張洪艷，馬銘志，劉軼男，盧燕紅，陳 聰

（1 吉林省地震局，吉林 長春 130117；2 豐滿地震臺，吉林 吉林 132000）

吉林前郭地區(qū)一維P波速度模型研究

張洪艷1，馬銘志2，劉軼男2，盧燕紅1，陳 聰1

（1 吉林省地震局，吉林 長春 130117；2 豐滿地震臺，吉林 吉林 132000）

基于2013年10月31日至2014年8月25日吉林前郭地區(qū)發(fā)生的290次地震事件的P波到時數(shù)據(jù)，利用Kissling提出的VELEST程序，獲取了前郭地區(qū)最小一維P波速度模型。并將新模型應(yīng)用到前郭地震重定位和PTD定震源深度中，二者綜合顯示獲取的最小一維P波速度模型對于提高地震定位的精度有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

最小一維P波速模型；吉林前郭；PTD方法；地震重定位

0 引言

截止目前，吉林省地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設(shè)初步成熟，主要由5個國家數(shù)字測震臺、20個區(qū)域數(shù)字測震臺及2個火山臺網(wǎng)中心（包含14個子臺）共39個臺站組成，同時共享遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙三個鄰省的13個臺站，地震監(jiān)測能力明顯提高，地震速報速度也得到了很大的改善。2006年以來，吉林前郭地區(qū)發(fā)生了6次中強(qiáng)地震：2006年3月31日5.0級，2013年10月31日至11月23日，先后發(fā)生了5.5、5.0、5.3、5.8、5.0級地震，數(shù)次中強(qiáng)地震對我省前郭地區(qū)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員損傷。

目前我臺網(wǎng)常規(guī)定位方法采用的速度模型為J-B近震走時表和華南模型兩種，而忽略了吉林地區(qū)速度模型的模向不均勻性，前郭震區(qū)發(fā)生在松遼盆地的中央凹陷帶內(nèi)，帶內(nèi)是沉降速度最快、幅度最大、坳陷最深、地震活動最為活躍的地區(qū)，該區(qū)內(nèi)的斷裂較為發(fā)育，老斷裂的重新活動以及新斷裂的產(chǎn)生，導(dǎo)致整個斷裂系統(tǒng)呈現(xiàn)出了繼承性、階段性和差異性［1］，該區(qū)內(nèi)特有的地質(zhì)構(gòu)造，直接影響了定位結(jié)果的不確定性，降低了地震參數(shù)的精度。因此矯正目前使用的地殼速度模型，產(chǎn)出適合本區(qū)域的區(qū)域速度模型，有利于提高地震定位的精度，從而為后續(xù)的地震救援、震后趨勢判定以及資料產(chǎn)出奠定了基礎(chǔ)。

2013年前郭震群發(fā)生后，我省啟動了三級應(yīng)急預(yù)案，震中附近流動臺的布設(shè)，為此次震群序列記錄提供了充足的保障，并積累了豐富的地震資料。本文主要利用2013年前郭震群序列，利用現(xiàn)有的數(shù)字化臺網(wǎng)記錄的地震到時資料，運(yùn)用Kissling提出的VELEST方法研究前郭震區(qū)最小一維P波速度模型。同時，將得到的模型在前郭地區(qū)的地震定位實(shí)踐中反復(fù)校驗(yàn)，針對新模型對2013年前郭地震序列重新定位，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可信度，并挑選前郭地區(qū)15個地震事件，利用PTD方法重新獲取15次事件的震源深度。

1 方法

地球內(nèi)部速度模型已由一維發(fā)展到三維［2-4］。地球內(nèi)部三維速度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要取決于地球內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)分布、斷裂構(gòu)造以及深部結(jié)構(gòu)等因素，而基于一維速度模型的計算，相對于三維模型在一定的精度范圍內(nèi)具有高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

式（1）中obst和s已知，h和m未知。引入先驗(yàn)一維速度模型，根據(jù)射線追蹤計算理論走時calet，則走時殘差rest可表示為震源參數(shù)擾動h? 和模型參數(shù)擾動m?的函數(shù)。

震源參數(shù)及模型參數(shù)之間在一維速度模型下存在高度的非線性關(guān)系，為了獲取rest與?hk和?mi之間的線性關(guān)系，對式（1）進(jìn)行一次Taylor級數(shù)展開：

式（2）中，t為走時殘差向量，h為震源參數(shù)擾動向量，m為模型參數(shù)擾動向量，e為誤差向量。

確定最小一維速度模型的VELEST程序是由Kissling等［5-7］提出的，先用初始參考模型（根據(jù)地質(zhì)或地球物理信息建立）進(jìn)行地震定位，然后采用震源位置修正震源模型，反復(fù)迭代最終獲得n個解，從中選取走時均方根殘差最小的解即為最小一維速度模型［8-9］。

