营口—海城地区一维速度模型研究

王承伟，李恩来，徐鹏深

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳110034）

0 引言

海城位于辽宁省，在辽东半岛东南部的辽河下游，地质构造属于辽东地块与下辽河断陷，东侧上升，西侧阶梯状下降，区内新构造运动强烈，表现为明显的间歇性抬升运动［1］。所以，该地区地质结构复杂，构造多样，具有多种断裂和褶皱。所以海城的地壳并不稳定，频繁发生地震，在1975年、和上世纪末皆发生过地震，地震大小涉及Ms4.0、5.4、5.1级地震，还发生过七级以上地震，即1975年发生的Ms7.3级，地震位置位于北东、西北西向两组构造交汇的地方［2］。从1970年的1月到2008年的4月ML＞1.0级地震一共发生了18400 多次，地震来源主要在海城河—大洋河断裂带一块，该处有北西西向地震活动条带。盖州为营口市下属的县级市，盖州是属于北东向的金州断裂北端震群和北东向海城—营口断裂南端震群，震群的分布是呈北西向，所以盖州震群更可能属于金州断裂和海城—营口断裂之间的北西向构造上，而不是北东向的金州断裂上［3］。因此，提高该地区速度模型的精度，是进一步提高该地区地震学研究的基础，对该地区地震学研究有着重大意义。

2016年前辽宁台网使用的是JOPENS软件自带的速度模型（华南模型），监测司在2013年组织了全国地壳速度结构研究工作， 从2016年起辽宁省速度模型已经在台网投入使用，经历了2016年朝阳双震，2017年盖州地震等几次较大的地震，震后对两个模型进行对比，选择本区域的模型定位出来的结果更好一些。但是辽宁模型是一个全省平均的模型，是用全省范围内的数据计算出来的速度模型。营海地区的地壳结构、波形数据等和辽宁省平均的模型肯定会存在差异， 若使用营海地区的数据来计算这一地区的模型，其结果肯定会优于辽宁省平均速度模型。营口—海城地区是省内地震活跃区，每年地震条目占总数的/2 3以上。这一地区又是辽宁省各项地震学研究的重点，所以研究适合该区域地壳速度结构是非常有意义的，此研究可改善辽宁台网对该区域定位的走时残差，也会对台网的测震工作有一定的促进作用。

图1 营口—海城地区地震分布图Fig.1Yingkou-Haichenge picentral distribution

1 Hyposat 原理说明

Griger 是一种经典的传统的方法，Hyposat 则是对该方法的一种改进提升。原方法采用的是非线性方程，而改进后采用的是线性方程，解答方法采用的是最小二乘法。此外，Hyposat 还改进了观测方程，直接使用最小二乘法的方法求解并且采用了数据加权的方法而不是将观测方程化成基本的方程组，并且实现了降维。非线性方程求的是近似值。线性方程（一次方程）求的是实值。最小二乘法是最小化误差平方和寻找数据的最佳函数匹配。求得数据与实际之间误差的平方和为最小化误差。

Hyposat 法是在Geiger 法的基础上进行改进的方法。原方法采用的是非线性方程，而改进后采用的是线性方程，解答方法采用的是最小二乘法。假设有n 个观测台站，观测数据为t1，t2，…，tn，求震源（x0，y0， z0）及发震时刻t0，使得目标函数最小，公式为：

ri为到时残差，公式如下：

Ti为震源到第i 个台站的计算走时。使目标函数取极小值即：

其中，

则由（3）式，在真解θ 附近任意试探解θ*及其校正矢量δθ 满足：

也即：

根据上面这些公式和定义我们可以看出，让r（iθ*）和）θ*较小的前提是θ*与θ 相差不大，因此二阶导数项可不考虑，则可简化成如下矩阵形式：

其中，

由（7）式可得到一组δθ，令θ=θ*+δ 作为下一次迭代的初值，当满足预计的截止误差可停止计算。

Hyposat 还改进了观测方程，直接使用最小二乘法的方法求解并且采用了数据加权的方法而不是将观测方程化成基本的方程组，并且实现了降维。Hyposat 可用于近远震的定位，可完成深度的反演或者反演一个好固定深度，还可用ISAP91，AK135等全球模型，或者采用水平分层速度模定位程序适用于近远震，能给出反演深度或固定深度反演，可采用全球模型ISAP91，AK135等或者水平分层速度模。

2 地震资料处理

2.1 地震资料选取

本研究用于拟合的数据是选取2009年1月1日至2017年12 月10 日，营口—海城地区（40°～41.2°N，121.8°～123.5°E），参考定位台站数量大于3个，震级在M0级至4.0级之间的地震，共计144条。震相数量分别为：4119个Pg震相，1644个Pn震相，62个Pb震相，4424 个Sg震相，617个Sn震相。

2.2 震相拾取

2.2.1 折合Pn

由于近台无法拾取Pn震相，本研究使用PTD方法，采用远台Pn震相的观测结果，推导出近台Pn震相，即理论Pn到时。上世纪末朱元清先生首先提出了这样一种PTD方法，此法灵敏度高，特别是对于一些近台震相记录缺乏的地震更具优势［4］。此后，朱元清以及其他研究人员计算了1982 年至1992 年华东地区的地区，基于中国分区速度结构总结编制出各区的深度—走时差表［5］。此后，PTD方法被大众认可并得到广泛使用。

