内蒙古分区地壳速度模型的建立及应用分析

赵艳红 舒雷 刘永梅 张珂 尹占军

内蒙古自治区地震局，呼和浩特市新城区哲里木路80号 010010

0 引言

内蒙古自治区幅员辽阔，地形狭长，东西长约3000km，横跨东北、华北、西北地区，并且位于南北地震带北段等重要构造区的最北端，地质构造复杂，地震活动比较强烈。从西至东主要活动断裂带包括雅布赖山山前断裂、狼山山前断裂、色尔腾山山前断裂、大青山山前断裂、赤峰-川井断裂、西拉木伦河断裂等。历史上曾发生多次灾害性大地震，20世纪70年代以来，发生了和林格尔6.3级、包头西6.4级、赤峰-阿鲁科尔沁旗5.9级、西乌珠穆沁旗5.9级，尤其是2013年科左后旗5.3级、2015年阿拉善左旗5.8级等一系列中强地震。因此，提高地震定位精度尤为重要。地震定位一般指确定地震的震源位置（经度、纬度和深度）及发震时刻。影响地震定位精度的因素很多，如台站分布、震相测量误差、定位算法、速度模型等，其中，地壳速度模型与地震定位的精度密切相关。同样，在测定地震震源深度时，地壳速度模型的作用更加突出（朱元清等，1990）。在日常地震监测工作中，合适的地壳速度模型可以帮助地震学家准确地判断测定的精度（朱元清等，1997；张天中等，2007；陈向军等，2014）。

通过应用良好的速度模型可以提高定位结果的可信度；反之，也可以通过比较定位结果来判断速度模型的优劣（孙安辉等，2011）。一维地震波速度模型是区域地震构造研究的重要基础，三维成像反演的可靠性有赖于一维模型的准确建立；另一方面，基于一维速度模型的计算相对于基于三维速度模型的计算，在精度允许的范围内具有低成本、高效率等优势。因此，一维速度结构依然是当前地下速度结构研究的重点内容之一。

内蒙古测震台网从 “十五”数字化网络建成至2015年使用华南模型；2016年以后使用的是 “内蒙古2015速度模型”，这2种模型都属于平均一维速度模型。内蒙古复杂的地质构造使得对该地区发生的地震进行精定位时，此时的一维地壳速度模型显得不充分，因此选用适合震区的速度结构模型十分重要（赵艳红等，2018）。

随着测震台网监测能力的提高，每年记录到的发生在内蒙古的地震已超过 1000个，其中，有多台记录的地震所占比例超过50%。这为研究内蒙古不同地区的速度结构提供了基础资料，依据历史上全区记录的地震震中分布图（图1），可清楚地划分出 3个地震密集区域，即西部阿拉善地区、中部呼包鄂地区和东部锡林浩特至呼伦贝尔地区。

图1 2009～2016年内蒙古地震震中和台站射线分布

本文建立了3个地震密集区域的分区速度模型，得到了符合地震实际记录的速度结构模型。此外，2009～2016年多年丰富的地震震相数据使我们能对得到的速度结构模型的可靠性和稳定性进行分析，这对认识内蒙古地区各分区地壳速度模型的差异十分重要。

1 内蒙古分区速度模型的研究

1.1 资料选取

分别选取内蒙古地震台网 2009～2016年记录到的发生在内蒙古西部区域（36°～46°N，97°～108°E）的 225次 ML≥3.0地震、内蒙古东部区域（38°～54°N，108°～116°E）的 131次ML≥3.0地震、内蒙古中部区域（36°～50°N，116°～126°E）的 84次 ML≥3.0地震事件。对以上地震波形数据进行了格式转换及震相拾取，拾取了西部区域Pg走时数据 3467条、Pn走时数据 810条、Pb走时数据 89条、Sg走时数据 3516条，东部区域Pg走时数据 1898条、Pn走时数据 930条、Pb走时数据 45条、Sg走时数据 1967条，中部区域Pg走时数据 1247条、Pn走时数据304条、Pb走时数据 100条、Sg走时数据1280条，分别进行Pn、Pb、Pg、Sg震相速度拟合，并得到 vPg、vPb、vPn、vSg的拟合值。

1.2 原理和方法

大陆地壳较厚，平均约为 35km，高山和高原可达40km，地壳分为花岗岩层和玄武岩层。在李祥等（1987）、刘昌铨等（1991）研究结果的基础上，刘芳等（2016）、张帆等（2015）对内蒙古地区地壳速度模型进行研究，得到内蒙古地区Moho面平均深度为41km。在此次研究搜集的地震目录中拾取到大量Pb震相，这表明康拉德面存在的假设是合理的。假设地壳结构为2层，地震波在层内速度均匀，康拉德面波速与下地壳波速相同，则速度模型包含 5个参数，即上地壳波速v1、下地壳波速v2、沿莫霍面波速vn、上地壳厚度 H1和下地壳厚度 H2。纵波传播路径示意见图2。

