使用遼寧地區P波走時反演一維速度模型

王承偉，陶 達，梁一婧（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

使用遼寧地區P波走時反演一維速度模型

王承偉，陶 達，梁一婧
（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

選取遼寧地震臺網記錄到的67個天然地震，使用單純型法定位方法和Pn/Pg聯合測定深度的方法，對震中和震源深度測定，提取定位結果的P波走時數據。使用理論走時公式，將已知變量和未知變量分離，利用走時公式，構造方程組進行求解，反演得到兩層均勻速度模型。使用Hyposat定位程序，對此次研究的模型和目前使用的華南模型進行定位對比，定位結果優于華南模型。

速度模型；地震定位；定位殘差；Hyposat

0 引言

在關系到臺網定位質量的種種條件中，速度模型相對較為重要。由于本省目前暫無本區域的速度模型，所以遼寧臺網仍采用MSDP中自帶的華南模型，由于華南模型與本省的實際地質結構存在一定的差異，在地震定位中會存在一定的偏差。對于這種問題，本省內臺站記錄到的地震數據發揮了很重要的彌補作用，通過對各個臺站的震相數據的收集可以有效地對因速度模型本身造成的偏差進行科學合理地糾正，改變了實際中出現的各種差異，有助于提升整體定位水平。遼寧地區臺網比較密集，能清晰記錄到地震事件，為地震研究提供了依據。本文將利用本省采集到的各種震相數據，近而對本省地殼兩層速度模型進行反演。

1 遼寧地質結構及前人成果

遼寧地區（38o～44oN，119o～126oE）位于華北斷塊區北部，是中強震較活躍的地區。自歷史紀錄的公元419年朝陽5?級地震發生至今，共記錄到45次MS≥5.0級的地震（包括余震），其中包括5次7級地震，9次6級地震和31次5級地震。

遼寧地區地震的空間分布不均勻，受到朝陽—北票斷裂、郯廬斷裂、鴨綠江斷裂、金州斷裂、海城河斷裂等地質構造控制，有明顯的中強地震發生。另一方面，構造盆地及其邊緣地震活動較多，多次重復發生5級左右地震（如營海老震區）。中強地震活動與地質構造之間具有密切的關聯。遼寧附近海域地震有兩個較為集中的地方，一個是遼東半島東側的黃海海域；一個是在大連西偏南的渤海海域。遼寧省的礦震也相當活躍，主要集中在北票、康平、撫順和阜新地區。

通過查閱已有文獻，將前人對遼寧地區的地殼速度結構和莫霍面深度所做的研究進行歸納匯總：盧造勛等[1]人通過對地球物理方面資料的研究，實現了對地殼兩層模型的綜合反演，并在此基礎上對我國東北地區和周邊地殼厚度進行了重新界定，修改后的厚度發生了一些變化，他們將東北地區地殼厚度界定為30～38km（除渤海地區為26～30km外）。趙光慧等[2]人應用板塊構造理論研究遼寧大地構造，獲得下遼河—遼東灣新生代裂谷（沈陽、營口等遼河平原區，向南西延入遼東灣海域內）帶內地殼厚度為33～31km。王謙身等[3]人（1976）為了研究遼寧省海城7.3級地震發生的地質背景—遼南地區的地殼構造,根據已有的反映深部界面起伏的重力資料，以及除去新生代沉積和淺部構造影響后的重力異常，用等效壓縮質面方法計算莫霍界面深度為30～36km。賈麗華等[4]人用遠震接收函數研究獲得遼寧地區的地殼厚度為31～36km。

2 測震臺網介紹及資料數據的選擇

遼寧測震臺網由眾多數字測震臺組成，包括國家臺、區域臺以及新建背景場項目，相應的數量分別為5個、30個和2個。這些測震臺站構成了密集的監測網絡。測震臺站以比較均勻的方式分布在全省各地，平均臺站間距70km，中部地區臺站分布密集一些。通過中國地震臺網中心實時波形數據流服務器接入鄰省臺站14個。我省能夠將絕大部分區域監測能力保持在ML1.5級，對于網緣和臨海區域的監控能力相對較弱，為ML2.0級。同一范圍內速報能力大約比監控能力低0.2級。

