利用福建爆破實驗記錄檢驗華南速度模型

陳惠芳 康蘭池 金星1， 林彬華1， 郭陽

1）福建省地震局，福州市華鴻路7號 350003

2）福州大學，福州 350108

0 引言

地震學是通過研究地震產生的地震波從而推斷地球內部結構和地震發生的物理機制的科學（Shearer，1999；Bondar，2004）。它是人類了解無法直接到達的地球內部的一種重要方法和手段。由于天然地震的震源位置和發震時間無法控制，常常導致射線的幾何分布不夠理想，這給獲得研究區域地下結構的良好反演解造成了相當的困難（張先康等，1994）。利用人工震源激發產生地震波的反演方法，可以在研究區域建立相對較完備的觀測系統，在很大程度上彌補了天然地震的這一不足。多年來，福建省地震局一直采用華南地區地殼速度模型對周邊的地震事件和爆破進行定位分析，但是，一旦模型不合適或有較大偏差將會對日常地震編目工作造成重大影響，因此，很有必要對華南地殼速度模型進行檢驗。在通常的地震反演中，地震發震時刻、震源位置等信息無法準確得知，故缺乏對華南速度模型進行檢驗的必要條件。然而，福建地區的多次人工爆破實驗為我們提供了一個良好契機（廖其林等，1988），利用爆破實驗準確的發震時間、發震位置可以獲得不同震相的精確到時，進而對華南速度模型進行檢驗，同時，在此基礎上提出華南速度模型的修正意見。

1 研究背景

在地震觀測臺站確定的情況下，影響地震定位精度的主要因素包括結構模型的誤差和觀測走時等信息誤差（陳棋福等，2001）。恰當的震源精定位方法可通過應用良好的速度模型提高定位結果的可信度，同樣地，也可以運用不同的精定位方法，通過比較定位結果來判斷速度模型的優劣（趙仲和，1983）。一維參考地震波速度模型是區域地震構造研究的重要基礎（陳祥熊等，2005），三維成像反演的可靠性即有賴于一維模型的準確建立。另一方面，基于一維速度模型的計算相對于基于三維速度模型的計算，在精度允許的范圍內具有低成本、高效率等優勢。因此，一維速度結構的研究依然是當前地下速度結構研究的重點之一（孫安輝等，201l）。

福建測震臺網在2010年共有33個區域臺和8個水庫臺，平均臺間距56km，至2011年“十一·五”福建地震烈度速報臺網建成后，又增加了44個地方臺，現福建測震臺網共由85個臺組成了較為密集的地震臺網，平均臺間距為31km左右（圖1）。

圖1 炮點與臺網分布

2010～2012年福建省地震局聯合中國地震局物探中心在福建區域開展“福建及臺灣海峽地殼深部構造探測實驗”項目，項目成功實施了18次爆破實驗，爆破的炮點位置基本覆蓋福建省大部分地區（圖1）。這些爆破都有精確的時間、經緯度、用藥量及地名等炮點參數（表1），本文利用福建測震臺網記錄到的數字地震波形分別對這些爆破事件進行震中位置的確定，利用得到的結果與準確的爆破點位置進行對比，并對測震臺網常用的4種定位方法進行定位精度判定，最后結合這些資料來檢驗福建華南速度模型。

福建測震臺網記錄到了18次爆破的完整波形，所有爆破均有多個臺站記錄，記錄臺站數為22～101個，最多的是SP11爆點，101個臺；最少的是SP33爆點，22個臺。其中，2010年激發的4個炮點（SP31～SP34）只使用了41個臺，記錄臺數較少。爆破激發波的最遠傳播200～352km，其中，SP11爆點352km。爆破激發了清晰的直達縱波Pg震相、莫霍面反射波PmP震相和SmS震相，在震中距120km處出現了明顯的來自莫霍界面的首波震相Pn，近臺還記錄到短周期面波震相，由于直達橫波Sg震相在爆破記錄圖上無法識別，所以本研究棄用（圖2）。

表1 18次爆破炮點信息

圖2 2010～2012年18次爆破記錄

2 研究方法

利用18次爆破記錄作為研究資料，先進行爆破震相特征分析，一方面在華南模型基礎上采用單純型、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種定位方法進行定位偏差比較，得出最優定位方法。另一方面應用14次爆破記錄反演福建一維兩層速度模型，將研究得到的模型結果與華南模型進行比對，再用剩余的4次爆破記錄對本研究模型進行驗證（圖3）。

