營口—海城地區一維速度模型研究

王承偉，李恩來，徐鵬深

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽110034）

0 引言

海城位于遼寧省，在遼東半島東南部的遼河下游，地質構造屬于遼東地塊與下遼河斷陷，東側上升，西側階梯狀下降，區內新構造運動強烈，表現為明顯的間歇性抬升運動［1］。所以，該地區地質結構復雜，構造多樣，具有多種斷裂和褶皺。所以海城的地殼并不穩定，頻繁發生地震，在1975年、和上世紀末皆發生過地震，地震大小涉及Ms4.0、5.4、5.1級地震，還發生過七級以上地震，即1975年發生的Ms7.3級，地震位置位于北東、西北西向兩組構造交匯的地方［2］。從1970年的1月到2008年的4月ML＞1.0級地震一共發生了18400 多次，地震來源主要在海城河—大洋河斷裂帶一塊，該處有北西西向地震活動條帶。蓋州為營口市下屬的縣級市，蓋州是屬于北東向的金州斷裂北端震群和北東向海城—營口斷裂南端震群，震群的分布是呈北西向，所以蓋州震群更可能屬于金州斷裂和海城—營口斷裂之間的北西向構造上，而不是北東向的金州斷裂上［3］。因此，提高該地區速度模型的精度，是進一步提高該地區地震學研究的基礎，對該地區地震學研究有著重大意義。

2016年前遼寧臺網使用的是JOPENS軟件自帶的速度模型（華南模型），監測司在2013年組織了全國地殼速度結構研究工作， 從2016年起遼寧省速度模型已經在臺網投入使用，經歷了2016年朝陽雙震，2017年蓋州地震等幾次較大的地震，震后對兩個模型進行對比，選擇本區域的模型定位出來的結果更好一些。但是遼寧模型是一個全省平均的模型，是用全省范圍內的數據計算出來的速度模型。營海地區的地殼結構、波形數據等和遼寧省平均的模型肯定會存在差異， 若使用營海地區的數據來計算這一地區的模型，其結果肯定會優于遼寧省平均速度模型。營口—海城地區是省內地震活躍區，每年地震條目占總數的/2 3以上。這一地區又是遼寧省各項地震學研究的重點，所以研究適合該區域地殼速度結構是非常有意義的，此研究可改善遼寧臺網對該區域定位的走時殘差，也會對臺網的測震工作有一定的促進作用。

圖1 營口—海城地區地震分布圖Fig.1Yingkou-Haichenge picentral distribution

1 Hyposat 原理說明

Griger 是一種經典的傳統的方法，Hyposat 則是對該方法的一種改進提升。原方法采用的是非線性方程，而改進后采用的是線性方程，解答方法采用的是最小二乘法。此外，Hyposat 還改進了觀測方程，直接使用最小二乘法的方法求解并且采用了數據加權的方法而不是將觀測方程化成基本的方程組，并且實現了降維。非線性方程求的是近似值。線性方程（一次方程）求的是實值。最小二乘法是最小化誤差平方和尋找數據的最佳函數匹配。求得數據與實際之間誤差的平方和為最小化誤差。

Hyposat 法是在Geiger 法的基礎上進行改進的方法。原方法采用的是非線性方程，而改進后采用的是線性方程，解答方法采用的是最小二乘法。假設有n 個觀測臺站，觀測數據為t1，t2，…，tn，求震源（x0，y0， z0）及發震時刻t0，使得目標函數最小，公式為：

