辽宁地区最小一维速度模型研究.pdf

收稿日期：2022-10-25基金项目：辽宁省地震局预研孵化基金项目（LZ2022001）；中国地震局地震应急与信息青年重点任务（CEAEDEM202305）；辽宁省地震局青年科研基金项目（LN2022012）联合资助。作者简介：戴盈磊（1983-），男，工程师，主要从事地震学、大地构造与地球动力学方面的研究。通信作者：刘晓丹（1986-），女，高级工程师，主要从事地震应急管理、结构抗震等工作。E-mail：第43卷 第2期2023年06月华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGYVol.43，NO.2Jun.，2023戴盈磊，刘晓丹，张文静，等.辽宁地区最小一维速度模型研究J.华南地震，2023，43（2）：35-45.DAI Yinglei，LIU Xiaodan，ZHANG Wenjing，etal.Research on the Minimum 1-D Velocity Model in Liaoning AreaJ.South China journal of seismology，2023，43（2）：35-45辽宁地区最小一维速度模型研究戴盈磊1，刘晓丹2，张文静1，王承伟1，李子昊1（1.辽宁省地震局，沈阳 110034；2.河北省地震局，石家庄 050021）摘要：根据辽宁测震台网最近10年的观测资料，从中筛选出2851个地震事件的Pg、Sg走时数据，使用Velest程序，反演了辽宁地区P波和S波最小一维速度模型及台站校正值，并对震源位置进行了重新定位。结果显示走时数据方差和走时残差均方根分别下降70%和45%以上。台站校正的分布情况体现出辽宁地区地下介质的横向不均匀性。重定位后的震源位置更加集中，与震群和发震构造的对应关系更明显，平均震源深度为10.16 km。经过正负扰动测试和震源位置恢复性测试检验，证明此研究所得最小一维速度模型较为稳定并具备一定的可靠性。关键词：最小一维速度模型；走时残差均方根；台站校正；地震定位；辽宁地区中图分类号：P315.3文献标识码：A文章编号：1001-8662（2023）02-0035-11DOI：10.13512/j.hndz.2023.02.04Research on the Minimum 1-D VelocityModel in Liaoning AreaDAI Yinglei1，LIU Xiaodan2，ZHANG Wenjing1，WANG Chengwei1，LI Zihao1(1.Liaoning Earthquake Agency，Shenyang 110034，China；2.Hebei Earthquake Agency，Shijiazhuang 050021，China)AbstractAbstract:According to the observation data of Liaoning seismic network in recent 10 years，the Pg and Sg traveltime data of 2851 seismic events were selected.The minimum 1-D velocity model of P wave and S wave in Liaoning，and the station correction value were inverted by using Velest program，and the source location was repositioned.The results show that the travel time data variance and the travel time residual RMS decrease by more than 70%and45%respectively.The distribution of station corrections reflects the lateral inhomogeneity of the undergroundmedium in Liaoning.The focal location after relocation with the average focal depth of 10.16 km is moreconcentrated，the corresponding relationship with the earthquake swarm