利用福建爆破實(shí)驗(yàn)記錄檢驗(yàn)華南速度模型

陳惠芳 康蘭池 金星1， 林彬華1， 郭陽

1）福建省地震局，福州市華鴻路7號(hào) 350003

2）福州大學(xué)，福州 350108

0 引言

地震學(xué)是通過研究地震產(chǎn)生的地震波從而推斷地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震發(fā)生的物理機(jī)制的科學(xué)（Shearer，1999；Bondar，2004）。它是人類了解無法直接到達(dá)的地球內(nèi)部的一種重要方法和手段。由于天然地震的震源位置和發(fā)震時(shí)間無法控制，常常導(dǎo)致射線的幾何分布不夠理想，這給獲得研究區(qū)域地下結(jié)構(gòu)的良好反演解造成了相當(dāng)?shù)睦щy（張先康等，1994）。利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生地震波的反演方法，可以在研究區(qū)域建立相對較完備的觀測系統(tǒng)，在很大程度上彌補(bǔ)了天然地震的這一不足。多年來，福建省地震局一直采用華南地區(qū)地殼速度模型對周邊的地震事件和爆破進(jìn)行定位分析，但是，一旦模型不合適或有較大偏差將會(huì)對日常地震編目工作造成重大影響，因此，很有必要對華南地殼速度模型進(jìn)行檢驗(yàn)。在通常的地震反演中，地震發(fā)震時(shí)刻、震源位置等信息無法準(zhǔn)確得知，故缺乏對華南速度模型進(jìn)行檢驗(yàn)的必要條件。然而，福建地區(qū)的多次人工爆破實(shí)驗(yàn)為我們提供了一個(gè)良好契機(jī)（廖其林等，1988），利用爆破實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確的發(fā)震時(shí)間、發(fā)震位置可以獲得不同震相的精確到時(shí)，進(jìn)而對華南速度模型進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上提出華南速度模型的修正意見。

1 研究背景

在地震觀測臺(tái)站確定的情況下，影響地震定位精度的主要因素包括結(jié)構(gòu)模型的誤差和觀測走時(shí)等信息誤差（陳棋福等，2001）。恰當(dāng)?shù)恼鹪淳ㄎ环椒赏ㄟ^應(yīng)用良好的速度模型提高定位結(jié)果的可信度，同樣地，也可以運(yùn)用不同的精定位方法，通過比較定位結(jié)果來判斷速度模型的優(yōu)劣（趙仲和，1983）。一維參考地震波速度模型是區(qū)域地震構(gòu)造研究的重要基礎(chǔ)（陳祥熊等，2005），三維成像反演的可靠性即有賴于一維模型的準(zhǔn)確建立。另一方面，基于一維速度模型的計(jì)算相對于基于三維速度模型的計(jì)算，在精度允許的范圍內(nèi)具有低成本、高效率等優(yōu)勢。因此，一維速度結(jié)構(gòu)的研究依然是當(dāng)前地下速度結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)之一（孫安輝等，201l）。

福建測震臺(tái)網(wǎng)在2010年共有33個(gè)區(qū)域臺(tái)和8個(gè)水庫臺(tái)，平均臺(tái)間距56km，至2011年“十一·五”福建地震烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)建成后，又增加了44個(gè)地方臺(tái)，現(xiàn)福建測震臺(tái)網(wǎng)共由85個(gè)臺(tái)組成了較為密集的地震臺(tái)網(wǎng)，平均臺(tái)間距為31km左右（圖1）。

圖1 炮點(diǎn)與臺(tái)網(wǎng)分布

2010～2012年福建省地震局聯(lián)合中國地震局物探中心在福建區(qū)域開展“福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造探測實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，項(xiàng)目成功實(shí)施了18次爆破實(shí)驗(yàn)，爆破的炮點(diǎn)位置基本覆蓋福建省大部分地區(qū)（圖1）。這些爆破都有精確的時(shí)間、經(jīng)緯度、用藥量及地名等炮點(diǎn)參數(shù)（表1），本文利用福建測震臺(tái)網(wǎng)記錄到的數(shù)字地震波形分別對這些爆破事件進(jìn)行震中位置的確定，利用得到的結(jié)果與準(zhǔn)確的爆破點(diǎn)位置進(jìn)行對比，并對測震臺(tái)網(wǎng)常用的4種定位方法進(jìn)行定位精度判定，最后結(jié)合這些資料來檢驗(yàn)福建華南速度模型。