ri為到時殘差，公式如下：

Ti為震源到第i 個臺站的計算走時。使目標函數取極小值即：

其中，

則由（3）式，在真解θ 附近任意試探解θ*及其校正矢量δθ 滿足：

也即：

根據上面這些公式和定義我們可以看出，讓r（iθ*）和）θ*較小的前提是θ*與θ 相差不大，因此二階導數項可不考慮，則可簡化成如下矩陣形式：

其中，

由（7）式可得到一組δθ，令θ=θ*+δ 作為下一次迭代的初值，當滿足預計的截止誤差可停止計算。

Hyposat 還改進了觀測方程，直接使用最小二乘法的方法求解并且采用了數據加權的方法而不是將觀測方程化成基本的方程組，并且實現了降維。Hyposat 可用于近遠震的定位，可完成深度的反演或者反演一個好固定深度，還可用ISAP91，AK135等全球模型，或者采用水平分層速度模定位程序適用于近遠震，能給出反演深度或固定深度反演，可采用全球模型ISAP91，AK135等或者水平分層速度模。

2 地震資料處理

2.1 地震資料選取

本研究用于擬合的數據是選取2009年1月1日至2017年12 月10 日，營口—海城地區（40°～41.2°N，121.8°～123.5°E），參考定位臺站數量大于3個，震級在M0級至4.0級之間的地震，共計144條。震相數量分別為：4119個Pg震相，1644個Pn震相，62個Pb震相，4424 個Sg震相，617個Sn震相。

2.2 震相拾取

2.2.1 折合Pn

由于近臺無法拾取Pn震相，本研究使用PTD方法，采用遠臺Pn震相的觀測結果，推導出近臺Pn震相，即理論Pn到時。上世紀末朱元清先生首先提出了這樣一種PTD方法，此法靈敏度高，特別是對于一些近臺震相記錄缺乏的地震更具優勢［4］。此后，朱元清以及其他研究人員計算了1982 年至1992 年華東地區的地區，基于中國分區速度結構總結編制出各區的深度—走時差表［5］。此后，PTD方法被大眾認可并得到廣泛使用。

PTD方法是一種被認可的測定震源深度的方法，其原理如下圖所示。E 表示震中，將地殼簡化為二層均勻模型，上下地殼的厚度分別用H1和H2表示，速度分別用V1、V2和Vn表示，h表示震源深度，臺站用倒三角T 表示。根據地震波走方程，當Pn震相作為初值震相時，理論震中距為D，當臺站T2所處的震中距大于D 時，則T2的理論到時可用T3臺站的實測Pn到時減去BC 段的理論走時，T2的理論Pn到時減去實測到時，分析這兩個數據的到時差再通過計算可以得到震源深度。但是，也存在特別情況，當D大于T1的震中距時，該臺站則接受不到Pn震相，此時同樣減掉AC 段，可得到T1的虛擬Pn到時［6］。

2.2.2 拾取Pb

在遼寧省的臺網日常工作中沒有對Pb震相的進行識別，因此需要重新拾取Pb震相。重新拾取需要運用到JOPENS軟件，使用該軟件從數據庫中提取到Pg， Pn震相走時，單獨識別Pb震相走時時則需要使用Reaphase.m 程序來讀取。然后生成震相走時文檔，對擬合V1、V2、Vn 提供數據。

3 初始模型建立

首先擬合收集到的震中距-走時數據，擬合結果如圖3所示。

圖3 P 波擬合圖Fig.3P wavefitting diagram

由上圖可以看出擬合得到了P波波速，將該數據設為初始模型的基本參數，結合遼寧模型的H1和H2共五個參數作為本次研究的初始模型。

表1 初始模型

4 最優模型

本節中根據擬合速度結果、初始模型以及前人研究成果和營口—海城地區的實際地質情況，對選定的133地震數據進行Hyposat 批處理。最后根據參數取值范圍、Hyposat 處理結果殘差大小以及以符合營口—海城實際地質情況的準則確立該區域最終的速度模型。

表2 初始模型擾動范圍

為了得到更為精確的地震震中位置、地震時刻和震源深度以及定位走時殘差，利用Hyposat 軟件改變速度模型，同時擾動五個初始模型參數批量定位地震數據。進行比較后得到的走時殘差值，確定最優的速度模型的參數。此次批處理一共計算了134 條地震的數據，2559個Pg震相，520 個Pn震相，2811個Sg震相，241個Sn震相。