and the seismogenic structure is moreobvious.The positive and negative perturbation test and source location recovery test prove that the minimum 1-Dvelocity model is relatively stable and has certain reliability.KeywordsKeywords:Minimum 1-D velocity model；Travel time residual RMS；Station correction；Earthquake location；Liaoning area43卷华南地震0 引言众所周知，地球内部的地质构造、物性成分是十分复杂的，通过一个简单的一维速度模型来描述地下介质的真实速度结构是较为困难的。然而，一维速度模型被广泛应用于地震定位1、震源机制解反演2、地震波三维层析成像3、地球动力学模拟4、地震速报5等研究和工作中，使用不恰当的一维速度模型会导致以上结果出现严重的系统性偏差。为此，学者们不断尝试各种方法以得到近似“真实”的一维速度模型来提高相关成果的精度和可靠性。上世纪90年代Kissling6团队提出了一种可同时反演区域震源位置、速度结构、台站校正，进而计算出能够使地震重定位结果走时残差均方根最小的一维速度模型方法，所得模型也因此被称作“最小一维速度模型”，相应的Velest计算程序被多位学者在科研工作中采用7-9。辽宁地区（118.6 125.6 E，38.7 43.4 N）位于中国东北地区南部，构造背景上处在总体走向呈NE向的华北断块北部，喜马拉雅运动使其形成了东、西部大型隆起和中部坳陷的构造格局10，中国东部巨型断裂构造带郯庐断裂带北延带贯穿全省，是中国大陆东部地震活动相对活跃的地区之一。卢造勋等11在开展中朝地台东北缘地震层析成像工作时根据以往的研究成果提出了初始一维速度模型；王承伟等12使用Hyposat定位方法计算了该地区地壳一维P波速度模型，与华南模型14相比更加适合辽宁地区，但该模型分为3层，不够精细；赵宏阳和陈晓非13构造了海城地震的震源模型和海城地区的速度结构；郑确15对辽宁地区三维体波速度结构进行了研究，通过试算对比，得到初始速度模型；王亮等16在利用双差地震成像方法反演辽南地区三维速度结构的过程中，使用Velest软件对研究区一维 P 波速度模型进行了修正，直接用于反演，未给出S波速度模型以及论证修正后模型的稳定性。本文使用辽宁测震台网的地震走时观测数据，基于Velest程序，以上述学者给出的一维模型为基础，计算辽宁地区P波和S波最小一维速度模型，并对其可靠性进行分析，为今后该地区的相关研究提供参考资料。1 数据和方法辽宁测震台网主要由 35 个数字测震台组成，较均匀地分布于全省，平均台间距70 km。通过中国地震台网中心实时波形数据流服务器接入了15个邻省数字台站5。我国东部地区，震中距小于40km 时，只有直达的 Pg 和 Sg 震相，而 Pn 震相的“盲区”在80 km左右，在140500 km震中距范围内震相的顺序为 Pn、Pb、Pg、Sn、Sb、Sg17。本文对辽宁测震台网2012年1月1日至2022年7月10日观测报告中的Pg和Sg震相进行数据校正，剔除观测误差大于2.5倍均方差的到时数据如图1。从校正后的数据中选取ML1.0，且至少被6个台站记录到，方位角间隙小于180 的地震走时。共得到2851个天然地震事件的Pg震相走时36 049条，Sg震相走时39 186条（如图2）。由图2可知，整个辽宁地区基本上被地震射线覆盖。图1 走时数据校正前（a）后（b）对比Fig.1 Comparison of travel time data before（a）and after（b）correction地震波观测走时Tobs，可用下面的非线性函数表示：Tobs=f()s,h,m()1式（1）中，s为观测台站坐标，h为震源参数包括发震时刻和震源位置，m为地震射线传播路径上的速度模型。根据射线理论和输入的初始速度模型，能够计算出地震事件到观测台站的理论走时Tcal。