2 研究資料及結(jié)果

2013年10月31日吉林前郭發(fā)生5.5級地震，震后吉林省地震局和黑龍江省地震局在震區(qū)附近50km范圍內(nèi)陸續(xù)布設(shè)了9個臨時流動觀測站，組成了臨時的小型觀測臺陣，應(yīng)急流動臺的臺間距在15km左右，對前郭震區(qū)形成了較好地監(jiān)控。臨時流動臺、省內(nèi)固定臺與周邊共享臺共同記錄此次震群的發(fā)展序列。

截至2014年8月25日，45個固定臺和9個流動臺共監(jiān)測到單臺和可定位事件1162次，其中可定位事件一共560次，針對序列中560次可定位事件采用常規(guī)定位方法重新定位，對震相數(shù)據(jù)以及殘差進(jìn)一步控制，從而提高震相判讀的可靠性和可用性，減小人為誤差。經(jīng)過嚴(yán)格數(shù)據(jù)篩選，共有至少被4個臺以上記錄到的290次地震事件參與此次計算（圖1）。

圖1 研究區(qū)地震、臺站及構(gòu)造分布圖藍(lán)色三角為流動臺，黑色三角為固定臺，黑色線表示斷裂；F1為扶余-肇東斷裂，F(xiàn)2為克山-大安斷裂，F(xiàn)3為查干泡-道字井?dāng)嗔袴ig.1 Regional distribution map of earthquakes， Seismic stations and faults stars present station

圖1顯示，應(yīng)急流動臺密集分布在震區(qū)附近，結(jié)合省內(nèi)固定臺和周邊共享臺對震區(qū)形成了比較好的監(jiān)控。近臺與遠(yuǎn)臺相結(jié)合，既對空間位置有較好的校正，還有利于進(jìn)一步提高震源深度的精度。此次地震序列彌散地分布在查干泡－道字井?dāng)嗔雅c扶余－肇東斷裂交匯處，密集區(qū)長軸約28km，短軸約26km，呈橢圓形展布。

Kissling等提出可以基于走時殘差均方根最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行一維速度結(jié)構(gòu)和震源位置聯(lián)合反演，定位精度更高。吉林臺網(wǎng)日常使用JOPENS地震觀測系統(tǒng)中MSDP地震分析軟件，前郭震區(qū)沒有該地區(qū)特有的速度模型，地震分析時主要使用單純型法、Hyposat方法和LocSAT三種方法，所用的速度模型主要為J-B近震走時表和華南模型，在實(shí)際計算中分別采用兩種模型對比，選取定位結(jié)果相對穩(wěn)定，殘差相對較小的華南模型為初始速度模型（圖2）。

在計算迭代的過程中，主要的控制參數(shù)有：震源參數(shù)、速度參數(shù)和臺站校正的阻尼系數(shù)，在計算過程中要保證參數(shù)的分辨率與數(shù)據(jù)方差達(dá)到最優(yōu)均衡，選取合適的控制參數(shù)，最終得到松原地區(qū)最優(yōu)的最小一維P波速度模型（圖2）。結(jié)果顯示新模型與華南模型速度整體差異不大，其中0～20km處速度值與初始值相差較小，20～32km處最優(yōu)模型的速度值略高于華南模型，相差約0.2km/s，32～50km處最優(yōu)模型的速度值略低于華南模型，相差約0.18km/s。

圖2 華南模型（紅色）和最小一維P波速度模型（藍(lán)色）Fig.2 South china model（red） and Minimum 1D velocity model（blue）

3 結(jié)果評價

3.1 精定位結(jié)果

雙差法利用信號的走時差修定震源位置，主要基于兩個地震震源之間的距離遠(yuǎn)小于事件到臺站的距離，從而認(rèn)為震源區(qū)到臺站間的射線路徑幾乎相同［10］。良好的速度模型可以有效提高地震定位結(jié)果的可信度，雙差定位采用的速度模型為水平分層，因而震源處的速度值對定位結(jié)果存在一定的影響，所以速度模型的選取很重要［11］。

經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選，選出2013年10月31日至12月10日期間由12個固定臺和9個流動臺所記錄到的343次地震事件（圖3）共6550條震相數(shù)據(jù)，其中包括2388條P波和2497條S波到時數(shù)據(jù)，單次事件至少被4個以上臺站記錄到。重定位前地震序列震中分布平面圖以及沿不同剖面的震源深度分布圖（圖3）顯示：重定位前地震分布較為分散，并未呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢分布方向，地震彌散地分布在扶余－肇東斷裂和查干泡—道字井?dāng)嗔呀粎R部位，震源深度在0～20km內(nèi)的水平層狀現(xiàn)象較為明顯，5次5級地震的震源深度主要集中在4～14km范圍內(nèi)。

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

圖4為重定位后地震震中及沿不同剖面的震源深度分布圖，重定位后共獲得336個地震事件的基本參數(shù)，走時殘差在重定位前后得到了較大的改善：重定位前走時殘差在0.060s～0.956s之間幅動，重定位后走時殘差在0.027s～0.100s間幅動，重定位走時殘差均值為0.10s，提升的幅度較大。