图2 地壳内纵波传播路径

采用地震震相速度拟合曲线和折合走时曲线方法对上地壳速度v1（vPg）、下地壳速度v2（vPb）、莫霍面速度v3（vPn）、上地壳厚度H1和下地壳厚度 H2等参数进行合理调整，建立初始模型。调整原则为：①调整震相数据离散度，删除实际震相与理论线相差4s的到时数据；②调整深度，使实际震相数据位于理论线中间位置；③调整速度，使其实际数据与理论线平行。

利用Hyposat方法批处理结果进行实验试错，最终反演确立内蒙古各个区域的地壳速度模型。Hyposat定位法基于经典的Geiger法（Geiger，1912），除采用传统的震相到时外，还可应用震相到时差、台站到震源的方位角和地震射线等参数来进行定位。其地球结构速度模型既可采用通用的全球模型（Jeffreys-Bullen、PREM、AK135等）及全球地壳模型 CRUST5.1，也可以采用使用者给定的具体区域模型（Mooney et al，1998）。

1.3 内蒙古分区速度模型建立

由于各分区速度模型的研究方法相同，所以本文以西部速度模型的建立过程为例。

1.3.1 初始模型

通过速度拟合、分区扫描及折合走时确定地壳厚度及速度的方法，确定内蒙古西部区域初始速度模型。

1.3.1.1 速度拟合

对选取的内蒙古西部区域225次ML≥3.0地震（台站数N≥8），提取Pg走时数据 3467条、Pn走时数据 810条、Pb走时数据 89条、Sg走时数据 3516条，进行Pn、Pb、Pg、Sg震相速度拟合，得到 vPg、vPb、vPn、vSg的拟合曲线（图3）。

1.3.1.2 分区扫描

图3 内蒙古西部区域225次地震速度拟合

表1 分区扫描结果

为考查西部区域地震波速的稳定性，根据地震发生频次设置步长进行分区拟合扫描，得到 Pn、Pg、Pb、Sg波速度拟合均值 vPn、vPg、vPb、vSg，具体结果见表1。

1.3.1.3 折合走时确定地壳厚度及速度

依据Pg、Pb、Pn震相及其分区扫描后的速度均值，计算折合走时

其中，TZ为折合走时；TL为理论走时；Δ为震中距；v为波速。

基于华南速度模型，由式（1）得到 P波折合走时曲线（图4（a））。由图4（a）可见，Pg、Pn震相值均落在理论线的上方，说明该模型设置的莫霍面深度偏小，震相速度 vPg、vPn分布与理论线接近水平。

基于内蒙古2015速度模型，得到P波折合走时曲线（图4（b））。由图4（b）可见，Pg、Pn震相值均落在理论线的上方，说明该模型设置的莫霍面深度也偏小，震相速度vPg、vPn分布与理论线接近水平。

P波走时分2次调整如下：①莫霍面深度调整：将莫霍面深度增加至46km（H1＝27km，H2＝19km），速度调整：将 v1由6.09km／s调至6.12km／s，上调 0.03km／s；②莫霍面深度调整：将莫霍面深度调至 46km（H1＝32km，H2＝14km），速度调整：将 v1由6.12km／s调至6.07km／s，下调0.05km／s。最终使P波折合走时实际数据位于理论走时曲线中间，使数据整体分布趋势与理论线平行（图4（c）、4（d））。4次P波折合走时结果见表2。

图4 P波折合走时曲线

表2 P波折合走时结果

综合地震速度拟合曲线和折合走时曲线的结果，得到内蒙古西部区域地壳一维速度初始模型参数为 vPg＝6.07km／s、vPb＝6.60km／s、vPn＝8.20km／s、H1＝32km、H2＝14km。

1.3.2 西部区域速度模型确立

选取内蒙古地震台网记录的225次ML≥3.0地震，应用西部初始模型并且在一定扰动范围内设定不同的值设置数组模型，采用Hyposat批处理方法进行2次搜索定位，第1次搜索结果最小平均残差 RMS＝0.476，第2次 RMS＝0.463；以同样的方法，使用华南模型批处理，平均残差RMS＝1.307，使用内蒙古2015速度模型批处理，RMS＝0.961（表3）。