Hyposat批處理過程分為三步（表3-5）：

表3 第一次擾動計算

表4第二次擾動計算Vpg VpbVpn CONR MOHO范圍6.0～6.26.6～6.97.9～8.117～2232～35步長0.030.030.0311殘差0.352 6.16.837.731931

表5第三次擾動計算Vpg VpbVpn CONR MOHO范圍6.1～6.26.848.0418～2232～34步長0.010.010.0111殘差0.352 6.106.837.731931

本次批處理實際使用了134條地震，90%的地震為營口、蓋縣、大石橋、海城區域范圍內的地震。結果平均RMS0.352，遼寧模型結果平均RMS0.358；震中差平均約為0.56km。

圖4 殘差對比Fig.4Residual comparison

上面的結果可以看出在深度和震中差上營海模型與遼寧模型相差不大，但是走時殘差結果更好的是營海模型。

5 檢驗營海模型

本研究使用未參與批處理計算的272 個地震對最優模型進行檢驗，檢驗結果表明，營海模型平均走時殘差為0.314，遼寧平均模型的走時殘差為0.315。營海模型要略優于遼寧模型。

圖6 殘差對比Fig.6Residualcomparison

選擇2017年12月19日02 點39分遼寧海城M4.4級地震，重新拾取震相，使用相同的震相在兩種模型下進行定位。發震時刻、震中位置、深度參數基本相同，但營海模型的走時殘差為0.258，遼寧模型的走時殘差為0.298，定位該地區地震時，營海模型還是略優于遼寧模型。

表6海城地震結果對比發震時刻經度（°）緯度（°）深度km震級M 類型 走時殘差/s 模型2017-12-19 02：39.477123.0640.54 94.3天然地震0.298遼寧模型2017-12-19 02：39.220123.0640.54 10 4.3天然地震0.258營海模型

由以上分析結果可見，對震級0 至4級272 個地震進行批量處理，營海模型走時殘差僅優于遼寧模型0.001秒，但對較大震級地震定位時其走時殘差比對明顯，相差0.04秒。

對以上結果又進行了進一步分析，處理ML2.0至3.0 地震393個，處理ML3.0以上地震39個。 ML2.0～3.0地震，遼寧模型殘差為0.353，營海模型殘差為0.349； M3.0 以上的地震，遼寧模型殘差為0.406，營海模型殘差為0.380。當震級較小時，參與定位臺站數量較小，定位精度相對較差，引起走時殘差優劣性不明顯。當震級較大時，參與定位臺站數量較多，定位精度高，當使用符合本區域的模型時，走時殘差的優勢就體現的更明顯。

6 結論

在建立營海一維速度模型的過程中得到了以下認識：

（1）在2009年1月至2017年12 月時間段內，選擇遼寧省內M ≥1級、且在定位過程中使用在3個以上臺站的、范圍在營口—海城的地震數據中Pg、 Pn震相，重新拾取了Pb震相，并對數據進行震中距-走時擬合，得到擬合V1、V2、Vn速度，與現使用的遼寧模型做對比，發現二者存在一定的差異；所以結果需要進一步修正。

（2）為了得到營口—海城的一個初始速度模型，可以用遼寧模型H1和H2作為基礎，然后重新擬合P 波波速。

（4）利用Hyposat 批處理方法，使用未參與最優模型批處理計算的272 個地震重新定位，并與遼寧模型進行對比分析，分析結果表明，營海模型的定位殘差較小，可以作為營口—海城區域最優模型。

（5）選擇2017年12 月19日02點39分遼寧海城發生的M4.4 級地震，然后用模型對營海進行驗證，對比營海和遼寧模型，從結果中可以看出，營海模型定位精度高，殘值小，更加能表明營海模型在營口—海城地區的適用性。