使用辽宁地区P波走时反演一维速度模型

王承伟，陶 达，梁一婧（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

使用辽宁地区P波走时反演一维速度模型

王承伟，陶 达，梁一婧
（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

选取辽宁地震台网记录到的67个天然地震，使用单纯型法定位方法和Pn/Pg联合测定深度的方法，对震中和震源深度测定，提取定位结果的P波走时数据。使用理论走时公式，将已知变量和未知变量分离，利用走时公式，构造方程组进行求解，反演得到两层均匀速度模型。使用Hyposat定位程序，对此次研究的模型和目前使用的华南模型进行定位对比，定位结果优于华南模型。

速度模型；地震定位；定位残差；Hyposat

0 引言

在关系到台网定位质量的种种条件中，速度模型相对较为重要。由于本省目前暂无本区域的速度模型，所以辽宁台网仍采用MSDP中自带的华南模型，由于华南模型与本省的实际地质结构存在一定的差异，在地震定位中会存在一定的偏差。对于这种问题，本省内台站记录到的地震数据发挥了很重要的弥补作用，通过对各个台站的震相数据的收集可以有效地对因速度模型本身造成的偏差进行科学合理地纠正，改变了实际中出现的各种差异，有助于提升整体定位水平。辽宁地区台网比较密集，能清晰记录到地震事件，为地震研究提供了依据。本文将利用本省采集到的各种震相数据，近而对本省地壳两层速度模型进行反演。

1 辽宁地质结构及前人成果

辽宁地区（38o～44oN，119o～126oE）位于华北断块区北部，是中强震较活跃的地区。自历史纪录的公元419年朝阳5½级地震发生至今，共记录到45次MS≥5.0级的地震（包括余震），其中包括5次7级地震，9次6级地震和31次5级地震。

辽宁地区地震的空间分布不均匀，受到朝阳—北票断裂、郯庐断裂、鸭绿江断裂、金州断裂、海城河断裂等地质构造控制，有明显的中强地震发生。另一方面，构造盆地及其边缘地震活动较多，多次重复发生5级左右地震（如营海老震区）。中强地震活动与地质构造之间具有密切的关联。辽宁附近海域地震有两个较为集中的地方，一个是辽东半岛东侧的黄海海域；一个是在大连西偏南的渤海海域。辽宁省的矿震也相当活跃，主要集中在北票、康平、抚顺和阜新地区。

通过查阅已有文献，将前人对辽宁地区的地壳速度结构和莫霍面深度所做的研究进行归纳汇总：卢造勋等[1]人通过对地球物理方面资料的研究，实现了对地壳两层模型的综合反演，并在此基础上对我国东北地区和周边地壳厚度进行了重新界定，修改后的厚度发生了一些变化，他们将东北地区地壳厚度界定为30～38km（除渤海地区为26～30km外）。赵光慧等[2]人应用板块构造理论研究辽宁大地构造，获得下辽河—辽东湾新生代裂谷（沈阳、营口等辽河平原区，向南西延入辽东湾海域内）带内地壳厚度为33～31km。王谦身等[3]人（1976）为了研究辽宁省海城7.3级地震发生的地质背景—辽南地区的地壳构造,根据已有的反映深部界面起伏的重力资料，以及除去新生代沉积和浅部构造影响后的重力异常，用等效压缩质面方法计算莫霍界面深度为30～36km。贾丽华等[4]人用远震接收函数研究获得辽宁地区的地壳厚度为31～36km。

2 测震台网介绍及资料数据的选择

辽宁测震台网由众多数字测震台组成，包括国家台、区域台以及新建背景场项目，相应的数量分别为5个、30个和2个。这些测震台站构成了密集的监测网络。测震台站以比较均匀的方式分布在全省各地，平均台站间距70km，中部地区台站分布密集一些。通过中国地震台网中心实时波形数据流服务器接入邻省台站14个。我省能够将绝大部分区域监测能力保持在ML1.5级，对于网缘和临海区域的监控能力相对较弱，为ML2.0级。同一范围内速报能力大约比监控能力低0.2级。

采用数据时间来源于2009年至2015年期间，选取M 2.5级以上的67次地震监测数据，获取其震相，在研究中采用单纯形方法再次对地震进行定位。由于采用的这种方法对震中位置控制相对较好，但存在深度方面掌控的比较弱的问题，使用Pn和Pg联合测定震源深度的方法[5]对震源深度重新测定。这种方法要求地震发生时记录到一定数量的Pn震相，所以选用的地震也一定的满足了这一要求。提取的震相数量分别为：2618个Pg震相，62个Pb震相1495个Pn震相；震中距100～600km，Pn走时范围23～80s；震中距50～600km，Pg走时范围为8～101s；震中距80～200km，Pb走时范围为15～32s。图1给出所选地震的射线图。

图1 地震射线覆盖图Fig.1 The distribution of seismic ray

图2 地壳内纵波路径Fig.2 Longitudinal wave path within the earth’ s crust

3 反演方法

大陆地壳按照化学成分可分为花岗岩层和玄武岩层,平均厚度大约为35km，高山和高原地区厚度可达70km。通过对所拾取Pb震相值进行研究，也证明了康拉德面需要的假设条件是合理的。假设具体内容是：地壳结构是由两层构成的，地震波在传递过程中保持匀速状态，这时速度模型应由5个参数组成：上地壳速度为V1，下地壳速度为V2，沿莫霍面波速为VN，上下地壳厚度分别记为H1和H2。参照图2可分析纵波传播路径。

