時(shí)遠(yuǎn)震P波會(huì)與干擾疊加而致使其無法識(shí)別，對(duì)于這種情況，可通過查詢大同地震臺(tái)不同發(fā)震區(qū)域走時(shí)殘差表，大體確定實(shí)際初至波形與理論初至波形的相對(duì)位置關(guān)系，然后再進(jìn)行標(biāo)注，這可以更有效地識(shí)別初至震相，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖3 2020年8月21日日本4.6級(jí)地震波形Fig.3 The seismic waveform of the Japan earthquake on August 21,2020

4 結(jié)束語

選取大同地震臺(tái)2010—2019年記錄到的國(guó)內(nèi)外不同區(qū)域531個(gè)MS≥5.0地震事件，分析了其波形走時(shí)偏差，得到以下結(jié)論。

（1）大同地震臺(tái)記錄到的遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震初至波走時(shí)與理論走時(shí)有一定偏差。日本、喜馬拉雅地區(qū)地震波形的走時(shí)殘差呈密集型負(fù)值分布，平均殘差分別為-1.51 s、-0.70 s，實(shí)際P波到時(shí)比理論到時(shí)早。斐濟(jì)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、南美洲西海岸地區(qū)的呈密集型的正值分布，平均殘差分別為0.79 s、1.83 s、1.86 s。

（2）在初至波到時(shí)附近存在干擾的情況下，通過參考各地區(qū)走時(shí)殘差計(jì)算結(jié)果，確定實(shí)際初至波形與理論初至波形的相對(duì)位置關(guān)系，可以為震相標(biāo)注提供參考，以輔助初至波的震相識(shí)別工作。