区域地壳速度模型对准确测定地震参数的重要性研究

宋秀青，游秀珍，刘　芳，刘双庆,朱元清

(1．上海市地震局，上海　200062；2．福建省地震局，福州　350003；3．内蒙古自治区地震局，呼和浩特　010051; 4.天津市地震局，天津　300201)

区域地壳速度模型对准确测定地震参数的重要性研究

宋秀青1，游秀珍2，刘芳3，刘双庆4,朱元清1

(1．上海市地震局，上海200062；2．福建省地震局，福州350003；3．内蒙古自治区地震局，呼和浩特010051; 4.天津市地震局，天津300201)

摘要：研究区域地壳速度模型是地震学研究中的经典问题，而震中位置和震源深度的准确确定与地壳速度模型密切相关。论述了中国各区域测震台网速度模型的现状，并分别以福建和内蒙古地壳速度模型的地震定位结果为例，说明合适的地壳速度模型对于准确测定地震参数的重要性。

关键词：速度模型；测震台网；地震定位；震源深度

0引言

地球内部的“不可入性”，使我们对其的认知非常有限，对于地球内部构造的研究仍处于探索阶段。众所周知，地震波速度是决定地壳结构的重要参数。地震波经由地下介质传播，能反映出地球内部的结构。因此，地震就像是一盏照亮地球内部的“灯”，地震工作者可以利用大量的地震资料来研究地球内部的速度结构。在测震台网的实际工作中，地壳速度模型和地震定位工作是紧密相关的，符合实际地壳结构的速度模型是准确求得震源深度的前提。各测震台网多年积累的地震资料正是开展速度模型应用研究的基础。2014年，在中国地震局监测预报司的支持下，由上海市地震局牵头开展了“全国区域一维速度模型建设及推广使用工作”，研究得到了31个省的一维地壳速度模型。这使得中国地壳速度模型工作有了进一步实质性的进展，同时也为震源深度的准确测定提供了必要先决条件。本文将以福建、内蒙古2个具有代表性的区域作为研究对象，分析区域地壳模型对地震参数准确测定的影响。

1中国测震台网速度模型现状

准确的速度结构对于地震定位、震源机制、矩张量反演等研究至关重要，同时也可以决定地壳介质的组分。近几十年来，地震学家们围绕着地壳速度开展了各种研究。比较成熟的方法,如地震层析成像方法[1-5]、人工测深地震探测方法[6-9]、接收函数法[10-13]、区域重磁资料方法[14-18]等，利用这些方法可以得到某一区域比较精确的地壳速度结构，其研究结果有效推动了地球科学的进步。但是，从实际应用角度来看，这类以等值线图方式给出的三维地壳速度结构更适用于科学研究中，在测震台网地震分析工作中，目前的定位程序还无法直接使用这类研究成果。中国地震局“十五”项目完成以后，各区域台网定位使用的软件MSDP是由广东省地震局开发的。据统计，有21家单位在速报或编目工作中使用了MSDP自带的华南模型。部分使用华南模型的区域，其实际地壳速度模型显然与之有一定差距。

随着区域台网台站的逐渐增密，地震被台站包围得越来越好。在实际定位中，即使使用的模型不十分匹配，对震中位置的准确测定并没有太大影响。然而，不可忽略的问题是，当台站分布不均匀，不能很好地包围震中，尤其在我国西部地区，台间距较大时，速度模型对震中位置的影响就会显现。另一个问题是，由于在深度方向上没有台站，因此，合适的速度模型对于震源深度的准确测定有着非常重要的作用。2014年新疆于田MS7.3地震序列的震源深度测定工作[19-20]，就是利用2009年到2013年间发生在于田地区的M≥2.0地震，重新确定了更适合于田地区的一维地壳速度模型。在此基础上，进行震源深度的准确计算，从而获得比速报更合理的震源参数结果。

2全国区域一维速度模型研究

由上海市地震局牵头开展了“全国区域一维速度模型建设及推广使用工作”，研究得到了31个省的一维地壳速度模型。此项工作涉及全国34家单位，使用了全国约1 500个台站实际测到的7万多个地震、64万多条震相数据。首先，采用2009—2014年发生在本省的地震，分别对Pg、Pn、Sg、Sn 4种震相进行线性拟合和滑动窗拟合，得到波速范围，并通过Pb震相的拾取，拟合得到康拉德界面的速度，由此得到各省初始模型：V1(Pg速度)、V2(Pb速度)、Vn(Pn速度)、VS(Sg速度)、VSn(Sn速度)、H1(上地壳厚度)与H2(下地壳厚度)；然后，通过折合走时方法和稳定性分析确定初始模型的试错范围，并用Hyposat软件批处理计算所有模型，在此基础上，用PTD方法[21-22]进一步验证和调整模型的合理性和有效性；最后，经过和原编目结果、爆破事件、精定位地震等比较验证，最终确定各省的一维速度模型。采用上述方法求得的一维速度模型是在充分考虑了地震分布、台站布局基础上的等效模型，更符合区域台网实际工作的需求。

