吉林前郭地区一维P波速度模型研究

张洪艳，马铭志，刘轶男，卢燕红，陈 聪

（1 吉林省地震局，吉林 长春 130117；2 丰满地震台，吉林 吉林 132000）

吉林前郭地区一维P波速度模型研究

张洪艳1，马铭志2，刘轶男2，卢燕红1，陈 聪1

（1 吉林省地震局，吉林 长春 130117；2 丰满地震台，吉林 吉林 132000）

基于2013年10月31日至2014年8月25日吉林前郭地区发生的290次地震事件的P波到时数据，利用Kissling提出的VELEST程序，获取了前郭地区最小一维P波速度模型。并将新模型应用到前郭地震重定位和PTD定震源深度中，二者综合显示获取的最小一维P波速度模型对于提高地震定位的精度有一定的现实意义。

最小一维P波速模型；吉林前郭；PTD方法；地震重定位

0 引言

截止目前，吉林省地震监测台网建设初步成熟，主要由5个国家数字测震台、20个区域数字测震台及2个火山台网中心（包含14个子台）共39个台站组成，同时共享辽宁、黑龙江、内蒙三个邻省的13个台站，地震监测能力明显提高，地震速报速度也得到了很大的改善。2006年以来，吉林前郭地区发生了6次中强地震：2006年3月31日5.0级，2013年10月31日至11月23日，先后发生了5.5、5.0、5.3、5.8、5.0级地震，数次中强地震对我省前郭地区造成了较大的经济损失和人员损伤。

目前我台网常规定位方法采用的速度模型为J-B近震走时表和华南模型两种，而忽略了吉林地区速度模型的模向不均匀性，前郭震区发生在松辽盆地的中央凹陷带内，带内是沉降速度最快、幅度最大、坳陷最深、地震活动最为活跃的地区，该区内的断裂较为发育，老断裂的重新活动以及新断裂的产生，导致整个断裂系统呈现出了继承性、阶段性和差异性［1］，该区内特有的地质构造，直接影响了定位结果的不确定性，降低了地震参数的精度。因此矫正目前使用的地壳速度模型，产出适合本区域的区域速度模型，有利于提高地震定位的精度，从而为后续的地震救援、震后趋势判定以及资料产出奠定了基础。

2013年前郭震群发生后，我省启动了三级应急预案，震中附近流动台的布设，为此次震群序列记录提供了充足的保障，并积累了丰富的地震资料。本文主要利用2013年前郭震群序列，利用现有的数字化台网记录的地震到时资料，运用Kissling提出的VELEST方法研究前郭震区最小一维P波速度模型。同时，将得到的模型在前郭地区的地震定位实践中反复校验，针对新模型对2013年前郭地震序列重新定位，进一步验证模型的可信度，并挑选前郭地区15个地震事件，利用PTD方法重新获取15次事件的震源深度。

1 方法

地球内部速度模型已由一维发展到三维［2-4］。地球内部三维速度结构的复杂性主要取决于地球内部的地质构造、物质分布、断裂构造以及深部结构等因素，而基于一维速度模型的计算，相对于三维模型在一定的精度范围内具有高效率、低成本等优点。

式（1）中obst和s已知，h和m未知。引入先验一维速度模型，根据射线追踪计算理论走时calet，则走时残差rest可表示为震源参数扰动h∆ 和模型参数扰动m∆的函数。

震源参数及模型参数之间在一维速度模型下存在高度的非线性关系，为了获取rest与∆hk和∆mi之间的线性关系，对式（1）进行一次Taylor级数展开：

式（2）中，t为走时残差向量，h为震源参数扰动向量，m为模型参数扰动向量，e为误差向量。

确定最小一维速度模型的VELEST程序是由Kissling等［5-7］提出的，先用初始参考模型（根据地质或地球物理信息建立）进行地震定位，然后采用震源位置修正震源模型，反复迭代最终获得n个解，从中选取走时均方根残差最小的解即为最小一维速度模型［8-9］。

2 研究资料及结果

2013年10月31日吉林前郭发生5.5级地震，震后吉林省地震局和黑龙江省地震局在震区附近50km范围内陆续布设了9个临时流动观测站，组成了临时的小型观测台阵，应急流动台的台间距在15km左右，对前郭震区形成了较好地监控。临时流动台、省内固定台与周边共享台共同记录此次震群的发展序列。