使用泰勒级数对式（1）进行展开，可得走时残差36第2期戴盈磊等：辽宁地区最小一维速度模型研究图2 震中、台站及二维地震射线分布图Fig.2 Ray distribution map of epicenters，stations and 2-D earthquakesTres，和未知扰动量hk、mi满足如下线性关系：Tres=Tobs Tcal=k=14fhkhki=1nfmi+e()2式（2）中震源参数和速度模型的耦合关系用矩阵形式可表示为：T=Hh+Mm+e=Ad+e()3式（3）中，T为观测走时与理论走时的残差向量，H为走时对震源参数的偏导数矩阵，h为震源参数扰动向量，M为震源参数对速度模型的偏导数矩阵，m为速度模型的扰动向量，e为走时偏差向量，包括震相走时的拾取误差、台站位置坐标偏差、速度模型和震源参数的不确定性，以及反演问题线性化等导致的理论走时偏差。A为全部偏导数矩阵，d为震源参数和速度模型扰动量。震源参数和速度模型都会对地震定位造成影响，因此在未获得精确震源信息的情况下，就必须对上述震源参数和速度模型的耦合问题进行求解。最小一维速度模型计算方法的思想是根据研究区域的先验信息，通过迭代不断调整初始震源参数和速度模型，待走时数据方差和走时残差均方根稳定收敛后，便得到最小一维速度模型、震源参数和各观测台站的校正值。该方法可显著降低初始模型和真实模型之间的差异，并提高地震定位的精度。2 最小一维速度模型计算2.1 最小一维P波速度模型根据筛选到的36 049条Pg震相走时数据，使用 Velest程序的“联合模式”，震中距设置为 300km，分别以卢造勋等11、赵宏阳和陈晓非13、郑确15在各自研究中使用的模型作为输入，不考虑台站校正，进行第一轮反演。其中赵宏阳和陈晓非13的海城地区一维模型存在低速层，若直接引入计算会极大地增加问题的非线性程度，导致整个反演过程不稳定。本文对其低速层进行了修改。前人的3个一维模型在15 km深度以上，存在一定的离散度（如图3），将得到的3个结果进行平均（图3中灰色虚线），作为初始输入，进行第二轮反演。这样做的目的是为了避免局部极小值的出现，而得到整个多值解空间中的最优解。辽宁测震台网中，沈阳台（SNY）基本上位于陆域中心，且观测记录丰富，数据质量较高，因此，在第二轮计算中将沈阳台（SNY）设定为参考台站。冯向东等8测试发现阻尼参数的大小只会影响 RMS 的收敛快慢。在两轮计算中，将震源参数、速度参数，台站校正的阻尼系数分别设置为0.01、1.00、0.01。当走时数据方差和走时残差均方根明显减小，速度模3743卷华南地震型和台站校正值变化趋于稳定后停止反演迭代。最终经过 21次迭代，走时数据方差从 0.5880s2减小到0.1477 s2，下降74.88%；走时残差均方根从0.6328 s减小到0.3169 s，下降49.92%。所得最小一维P波速度模型见表1（第4列）、图3（黑色实线）。第二轮计算中考虑了台站高程，在-15 km深度区间，受台站校正的影响较大，最终模型比平均后的初始模型高3.52 km/s和1.08 km，而其他深度区间所得结果与初始模型（图3中灰色虚线）相差不大。表1 初始输入和迭代后的一维速度模型Table 1 The 1-D velocity model after initial and iterative层号123456789层顶深度/（km）-1.00.05.010.015.020.025.030.035.0输入P波速度/（kms-1）2.224.845.676.046.166.186.46.756.82最小一维P波速度/（kms-1）5.745.925.936.046.176.256.286.386.42输入S波速度/（kms-1）3.383.483.493.553.633.683.693.753.78最小一维S波速度/（kms-1）3.103.363.363.563.583.643.673.713.89VP/VS1.851.761.761.701.721.721.711.721.65注：图中虚线为计算输入速度模型，实线为反演所得一维速度模型图3 最小一维P波速度模型Fig.3 The minimum 1-D velocity model of P wave38第2期戴盈磊等：辽宁地区最小一维速度模型研究为检验得到最小一维P波速度模型的稳定性。对平均后的初始模型加入正负15%的扰动，不修改其他控制参数，再分别进行2次反演。发现，加入扰动后，相应的走时数据方差和走时残差均方根都有所增加，但经过迭代，不论正15%扰动的模型还是负15%扰动的模型，其走时数据方差和走时残差均方根都收敛到与初始模型非常接近的状态，如图4（b）、4（c）。同时，除了地表以上的01 km，在其他深度区间内加了正负15%扰动后的计算结果也都收敛于最小一维P波速度模型，图4（a）。以上2点说明，本文求解的最小一维P波速度模型具备一定的鲁棒性。