由已经完成的模型测试结果显示，各省于2015年研究得到的一维速度模型(下称2015模型)就地震定位残差、震源深度等方面均有不同程度的改进，特别是一些现使用模型与实际地壳速度结构差别较大的省份。

3福建地震测定结果分析速度模型和地震定位精度的关系

福建台网使用的是华南速度模型[23]，该省是华南地壳速度模型计算时所采用地震资料的5个省份之一。因此，该地区的实际地壳速度结构和华南模型很接近。华南速度模型和研究得到的2015福建速度模型的具体参数如表1所示。

表1华南速度模型、2015福建速度模型和2015内蒙古速度模型参数表

速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.01Vs3.5521V26.88Vsb3.9311Vn7.98Vsn4.58速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.10Vs3.5721V26.87Vsb3.9011Vn7.98Vsn4.53速度/(km/s)速度/(km/s)厚度/kmV16.10Vs3.5724V26.60Vsb3.8617Vn8.05Vsn4.68

对比2个模型，2015福建模型的Pg速度略大，其他参数变化很小。但是，即使是微小的变化，对地震定位的结果也会产生一定的影响。本文挑选了2009—2014年间发生在福建省内、50%以上台站有记录且分布较均匀的75个地震，使用Hyposat批处理定位程序分别配置华南模型和2015福建模型进行计算，并分析2种模型的定位残差结果。其中，华南模型的平均定位残差为0.373，而2015福建模型的平均定位残差为0.257。使用2015福建模型定位的残差大部分小于华南模型，仅有6个地震的残差大于华南模型。华南模型的定位残差分布在0.2～0.6之间，2015年福建模型除个别地震外，绝大部分定位残差分布于0.1～0.4之间(图1)。

图1　2015福建速度模型和华南速度模型定位残差比较

一般情况下，P波初至震相拾取误差小于0.5 s，后续震相拾取误差小于1 s。根据中国地震局对地震编目的各项要求，同时考虑到很多震中位置能被地震台站包围，故假定编目报告中的震中定位结果是相对可靠的，我们将其作为相对标准分别衡量采用不同模型定位的震中水平位置偏差。计算结果显示，使用2015福建模型的定位结果要优于华南模型。华南模型的定位结果和编目相比，平均震中水平差是1.223 km，而使用2015福建模型定位的平均震中水平位置偏差是0.701 km。其中，华南模型震中水平偏差<1 km的地震37个，震中水平偏差>2 km的地震11个；使用2015福建模型定位的全部75个地震震中水平偏差<2 km，其中，震中水平偏差<1 km的地震达到57个(图2)。由此可以看出，模型的改变，会影响到地震的定位结果。2015福建模型和华南模型相比结果显示，虽然变化值较小，但确实改善了定位结果的残差，提高了可靠性。

需要说明的是，在原编目结果中，为了追求较小的定位残差，部分Pn震相权重置0，而在使用Hyposat批处理程序重新定位时，所有震相权重置为1(全部参与定位)。这样做的目的，一是提高数据资料的使用率，二是检验模型的可靠性。如果模型较符合实际地壳结构，定位残差会呈现总体变小的趋势。

图2　2015福建模型和华南模型震中水平位置偏差比较(和编目结果相比较)

4内蒙古地震测定结果分析速度模型和震源深度的关系

内蒙古地震台网目前使用的是华南速度模型，该模型和内蒙古地区实际地壳速度结构有一定差别[24-25]。图3是2009年1月1日至2015年9月20日内蒙古测震台网记录到的M≥2.0的全部地震的震源深度对比(选取震中位置在内蒙古自治区内，共计354个地震)。图3中，红色圆圈代表原来的编目结果深度，用单纯型定位方法和华南模型分析所得；蓝色圆圈是从国家台网编目数据库中下载的内蒙古台网震相数据，用PTD方法结合2015内蒙古速度模型计算所得到的新深度。