圖3 研究技術路線

2.1 震相對比分析

福建區域開展的“福建及臺灣海峽地殼深部構造探測實驗”項目，產出了豐富的爆破記錄數據，這為福建地震臺網系統地識別爆破與地震波形特征創造了良好條件。本文對爆破實驗震相波形與地震震相波形進行分析對比，區分爆破與天然地震的震相特征，得出了適用于福建地區的爆破識別判據，旨在提高地震分析人員的準確判斷。

地震與爆破一樣都是瞬間發生的，發生時都能釋放出巨大的能量。然而，在發生機制上地震與爆破是有差異的，主要為：①爆破與天然地震的震源機制不同：爆破源是對稱膨脹源，天然地震源則是非對稱剪切源。②震源深度不同：爆破多位于近地表附近，一般深度為0～2km；而地震大多發生于地下5～30km處，有的更深達數百千米。

本文通過對18炮爆破記錄的波形進行分析，得出爆破的特征如下：

（1）爆破是膨脹源激發P波，導致了爆破的P波較強，而S波的激發能力較弱。而且在同一距離上，有時爆破的P波振幅能達到甚至超過S波的振幅。地震是非對稱剪切源，激發P波能力較弱，而激發S波能力較強，一般來說，地震的P波振幅要小于S波的振幅（圖4）。

（2）各向同性介質中，點源爆破的振幅與方位無關，且只有壓縮初動，而地震的振幅和極性均會隨方位變化（彼得·鮑曼，2006）。統計爆破和地震事件各臺P波垂直向初動結果得出：爆破垂直向初動均向上；而地震垂直向初動有向上和向下，按象限分布（圖5）。

（3）由于爆破的深度較淺，能激發出較清晰的面波，而且由于淺層對高頻成分的吸收，傳播一段距離后，波形顯示很干凈，毛刺較少。而地震的震源較深，激發面波的能力較弱，且毛刺較多（圖6）。

（4）爆破在震中距70～90km或者70～110km處PmP波發育且其振幅較強并呈紡錐型，而地震在該震中距區間處PmP波發育且振幅較弱（圖7）。

圖4 爆破與地震P波、S波震相對比

圖5 爆破與地震垂直向P波震相初動方向對比

2.2 4種定位方法的對比研究

“十五”中國數字化地震觀測網絡項目以來，福建地震臺網將廣東智源科技有限公司開發的人機交互軟件MSDP（Multiple Seismic Data Processing System）用于日常地震速報和地震編目。MSDP軟件自帶有6種定位程序，分別是單純型法、遺傳算法、單臺定位法、Hyposat、Hypo2000、Locsat等。福建臺網日常工作使用的有單純型法、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種，它們有各自的適用范圍（表2）。這4種定位程序在使用中都配置了華南速度模型（范玉蘭等，1988）。

本研究對18次爆破均用4種定位方法進行定位偏差對比分析（表3、圖8）。由表3、圖8可見，4種方法中，單純型法定位平均偏差1.08，偏差中值0.923，為最高，離散度小，故屬于一般；Hyposat方法平均偏差0.81，為最小，偏差中值0.831，離散度小，故屬于較優；Hypo2000方法最大偏差5.50，為最大，離散度大，但是偏差中值0.645，為最低，故屬于一般；Locsat定位方法平均偏差1.44，為最大，離散度大，偏差中值0.857，較大，故屬于較差。

圖6 爆破與地震近臺面波發育對比

圖7 爆破與地震反射波發育對比

表2 4種定位方法的適用范圍

綜合4種定位方法的統計分析可以看出，Locsat定位方法偏差大，離散度大，定位效果較差，故不將其納入提高定位精度的方法中。Hypo2000雖然最大偏差大，離散度較大，但偏差中值較小，在特定的情況下可以考慮使用。單純型定位離散度小，較為穩定，可以考慮作為本文提高定位精度使用。Hyposat定位偏差較小，離散度小，較為穩定，可以作為本文提高定位精度的首選方法。事實證明，在地震分析中，如果使用較為合適的定位方法來定位不同類型的地震，便可獲得較為可靠的地震參數和震中位置，也能進一步提高地震分析的質量。

表3 4種方法18炮定位偏差

3 利用固定臺觀測資料反演福建一維速度模型

3.1 基礎資料

利用MSDP軟件人工分析震相，共撿拾清晰Pn震相181個，震中距最大348.7km，最小136.4km；清晰PmP震相118個，震中距最大137.5km，最小56.1km（表4）。本研究除利用SP31、SP14、SP24、SP42等4次爆破的Pn、PmP震相外，將其余14次爆破所有的Pn、PmP震相進行一維速度結構反演，這4次爆破用于反演結果的對比檢驗。用于一維速度結構反演Pn震相共計181個，PmP震相共計87個。