福建測震臺(tái)網(wǎng)記錄到了18次爆破的完整波形，所有爆破均有多個(gè)臺(tái)站記錄，記錄臺(tái)站數(shù)為22～101個(gè)，最多的是SP11爆點(diǎn)，101個(gè)臺(tái)；最少的是SP33爆點(diǎn)，22個(gè)臺(tái)。其中，2010年激發(fā)的4個(gè)炮點(diǎn)（SP31～SP34）只使用了41個(gè)臺(tái)，記錄臺(tái)數(shù)較少。爆破激發(fā)波的最遠(yuǎn)傳播200～352km，其中，SP11爆點(diǎn)352km。爆破激發(fā)了清晰的直達(dá)縱波Pg震相、莫霍面反射波PmP震相和SmS震相，在震中距120km處出現(xiàn)了明顯的來自莫霍界面的首波震相Pn，近臺(tái)還記錄到短周期面波震相，由于直達(dá)橫波Sg震相在爆破記錄圖上無法識(shí)別，所以本研究棄用（圖2）。

表1 18次爆破炮點(diǎn)信息

圖2 2010～2012年18次爆破記錄

2 研究方法

利用18次爆破記錄作為研究資料，先進(jìn)行爆破震相特征分析，一方面在華南模型基礎(chǔ)上采用單純型、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種定位方法進(jìn)行定位偏差比較，得出最優(yōu)定位方法。另一方面應(yīng)用14次爆破記錄反演福建一維兩層速度模型，將研究得到的模型結(jié)果與華南模型進(jìn)行比對，再用剩余的4次爆破記錄對本研究模型進(jìn)行驗(yàn)證（圖3）。

圖3 研究技術(shù)路線

2.1 震相對比分析

福建區(qū)域開展的“福建及臺(tái)灣海峽地殼深部構(gòu)造探測實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，產(chǎn)出了豐富的爆破記錄數(shù)據(jù)，這為福建地震臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)地識(shí)別爆破與地震波形特征創(chuàng)造了良好條件。本文對爆破實(shí)驗(yàn)震相波形與地震震相波形進(jìn)行分析對比，區(qū)分爆破與天然地震的震相特征，得出了適用于福建地區(qū)的爆破識(shí)別判據(jù)，旨在提高地震分析人員的準(zhǔn)確判斷。

地震與爆破一樣都是瞬間發(fā)生的，發(fā)生時(shí)都能釋放出巨大的能量。然而，在發(fā)生機(jī)制上地震與爆破是有差異的，主要為：①爆破與天然地震的震源機(jī)制不同：爆破源是對稱膨脹源，天然地震源則是非對稱剪切源。②震源深度不同：爆破多位于近地表附近，一般深度為0～2km；而地震大多發(fā)生于地下5～30km處，有的更深達(dá)數(shù)百千米。

本文通過對18炮爆破記錄的波形進(jìn)行分析，得出爆破的特征如下：

（1）爆破是膨脹源激發(fā)P波，導(dǎo)致了爆破的P波較強(qiáng)，而S波的激發(fā)能力較弱。而且在同一距離上，有時(shí)爆破的P波振幅能達(dá)到甚至超過S波的振幅。地震是非對稱剪切源，激發(fā)P波能力較弱，而激發(fā)S波能力較強(qiáng)，一般來說，地震的P波振幅要小于S波的振幅（圖4）。

（2）各向同性介質(zhì)中，點(diǎn)源爆破的振幅與方位無關(guān)，且只有壓縮初動(dòng)，而地震的振幅和極性均會(huì)隨方位變化（彼得·鮑曼，2006）。統(tǒng)計(jì)爆破和地震事件各臺(tái)P波垂直向初動(dòng)結(jié)果得出：爆破垂直向初動(dòng)均向上；而地震垂直向初動(dòng)有向上和向下，按象限分布（圖5）。

（3）由于爆破的深度較淺，能激發(fā)出較清晰的面波，而且由于淺層對高頻成分的吸收，傳播一段距離后，波形顯示很干凈，毛刺較少。而地震的震源較深，激發(fā)面波的能力較弱，且毛刺較多（圖6）。

（4）爆破在震中距70～90km或者70～110km處PmP波發(fā)育且其振幅較強(qiáng)并呈紡錐型，而地震在該震中距區(qū)間處PmP波發(fā)育且振幅較弱（圖7）。