截至2014年8月25日，45个固定台和9个流动台共监测到单台和可定位事件1162次，其中可定位事件一共560次，针对序列中560次可定位事件采用常规定位方法重新定位，对震相数据以及残差进一步控制，从而提高震相判读的可靠性和可用性，减小人为误差。经过严格数据筛选，共有至少被4个台以上记录到的290次地震事件参与此次计算（图1）。

图1 研究区地震、台站及构造分布图蓝色三角为流动台，黑色三角为固定台，黑色线表示断裂；F1为扶余-肇东断裂，F2为克山-大安断裂，F3为查干泡-道字井断裂Fig.1 Regional distribution map of earthquakes， Seismic stations and faults stars present station

图1显示，应急流动台密集分布在震区附近，结合省内固定台和周边共享台对震区形成了比较好的监控。近台与远台相结合，既对空间位置有较好的校正，还有利于进一步提高震源深度的精度。此次地震序列弥散地分布在查干泡－道字井断裂与扶余－肇东断裂交汇处，密集区长轴约28km，短轴约26km，呈椭圆形展布。

Kissling等提出可以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。吉林台网日常使用JOPENS地震观测系统中MSDP地震分析软件，前郭震区没有该地区特有的速度模型，地震分析时主要使用单纯型法、Hyposat方法和LocSAT三种方法，所用的速度模型主要为J-B近震走时表和华南模型，在实际计算中分别采用两种模型对比，选取定位结果相对稳定，残差相对较小的华南模型为初始速度模型（图2）。

在计算迭代的过程中，主要的控制参数有：震源参数、速度参数和台站校正的阻尼系数，在计算过程中要保证参数的分辨率与数据方差达到最优均衡，选取合适的控制参数，最终得到松原地区最优的最小一维P波速度模型（图2）。结果显示新模型与华南模型速度整体差异不大，其中0～20km处速度值与初始值相差较小，20～32km处最优模型的速度值略高于华南模型，相差约0.2km/s，32～50km处最优模型的速度值略低于华南模型，相差约0.18km/s。

图2 华南模型（红色）和最小一维P波速度模型（蓝色）Fig.2 South china model（red） and Minimum 1D velocity model（blue）

3 结果评价

3.1 精定位结果

双差法利用信号的走时差修定震源位置，主要基于两个地震震源之间的距离远小于事件到台站的距离，从而认为震源区到台站间的射线路径几乎相同［10］。良好的速度模型可以有效提高地震定位结果的可信度，双差定位采用的速度模型为水平分层，因而震源处的速度值对定位结果存在一定的影响，所以速度模型的选取很重要［11］。

经过严格的数据筛选，选出2013年10月31日至12月10日期间由12个固定台和9个流动台所记录到的343次地震事件（图3）共6550条震相数据，其中包括2388条P波和2497条S波到时数据，单次事件至少被4个以上台站记录到。重定位前地震序列震中分布平面图以及沿不同剖面的震源深度分布图（图3）显示：重定位前地震分布较为分散，并未呈现出明显的优势分布方向，地震弥散地分布在扶余－肇东断裂和查干泡—道字井断裂交汇部位，震源深度在0～20km内的水平层状现象较为明显，5次5级地震的震源深度主要集中在4～14km范围内。

图3 重定位前地震序列平面图和AB剖面、CD剖面的震源深度分布图Fig.3 The plan， profile（AB、CD）， frequency map of the original earthquake sequence

图4为重定位后地震震中及沿不同剖面的震源深度分布图，重定位后共获得336个地震事件的基本参数，走时残差在重定位前后得到了较大的改善：重定位前走时残差在0.060s～0.956s之间幅动，重定位后走时残差在0.027s～0.100s间幅动，重定位走时残差均值为0.10s，提升的幅度较大。

图4 重定位后地震序列平面图（a）和AB剖面（b）、CD剖面（c）的震源深度以及震源机制分布图Fig.4 The plan， profile（AB、CD），frequency map of the the relocated earthquake sequence

重定位后的地震序列条带状分布更加明显，主要集中分布在查干泡－道字井断裂北支东侧，震中分布的优势长轴与查干泡－道字井断裂北支走向一致，走向为北偏西30o左右。沿经向和纬向的震源深度剖面图显示：沿着震中分布的优势长轴走向（A-B剖面），地震主要集中在5～15km范围内，5次5级地震的震源深度主要集中在8～13km范围内，表明该区的发震层较浅主要集中在中上地壳。