表3 H yposat批处理2次搜索结果

依据Hyposat批处理得到的最优平均残差结果，综合前人研究结果、西部区域地震震相拟合曲线和折合走时曲线得到的西部初始模型结果，并结合内蒙古西部地区的区域地质构造特征，确立西部速度模型为：vPg＝6.06km／s；vPb＝6.61km／s；vPn＝8.12km／s；H1＝30m，莫霍面深度 H＝44km。

1.4 3个分区速度模型与内蒙古2015速度模型、华南模型的对比

通过研究确立了与内蒙古各区域相适应的分区速度模型，即西部vPg＝6.06km／s、vPb＝6.61km／s、vPn＝8.12km／s、H1＝30km、H2＝14km；东部 vPg＝6.05 km／s、vPb＝6.72 km／s、vPn＝8.05km／s、H1＝25km、H2＝14km；中部 vPg＝6.07 km／s、vPb＝6.59 km／s、vPn＝8.08 km／s、H1＝27km、H2＝14km。此外，将分区速度模型与内蒙古 2015速度模型（vPg＝6.05 km／s、vPb＝6.60km／s、vPn＝8.05km／s、H1＝24km、H2＝17km）、华南模型（vPg＝6.01km／s、vPb＝6.88km／s、vPn＝7.98km／s、H1＝21km、H2＝12km）进行了对比（图5）。

2 分区速度模型的批处理结果分析与检验

分别利用西部、东部、中部速度模型及内蒙古2015速度模型、华南模型，使用Hyposat定位方法对各区域的地震进行批处理重新定位，得到各组地震定位参数。

2.1 地震定位的拟合残差分析

拟合残差是直观有效地对定位结果误差进行衡量估计的方法之一。分别在分区速度模型、内蒙古2015速度模型及华南模型下，使用Hyposat方法批处理重新定位，对定位拟合残差进行比较。

2.1.1 西部区域

随机抽取2009～2016年发生在内蒙古西部区域的88次地震分别用西部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型重新进行定位，得到走时残差对比图（图6）。由图6可见，利用华南模型定位走时残差为 0.077～3.046s，均值为0.523s；内蒙古2015速度模型定位残差为0.037～3.125s，均值为0.463s；西部模型定位的残差为0.055～1.424s，均值为0.382s。因此，利用西部模型定位，走时残差均值明显降低。

图5 模型对比

2.1.2 东部区域

对于101次地震，利用东部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型分别进行定位，得到走时残差对比图（图7）。由图7可见，华南模型定位走时残差为0～2.185s，均值为0.475s；内蒙古2015速度模型定位残差为0～0.911s，均值为0.333s；东部模型定位残差为0～0.909s，均值为0.327s。东部模型定位较内蒙古2015速度模型定位走时残差均值降低0.006s，较华南模型定位走时残差均值降低0.148s。

图6 西部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型定位走时残差对比

图7 东部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型定位走时残差对比

2.1.3 中部区域

对于95次地震，利用中部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型分别进行定位，得到定位走时残差对比图（图8）。由图8可见，华南模型定位走时残差为 0.126～2.553s，均值为0.644s；内蒙古2015速度模型定位残差为0.08～2.567s，均值为0.530s；中部模型定位残差为0.075～1.518s，均值为0.504s。由此可见，中部模型最好。

2.1.4 定位残差检验结果

每组定位残差经对比分析由图6、7、8可见，利用各个区域的分区速度模型定位的残差值范围最小，曲线最平稳，残差均值最小。个别地震的定位残差超过2.0s，分析其原因，是因参与定位的台站偏向一边，对地震包围不好，空隙角太大，加之速度模型不合适造成的。由图6、7、8可见，上述情况在西部区域表现更明显，中部区域定位质量最好。这与内蒙古测震台站数量西部较少且偏向一侧的总体布局结构相吻合。

2.2 地震定位震中偏差分析

地震定位的震中偏差是反映定位结果质量的指标之一。随机抽取发生在内蒙古各区域内的地震，分别利用分区模型、内蒙古2015速度模型、华南模型，使用Hyposat方法批处理重新定位后，以全国地震月报目录结果（编目结果）中的震中为基准，得到地震定位震中偏差（震中差），并对每组震中差进行对比。

2.2.1 西部区域

对“西部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”的震中差作比较，结果如图9所示。由图9可见，“西部模型-编目”震中差为 0.17～11.84km，均值为 2.92km，3次地震震中差＞10km；“华南模型-编目”震中差为0.21～19.85km，均值为3.80km，8次地震的震中差＞10km；“内蒙古2015速度模型-编目”震中差为 0.14～19.44km，均值为 3.34km，3次地震的震中差＞10km。由此可见，“西部模型-编目”的震中差均值最小。

