天津市測震臺網(wǎng)Sg震相到時殘差大的原因分析*

謝 靜，劉雙慶，譚毅培

(天津市地震局，天津300201)

0 引言

地震定位是地震學研究中首要和最基本的問題之一。精確的定位不僅能夠保證區(qū)域臺網(wǎng)觀測報告的準確性和完整性，也能為地震分析預報工作提供科學的基礎資料。在常用的線性化地震定位方法中，走時表或速度結構模型的選取對定位結果有較大影響(Bouchaala et al，2013;Mahesh et al，2013)，即使如主事件定位法、雙差定位法(Waldhauser，Ellsworth，2000)等相對定位方法，選取不同的1維速度模型仍會造成定位結果明顯的偏差(Michelini，Lomax，2004)。雖然有研究表明，使用三維速度結構模型能有效提高定位精度(Chen，Willemann，2001;張慧民等，2013)，但其定位算法計算復雜度較高，且需要研究區(qū)域有普遍認可的三維速度模型。因此在區(qū)域地震臺網(wǎng)日常編目工作中，選取合適的一維多層地殼速度結構模型來有效提高地震定位精度，是切實可行的辦法。

本文以天津測震臺網(wǎng)地震記錄為例，針對定位結果中Sg震相正殘差整體偏大的問題，選取多種一維速度模型計算理論到時，與觀測到時比較，分析不同一維速度模型對Sg到時以及地震定位精度的影響。然后在不改變速度模型的基礎上，分析震源深度的改變對Sg震相到時的影響。

1 臺站及數(shù)據(jù)資料

本研究選取2009年1月至2012年3月天津市行政區(qū)內(nèi)ML≥1.0及其鄰區(qū)ML≥2.0的49個地震，重新進行震相到時讀取。所選地震目錄來自中國地震臺網(wǎng)中心，地震波形數(shù)據(jù)及臺站信息源于天津測震臺網(wǎng)。天津測震臺網(wǎng)臺站分布及所選地震分布情況見圖1。

圖1 地震與臺站分布Fig.1 Distribution of the selected earthquakes and stations

震相讀取時只選取天津測震臺網(wǎng)臺站記錄到的清晰震相到時，并將該到時稱為震相的讀取到時。本文所選取的6種速度模型如表1所示，所有速度模型每層內(nèi)地震波速度是均勻的。對每一種速度模型計算地震的Pg和Sg震相理論到時，與讀取到時相減以獲得各個速度模型定位臺站的Pg和Sg到時差，并用這些結果分析檢驗不同速度模型對Pg和Sg震相到時的影響。

表1 地殼模型與地震波速度結構模型Tab.1 Crust model and velocity structure model of seismic wave

2 結果分析

通過對所選地震進行重新定位，從定位報告里提取各個臺站的Pg、Sg震相走時及其對應的震中距，可以分別得到天津地區(qū)Pg、Sg震相的走時與震中距關系，如圖2所示，實線為擬合曲線，擬合后獲得天津地區(qū)的平均速度模型和震源優(yōu)勢深度:VP=5.99 km/s，VS=3.48 km/s，H=13 km，這就是表1里的速度模型1。

這個震源優(yōu)勢深度與張國民等(2002)通過研究各省區(qū)域地震臺網(wǎng)結果獲得的華北地區(qū)平均震源深度(14±7)km的結果基本一致，比郭永霞等(2010)認為華北地區(qū)震源深度主要分布在7.5～12.5 km范圍內(nèi)要略深。編目工作中所用的華南速度模型(表1中速度模型4)和該平均速度模型相比，S波速度明顯偏大，必然會導致地震波理論到時偏前。

已知速度模型、震源位置、臺站位置就可以計算出地震波從震源到臺站的理論走時，再結合發(fā)震時刻就可以得到地震波到達每個臺站的理論到時。本文只討論不同速度模型、不同震源深度對地震波的直達波Pg、Sg震相定位殘差的影響，這里用Pg、Sg震相讀取到時與理論到時之差來衡量定位殘差大小。本文用4種震源深度來進行討論:第1種是單純型法定位所得震源深度，一般為5 km、6 km，簡稱深度1;第2種是所有地震在深度1基礎上增加5 km，震源深度平均在10 km左右，簡稱深度2;第3種是所有地震在震源深度1基礎上增加10 km，震源深度值大致在15 km左右，簡稱深度3;第4種是所有地震在震源深度1基礎上增加15 km，震源深度值大致在20 km左右，簡稱深度4。