已知本省区域内上地壳厚度范围大约在16～22km之间，本文中取平均值 19km，研究过程中重新测定的地震震源深度处于12km以内，所测地震可以确定均发生在上地壳内。由于目前采用的地震数据有限，采用多个参数同时反演造成了参数与参数之间的影响，因此要分步对各个参数进行反演，步骤为：利用直达波Pg走时获取上地壳P波速度，利用康拉德面折射波Pb走时反演下地壳波速，通过首波Pn走时利用反演可以分别获取地壳总厚度和莫霍面的波速。

直达波走时公式为：

康拉德界面折射波走时公式为：

单层地壳模型莫霍面走时公式为：

二层地壳模型莫霍面走时公式为：

以上各公式的含义为： 直达波走时（tpg），上地壳纵波速度（V1），下地壳纵波速度（V2）,一层地壳模型的地壳波速（Vg），上地壳厚度（H1）， 下地壳厚度（H2），莫霍面厚度（H），莫霍面波速（Vn），Δ为震中距，h为震源深度。假设Pg走时均匀，V1可以有第一步获得。通过假定康拉德面波速等于下地壳波速的前提下，上地壳厚度和下地壳波速能够由第二步获得；由于Pb震相很少，并且获得的数据存在一定的差异，所以只用公式（2）求解V2；通过第三步可以获取地壳厚度和莫霍面纵波速度。已知V1、V2和H，则由最后一步可以求得上地壳厚度。

本文的反演方法是，把观测数据已知变量与未知变量分离，使用走时公式，将构造方程组，使用共轭梯度法进行求解。共轭梯度法是求解特定线性系统数值解的方法，适用于稀疏矩阵系统，也可以用于求解无约束的最优化问题。在本文中，对反演方程组使用Matlab自带的共轭梯度算法求解[6]。

4 检验成果

4.1 地壳速度模型

通过反演的方法获得的地壳速度模型如表1所示：

4.2 定位残差检验

表1 模型参数

出于对模型成果的检验并实现提升地震定位质量的目标，在文章中利用Hyposat定位方法，通过上述提到的华南模型和已研究得出的结果来对残差进行分析对比，分析本文模型在辽宁地区的适用性。结果显示本文模型定位残差平均约为0.5，华南模型平均残差约为0.7，可见本文模型要优于华南模型（图3—4）。

图3 本文模型残差/sFig.3 Residual error of this model /s

图4 华南模型残差/sFig.4 Residual error of Huanan model /s

4.3 检验震源深度

在定位深度的测量方面进行比较检验，对所采用的两个模型利用Pn/Pg联合测定深度检测[5]，以实现对本文结果在震源深度方面的验证。结果显示，使用本文地壳速度模型测定的深度与Pn/Pg联合测定深度有一定差异但不明显（图5—6）。

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

图6 华南模型深度/kmFig.6 Depth of Huanan model /km

4.4 震中位置检验

使用Hyposat定位程序分别对所选地震进行重新定位，产出结果与编目结果对比，本文模型震中位置与编目结果相差不大，均小于10km。经复核，部分误差大的地震为网外或网缘地震，对应的震相偏少、台站空隙角偏大（图7—8）。

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

图8 华南模型震中差/kmFig.8 Epicenter difference of Huanan model /km

5 结论

（1）反演直达波走时获得辽宁地区地壳两层速度模型，使用hyposat方法对定位成果进行验证，地震定位残差与之前相比有所减小，对震源深度的测定也更为准确，可见本文模型较有效的提高了地震定位质量。

（2）两层均匀地壳速度模型与本省实际的地壳结构也更为符合，这对于本省台网在对地震的监测方面更提供了为可靠和有效的支持。

（3）通过与编目结果对比，对本文模型进行验证，验证结果表明最优模型相较于原使用的华南模型定位精度更高，残差更小，更进一步说明了最优模型在辽宁区域的适用性。

（4）震源深度方面需要更为精确，采用Pn/ Pg联合测定的方法来研究，大大减小了数据差异造成的影响，但是这需要在研究中获得相应的Pn震相，由此造成了数据范围的缩减，会对研究成果带来一定的负面作用。

[1] 卢造勋，姜德禄，白云，等. 东北地区上地幔结构的探测与研究[J]. 东北地震研究， 2005， 21（1）: 1-8.

[2] 赵光慧， 关玉波， 赵建军. 辽宁板块构造特征及大地构造单元划分[J]. 地质与资源， 2011， 20（2）: 101-106.

[3] 王谦身，刘员龙. 辽南地区地壳构造轮廓[J]. 地球物理学报， 1976， 19（3）: 165-176.

[4] 贾丽华，崇加军，刘渊源，等. 用远震接收函数研究辽地区的地壳厚度及泊松比[J]. 地震地质， 2010， 32（2）: 260-267.

[5] 朱元清， 夏从俊， 李平. 确定震源深度的PTD方法及应用[J]. 地震地磁观测与研究， 1997， 18（3）: 21-29.

[6] 张帆，刘芳，张晖，等. 内蒙古中西部一维均匀地壳速度模型研究[J]. 地震地磁观测与研究， 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

王承伟（1983-），男，山东省龙口市人，工程师，现主要从事地震监测方面的工作。E-mail: sea0929@163.com