內(nèi)蒙古分區(qū)地殼速度模型的建立及應(yīng)用分析

趙艷紅 舒雷 劉永梅 張珂 尹占軍

內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市新城區(qū)哲里木路80號 010010

0 引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員遼闊，地形狹長，東西長約3000km，橫跨東北、華北、西北地區(qū)，并且位于南北地震帶北段等重要構(gòu)造區(qū)的最北端，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動比較強(qiáng)烈。從西至東主要活動斷裂帶包括雅布賴山山前斷裂、狼山山前斷裂、色爾騰山山前斷裂、大青山山前斷裂、赤峰-川井?dāng)嗔选⑽骼緜惡訑嗔训取v史上曾發(fā)生多次災(zāi)害性大地震，20世紀(jì)70年代以來，發(fā)生了和林格爾6.3級、包頭西6.4級、赤峰-阿魯科爾沁旗5.9級、西烏珠穆沁旗5.9級，尤其是2013年科左后旗5.3級、2015年阿拉善左旗5.8級等一系列中強(qiáng)地震。因此，提高地震定位精度尤為重要。地震定位一般指確定地震的震源位置（經(jīng)度、緯度和深度）及發(fā)震時(shí)刻。影響地震定位精度的因素很多，如臺站分布、震相測量誤差、定位算法、速度模型等，其中，地殼速度模型與地震定位的精度密切相關(guān)。同樣，在測定地震震源深度時(shí)，地殼速度模型的作用更加突出（朱元清等，1990）。在日常地震監(jiān)測工作中，合適的地殼速度模型可以幫助地震學(xué)家準(zhǔn)確地判斷測定的精度（朱元清等，1997；張?zhí)熘械龋?007；陳向軍等，2014）。

通過應(yīng)用良好的速度模型可以提高定位結(jié)果的可信度；反之，也可以通過比較定位結(jié)果來判斷速度模型的優(yōu)劣（孫安輝等，2011）。一維地震波速度模型是區(qū)域地震構(gòu)造研究的重要基礎(chǔ)，三維成像反演的可靠性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)依然是當(dāng)前地下速度結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)從 “十五”數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)建成至2015年使用華南模型；2016年以后使用的是 “內(nèi)蒙古2015速度模型”，這2種模型都屬于平均一維速度模型。內(nèi)蒙古復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使得對該地區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行精定位時(shí)，此時(shí)的一維地殼速度模型顯得不充分，因此選用適合震區(qū)的速度結(jié)構(gòu)模型十分重要（趙艷紅等，2018）。

隨著測震臺網(wǎng)監(jiān)測能力的提高，每年記錄到的發(fā)生在內(nèi)蒙古的地震已超過 1000個(gè)，其中，有多臺記錄的地震所占比例超過50%。這為研究內(nèi)蒙古不同地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)資料，依據(jù)歷史上全區(qū)記錄的地震震中分布圖（圖1），可清楚地劃分出 3個(gè)地震密集區(qū)域，即西部阿拉善地區(qū)、中部呼包鄂地區(qū)和東部錫林浩特至呼倫貝爾地區(qū)。

圖1 2009～2016年內(nèi)蒙古地震震中和臺站射線分布

本文建立了3個(gè)地震密集區(qū)域的分區(qū)速度模型，得到了符合地震實(shí)際記錄的速度結(jié)構(gòu)模型。此外，2009～2016年多年豐富的地震震相數(shù)據(jù)使我們能對得到的速度結(jié)構(gòu)模型的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，這對認(rèn)識內(nèi)蒙古地區(qū)各分區(qū)地殼速度模型的差異十分重要。

1 內(nèi)蒙古分區(qū)速度模型的研究

1.1 資料選取

分別選取內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng) 2009～2016年記錄到的發(fā)生在內(nèi)蒙古西部區(qū)域（36°～46°N，97°～108°E）的 225次 ML≥3.0地震、內(nèi)蒙古東部區(qū)域（38°～54°N，108°～116°E）的 131次ML≥3.0地震、內(nèi)蒙古中部區(qū)域（36°～50°N，116°～126°E）的 84次 ML≥3.0地震事件。對以上地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換及震相拾取，拾取了西部區(qū)域Pg走時(shí)數(shù)據(jù) 3467條、Pn走時(shí)數(shù)據(jù) 810條、Pb走時(shí)數(shù)據(jù) 89條、Sg走時(shí)數(shù)據(jù) 3516條，東部區(qū)域Pg走時(shí)數(shù)據(jù) 1898條、Pn走時(shí)數(shù)據(jù) 930條、Pb走時(shí)數(shù)據(jù) 45條、Sg走時(shí)數(shù)據(jù) 1967條，中部區(qū)域Pg走時(shí)數(shù)據(jù) 1247條、Pn走時(shí)數(shù)據(jù)304條、Pb走時(shí)數(shù)據(jù) 100條、Sg走時(shí)數(shù)據(jù)1280條，分別進(jìn)行Pn、Pb、Pg、Sg震相速度擬合，并得到 vPg、vPb、vPn、vSg的擬合值。