采用數據時間來源于2009年至2015年期間，選取M 2.5級以上的67次地震監測數據，獲取其震相，在研究中采用單純形方法再次對地震進行定位。由于采用的這種方法對震中位置控制相對較好，但存在深度方面掌控的比較弱的問題，使用Pn和Pg聯合測定震源深度的方法[5]對震源深度重新測定。這種方法要求地震發生時記錄到一定數量的Pn震相，所以選用的地震也一定的滿足了這一要求。提取的震相數量分別為：2618個Pg震相，62個Pb震相1495個Pn震相；震中距100～600km，Pn走時范圍23～80s；震中距50～600km，Pg走時范圍為8～101s；震中距80～200km，Pb走時范圍為15～32s。圖1給出所選地震的射線圖。

圖1 地震射線覆蓋圖Fig.1 The distribution of seismic ray

圖2 地殼內縱波路徑Fig.2 Longitudinal wave path within the earth’ s crust

3 反演方法

大陸地殼按照化學成分可分為花崗巖層和玄武巖層,平均厚度大約為35km，高山和高原地區厚度可達70km。通過對所拾取Pb震相值進行研究，也證明了康拉德面需要的假設條件是合理的。假設具體內容是：地殼結構是由兩層構成的，地震波在傳遞過程中保持勻速狀態，這時速度模型應由5個參數組成：上地殼速度為V1，下地殼速度為V2，沿莫霍面波速為VN，上下地殼厚度分別記為H1和H2。參照圖2可分析縱波傳播路徑。

已知本省區域內上地殼厚度范圍大約在16～22km之間，本文中取平均值 19km，研究過程中重新測定的地震震源深度處于12km以內，所測地震可以確定均發生在上地殼內。由于目前采用的地震數據有限，采用多個參數同時反演造成了參數與參數之間的影響，因此要分步對各個參數進行反演，步驟為：利用直達波Pg走時獲取上地殼P波速度，利用康拉德面折射波Pb走時反演下地殼波速，通過首波Pn走時利用反演可以分別獲取地殼總厚度和莫霍面的波速。

直達波走時公式為：

康拉德界面折射波走時公式為：

單層地殼模型莫霍面走時公式為：

二層地殼模型莫霍面走時公式為：

以上各公式的含義為： 直達波走時（tpg），上地殼縱波速度（V1），下地殼縱波速度（V2）,一層地殼模型的地殼波速（Vg），上地殼厚度（H1）， 下地殼厚度（H2），莫霍面厚度（H），莫霍面波速（Vn），Δ為震中距，h為震源深度。假設Pg走時均勻，V1可以有第一步獲得。通過假定康拉德面波速等于下地殼波速的前提下，上地殼厚度和下地殼波速能夠由第二步獲得；由于Pb震相很少，并且獲得的數據存在一定的差異，所以只用公式（2）求解V2；通過第三步可以獲取地殼厚度和莫霍面縱波速度。已知V1、V2和H，則由最后一步可以求得上地殼厚度。

本文的反演方法是，把觀測數據已知變量與未知變量分離，使用走時公式，將構造方程組，使用共軛梯度法進行求解。共軛梯度法是求解特定線性系統數值解的方法，適用于稀疏矩陣系統，也可以用于求解無約束的最優化問題。在本文中，對反演方程組使用Matlab自帶的共軛梯度算法求解[6]。

4 檢驗成果

4.1 地殼速度模型

通過反演的方法獲得的地殼速度模型如表1所示：

4.2 定位殘差檢驗

表1 模型參數

出于對模型成果的檢驗并實現提升地震定位質量的目標，在文章中利用Hyposat定位方法，通過上述提到的華南模型和已研究得出的結果來對殘差進行分析對比，分析本文模型在遼寧地區的適用性。結果顯示本文模型定位殘差平均約為0.5，華南模型平均殘差約為0.7，可見本文模型要優于華南模型（圖3—4）。

