利用井下摆近震记录研究华北盆地沉积层速度结构

朱音杰，刘 丽，杜 航，丁 成，刘 檀，石 磊

（1. 河北省地震局 石家庄中心台，石家庄 050021；2. 河北省地震局，石家庄 050021；3. 江苏省地震局，南京 210000；4. 河北省地震局承德中心台，河北 承德 067000）

0 引言

华北盆地是位于华北克拉通东部的一个大型裂陷盆地，区内广泛分布数千米厚的新生代地层[1]，是一个板内地震活跃、历史震害严重的区域。地震学研究表明，松散沉积层对震相走时和波形的影响十分显著，可能给地震定位带来较大误差[2-3]。华北盆地沉积层速度结构的研究，对该区地震的精确定位具有重要意义。前人关于研究区沉积层速度结构已有过一些研究。嘉世旭等[4]利用深地震反射/折射剖面探测得到华北盆地地表P波平均速度在1.5～1.8 km/s；沈伟森等[5]利用井下摆天然地震记录中直达S波与其地表反射波的到时差计算得到首都圈地区浅层100～500 m深度范围的S波速度结构为：浅部100 m的平均S波速度低于300 m/s，500 m时S波速增加到800 m/s，平均速度梯度为0.8 (m/s)/m；刘渊源等[6]利用井下摆天然地震数据测量得到首都圈区域近地表P波和S波平均速度分别约为1.6～2.0 km/ s和0.34～0.48 km/ s，波速比约为4.0～5.3。

近年来，华北盆地内小震活动十分活跃，积累了丰富的井下摆近震观测资料，为我们开展沉积层速度结构研究提供了新的数据。本文拟收集2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据，选取近场井下地震计观测记录，通过拾取井下摆记录的直达P波、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差，研究台站下方地壳浅部P波、S波平均速度，并将沉积层模型应用于地震定位，检验速度结构对定位精度的影响。

1 方法与数据

在华北盆地的近震井下观测记录中，经常能够观测到Pg波和Sg波的地表反射震相，即由直达波经自由地表反射、被井下地震计所接收的震相（P2,S2）（图1）。该震相通常与其参考震相成对出现，且两者的到时差仅依赖于地壳浅部的速度结构[7]。由于地震计的埋深是一个已知量，通过测量地表反射波与直达波的到时差，可以获得对浅地表平均速度的约束。以P波为例，对于井下摆震中距小于100 km，深度大于1 km的地震，其P波折射角均是小量[6]，在沉积土层中可简化为垂直入射，那么P波直达波与近地表反射波到时差就可以近似为

图 1 直达波（P1，S1）与地表反射波（P2，S2）

根据中国地震台网统一地震目录，收集2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形记录数据（图2），选取震中距50 km以内的井下地震计观测记录，拾取P、S的直达波及其地表反射波震相到时（图3），获得了42个台站、211个地震事件、364个震相到时数据。在采用的台站近震波形数据中均显示出了2个清晰的直达波和地表反射波震相，说明台站上方土层内没有显著的速度分层，否则将出现多个反射波震相。

图 2 2015—2018年M1.0以上地震震中分布图

2 结果分析

量取P、S直达波与地表反射波的到时差，选取到时差个数在3个以上的台站，计算各台站P、S波到时差的平均值，结合地震计的埋深，计算得到各台站下方P、S波平均速度（图4, 表1）。从表1可以看出，华北盆地井下摆台站下方地壳浅部300 m深度上的P波平均速度分布在1.36～3.12 km/s区间，S波平均速度分布在0.32～0.91 km/s区间。为了考察华北盆地地壳浅部速度结构的整体特征，计算P、S波平均速度得知，VP约为1.98 km/s，VS约为0.46 km/s，波速比约为4.3。

刘渊源等[6]研究表明，研究区近地表P波和S波平均速度分别为1.6～2.0 km/s和0.34～0.48 km/s,波速比约为4.0～5.3[6]，本文结果与其基本一致。同时，将单台的平均波速进行对比显示：绝大多数台站的结果差异较小。例如，对于WEA台，刘渊源等得到的VP和VS分别为 1.77 km/s和0.42 km/s[6]，本文结果为1.88 km/s和0.42 km/s，偏差分别为6%和0%。仅有个别台站的VP差异较大（偏差超过10%），例如JIH台，应当与P波震相信噪比较低引起的到时判读误差有关。对于该问题，因目前所掌握的近震数据仍比较有限，可以通过进一步积累观测资料予以核实。

为了考察速度结构对地震定位精度的影响，在crust1.0基础上构建含有松散沉积层的速度模型（表2）。使用Hypo2000方法对华北盆地2015—2018年27个M3.0以上地震事件进行重新定位。在定位过程中，选用相同的台站和震相到时，分别采用本文模型和华南模型（表3），并将定位结果进行对比（表4）。从表4可以看出，在删除残差≥10的错误数据后，基于沉积层模型和对比模型的定位残差均值分别为0.46 s和0.51 s，水平误差均值为0.68 km和 0.73 km，垂直误差均值为2.05 km和2.23 km。结果表明，沉积层模型可显著改善华北盆地地震定位的精度。

图 3 利用SAC软件拾取直达波及地表反射波到时

图 4 研究区地壳300 m平均速度分布图

3 结论

收集了2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据，选取近场井下地震计观测记录，通过拾取直达P波、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差，获得了台站下方地壳浅部300 m的P波、S波平均速度，并分析了波速的水平分布特征。

1）华北盆地沉积层浅部300 m的P波平均速度约1.98 km/s，S波平均速度约0.46 km/s，波速比约4.3。

2）在采用的台站近震波形数据中均显示了2个清晰的直达波和地表反射波，表明在井下摆以上的土层内均没有显著的速度分层。

表 1 研究区域内近地表速度结构部分数据统计

表 2 本文模型

表 3 华南模型

表 4 地震定位结果对比表

续表 4

3）地震定位结果表明，沉积层模型可显著改善华北盆地地震定位的精度。速度模型的不确定性对定位结果有较大影响，同时考虑到松散土层对P波、S波传播的延时性，故须经过大量数据计算与研究获取台站校正值，使沉积层模型更加有效地改善华北盆地地震定位的精度。