晋冀蒙交界地区最小一维速度模型

冯向东，王晓山，陈 婷，张素欣

(河北省地震局，石家庄 050021)

晋冀蒙交界地区最小一维速度模型

冯向东，王晓山，陈 婷，张素欣

(河北省地震局，石家庄 050021)

收集整理晋冀蒙交界地区2014年9月1日至2016年5月28日间448次1.0级以上地震事件的6 678条P波和6 103条S波到时资料，采用震源位置-速度结构的联合反演方法，使用Velest程序计算了晋冀蒙交界地区“最小一维速度模型”，并利用这一模型对该地区1 763次地震进行了重新定位。结果显示：重新定位后震源深度分布集中于5～20 km区间，趋于正态分布，定位结果有显著改善。

晋冀蒙交界地区；“最小一维速度模型”；地震定位；Velest 程序

0 引言

高精度震源位置是地震学基础资料，在影响震源定位精度的各种因素中，速度模型至关重要，而如何反演地震波速度结构是地震学一个最基础的问题。Crosson[1]采用震源参数和速度结构联合反演方法将速度结构作为未知参数与震源参数同时反演，可以有效解决地震定位和地震波速度反演的耦合问题。Kissling等[2]在研究震源位置和一维速度模型耦合问题中提出确定最佳一维速度模型的方法，此方法基于走时残差均方根最小作为目标函数进行一维速度结构和震源位置联合反演，定位精度更高，在此意义上，称此速度模型为“最小一维速度模型”。该方法被国内外学者广泛地应用于地震精定位等初始速度模型的确定[3-12]，相应的Velest程序也在使用过程中被不断地改进和完善。Velest程序是用fortran77语言编写的[13-14]，最初用于地震层析成像学习[15-16]。1984年E Kissling et al h[17]修改了程序并将它用于计算加利福尼亚长谷地区的“最小一维速度模型”。程序通过在合理的范围内调整大量的初始模型和震源位置，搜索不同有着最小误差(RMS)的解，经过反复计算得到走时均方根残差最小的一维速度模型即为“最小一维速度模型”。

晋冀蒙交界区(112°～116°E，39°～41°N)位于华北地堑盆地的西北缘，处于山西地堑系和张家口—渤海NW向构造的交接部位，处在张应力场的作用之下，主张应力轴为NW向。受这种引张力的作用，盆地的断裂做正断层活动，同时盆地和山地块体发生旋转，前者凹陷，后者相对隆起，是典型的盆—岭构造[18]。 利用Kissling方法，结合晋冀蒙地区构造特征计算本地区“最小一维速度模型”，可为这一地区地震定位提供基础资料，提高该区地震定位的精度。

1 Velest程序参数设置和观测资料

Velest程序设置了较多控制参数，需要使用者根据具体研究区资料合理选择，以便调控程序的运行，使得结果更加符合实际。为了了解和选择合适的参数需要，我们对一些常用的控制参数进行调控测试。通过测试发现阻尼值由小变大，RMS收敛越来越慢(图1)。红色曲线区由浅到深表示阻尼值设定为0.01～0.09，绿色曲线区由浅到深表示阻尼值在0.1～0.9，蓝色曲线区由浅到深阻尼值为1～9，黄色曲线区由浅到深表示阻尼值10～90，紫色曲线区从浅到深表示阻尼值100～900。从图1中可以明显看出，随着阻尼值由小变大，RMS收敛越来越慢；测试还发现阻尼的大小对计算时间几乎没有影响，因此在0.01～0.09之间选择一个值是合适的，在实际中我们选择这个值为0.01。

图1 阻尼(Damping)对残差均方根RMS的影响

在以往的研究中多采用速度模型、震源位置、台站校正联合反演。我们基于台站位置已知的条件下将台站校正锁定， 仅仅使用速度模型和震源位置联合反演， 最后的地震重新定位也不使用台站校正。同时在反演过程中，强制不允许出现低速层，为了反映高程的影响，我们在海平面以上设置了厚度为2 km的一层。

晋冀蒙交界地区1998年发生过张北MS6.2的中强地震，多年来小震活动比较频繁，是备受关注的强震危险地区，地震台网相对较密，除了河北、山西、内蒙古3省地震台网的33个固定观测台站外，还有26个临时台站(图2)。