1.2 原理和方法

大陸地殼較厚，平均約為 35km，高山和高原可達(dá)40km，地殼分為花崗巖層和玄武巖層。在李祥等（1987）、劉昌銓等（1991）研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，劉芳等（2016）、張帆等（2015）對內(nèi)蒙古地區(qū)地殼速度模型進(jìn)行研究，得到內(nèi)蒙古地區(qū)Moho面平均深度為41km。在此次研究搜集的地震目錄中拾取到大量Pb震相，這表明康拉德面存在的假設(shè)是合理的。假設(shè)地殼結(jié)構(gòu)為2層，地震波在層內(nèi)速度均勻，康拉德面波速與下地殼波速相同，則速度模型包含 5個(gè)參數(shù)，即上地殼波速v1、下地殼波速v2、沿莫霍面波速vn、上地殼厚度 H1和下地殼厚度 H2。縱波傳播路徑示意見圖2。

圖2 地殼內(nèi)縱波傳播路徑

采用地震震相速度擬合曲線和折合走時(shí)曲線方法對上地殼速度v1（vPg）、下地殼速度v2（vPb）、莫霍面速度v3（vPn）、上地殼厚度H1和下地殼厚度 H2等參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，建立初始模型。調(diào)整原則為：①調(diào)整震相數(shù)據(jù)離散度，刪除實(shí)際震相與理論線相差4s的到時(shí)數(shù)據(jù)；②調(diào)整深度，使實(shí)際震相數(shù)據(jù)位于理論線中間位置；③調(diào)整速度，使其實(shí)際數(shù)據(jù)與理論線平行。

利用Hyposat方法批處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，最終反演確立內(nèi)蒙古各個(gè)區(qū)域的地殼速度模型。Hyposat定位法基于經(jīng)典的Geiger法（Geiger，1912），除采用傳統(tǒng)的震相到時(shí)外，還可應(yīng)用震相到時(shí)差、臺站到震源的方位角和地震射線等參數(shù)來進(jìn)行定位。其地球結(jié)構(gòu)速度模型既可采用通用的全球模型（Jeffreys-Bullen、PREM、AK135等）及全球地殼模型 CRUST5.1，也可以采用使用者給定的具體區(qū)域模型（Mooney et al，1998）。

1.3 內(nèi)蒙古分區(qū)速度模型建立

由于各分區(qū)速度模型的研究方法相同，所以本文以西部速度模型的建立過程為例。

1.3.1 初始模型

通過速度擬合、分區(qū)掃描及折合走時(shí)確定地殼厚度及速度的方法，確定內(nèi)蒙古西部區(qū)域初始速度模型。

1.3.1.1 速度擬合

對選取的內(nèi)蒙古西部區(qū)域225次ML≥3.0地震（臺站數(shù)N≥8），提取Pg走時(shí)數(shù)據(jù) 3467條、Pn走時(shí)數(shù)據(jù) 810條、Pb走時(shí)數(shù)據(jù) 89條、Sg走時(shí)數(shù)據(jù) 3516條，進(jìn)行Pn、Pb、Pg、Sg震相速度擬合，得到 vPg、vPb、vPn、vSg的擬合曲線（圖3）。

1.3.1.2 分區(qū)掃描

圖3 內(nèi)蒙古西部區(qū)域225次地震速度擬合

表1 分區(qū)掃描結(jié)果

為考查西部區(qū)域地震波速的穩(wěn)定性，根據(jù)地震發(fā)生頻次設(shè)置步長進(jìn)行分區(qū)擬合掃描，得到 Pn、Pg、Pb、Sg波速度擬合均值 vPn、vPg、vPb、vSg，具體結(jié)果見表1。

1.3.1.3 折合走時(shí)確定地殼厚度及速度

依據(jù)Pg、Pb、Pn震相及其分區(qū)掃描后的速度均值，計(jì)算折合走時(shí)