可以清晰地看到，同一个地震同样的震相资料，华南模型计算所得的深度绝大部分偏浅。其主要原因如下：首先，单纯型定位方法的深度结果强烈依赖初值，定位程序中深度的初始值设定为10 km，因此震源深度始终在10 km附近搜索；其次，因为模型不符合实际地壳结构，有1/6地震的震源深度无法求出，显示为0 km(图3，红色圆圈)。而使用2015内蒙古模型后，由于更符合该区域的实际地壳结构，不仅能求得震源深度，而且呈现垂向变深的总体趋势，其值大致分布在10～20 km左右。原编目结果使用华南模型计算的354个地震的平均震源深度为6.3 km,使用2015内蒙古模型并结合PTD方法重新计算的平均深度结果是13.9 km。同样的，在原编目结果中，部分残差较大的Pn震相权重置0，不参与运算，在使用PTD方法重新计算深度时，使用了全部初至震相。

对比华南速度模型和2015内蒙古模型，两者最大的差别是莫霍面深度相差9 km左右，各层的速度也有一定变化(表1)，这一差别使得震相实际走时和给出的理论走时不匹配，从而无法得出较好的震源深度。综上所述，目前由于大部分测震台网的布局较密，地震基本能被台站包围，因此模型匹配与否，对震中位置的准确测定影响不是很大。但是，不准确的速度模型必定会影响震源深度的准确测定。

注：选用2009年1月1日至2015年9月20日内蒙古测震台网记录到的M≥2.0地震。原深度使用模型：华南速度模型；新深度使用模型：2015内蒙古速度模型；主图表示震源深度的三维分布，右侧图代表震源深度沿纬度方向的分布，下方图代表震源深度沿经度方向的分布图3　使用不同模型计算的震源深度结果对比

5结果与讨论

1)合适的速度模型对测定地震定位参数具有重要的意义，特别是对于准确确定震源深度更有着举足轻重的作用。

2)以等值线和色标方式给出的三维地壳速度结构图，现阶段更适用于科学研究。“十五”项目以后，我国各区域测震台网均使用由广东省地震局开发的MSDP软件进行地震分析和定位，该软件所包含的几种定位方法均采用一维速度模型。因此，充分考虑了地震分布和台站布局基础上的等效一维速度模型，更符合现阶段区域台网实际工作的需求。

3)“全国区域一维速度模型建设及推广使用工作”使很多省级台网中心实现了适用于本地区的速度模型从无到有的跨越。当然，地震的实际发生不可能按照行政区域的划分，对于一些地壳结构复杂的地区，比如“南北地震带”，东西两边的地质构造差别很大，莫霍面深度相差20 km左右，如果使用四川省的全省平均一维速度模型，是很难解决精确测定震源深度的问题。对于这样的复杂地质构造区域，有必要进一步细化模型。另外，两省或两省以上交界处的地震，该使用哪个速度模型来定位，或如何更好地解决相邻省交界处的地震定位，也是值得进一步探究的问题。

总而言之，合适的速度模型对于准确测定地震有着非常重要和深远的意义，这是一项需要长期坚持的任务。

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Importance of Velocity Model to Accurate Location of earthquake

SONG Xiu-qing1, YOU Xiu-zhen2, LIU Fang3, LIU Shuang-qing4, ZHU Yuan-qing1

(1. Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 200062, China;2. Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003, China;3. Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region, Huhhot 010051, China;4. Earthquake Administration of Tianjin Municipality, tianjin 300201, China)

Abstract:How to get the appropriate crustal velocity model is a classical problem in seismology research. And the accurate determination of the epicenter and the focal depth is closely related to the velocity model. This paper briefly introduces the present situation of the velocity model of the seismic network in China, and selects earthquakes took place in Fujian and Inner Mongolia as examples to explain the importance of the appropriate velocity model for the accurate determination of earthquakes.

Key words:velocity model; seismic network; earthquake location; focal depth

收稿日期:2015-10-30

基金项目：地震科技星火计划项目(XH15017Y)；中国地震局监测司专项任务(15080404)

作者简介：宋秀青(1974—)，女，工程师，主要研究方向：震源深度及地壳速度模型等．E-mail：dzzysdyj@126.com

中图分类号:P315.3

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)02-0027-05

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.005

宋秀青，游秀珍，刘芳，等．区域地壳速度模型对准确测定地震参数的重要性研究[J]．华北地震科学，2016，34(2):27-31.