为了获得尽可能好的反演效果，我们通过以下标准进行地震事件的选择：

1)地震观测台站空隙角gap≤180°，确保参与定位的台站能够很好地包围地震震中；

2)震级1.0以上地震；

3)震相到时选择200 km以内。

经过筛选总计有488次地震事件(图2中红色圆点)，观测台站59个(图2中绿色三角)，绘出了地震事件和观测台站位置。其中红色实心圆为地震震中，绿色三角形为地震台站。6 678条P波到时资料和6 103条S波到时资料，地震波射线(蓝色)可以很好地覆盖研究区(图2)。

地震原始震源深度在30 km以内，优势分布在5～15 km(图3)。

图2 震中与台站分布图

a P波速度初始模型 b 原始震源深度分布图3 5种不同的P波速度模型和震源深度分布图

2 初始模型

由于velest不会自动调整层的厚度(与层速度)，合适的模型分层必须通过一个试错过程。因此，计算最小1-D模型通常从寻找一个合适的模型分层开始。有关晋冀蒙地区速度结构的研究多以晋冀蒙地区作为华北地区研究的一部分来实施的。

陈立华与宋仲和[19]利用近震体波资料，研究了华北地区地壳和上地幔P波速度结构，认为晋冀蒙交界地区壳内和地幔顶部均有低速层存在，而横向不均匀性和低速层的存在可能是构造活动区的最主要特征，且低速层深度对震源深度的下限有一定控制作用；为了探测速度分布及其与地震活动的关系，祝治平等[20]利用北京—怀来—丰镇宽角反射/折射剖面研究了延怀盆地及外围地区的地壳上地幔构造，这条剖面斜穿NW向的张家口—渤海地震带,并在延怀盆地与一条深反射剖面重合，结果显示：地壳厚度由顺义的35.0 km向西逐渐加厚至 42.0 km，壳内界面近于水平或由东向西缓倾，在延怀盆地，地壳呈高低速相间的特征，上地壳的下部存在明显的低速体；魏文博等[21]利用14条人工地震宽角反射/折射深地震测深(DSS)剖面资料构建华北区域性的地壳三维速度结构模型；段永红等[22]利用华北及邻近地区42条二维人工地震宽角反射/折射探测(简称DSS剖面探测)剖面的研究成果，构建了华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型HBCrust1.0。

除此以外全球速度结构也有多种模型，我们选择ak135-F[23-24]作为一种参考构造模型，ak135-F在iasp91全球速度模型的基础上，主要利用国际地震中心(ISC)P波到时、深震震相和走时计算的全球模型，这个模型还包括密度和Q值模型。图3绘出5种不同的分层构造速度模型曲线和原始震源深度分布图，红色为华北crust1.0模型，蓝色为魏文博模型，绿色为祝治平模型，紫色为ak135-F模型，黄色为陈立华模型。其中华北crust1.0模型是梯度模型，陈立华模型中存在20 km左右低速层。

本文利用以上研究结果分别建立了5种初始速度模型(图3)，分别尝试求出“最小1-D速度模型”。根据计算过程中残差收敛情况及重新定位结果的改善程度，选择合理的分层结构，同时对几种模型同一深度的平均速度作为最终的速度值，获得最佳的“最小1-D速度模型”。

3 计算结果

通过计算得到了5种模型的反演结果(图4)，红色曲线为Hbcrust1.0最终模型，蓝色曲线为魏文博最终模型，绿色曲线为祝治平最终模型，紫色曲线为ak135-F最终模型，黄色曲线为陈立华模型。利用5种不同的反演结果模型，对研究区内的1 763次地震进行重新定位，重定位震中经纬度和原始震中经纬度分布变化不大，故没有给出相应的图。深度分布直方图如图5所示，图5a为初始的震源深度。