图8 中部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型定位走时残差对比

2.2.2 东部区域

对101次地震的“东部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”震中差作比较（图10）。由图10可见，“东部模型-编目”震中差为0.13～4.92km，均值为1.52km；“内蒙古2015速度模型-编目”震中差为0.11～18.79km，均值为1.84km；“华南模型-编目”震中差为0～19.80km，均值为2.92km。

2.2.3 中部区域

分别对85次地震“中部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”的震中差作比较（图11）。由图11可见，“中部模型-编目”震中差为 0.14～9.97km，均值为2.72km；“内蒙古2015速度模型-编目”震中差为0.14～10.46km，均值为3.02km；“华南模型-编目”震中差为0.20～15.96km，均值为3.74km。

图9 “西部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”震中差对比

图10 “东部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”震中差对比

2.3 典型事件实例检验

为了确定本文建立的分区模型的合理性，分别采用人工爆破、精定位典型地震，利用PTD、Hyposat方法的结果检验分区模型的合理性和适用性。

2.3.1 人工爆破

2014年5月31日18时18分阿左旗爆破，内蒙古地震台网中心完整地记录了此次爆破的波形，分别使用华南模型、内蒙古2015速度模型、西部模型采用同样的震相数据和定位方法（单纯型）重新定位，并与实测位置及编目结果作比较（表4）。

表4 2014年5月31日阿左旗爆破定位结果对比

由表4可见，西部模型的定位结果最佳。其他2个分区没有实测爆破资料，所以仅以西部模型为例。

2.3.2 典型地震事件

2.3.2.1 同一模型不同定位震源深度方法定位结果

选择2014年7月11日四子王旗ML3.5地震，基于中部模型，使用Hyposat方法定位深度为11.6km；使用PTD方法定位深度为9.4km（图12）。

图11 “中部模型-编目”“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”震中差对比

选择2016年1月23日赤峰ML3.6地震，基于东部模型，使用Hyposat方法定位深度为18.1km；使用PTD方法定位深度为16.7km（图13）。

基于相同模型，由不同定位方法计算得到的2个地震事件的震源深度相近，稳定性较好。西部模型亦然，在此不再赘述。

2.3.2.2 相同定位方法不同模型定位结果

在各分区随机选取1个地震，使用相同定位方法（Hyposat）不同模型对地震震源深度重新定位，并对比各组定位结果（表5）。由表5可见，使用各个分区模型定位震源深度的残差在同组中均最小。这表明在震中定位结果一致的情况下，残差越小，对应的走时模型越好。

3 结论

通过对内蒙古各区域的地壳速度模型的分析得到以下结论：

图12 2014年7月11日四子王旗地震波形及震源深度定位结果

表5 相同定位方法（Hyposat）不同模型定位结果对比

（1）内蒙古 3个地震频发区的区域地壳速度存在明显差异。西部模型为 vPg＝6.06km／s、vPb＝6.61km／s、vPn＝8.12km／s、H1＝30km、H2＝14km；东部模型为 vPg＝6.05km／s、vPb＝6.72 km／s、vPn＝8.05 km／s、H1＝25km、H2＝14km；中部模型为 vPg＝6.07 km／s、vPb＝6.59km／s、vPn＝8.08km／s、H1＝27km、H2＝14km。

（2）随机抽取地震分别对西部模型、内蒙古2015速度模型、华南模型定位的走时残差RMS统计对比，结果表明，西部模型的定位残差均值最小。同时对其它2组进行比较，结果表明东部、中部模型的定位残差均值都最小。

图13 2016年1月23日赤峰地震波形及震源深度定位结果

（3）对各个分区的地震用不同速度模型重新定位后，得到的各组定位偏差（震中差）结果显示，各个“分区速度模型-编目”震中差均值较“内蒙古2015速度模型-编目”“华南模型-编目”震中差均值均偏小。

（4）通过对内蒙古各区域的人工爆破、典型精定位地震使用PTD、Hyposat方法的定位结果进行对比，分析了内蒙古西、中、东分区模型的合理性和稳定性，结果表明各分区模型均优于内蒙古2015速度模型和华南模型。

（4）各分区地壳速度模型定位走时残差明显降低，震中差减小且合理稳定，可见各分区的地壳速度模型提高了地震定位质量。

（5）各分区地壳速度模型符合内蒙古地区实际地壳结构，可满足内蒙古测震台网地震定位需要。

（6）由于软件技术原因，现阶段测震台网用于记录和分析的 MSDP5.2软件只能调取1个平均速度模型，不能按照震中位置自动调用分区速度模型进行定位。