圖3 本文模型殘差/sFig.3 Residual error of this model /s

圖4 華南模型殘差/sFig.4 Residual error of Huanan model /s

4.3 檢驗震源深度

在定位深度的測量方面進行比較檢驗，對所采用的兩個模型利用Pn/Pg聯合測定深度檢測[5]，以實現對本文結果在震源深度方面的驗證。結果顯示，使用本文地殼速度模型測定的深度與Pn/Pg聯合測定深度有一定差異但不明顯（圖5—6）。

圖5 本文模型深度/kmFig.5 Depth of this model /km

圖6 華南模型深度/kmFig.6 Depth of Huanan model /km

4.4 震中位置檢驗

使用Hyposat定位程序分別對所選地震進行重新定位，產出結果與編目結果對比，本文模型震中位置與編目結果相差不大，均小于10km。經復核，部分誤差大的地震為網外或網緣地震，對應的震相偏少、臺站空隙角偏大（圖7—8）。

圖7 本文模型震中差/kmFig.7 Epicenter difference of this model /km

圖8 華南模型震中差/kmFig.8 Epicenter difference of Huanan model /km

5 結論

（1）反演直達波走時獲得遼寧地區地殼兩層速度模型，使用hyposat方法對定位成果進行驗證，地震定位殘差與之前相比有所減小，對震源深度的測定也更為準確，可見本文模型較有效的提高了地震定位質量。

（2）兩層均勻地殼速度模型與本省實際的地殼結構也更為符合，這對于本省臺網在對地震的監測方面更提供了為可靠和有效的支持。

（3）通過與編目結果對比，對本文模型進行驗證，驗證結果表明最優模型相較于原使用的華南模型定位精度更高，殘差更小，更進一步說明了最優模型在遼寧區域的適用性。

（4）震源深度方面需要更為精確，采用Pn/ Pg聯合測定的方法來研究，大大減小了數據差異造成的影響，但是這需要在研究中獲得相應的Pn震相，由此造成了數據范圍的縮減，會對研究成果帶來一定的負面作用。

[1] 盧造勛，姜德祿，白云，等. 東北地區上地幔結構的探測與研究[J]. 東北地震研究， 2005， 21（1）: 1-8.

[2] 趙光慧， 關玉波， 趙建軍. 遼寧板塊構造特征及大地構造單元劃分[J]. 地質與資源， 2011， 20（2）: 101-106.

[3] 王謙身，劉員龍. 遼南地區地殼構造輪廓[J]. 地球物理學報， 1976， 19（3）: 165-176.

[4] 賈麗華，崇加軍，劉淵源，等. 用遠震接收函數研究遼地區的地殼厚度及泊松比[J]. 地震地質， 2010， 32（2）: 260-267.

[5] 朱元清， 夏從俊， 李平. 確定震源深度的PTD方法及應用[J]. 地震地磁觀測與研究， 1997， 18（3）: 21-29.

[6] 張帆，劉芳，張暉，等. 內蒙古中西部一維均勻地殼速度模型研究[J]. 地震地磁觀測與研究， 2015， 36（4）: 1-5.

One-dimensional Velocity Model Inferred by Liaoning P Wave Travel Time

WANG Cheng-wei, Tao Da, Liang Yi-jing
（Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034，China）

Selected 67 natural earthquakes recorded by Liaoning Seismic Network by using the Simplex method of location and Pg/Pnjoint of depth determination method to determine the epicenter and focal depth. Separated known variables from unknown variables and formed equations to solve by the theoretical formula, two-layer uniform velocity model was got by inversion, and it was better than the South China model after comparison by Hyposat locating procedure.

velocity model; seismic location; location residuals; Hyposat

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.014

1674-8565（2017）02-0085-05

2017-01-23

2017-03-14

王承偉（1983-），男，山東省龍口市人，工程師，現主要從事地震監測方面的工作。E-mail: sea0929@163.com