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

重定位后的地震序列條帶狀分布更加明顯，主要集中分布在查干泡－道字井?dāng)嗔驯敝|側(cè)，震中分布的優(yōu)勢長軸與查干泡－道字井?dāng)嗔驯敝ё呦蛞恢?，走向?yàn)楸逼?0o左右。沿經(jīng)向和緯向的震源深度剖面圖顯示：沿著震中分布的優(yōu)勢長軸走向（A-B剖面），地震主要集中在5～15km范圍內(nèi)，5次5級地震的震源深度主要集中在8～13km范圍內(nèi)，表明該區(qū)的發(fā)震層較淺主要集中在中上地殼。

地震定位結(jié)果的優(yōu)劣，既要看定位結(jié)果的走時殘差、臺站與震中的分布情況，同時還要結(jié)合地質(zhì)斷層帶分布的吻合情況，因?yàn)榈卣鸹顒优c活動斷裂有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系［8，12］。使用最小一維速度模型可以減輕橫向速度不均勻性及場地效應(yīng)對地震定位產(chǎn)生的影響，從而有效地提高地震重定位的精度［9］。我們的精定位結(jié)果與斷裂的展布較一致，收縮吻合的較好，進(jìn)一步說明我們得到的速度模型對前郭地區(qū)的地震定位精度有一定的改善。

3.2 PTD深度

震源深度是地震參數(shù)測定中比較棘手的問題，日常地震定位中震源深度的測定往往利用直達(dá)波輔助確定震源深度，若地震發(fā)生在臺站附近測定的誤差和不穩(wěn)定性相對較弱，但當(dāng)震中距大于50km時，這種方法所帶來的誤差和不穩(wěn)定性較強(qiáng)［13］。

挑選松原地區(qū)15次地震事件，采用PTD方法［11］，利用不同震中距上記錄到的初至波Pg和Pn到時，將初至Pn到時作相應(yīng)的變換后減去初至Pg到時測定震源深度，初至波的拾取精度高、臺站多，Pn和Pg震相對震源深度更敏感，從而克服了直達(dá)波輔助定震源深度的缺陷［10］。利用PTD方法確定了15次事件的震源深度（圖5）。圖5為PTD結(jié)果與地震編目深度結(jié)果對比，地震編目的深度主要集中在8km左右，PTD的結(jié)果主要集中在10km左右，與精定位的結(jié)果基本符合。

圖5 PTD與地震編目深度結(jié)果圖Fig.5 The focal depth of PTD and earthquake catalog

圖6 采用新模型PTD結(jié)果圖Fig.6 The results of PTD with new model

圖6挑選了4次地震事件的PTD結(jié)果圖，結(jié)果顯示圖形分布狀態(tài)更趨近于高斯分布，高斯分布的頂點(diǎn)和最大值基本符合，15個地震應(yīng)用最小一維模型計算得到的震源深度較為可靠。

4 結(jié)論

利用前郭震群固定臺、流動臺以及鄰省共享臺記錄到的地震觀測走時資料，通過Kissling提出的VELEST程序，獲取了前郭地區(qū)最小一維P波速度模型。結(jié)果顯示最小一維P波速度模型與華南模型的差異較小，淺部（0～20km）P波速度變化微小，20～32km處最優(yōu)模型的速度值略高于華南模型，相差約0.2km/s，32～50km處最優(yōu)模型的速度值略低于華南模型，相差約0.18km/s。

本研究針對最小一維速度模型在地震重定位以及PTD計算震源深度二方面進(jìn)行了應(yīng)用。地震重定位結(jié)果顯示地震定位的精度在經(jīng)度、緯度、深度方向上有了很大提高，重定位后地震的優(yōu)勢分布方向明顯，與查干泡－道字井?dāng)嗔驯敝л^一致，震源深度的分層現(xiàn)象得到了較大地改善，最小一維P波速度模型對地震定位精度的提高有較大的幫助。同時利用PTD方法得到了15個地震事件的震源深度，結(jié)果顯示震源深度主要集中在10km左右，與精定位的結(jié)果基本符合。PTD結(jié)果圖的圖形分布狀態(tài)更趨近于高斯分布，其頂點(diǎn)和最大值基本符合，得到的15個地震事件的震源深度較為可靠。

綜合分析本文確定的最小一維P波速度模型，要優(yōu)于華南模型，更能接近于該區(qū)域的真實(shí)速度。但由于盆地內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，本文所選數(shù)據(jù)以及初始模型的選取尚存在一定的局限性，地震與臺站的分布格局尚有不足，因此本文所得結(jié)果只能相對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

測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)（20140307）；中國地震局監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題（160703）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41404071）；吉林省地震局合同制科研課題（日本9.0級地震吉林地區(qū)前兆觀測同震響應(yīng)）聯(lián)合資助

2016-04-06

2016-05-28

張洪艷（1979-），女，吉林省舒蘭市人，碩士研究生，高級工程師，現(xiàn)主要從事地震編目和地震研究等相關(guān)工作。E-mail：56617347@qq.com