圖4 爆破與地震P波、S波震相對比

圖5 爆破與地震垂直向P波震相初動(dòng)方向?qū)Ρ?/p>

2.2 4種定位方法的對比研究

“十五”中國數(shù)字化地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目以來，福建地震臺(tái)網(wǎng)將廣東智源科技有限公司開發(fā)的人機(jī)交互軟件MSDP（Multiple Seismic Data Processing System）用于日常地震速報(bào)和地震編目。MSDP軟件自帶有6種定位程序，分別是單純型法、遺傳算法、單臺(tái)定位法、Hyposat、Hypo2000、Locsat等。福建臺(tái)網(wǎng)日常工作使用的有單純型法、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種，它們有各自的適用范圍（表2）。這4種定位程序在使用中都配置了華南速度模型（范玉蘭等，1988）。

本研究對18次爆破均用4種定位方法進(jìn)行定位偏差對比分析（表3、圖8）。由表3、圖8可見，4種方法中，單純型法定位平均偏差1.08，偏差中值0.923，為最高，離散度小，故屬于一般；Hyposat方法平均偏差0.81，為最小，偏差中值0.831，離散度小，故屬于較優(yōu)；Hypo2000方法最大偏差5.50，為最大，離散度大，但是偏差中值0.645，為最低，故屬于一般；Locsat定位方法平均偏差1.44，為最大，離散度大，偏差中值0.857，較大，故屬于較差。

圖6 爆破與地震近臺(tái)面波發(fā)育對比

圖7 爆破與地震反射波發(fā)育對比

表2 4種定位方法的適用范圍

綜合4種定位方法的統(tǒng)計(jì)分析可以看出，Locsat定位方法偏差大，離散度大，定位效果較差，故不將其納入提高定位精度的方法中。Hypo2000雖然最大偏差大，離散度較大，但偏差中值較小，在特定的情況下可以考慮使用。單純型定位離散度小，較為穩(wěn)定，可以考慮作為本文提高定位精度使用。Hyposat定位偏差較小，離散度小，較為穩(wěn)定，可以作為本文提高定位精度的首選方法。事實(shí)證明，在地震分析中，如果使用較為合適的定位方法來定位不同類型的地震，便可獲得較為可靠的地震參數(shù)和震中位置，也能進(jìn)一步提高地震分析的質(zhì)量。

表3 4種方法18炮定位偏差

3 利用固定臺(tái)觀測資料反演福建一維速度模型

3.1 基礎(chǔ)資料

利用MSDP軟件人工分析震相，共撿拾清晰Pn震相181個(gè)，震中距最大348.7km，最小136.4km；清晰PmP震相118個(gè)，震中距最大137.5km，最小56.1km（表4）。本研究除利用SP31、SP14、SP24、SP42等4次爆破的Pn、PmP震相外，將其余14次爆破所有的Pn、PmP震相進(jìn)行一維速度結(jié)構(gòu)反演，這4次爆破用于反演結(jié)果的對比檢驗(yàn)。用于一維速度結(jié)構(gòu)反演Pn震相共計(jì)181個(gè)，PmP震相共計(jì)87個(gè)。

3.2 研究方法

以華南模型為基礎(chǔ)，采用迭代搜索法，選取走時(shí)殘差最小時(shí)對應(yīng)的波速與厚度參數(shù)為最終結(jié)果。首先，假定地殼厚度與華南模型一致，分別為H1＝21.4km，H2＝11km，在此基礎(chǔ)上利用正演的方法，分別確定各層波速。在得到波速后，重新利用正演方法確定H1、H2。

雙層模型Pn走時(shí)方程可寫為

式中，v1、v2、v3分別為第1、2、3層的波速；Δ為震中距；h為震源深度。

雙層模型PmP走時(shí)方程可寫為

圖8 4種定位方法定位震中偏差比較

表4 各次爆破撿拾震相數(shù)

式中，c為射線參數(shù)。將H1＝21.4km、H2＝11km及Pn震相走時(shí)、震中距代入式（1），擬合可得第3層的波速v3＝7.9119km／s，殘差 σ＝0.29，擬合結(jié)果見圖9，在H1＝21.4km、H2＝11km時(shí)，可得到第1層速度v1和第2層速度v2間的關(guān)系（圖10），如第1層速度v1＝6.1km／s，則第2層速度v2＝7.0km／s。