圖3是6種不同速度模型的Pg到時差分布圖。圖3a震源深度為深度1時，中心點在－0.5附近，到時差值主要分布在(－1，1)，說明速度模型1的P波速度值與實際相比略有偏差，因為本文采用的速度結構是均勻層狀速度模型，與實際地下結構有差異，因此導致到時差值有正值也有負值。隨著震源深度的加深，Pg到時差分布圖的中心點從0向－1移動，說明速度模型1在震源深度值較小時比較符合實際，在震源深度值較大時，速度值偏小，震源深度值對震相到時的影響，主要原因可能是速度模型的不合理造成的。圖3b震源深度為深度1時，中心點在0值附近，到時差值主要分布在(－1，1)，說明速度模型2的P波速度值比較符合實際，此時4種震源深度所得Pg到時差值都集中分布在0值附近，速度模型2較適合天津地區(qū)的速度模型，該模型下震源深度對震相到時影響較小。圖3c震源深度為深度1時，中心點在－1附近，到時差值主要分布在(－2，1)，速度模型3的P波速度值偏小。該模型下，震源深度為深度4到時差分布中心點在－0.5附近，比其它3種深度到時差值略小。說明在該速度模型下，震源深度在20 km左右時，理論到時和實際到時比較接近。但相對速度模型對震相到時的影響而言，震源深度對震相到時的影響很小。圖3d震源深度為深度1時，中心點在0附近，到時差值主要分布在(－1，1)，速度模型4的P波速度值也比較符合實際，該速度模型是編目工作常用的華南速度模型，因此在編目工作中Pg震相并未出現(xiàn)到時殘差較大的現(xiàn)象。在該速度模型下，4種震源深度所得Pg到時差值都集中分布在－0.2附近，該P波速度模型較符合天津地區(qū)，此時震源深度對震相到時影響并不大。圖3e震源深度為深度1時，中心點在 －0.5附近，到時差值主要分布在(－1.5，0.5)，速度模型5的P波速度值較實際值略微偏小。在該速度模型下，4種震源深度所得Pg到時差值都集中分布在－0.5附近，震源深度對震相到時影響并不大。圖3f震源深度為深度1時，中心點在－1.5附近，到時差值主要分布在(－3，0.5)，速度模型6的P波速度值與實際值相差甚遠，可見全球速度模型并不適合于局部地區(qū)。在該速度模型下，震源深度在15 km左右時，Pg到時差分布圖中心點在－0.5附近，而震源深度為20 km時，中心點在－1附近，震源深度在0～10 km時，中心點在－1.5附近，在該速度模型下震源深度對震相到時影響較大，其原因可能是速度模型的不合理。從Pg到時差分布圖分析，速度模型2、速度模型4的P波速度值是較適合天津地區(qū)的，在這兩種速度模型下，震源深度對Pg到時影響并不大。

圖4是6種不同速度模型的Sg到時差分布圖。圖4a中震源深度為深度1時，中心點在0附近，到時差值主要分布在(－1，1)，對速度模型1，隨著震源深度的加深，Sg到時差分布的中心點從0向－1移動，說明該平均速度值在震源深度淺時比較符合實際，在震源深度值較大時，速度值偏小，震源深度值對震相到時的影響，主要原因可能是速度模型的不合理造成的。圖4b中震源深度為深度1時，中心點在0值附近，到時差值主要分布在(－1，1)，速度模型2的S波速度值符合天津地區(qū)，在該速度模型下，4種震源深度所得Sg到時差值變化不大，說明此時震源深度對震相到時影響不大。圖4c中震源深度為深度1時，中心點在 －0.5，到時差值主要分布在(－2，1)，說明速度模型3的S波速度值偏小，在該速度模型下，4種震源深度所得Sg到時差值變化不大;圖4d中震源深度為深度1時，中心點在0.8附近，到時差值主要分布在(－1，2)，速度模型4的S波速度值偏大，日常編目工作應用的是該模型，因此，理論的Sg震相到時比實際讀取的到時早，導致了Sg到時殘差大，這與工作中碰到的現(xiàn)象相符。在該速度模型下，4種震源深度所得Sg到時差值變化并不大。圖4e震源深度為深度1時，中心點在－1附近，到時差值主要分布在(－2，1)，速度模型5的S波速度值偏小;在該速度模型下，4種震源深度所得Sg到時差值變化并不大。圖4f中震源深度為深度1時，中心點在－1附近，到時差值主要分布在(－3，1);震源深度為深度3、深度4時，中心點在－0.2值附近，震源深度越深該速度模型所得Sg到時差值越小;該速度模型為全球速度模型，與局部速度結構相差甚遠，可能導致了震源深度對震相到時的較大影響。從Sg到時差分布圖分析，速度模型2的S波速度值是比較適合天津地區(qū)的。結合P波速度值和S波速度值的分析，只有速度模型2是比較適合天津地區(qū)的。大多數(shù)速度模型下，震源深度對震相到時的影響并不大，震源深度對震相到時的影響比上述的速度模型差異對震相到時的影響小得多。