从利用不同结果速度模型重定位后的震源深度分布来看，利用陈立华模型、ak135-F模型反演得到的结果模型，在地震重定位后会有部分震源集中于地表；使用魏文博模型反演的结果模型定位结果在10 km出现了异常集中；使用祝治平、Hbcrust1.0模型反演的结果模型进行定位后，震源深度分布相对更好一些。总体上祝治平的模型分层构造更为合理，因此选择祝治平模型分层构造作为最终模型的分层结构，每层速度取5个模型的平均值(图4中黑色线)得到了晋冀蒙交界地区“最小一维速度模型”。利用“最小一维速度模型”对晋冀蒙交界地区1 763次地震进行重新定位(图6)，重新定位后震源深度分布接近正态分布，更加合理。

a 初始震源深度；b 祝治平结果模型；c 陈立华结果模型；d Hbcrust1.0结果模型；e 魏文博结果模型；f ak135-F结果模型图5 使用不同结果速度模型重定位后的震源深度分布图

a 初始震源深度分布； b 重定位后震源深度分布图6 利用晋冀蒙地区“最小一维速度模型”对地震重定位后震源深度分布图

为了更清晰地反映定位后震源位置是否有明显改善，我们选取延怀盆地构造单元，做一条横穿盆地的剖面， 将重定位震源深度与初始震源深度做一个

对比(图7)。

4 讨论与结论

Velest作为供研究者使用的程序，提供了很多的可调控参数，这些参数都需要根据实际情况合理调整。程序本身给定的一些初始参数大多数是相对合理的，但在使用前利用实际数据进行测试也是十分必要的。由于程序不能对速度模型的层厚进行调整，选择合适的分层结构变得极为重要。Emanuela M[25]在研究意大利南部Campania-Lucania 地区的“最小一维速度模型”时曾尝试了11种初始模型，其中包括了3种均一模型和3种梯度模型。我们选择的5个初始模型中，Hbcrust1.0模型接近梯度模型，在反演过程中如果允许存在低速层，反演结果会比较不切实际，因此如果实际构造中存在低速层，在初始模型中给定也许是最好的选择。在我们选取的5个初始模型中，只有陈立华的模型在15～20 km 之间存在低速层(图3)，如何选择初始模型仍然需要更多的深入研究。

a 延怀盆地内小震重定位后平面分布及剖面位置； b 初始震源深度沿剖面的分布；c 重定位后震源深度沿剖面分布图7 延怀盆地内地震平面分布与震源深度分布

由于晋冀蒙交界地区地震观测台站较多，初始定位结果已经比较精确，初始定位平面震中分布和利用最终模型重新定位的震中分布差别不大。但从重定位后震源深度近正态分布，集中于5～20 km深度(图6a)，而初始位置震源深度在10～15 km(图6b)，其相比初始震源深度更为合理，延怀盆地的震源深度—剖面分布(图7)更清楚地表明使用新的模型定位后震源深度分布合理有序，没有了初始的震源深度较多的水平层状的不合理分布。通过以上研究可以得到以下2点结论：

1)在使用Velest程序时，阻尼(Damping)参数对反演中迭代收敛速度影响显著，总体上收敛速度随着阻尼值的增加而变慢，选择0.01～0.09之间效率更高。

2)使用研究得到的晋冀蒙交界地区“最小一维速度模型”重新定位后得到的震源深度更为合理。

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1-DMinimumVelocityModelofShanxi-Hebei-InnerMongoliaBorderArea

FENG Xiang-dong, WANG Xiao-shan, CHEN Ting， ZHANG Su-xin

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

In this study, we collected 6 678 P-wave traveltimes and 6 013 S-wave traveltimes in the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area. On basis of these data, using the simultaneous inversion methods in the Velest program for hypocenter-velocity structure, we present a 1-D minimum velocity model of the study area. With the 1-D minimum velocity model, we relocate 1 763 earthquakes in the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area. The result shows that: the hypocenter depth is mostly between 5 km to 20 km.

the Shanxi-Hebei-Inner-Mongolia border area; 1-D minimum velocity model; earthquake location; Velest program

冯向东，王晓山，陈婷，等. 晋冀蒙交界地区最小一维速度模型[J]．华北地震科学，2017，35(4):16-21.

2017-01-04

河北省地震局地震科技星火计划项目“晋冀蒙交界地区典型盆地孕震动力学模型构建” (DZ20160621076)；河北省地震局地震科技星火计划重点项目“晋冀蒙交界区临时测震台网建设运行及强震背景跟踪研究(DZ20150428102)”；中国地震局2017年度震情跟踪定向工作任务“唐山地震序列特征及动力过程研究(2017020104)”

冯向东(1970—)，男，山东聊城人，副研究员，现从事地震学及地震综合预报研究.E-mail：fxd23@126.com

P315.73

A

1003-1375(2017)04-0016-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.003