將圖10中得到的v1、v2直接代入雙層模型PmP走時(shí)方程（式（2）、（3）、（4）），進(jìn)一步尋找與震相走時(shí)差最小值所對應(yīng)的v1、v2。擬定初值采用：H1＝21.4km，H2＝11km，經(jīng)正演后得到：v1＝6.00，km／s，v2＝6.97km／s，其中，最小殘差：0.39s，擬合結(jié)果見圖11、12。

將得到的v1＝6.00km／s、v2＝6.97km／s直接帶入式（1），即可獲得第1層地殼厚度H1與第2層地殼厚度H2之間的關(guān)系（圖13），如取H1＝15km，那么H2＝21.5km代入式（2）、（3）、（4），搜索與震相走時(shí)差最小值所對應(yīng)的H1、H2。令v1＝6.00km／s，v2＝6.97km／s，進(jìn)一步正演可得H1＝19.80km，H2＝13.55km，最小殘差＝0.26s，擬合結(jié)果見圖14、15。

圖9 莫霍面速度v3的擬合結(jié)果

圖10 震相走時(shí)差最小值對應(yīng)的v1、v2間關(guān)系

圖11 第1層速度和震相走時(shí)差的擬合結(jié)果

3.3 研究結(jié)果

將本文研究結(jié)果進(jìn)行匯總，并與華南模型進(jìn)行對比（表5、圖16）。由表5及圖16可見，本研究結(jié)果上地殼厚度為19.8km，小于華南模型的21.4km，波速二者相當(dāng)，下地殼厚度為13.55km，大于華南模型的11km，波速大于華南模型。

圖12 第2層速度和震相走時(shí)差的擬合結(jié)果

圖13 第1、2層地殼厚度間的關(guān)系

圖14 第1層地殼厚度與震相走時(shí)差的擬合結(jié)果

將本研究結(jié)果采用到MSDP人機(jī)交互系統(tǒng)處理模塊下，利用Hyposat方法對SP14、SP24、SP31、SP42等4次爆破進(jìn)行定位，得到的定位偏差結(jié)果列于表6。由表6可見，采用本研究模型進(jìn)行定位的結(jié)果比起華南模型偏差明顯減少且4個(gè)爆破的偏差都小于1.00km，二者的平均定位偏差基本都能減少0.39km。

圖15 第2層地殼厚度與震相走時(shí)差的擬合結(jié)果

表5 本文結(jié)果與華南模型對比

表6 本研究模型與華南模型定位偏差比較 （km）

圖16 本研究模型與華南模型對比

4 結(jié)論

本文利用18次爆破實(shí)驗(yàn)的記錄作為研究資料，首先進(jìn)行了爆破震相特征的分析；然后，利用爆破實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確時(shí)間、地點(diǎn)及臺(tái)網(wǎng)觀測到的地震波走時(shí)信息，反演出福建一維兩層速度模型；最后，在此基礎(chǔ)上，利用華南模型及4種定位方法來檢驗(yàn)地震定位方法的精度，進(jìn)一步改善區(qū)域一維速度模型，以達(dá)到提高區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)定位精度的目的。本研究主要取得如下結(jié)論。

（1）通過對爆破震相與地震震相波形的對比分析，得到爆破震相特征：P波能量較強(qiáng)，S波的能量較弱；地震的初動(dòng)按象限分布，爆破初動(dòng)一般都向上且無象限分布；爆破面波較為發(fā)育。由此，得出較適用于識(shí)別本地區(qū)爆破的判據(jù)，以期有助于分析人員提高對地震類型的準(zhǔn)確判斷。

（2）利用單純型、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種定位方法對18次爆破記錄進(jìn)行重新定位分析。結(jié)果表明，Hyposat定位平均偏差最小，離散程度最小，較為穩(wěn)定；Locsat偏差最大，精度最低。因此，在地震的定位分析工作中，采用Hyposat定位方法對爆破記錄進(jìn)行定位，可獲得較為可靠的地震參數(shù)和震中位置。

（3）利用14次爆破實(shí)驗(yàn)已獲得的固定臺(tái)網(wǎng)記錄，反演福建一維速度模型，將該模型與華南模型進(jìn)行對比得出：其上地殼厚度小于華南模型，下地殼厚度大于華南模型；上地殼速度與華南模型相當(dāng)，下地殼速度大于華南模型。利用本研究反演結(jié)果對其他4次爆破進(jìn)行重新定位，定位精度都明顯提高。