注：（a）中虚线为输入模型，实线为反演结果图4 扰动前后速度模型（a），走时数据方差（b）与走时残差均方根（c）对比Fig.4 Comparison of the velocity model（a），travel time data variance（b）and travel time residual RMS（c）before and after disturbance2.2 最小一维S波速度模型辽宁地区跨越了2个一级大地构造单元，新构造运动以断块差异升降为主要运动形式18，地震活动空间分布不均匀（图2），构造背景较复杂。通常在联合使用 P 波和 S 波进行的研究中，会设定VP/VS为1.73，已有学者证明，当VP/VS为固定数值时，利用P波和S波震相测定的震源深度比只利用P波数据测定的结果偏差大一倍，而使用独立的P波和 S波速度模型时会对震源深度形成更好的约束19。因此求解准确的最小一维S波速度模型是非常必要的。根据前面得到的最小一维 P波速度模型，分别以VP/VS等于1.65、1.70、1.75、1.80，构建出4种S波速度模型，与最小一维P波速度模型一并作为初始输入，如图5。使用本文提取到的Pg和Sg震相走时数据，对P波和S波速度模型同时进行反演，相对而言P波数据的可信度更高，因此将S波权重设置为0.5。得到4种P波和S波最小一维速度模型（图5）。当VP/VS为1.65时，经过13次迭代。走时数据方差从0.6447 s2减小到0.1933 s2，下降 70.17%；走时残差均方根从 0.6852 s 减小到0.3749 s，下降45.27%，是4个方案中最小的，选择该结果为最小一维 S波速度模型（表 1第 6列）。从图5可知，虽然输入模型的VP/VS值不同，但得3943卷华南地震到的最小一维P波速度模型在010 km深度范围最大差别不超过0.32 km/s，10 km以下都收敛于之前的结果，4种情况的S波最小一维速度模型也十分接近，说明出本文结果的可靠性。地表以下的VP/VS值介于 1.651.76，与曹凤娟等20对辽宁地区波速比分布特征的研究结果基本一致。510 km深度区间VP/VS相对较低，与郑确15通过三维成像发现岫岩等辽宁局部地区，地下 510 km 深处存在低VP/VS的结论一致，同时也与介质的各向异性有关。注：虚线为初始输入模型，实线为计算得到的最小一维速度模型图5 最小一维速度模型计算结果Fig.5 Calculation results of the minimum 1-D velocity model3 台站校正台站校正值能反映其下方介质的横向不均性，可体现初始模型与真实模型之间的差异，用于弥补模型简化而导致的定位误差。各台站相对于参考台站的校正值正负情况，对应表明该台站所在地区的低速或高速异常。本文将沈阳台（SNY）设置为参考台站，对应校正值0.00。其他台站的P波、S 波校正值在反演过程中根据参考校正值计算得到，其中S波台站校正值可自由浮动。省内各台站校正值具体结果如表2、图6。其中，P波台站校正值介于-0.710.55 之间，S 波校正值介于-1.750.21，大部分为负值。从图 6可知，营口、海城、鞍山、辽阳、本溪，抚顺明显处于台站校正值为正或低负值区域。该区域整体呈北北东向展布，与郯庐断裂在辽宁地区的走向平行。北部与浑河断裂，太子河断裂位置重合，南部呈北西向展布，与海城河隐伏断裂位置重合。此外，辽宁地区的沉积层厚度分布特征是中部的平原区厚，山地丘陵区薄21-22，而直达P波到时对沉积层厚度的变化敏感23，该区域正位于辽宁中东部沉积层厚度变化的转换地带。同时，卢造勋和夏怀宽24的研究发现该区域上地壳存在低速、高导。低密度，物性层。该区域曾发生过1975年海城MS7.3地震、1999年岫岩MS5.4 地震，以及 2013 年灯塔M5.1 地震，具有较高的地震危险性。40第2期戴盈磊等：辽宁地区最小一维速度模型研究表2 辽宁地区P波、S波台站校正值Table 2 Station correction value of P and S wave in