地震定位结果的优劣，既要看定位结果的走时残差、台站与震中的分布情况，同时还要结合地质断层带分布的吻合情况，因为地震活动与活动断裂有较强的对应关系［8，12］。使用最小一维速度模型可以减轻横向速度不均匀性及场地效应对地震定位产生的影响，从而有效地提高地震重定位的精度［9］。我们的精定位结果与断裂的展布较一致，收缩吻合的较好，进一步说明我们得到的速度模型对前郭地区的地震定位精度有一定的改善。

3.2 PTD深度

震源深度是地震参数测定中比较棘手的问题，日常地震定位中震源深度的测定往往利用直达波辅助确定震源深度，若地震发生在台站附近测定的误差和不稳定性相对较弱，但当震中距大于50km时，这种方法所带来的误差和不稳定性较强［13］。

挑选松原地区15次地震事件，采用PTD方法［11］，利用不同震中距上记录到的初至波Pg和Pn到时，将初至Pn到时作相应的变换后减去初至Pg到时测定震源深度，初至波的拾取精度高、台站多，Pn和Pg震相对震源深度更敏感，从而克服了直达波辅助定震源深度的缺陷［10］。利用PTD方法确定了15次事件的震源深度（图5）。图5为PTD结果与地震编目深度结果对比，地震编目的深度主要集中在8km左右，PTD的结果主要集中在10km左右，与精定位的结果基本符合。

图5 PTD与地震编目深度结果图Fig.5 The focal depth of PTD and earthquake catalog

图6 采用新模型PTD结果图Fig.6 The results of PTD with new model

图6挑选了4次地震事件的PTD结果图，结果显示图形分布状态更趋近于高斯分布，高斯分布的顶点和最大值基本符合，15个地震应用最小一维模型计算得到的震源深度较为可靠。

4 结论

利用前郭震群固定台、流动台以及邻省共享台记录到的地震观测走时资料，通过Kissling提出的VELEST程序，获取了前郭地区最小一维P波速度模型。结果显示最小一维P波速度模型与华南模型的差异较小，浅部（0～20km）P波速度变化微小，20～32km处最优模型的速度值略高于华南模型，相差约0.2km/s，32～50km处最优模型的速度值略低于华南模型，相差约0.18km/s。

本研究针对最小一维速度模型在地震重定位以及PTD计算震源深度二方面进行了应用。地震重定位结果显示地震定位的精度在经度、纬度、深度方向上有了很大提高，重定位后地震的优势分布方向明显，与查干泡－道字井断裂北支较一致，震源深度的分层现象得到了较大地改善，最小一维P波速度模型对地震定位精度的提高有较大的帮助。同时利用PTD方法得到了15个地震事件的震源深度，结果显示震源深度主要集中在10km左右，与精定位的结果基本符合。PTD结果图的图形分布状态更趋近于高斯分布，其顶点和最大值基本符合，得到的15个地震事件的震源深度较为可靠。

综合分析本文确定的最小一维P波速度模型，要优于华南模型，更能接近于该区域的真实速度。但由于盆地内部的地质构造比较复杂，本文所选数据以及初始模型的选取尚存在一定的局限性，地震与台站的分布格局尚有不足，因此本文所得结果只能相对的提高地震定位的精度。

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MINIMUM 1D VELOCITY MODEL APPLIED IN JILIN QIANGUO AREA

ZHANG Hong-yan1， MA Ming-zhi2， LIU Yi-nan2， LU Yan-hong1， CHEN Cong1

（1 Earthquake Administration of Jilin Province， Jilin Changchun 130117， China；2 Fengman Seismic Station，Jilin Jilin 132000，China）

Using P wave arrival times of 290 earthquakes occurred in Qianguo of Jilin province from Oct.31st，2013 to Aug.25th，2014，we obtained the P wave velocity model by the minimum 1D velocity model method raised by Kissling， it was used in the earthquake accurate location and focus depth with PTD method . The two method displayed that the new minimum 1D velocity model have certain practical significance for improving the precision of the earthquake location.

minimum 1D velocity model method； Jilin Qianguo； PTD method；double-difference location algorithm

P315.3

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.004

1674-8565（2016）03-0019-06

测震台网青年骨干培养专项（20140307）；中国地震局监测、预测、科研三结合课题（160703）；青年科学基金项目（41404071）；吉林省地震局合同制科研课题（日本9.0级地震吉林地区前兆观测同震响应）联合资助

2016-04-06

2016-05-28

张洪艳（1979-），女，吉林省舒兰市人，硕士研究生，高级工程师，现主要从事地震编目和地震研究等相关工作。E-mail：56617347@qq.com