3.2 研究方法

以華南模型為基礎，采用迭代搜索法，選取走時殘差最小時對應的波速與厚度參數為最終結果。首先，假定地殼厚度與華南模型一致，分別為H1＝21.4km，H2＝11km，在此基礎上利用正演的方法，分別確定各層波速。在得到波速后，重新利用正演方法確定H1、H2。

雙層模型Pn走時方程可寫為

式中，v1、v2、v3分別為第1、2、3層的波速；Δ為震中距；h為震源深度。

雙層模型PmP走時方程可寫為

圖8 4種定位方法定位震中偏差比較

表4 各次爆破撿拾震相數

式中，c為射線參數。將H1＝21.4km、H2＝11km及Pn震相走時、震中距代入式（1），擬合可得第3層的波速v3＝7.9119km／s，殘差 σ＝0.29，擬合結果見圖9，在H1＝21.4km、H2＝11km時，可得到第1層速度v1和第2層速度v2間的關系（圖10），如第1層速度v1＝6.1km／s，則第2層速度v2＝7.0km／s。

將圖10中得到的v1、v2直接代入雙層模型PmP走時方程（式（2）、（3）、（4）），進一步尋找與震相走時差最小值所對應的v1、v2。擬定初值采用：H1＝21.4km，H2＝11km，經正演后得到：v1＝6.00，km／s，v2＝6.97km／s，其中，最小殘差：0.39s，擬合結果見圖11、12。

將得到的v1＝6.00km／s、v2＝6.97km／s直接帶入式（1），即可獲得第1層地殼厚度H1與第2層地殼厚度H2之間的關系（圖13），如取H1＝15km，那么H2＝21.5km代入式（2）、（3）、（4），搜索與震相走時差最小值所對應的H1、H2。令v1＝6.00km／s，v2＝6.97km／s，進一步正演可得H1＝19.80km，H2＝13.55km，最小殘差＝0.26s，擬合結果見圖14、15。

圖9 莫霍面速度v3的擬合結果

圖10 震相走時差最小值對應的v1、v2間關系

圖11 第1層速度和震相走時差的擬合結果

3.3 研究結果

將本文研究結果進行匯總，并與華南模型進行對比（表5、圖16）。由表5及圖16可見，本研究結果上地殼厚度為19.8km，小于華南模型的21.4km，波速二者相當，下地殼厚度為13.55km，大于華南模型的11km，波速大于華南模型。

圖12 第2層速度和震相走時差的擬合結果

圖13 第1、2層地殼厚度間的關系

圖14 第1層地殼厚度與震相走時差的擬合結果

將本研究結果采用到MSDP人機交互系統處理模塊下，利用Hyposat方法對SP14、SP24、SP31、SP42等4次爆破進行定位，得到的定位偏差結果列于表6。由表6可見，采用本研究模型進行定位的結果比起華南模型偏差明顯減少且4個爆破的偏差都小于1.00km，二者的平均定位偏差基本都能減少0.39km。

圖15 第2層地殼厚度與震相走時差的擬合結果

表5 本文結果與華南模型對比

表6 本研究模型與華南模型定位偏差比較 （km）

圖16 本研究模型與華南模型對比

4 結論

本文利用18次爆破實驗的記錄作為研究資料，首先進行了爆破震相特征的分析；然后，利用爆破實驗的準確時間、地點及臺網觀測到的地震波走時信息，反演出福建一維兩層速度模型；最后，在此基礎上，利用華南模型及4種定位方法來檢驗地震定位方法的精度，進一步改善區域一維速度模型，以達到提高區域地震臺網定位精度的目的。本研究主要取得如下結論。

（1）通過對爆破震相與地震震相波形的對比分析，得到爆破震相特征：P波能量較強，S波的能量較弱；地震的初動按象限分布，爆破初動一般都向上且無象限分布；爆破面波較為發育。由此，得出較適用于識別本地區爆破的判據，以期有助于分析人員提高對地震類型的準確判斷。

（2）利用單純型、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4種定位方法對18次爆破記錄進行重新定位分析。結果表明，Hyposat定位平均偏差最小，離散程度最小，較為穩定；Locsat偏差最大，精度最低。因此，在地震的定位分析工作中，采用Hyposat定位方法對爆破記錄進行定位，可獲得較為可靠的地震參數和震中位置。

（3）利用14次爆破實驗已獲得的固定臺網記錄，反演福建一維速度模型，將該模型與華南模型進行對比得出：其上地殼厚度小于華南模型，下地殼厚度大于華南模型；上地殼速度與華南模型相當，下地殼速度大于華南模型。利用本研究反演結果對其他4次爆破進行重新定位，定位精度都明顯提高。