Liaoning序号1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041台站名称鞍山（ANS）北票（BEP）本溪（BXI）北镇（BZH）朝阳（CHY）丹东（DDO）第兄山（DIXS）大连（DL2）大鹿島（DLD）大梨树（DLS）法库（FKU）抚顺（FSH）阜新（FXI）盖州（GAX）高升（GSH）孤山（GUS）黄58井（H58）海城（HAC）横山（HSH）桓仁（HUR）后新秋（HXQ）建昌（JCA）菊花岛（JHD）建平（JIP）锦州（JZH）宽甸（KDN）老虎台（LHT）凌原（LYA）辽阳（LYN）木奇（MQI）南票（NAP）清源（QYU）首山（SHS）沈阳（SNY）绥中（SUZ）铁岭（TIL）瓦房店（WFD）西丰（XFN）新民（XMN）岫岩（XYN）营口（YKO）P波校正值0.02-0.50.04-0.22-0.46-0.190-0.43-0.10-0.090.07-0.28-0.060-0.0600.16-0.33-0.67-0.21-0.65-0.64-0.6-0.21-0.710.12-0.410.55-0.56-0.5-0.42-0.210-0.21-0.2-0.21-0.24-0.19-0.110.16S波校正值-0.75-1.31-0.62-1.18-0.96-0.980-0.84-0.740-0.97-0.6-1.36-0.70-0.80-0.34-0.65-1.43-1.16-1.75-1.74-1.37-1.05-1.45-0.57-1.30.21-1.13-1.65-1.29-1.04-0.89-1.51-1.04-0.83-1.22-1.12-0.92-0.584143卷华南地震图6 辽宁地区台站校正分布图Fig.6 Correction distribution map of station in Liaoning4 地震重定位在反演最小一维速度模型的同时进行了地震重定位，定位前后的震中分布情况如图7。由图7可知，在水平、经度方向和纬度方向上，重定位前的震源位置分布较为松散。重定位后震源位置更加集中，在海城、营口、盖州地区震群成簇现象明显，表现出与区域构造之间关系紧密的特征。观测报告中的震源深度沿水平方向不连续分层（图 7b，图 7c）。特别是在 515 km 深度范围横向排列，这与原始地震目录的处理方式有关，在地震速报的过程中很难获得较为准确的震源深度。定位前震源深度主要集中在59 km（图7d），平均为7.52 km，定位后震源深度变得更深，主要集中在912 km（图7d），与王亮等16的双差定位结果一致。平均深度为10.16 km，且近似正态分布，与梁一婧等25基于 PTD方法测定的辽宁地区震源深度结果一致。相比定位前的震源深度更符合大陆内部震源深度分布的普遍特征。5 讨论与结论为了检验所得最小一维P波、S波速度模型的稳定性和可靠性。对原始观测报告中的震源位置参数在经度、纬度和深度方向上分别加入-55 km的随机噪声，使用本文表1中的P波和S波最小一维速度模型，表2中的台站校正，单独对震源位置进行反演恢复。恢复后在经度方向的平均误差为0.32 km，纬度方向的平均误差为0.40 km，深度方向的平均误差为 0.82 km（如图 8），从图中可知，本文的最终速度模型结果是比较可靠的。本文使用经过筛选的Pg，Sg震相走时数据和Velest程序计算了辽宁地区P波和S波最小一维速42第2期戴盈磊等：辽宁地区最小一维速度模型研究注：红色为初始震源位置和深度分布，蓝色为重定位后震源位置和深度分布图7 反演前后震源位置和深度对比Fig.7 Comparison of source location and depth before and after inversion度模型。所得结果的走时数据方差和震相走时残差均方根均明显下降，在加入扰动后，也能收敛到最小一维速度模型。台站校正值与辽宁地区主要控震、发震构造，浅部沉积层和海城老震区上地壳低速异常体有较好的对应关系。重定位后的震源位置集中性更强，呈现出震群活动的地震剖面。同时，震源深度整体增加，近似正态分布。随机位置误差恢复测试进一步证明本文给出的最小一维速度模型可靠性较高。需要说明的是，卢造勋和夏怀宽24研究发现朝阳义县中上地壳也存在低速层，本文的台站校正未能体现。分析认为与这一地区多为网缘地震且数量相对较少，对台站校正值的约束相对不够理想有关。虽然在海城、锦州，朝阳等辽宁局部地区地下介质是存在低速层的。但计算过程中的参数设置本文选择了不允许结果中有低速层出现。因为我们的研究目的是得到一个相对最为适合辽宁地区的一维速度模型，更注重整体的准确性和可靠性。综上所述，本文选用的3个初始一维模型是辽宁地区具有代表性的，得到的最小一维速度模型可作为今后该地区三维地震层析成像、地震定位、震源机制解反演等相关研究的初始参考速度模型。致谢：辽宁省地震台为本研究提供了观测资料，文中图件采用Wessel P等提供的GMT软件绘制，在此一并表示衷心感谢。