其中，TZ為折合走時(shí)；TL為理論走時(shí)；Δ為震中距；v為波速。

基于華南速度模型，由式（1）得到 P波折合走時(shí)曲線（圖4（a））。由圖4（a）可見，Pg、Pn震相值均落在理論線的上方，說明該模型設(shè)置的莫霍面深度偏小，震相速度 vPg、vPn分布與理論線接近水平。

基于內(nèi)蒙古2015速度模型，得到P波折合走時(shí)曲線（圖4（b））。由圖4（b）可見，Pg、Pn震相值均落在理論線的上方，說明該模型設(shè)置的莫霍面深度也偏小，震相速度vPg、vPn分布與理論線接近水平。

P波走時(shí)分2次調(diào)整如下：①莫霍面深度調(diào)整：將莫霍面深度增加至46km（H1＝27km，H2＝19km），速度調(diào)整：將 v1由6.09km／s調(diào)至6.12km／s，上調(diào) 0.03km／s；②莫霍面深度調(diào)整：將莫霍面深度調(diào)至 46km（H1＝32km，H2＝14km），速度調(diào)整：將 v1由6.12km／s調(diào)至6.07km／s，下調(diào)0.05km／s。最終使P波折合走時(shí)實(shí)際數(shù)據(jù)位于理論走時(shí)曲線中間，使數(shù)據(jù)整體分布趨勢與理論線平行（圖4（c）、4（d））。4次P波折合走時(shí)結(jié)果見表2。

圖4 P波折合走時(shí)曲線

表2 P波折合走時(shí)結(jié)果

綜合地震速度擬合曲線和折合走時(shí)曲線的結(jié)果，得到內(nèi)蒙古西部區(qū)域地殼一維速度初始模型參數(shù)為 vPg＝6.07km／s、vPb＝6.60km／s、vPn＝8.20km／s、H1＝32km、H2＝14km。

1.3.2 西部區(qū)域速度模型確立

選取內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)記錄的225次ML≥3.0地震，應(yīng)用西部初始模型并且在一定擾動范圍內(nèi)設(shè)定不同的值設(shè)置數(shù)組模型，采用Hyposat批處理方法進(jìn)行2次搜索定位，第1次搜索結(jié)果最小平均殘差 RMS＝0.476，第2次 RMS＝0.463；以同樣的方法，使用華南模型批處理，平均殘差RMS＝1.307，使用內(nèi)蒙古2015速度模型批處理，RMS＝0.961（表3）。

表3 H yposat批處理2次搜索結(jié)果

依據(jù)Hyposat批處理得到的最優(yōu)平均殘差結(jié)果，綜合前人研究結(jié)果、西部區(qū)域地震震相擬合曲線和折合走時(shí)曲線得到的西部初始模型結(jié)果，并結(jié)合內(nèi)蒙古西部地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，確立西部速度模型為：vPg＝6.06km／s；vPb＝6.61km／s；vPn＝8.12km／s；H1＝30m，莫霍面深度 H＝44km。

1.4 3個(gè)分區(qū)速度模型與內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型的對比

通過研究確立了與內(nèi)蒙古各區(qū)域相適應(yīng)的分區(qū)速度模型，即西部vPg＝6.06km／s、vPb＝6.61km／s、vPn＝8.12km／s、H1＝30km、H2＝14km；東部 vPg＝6.05 km／s、vPb＝6.72 km／s、vPn＝8.05km／s、H1＝25km、H2＝14km；中部 vPg＝6.07 km／s、vPb＝6.59 km／s、vPn＝8.08 km／s、H1＝27km、H2＝14km。此外，將分區(qū)速度模型與內(nèi)蒙古 2015速度模型（vPg＝6.05 km／s、vPb＝6.60km／s、vPn＝8.05km／s、H1＝24km、H2＝17km）、華南模型（vPg＝6.01km／s、vPb＝6.88km／s、vPn＝7.98km／s、H1＝21km、H2＝12km）進(jìn)行了對比（圖5）。

2 分區(qū)速度模型的批處理結(jié)果分析與檢驗(yàn)

分別利用西部、東部、中部速度模型及內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型，使用Hyposat定位方法對各區(qū)域的地震進(jìn)行批處理重新定位，得到各組地震定位參數(shù)。

2.1 地震定位的擬合殘差分析

擬合殘差是直觀有效地對定位結(jié)果誤差進(jìn)行衡量估計(jì)的方法之一。分別在分區(qū)速度模型、內(nèi)蒙古2015速度模型及華南模型下，使用Hyposat方法批處理重新定位，對定位擬合殘差進(jìn)行比較。