圖2 Pg(a)、Sg(b)震相的走時與震中距關系圖Fig.2 Relationships between time and distance of Pg(a)and Sg(b)phases

圖3 6種速度模型的Pg震相到時差分布圖Fig.3 The distribution of six kinds of velocity models corresponding to arrival time differences of Pg phase

圖4 6種速度模型的Sg震相到時差分布圖Fig.4 The distribution of six kinds of velocity models corresponding to arrival time differences of Sg phase

3 結論與認識

(1)天津測震臺網(wǎng)日常編目所用軟件MSDP定位時所用的速度模型是華南速度模型(速度模型4)，通過分析可知，華南速度模型P波速度比較符合天津地區(qū)，因此在編目中Pg震相到時殘差較小;而華南速度模型S波速度值較天津地區(qū)偏大，導致了Sg震相理論到時比實際到時超前。因此，該速度模型并不很適合天津地區(qū)。通過本文的分析研究可知本文所列出的6個模型中，速度模型2是比較符合天津地區(qū)的，在今后編目工作中，可以用該速度模型替換現(xiàn)用的速度模型4。

(2)從本文的分析結果看，引起震相到時殘差大的原因主要是速度模型的不合理。在速度模型較合理時，震源深度對震相到時殘差的影響并不明顯，影響較大的主要是震中距較小的近臺震相走時;速度模型與實際情況相差甚遠時，震源深度對震相到時殘差的影響將變大，因此震源深度對震相到時殘差的影響可能很大程度上受速度模型的合理性控制。

(3)本文通過對所選地震的直達P波和S波的走時曲線的分析，得到天津及鄰近地區(qū)地震的平均優(yōu)勢震源深度在13 km左右，而實際工作中單純型法定位結果震源深度只有5、6 km，直接使用編目結果的震源深度做研究工作時不應忽視這個問題。

(4)由于本文中擬合的一維模型都是上行波的數(shù)據(jù)，因此計算的速度值會比其他模型偏小，而且用擬合曲線的截距作為平均深度僅提供對比意義。

(5)針對震源深度對殘差影響的臺站分布，我們將在后續(xù)工作中進行研究。

范玉蘭，林紀曾，胡瑞賀，等.1990.華南地區(qū)近震走時表的研制［J］.華南地震，10(2):1－16.

郭永霞，黃媛，張中天，等.2010.華北地區(qū)天然地震震相特征研究［J］.中國地震，26(1):112－122.

國家地震局地球物理研究所.1980.震相走時便查表［M］.北京:地震出版社.

滕吉文，張中杰，王光杰，等.2000.地球內(nèi)部各圈層介質的地震各向異性與地球動力學［J］.地球物理學進展，15(1):1－35.

楊婷，吳建平，房立華，等.2012.華北地區(qū)地殼上地幔S波三維速度結構［J］.地球物理學進展，27(2):441－454.

張國民，汪素云，李麗，等.2002.中國大陸地震震源深度及其構造含義［J］.科學通報，47(9)，663 －668.

張慧民，靳平，劉文學，等.2013.基于局部一維模型與走時標定的區(qū)域三維速度模型構建技術研究［J］.地震學報，35(2):229－237.

Bouchaala F.，Vavryuk V.，F(xiàn)ischer T..2013.Accuracy of the master-event and double-difference locations:synthetic tests and application to seismicity in West Bohemia，Czech Republic［J］.J.Seis.，17(3):10.1007/s10950－013－9357－4.

Chen Q.，Willemann R.J..2001.Global test of seismic event locations using three-dimensional earth models［J］.Bull.Seismol.Soc.Am.，91(12):1704－1716.

Mahesh P.，Rai S.S.，Sivaram K.，et al.2013.One-dimensional reference velocity model and precise locations of earthquake hypocenters in the Kumaon-Garhwal Himalaya［J］.Bull.Seismol.Soc.Am.，103(2):328－339.

Michelini A.，Lomax A..2004.The effect of velocity structure errors on double-difference earthquake location［J］.Geophys.Res.Lett.，31(9):L09602.doi:10.1029/2004GL019682.

Waldhauser F.，Ellsworth W.L..2000.A double-difference earthquake location algorithm:Method and application to the northern Hayward fault，California［J］.Bull.Seismol.Soc.Am.，90(6):1353 －1368.