4343卷华南地震注：蓝色圆点是随机误差位置，红色圆点是位置恢复结果图8 模型稳定性检验Fig.8 Model stability test参考文献1 许英才，郭祥云，冯丽丽.2022 年 1 月 8 日青海门源MS6.9地震序列重定位和震源机制解研究J.地震学报，2022，44（2）：195-210.2 戴盈磊，万永革，孔祥雪，等.2013年辽宁灯塔M5.1地震震源机制中心解及震源区构造应力场特征分析J.地震研究，2022，45（4）：570-580.3 Zheng Q，Liu C，Tian Y，et al.Seismic imaging of the middleanduppercrustbydouble-differencetomography:theHaicheng earthquake（MS7.3）in Liaoning ProvinceJ.应用地球物理（英文版），2018，15（1）：125-136.4 雷兴林，马胜利，苏金蓉，等.汶川地震后中下地壳及上地幔的粘弹性效应引起的应力变化与芦山地震的发生机制J.地震地质，2013，35（02）：411-422.5 王承伟，陶达，梁一婧.使用辽宁地区P波走时反演一维速度模型J.防灾减灾学报，2017，33（02）：85-89.6 Kissling E，Ellsworth W L，Eberhart-Phillips D，et al.Initialreference models in local earthquake tomographyJ.Journalof Geophysical Research，1994，99（B10）：19635-19646.7 柯乃琛，华卫.小湾水库库区最小一维速度模型研究J.地震，2016，36（02）：38-47.8 冯向东，王晓山，陈婷，等.晋冀蒙交界地区最小一维速度模型J.华北地震科学，2017，35（04）：16-21.9 王力伟，王宝善，叶秀薇，等.基于人工地震资料的珠江口地区最小一维P波速度模型J.地震地质，2021，43（01）：123-143.10 雷清清，廖旭，董晓燕，等.辽宁省主要活动断层与地震活动特征分析J.震灾防御技术，2008，3（2）：111-125.11 卢造勋，蒋秀琴，潘科，等.中朝地台东北缘地区的地震层析成像J.地球物理学报，2002，45（3）：338-351.12 王承伟，王晓睿，李恩来，等.基于Hyposat方法的辽宁地区地壳一维速度模型研究J.地震工程学报，2017，39（S1）：1-6.13 赵宏阳，陈晓非.1975年海城MS7.3地震强地面运动模拟J.地球物理学报，2017，60（7）：2707-2715.15 范玉兰，林纪曾，胡瑞贺，等.华南地区近震走时表的研制J.华南地震，1990（02）：1-16.15 郑确.辽宁地区地壳三维体波速度结构与典型区域地震危险性评估D.长春：吉林大学，2018：47-49.44第2期戴盈磊等：辽宁地区最小一维速度模型研究16 王亮，焦明若，钱蕊，等.利用双差地震成像方法反演辽南地区地壳速度结构J.地震地质，2022，44（02）：378-394.17 中国地震局监测预报司.测震学原理与方法M.北京：地震出版社，2017：255-258.18 万波，靳超宇，索锐.辽宁省及邻近地区主要地震构造及其危险性判定J.防灾减灾学报，2017，33（01）：1-11.19 Maurer H，Kradolfer U.Hypocentral parameters and velocityestimation in the western Swiss Alps by simultaneousinversionofP-andS-WaveDataJ.BulletinoftheSeismological Society of America，1996，86（1）：32-42.20 曹凤娟，郭晓燕，李梦莹，等.辽宁地区波速比分布特征及构造意义J.地震工程学报，2021，43（02）：264-271.21 辽宁省地质矿产局.辽宁省区域地质志M.北京：地质出版社，1989：323-326.22 张本家，高岚.辽宁土壤之土层厚度与抗蚀年限J.水土保持研究，1997（04）：57-59.23 罗艳，崇加军，倪四道，等.首都圈地区莫霍面起伏及沉积层厚度J.地球物理学报，2008（04）：1135-1145.24 卢造勋，夏怀宽.内蒙古东乌珠穆沁旗辽宁东沟地学断面J.地球物理学报，1993（06）：765-772.25 梁一婧，王承伟，李子昊，等.基于PTD方法测定辽宁地区震源深度J.防灾减灾学报，2022，38（02）：43-50.45