2.1.1 西部區(qū)域

隨機(jī)抽取2009～2016年發(fā)生在內(nèi)蒙古西部區(qū)域的88次地震分別用西部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型重新進(jìn)行定位，得到走時(shí)殘差對比圖（圖6）。由圖6可見，利用華南模型定位走時(shí)殘差為 0.077～3.046s，均值為0.523s；內(nèi)蒙古2015速度模型定位殘差為0.037～3.125s，均值為0.463s；西部模型定位的殘差為0.055～1.424s，均值為0.382s。因此，利用西部模型定位，走時(shí)殘差均值明顯降低。

圖5 模型對比

2.1.2 東部區(qū)域

對于101次地震，利用東部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型分別進(jìn)行定位，得到走時(shí)殘差對比圖（圖7）。由圖7可見，華南模型定位走時(shí)殘差為0～2.185s，均值為0.475s；內(nèi)蒙古2015速度模型定位殘差為0～0.911s，均值為0.333s；東部模型定位殘差為0～0.909s，均值為0.327s。東部模型定位較內(nèi)蒙古2015速度模型定位走時(shí)殘差均值降低0.006s，較華南模型定位走時(shí)殘差均值降低0.148s。

圖6 西部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型定位走時(shí)殘差對比

圖7 東部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型定位走時(shí)殘差對比

2.1.3 中部區(qū)域

對于95次地震，利用中部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型分別進(jìn)行定位，得到定位走時(shí)殘差對比圖（圖8）。由圖8可見，華南模型定位走時(shí)殘差為 0.126～2.553s，均值為0.644s；內(nèi)蒙古2015速度模型定位殘差為0.08～2.567s，均值為0.530s；中部模型定位殘差為0.075～1.518s，均值為0.504s。由此可見，中部模型最好。

2.1.4 定位殘差檢驗(yàn)結(jié)果

每組定位殘差經(jīng)對比分析由圖6、7、8可見，利用各個(gè)區(qū)域的分區(qū)速度模型定位的殘差值范圍最小，曲線最平穩(wěn)，殘差均值最小。個(gè)別地震的定位殘差超過2.0s，分析其原因，是因參與定位的臺站偏向一邊，對地震包圍不好，空隙角太大，加之速度模型不合適造成的。由圖6、7、8可見，上述情況在西部區(qū)域表現(xiàn)更明顯，中部區(qū)域定位質(zhì)量最好。這與內(nèi)蒙古測震臺站數(shù)量西部較少且偏向一側(cè)的總體布局結(jié)構(gòu)相吻合。

2.2 地震定位震中偏差分析

地震定位的震中偏差是反映定位結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)之一。隨機(jī)抽取發(fā)生在內(nèi)蒙古各區(qū)域內(nèi)的地震，分別利用分區(qū)模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型，使用Hyposat方法批處理重新定位后，以全國地震月報(bào)目錄結(jié)果（編目結(jié)果）中的震中為基準(zhǔn)，得到地震定位震中偏差（震中差），并對每組震中差進(jìn)行對比。

2.2.1 西部區(qū)域

對“西部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”的震中差作比較，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，“西部模型-編目”震中差為 0.17～11.84km，均值為 2.92km，3次地震震中差＞10km；“華南模型-編目”震中差為0.21～19.85km，均值為3.80km，8次地震的震中差＞10km；“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”震中差為 0.14～19.44km，均值為 3.34km，3次地震的震中差＞10km。由此可見，“西部模型-編目”的震中差均值最小。

圖8 中部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型定位走時(shí)殘差對比

2.2.2 東部區(qū)域

對101次地震的“東部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”震中差作比較（圖10）。由圖10可見，“東部模型-編目”震中差為0.13～4.92km，均值為1.52km；“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”震中差為0.11～18.79km，均值為1.84km；“華南模型-編目”震中差為0～19.80km，均值為2.92km。

2.2.3 中部區(qū)域

分別對85次地震“中部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”的震中差作比較（圖11）。由圖11可見，“中部模型-編目”震中差為 0.14～9.97km，均值為2.72km；“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”震中差為0.14～10.46km，均值為3.02km；“華南模型-編目”震中差為0.20～15.96km，均值為3.74km。

圖9 “西部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”震中差對比

圖10 “東部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”震中差對比

2.3 典型事件實(shí)例檢驗(yàn)

為了確定本文建立的分區(qū)模型的合理性，分別采用人工爆破、精定位典型地震，利用PTD、Hyposat方法的結(jié)果檢驗(yàn)分區(qū)模型的合理性和適用性。