PTD方法是一种被认可的测定震源深度的方法，其原理如下图所示。E 表示震中，将地壳简化为二层均匀模型，上下地壳的厚度分别用H1和H2表示，速度分别用V1、V2和Vn表示，h表示震源深度，台站用倒三角T 表示。根据地震波走方程，当Pn震相作为初值震相时，理论震中距为D，当台站T2所处的震中距大于D 时，则T2的理论到时可用T3台站的实测Pn到时减去BC 段的理论走时，T2的理论Pn到时减去实测到时，分析这两个数据的到时差再通过计算可以得到震源深度。但是，也存在特别情况，当D大于T1的震中距时，该台站则接受不到Pn震相，此时同样减掉AC 段，可得到T1的虚拟Pn到时［6］。

2.2.2 拾取Pb

在辽宁省的台网日常工作中没有对Pb震相的进行识别，因此需要重新拾取Pb震相。重新拾取需要运用到JOPENS软件，使用该软件从数据库中提取到Pg， Pn震相走时，单独识别Pb震相走时时则需要使用Reaphase.m 程序来读取。然后生成震相走时文档，对拟合V1、V2、Vn 提供数据。

3 初始模型建立

首先拟合收集到的震中距-走时数据，拟合结果如图3所示。

图3 P 波拟合图Fig.3P wavefitting diagram

由上图可以看出拟合得到了P波波速，将该数据设为初始模型的基本参数，结合辽宁模型的H1和H2共五个参数作为本次研究的初始模型。

表1 初始模型

4 最优模型

本节中根据拟合速度结果、初始模型以及前人研究成果和营口—海城地区的实际地质情况，对选定的133地震数据进行Hyposat 批处理。最后根据参数取值范围、Hyposat 处理结果残差大小以及以符合营口—海城实际地质情况的准则确立该区域最终的速度模型。

表2 初始模型扰动范围

为了得到更为精确的地震震中位置、地震时刻和震源深度以及定位走时残差，利用Hyposat 软件改变速度模型，同时扰动五个初始模型参数批量定位地震数据。进行比较后得到的走时残差值，确定最优的速度模型的参数。此次批处理一共计算了134 条地震的数据，2559个Pg震相，520 个Pn震相，2811个Sg震相，241个Sn震相。

Hyposat批处理过程分为三步（表3-5）：

表3 第一次扰动计算

表4第二次扰动计算Vpg VpbVpn CONR MOHO范围6.0～6.26.6～6.97.9～8.117～2232～35步长0.030.030.0311残差0.352 6.16.837.731931

表5第三次扰动计算Vpg VpbVpn CONR MOHO范围6.1～6.26.848.0418～2232～34步长0.010.010.0111残差0.352 6.106.837.731931

本次批处理实际使用了134条地震，90%的地震为营口、盖县、大石桥、海城区域范围内的地震。结果平均RMS0.352，辽宁模型结果平均RMS0.358；震中差平均约为0.56km。

图4 残差对比Fig.4Residual comparison

上面的结果可以看出在深度和震中差上营海模型与辽宁模型相差不大，但是走时残差结果更好的是营海模型。

5 检验营海模型

本研究使用未参与批处理计算的272 个地震对最优模型进行检验，检验结果表明，营海模型平均走时残差为0.314，辽宁平均模型的走时残差为0.315。营海模型要略优于辽宁模型。

图6 残差对比Fig.6Residualcomparison

选择2017年12月19日02 点39分辽宁海城M4.4级地震，重新拾取震相，使用相同的震相在两种模型下进行定位。发震时刻、震中位置、深度参数基本相同，但营海模型的走时残差为0.258，辽宁模型的走时残差为0.298，定位该地区地震时，营海模型还是略优于辽宁模型。

表6海城地震结果对比发震时刻经度（°）纬度（°）深度km震级M 类型 走时残差/s 模型2017-12-19 02：39.477123.0640.54 94.3天然地震0.298辽宁模型2017-12-19 02：39.220123.0640.54 10 4.3天然地震0.258营海模型

由以上分析结果可见，对震级0 至4级272 个地震进行批量处理，营海模型走时残差仅优于辽宁模型0.001秒，但对较大震级地震定位时其走时残差比对明显，相差0.04秒。

对以上结果又进行了进一步分析，处理ML2.0至3.0 地震393个，处理ML3.0以上地震39个。 ML2.0～3.0地震，辽宁模型残差为0.353，营海模型残差为0.349； M3.0 以上的地震，辽宁模型残差为0.406，营海模型残差为0.380。当震级较小时，参与定位台站数量较小，定位精度相对较差，引起走时残差优劣性不明显。当震级较大时，参与定位台站数量较多，定位精度高，当使用符合本区域的模型时，走时残差的优势就体现的更明显。

6 结论

在建立营海一维速度模型的过程中得到了以下认识：

（1）在2009年1月至2017年12 月时间段内，选择辽宁省内M ≥1级、且在定位过程中使用在3个以上台站的、范围在营口—海城的地震数据中Pg、 Pn震相，重新拾取了Pb震相，并对数据进行震中距-走时拟合，得到拟合V1、V2、Vn速度，与现使用的辽宁模型做对比，发现二者存在一定的差异；所以结果需要进一步修正。

（2）为了得到营口—海城的一个初始速度模型，可以用辽宁模型H1和H2作为基础，然后重新拟合P 波波速。

（4）利用Hyposat 批处理方法，使用未参与最优模型批处理计算的272 个地震重新定位，并与辽宁模型进行对比分析，分析结果表明，营海模型的定位残差较小，可以作为营口—海城区域最优模型。

（5）选择2017年12 月19日02点39分辽宁海城发生的M4.4 级地震，然后用模型对营海进行验证，对比营海和辽宁模型，从结果中可以看出，营海模型定位精度高，残值小，更加能表明营海模型在营口—海城地区的适用性。