2.3.1 人工爆破

2014年5月31日18時(shí)18分阿左旗爆破，內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)中心完整地記錄了此次爆破的波形，分別使用華南模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、西部模型采用同樣的震相數(shù)據(jù)和定位方法（單純型）重新定位，并與實(shí)測位置及編目結(jié)果作比較（表4）。

表4 2014年5月31日阿左旗爆破定位結(jié)果對比

由表4可見，西部模型的定位結(jié)果最佳。其他2個(gè)分區(qū)沒有實(shí)測爆破資料，所以僅以西部模型為例。

2.3.2 典型地震事件

2.3.2.1 同一模型不同定位震源深度方法定位結(jié)果

選擇2014年7月11日四子王旗ML3.5地震，基于中部模型，使用Hyposat方法定位深度為11.6km；使用PTD方法定位深度為9.4km（圖12）。

圖11 “中部模型-編目”“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”震中差對比

選擇2016年1月23日赤峰ML3.6地震，基于東部模型，使用Hyposat方法定位深度為18.1km；使用PTD方法定位深度為16.7km（圖13）。

基于相同模型，由不同定位方法計(jì)算得到的2個(gè)地震事件的震源深度相近，穩(wěn)定性較好。西部模型亦然，在此不再贅述。

2.3.2.2 相同定位方法不同模型定位結(jié)果

在各分區(qū)隨機(jī)選取1個(gè)地震，使用相同定位方法（Hyposat）不同模型對地震震源深度重新定位，并對比各組定位結(jié)果（表5）。由表5可見，使用各個(gè)分區(qū)模型定位震源深度的殘差在同組中均最小。這表明在震中定位結(jié)果一致的情況下，殘差越小，對應(yīng)的走時(shí)模型越好。

3 結(jié)論

通過對內(nèi)蒙古各區(qū)域的地殼速度模型的分析得到以下結(jié)論：

圖12 2014年7月11日四子王旗地震波形及震源深度定位結(jié)果

表5 相同定位方法（Hyposat）不同模型定位結(jié)果對比

（1）內(nèi)蒙古 3個(gè)地震頻發(fā)區(qū)的區(qū)域地殼速度存在明顯差異。西部模型為 vPg＝6.06km／s、vPb＝6.61km／s、vPn＝8.12km／s、H1＝30km、H2＝14km；東部模型為 vPg＝6.05km／s、vPb＝6.72 km／s、vPn＝8.05 km／s、H1＝25km、H2＝14km；中部模型為 vPg＝6.07 km／s、vPb＝6.59km／s、vPn＝8.08km／s、H1＝27km、H2＝14km。

（2）隨機(jī)抽取地震分別對西部模型、內(nèi)蒙古2015速度模型、華南模型定位的走時(shí)殘差RMS統(tǒng)計(jì)對比，結(jié)果表明，西部模型的定位殘差均值最小。同時(shí)對其它2組進(jìn)行比較，結(jié)果表明東部、中部模型的定位殘差均值都最小。

圖13 2016年1月23日赤峰地震波形及震源深度定位結(jié)果

（3）對各個(gè)分區(qū)的地震用不同速度模型重新定位后，得到的各組定位偏差（震中差）結(jié)果顯示，各個(gè)“分區(qū)速度模型-編目”震中差均值較“內(nèi)蒙古2015速度模型-編目”“華南模型-編目”震中差均值均偏小。

（4）通過對內(nèi)蒙古各區(qū)域的人工爆破、典型精定位地震使用PTD、Hyposat方法的定位結(jié)果進(jìn)行對比，分析了內(nèi)蒙古西、中、東分區(qū)模型的合理性和穩(wěn)定性，結(jié)果表明各分區(qū)模型均優(yōu)于內(nèi)蒙古2015速度模型和華南模型。

（4）各分區(qū)地殼速度模型定位走時(shí)殘差明顯降低，震中差減小且合理穩(wěn)定，可見各分區(qū)的地殼速度模型提高了地震定位質(zhì)量。

（5）各分區(qū)地殼速度模型符合內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)際地殼結(jié)構(gòu)，可滿足內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)地震定位需要。

（6）由于軟件技術(shù)原因，現(xiàn)階段測震臺網(wǎng)用于記錄和分析的 MSDP5.2軟件只能調(diào)取1個(gè)平均速度模型，不能按照震中位置自動調(diào)用分區(qū)速度模型進(jìn)行定位。