2018, Vol. 39
地壳速度模型与地震定位精度密切相关（赵仲和，2010），如何准确测定震中经纬度和震源深度一直是地震学家关心和研究的热点（朱元清等，1997）。合适的地壳速度模型可以帮助地震学家准确判断地震测定精度（朱元清等，1997；张天中等，2007），因此，地壳速度模型的作用显得更加突出（朱元清等，1995）。2014年，在中国地震局监测预报司高度重视下，由上海市地震局牵头开展了中国区域一维速度模型构建及推广使用工作，使得中国地壳速度模型工作有了进一步实质性进展（刘芳, 2013, 2014）。
内蒙古东部地区（41°30′—51°00′N；114°30′—125°E）位于东北块体，断裂构造分布不均匀，中强地震频发。1940年和1942年通辽发生2次6.0级地震，1980年、1981年博克图发生2次5.6级地震，进入21世纪，先后发生2003年8月16日巴林左旗5.9级、2004年3月24日东乌珠穆沁旗5.9级、2005年林甸5.1级、2005年陈巴尔虎旗一牙克石市间5.0级、2006年吉林乾郭5.0级、2013年科左后旗5.3级等中强地震。
内蒙古地震台网测震使用华南速度地壳结构模型，与内蒙古东部地区实际地质构造不符，地震定位残差偏大。基于内蒙古地震台网现用地壳速度模型（华南模型、2015内蒙古最优模型），建立符合该地区的地壳速度模型，提高地震定位精度。本文参考前人研究成果、2015内蒙古最优模型，使用内蒙古地震台网观测报告，反演内蒙古东部地区地壳速度模型，并随机抽取东部地区地震和爆破进行检验，最终确立符合该地区地质构造特征的地壳速度结构模型。
1 数据选取选取2类3组地震数据用于建立内蒙古东部地区地壳速度结构模型并进行检验。
1.1 东部模型建立数据选取内蒙古测震台网2009—2016年4月记录的内蒙古东部131次ML≥3.0地震事件，使用Pg和Pn联合测定震源深度的方法（朱元清等，1997）对震源深度重新测定，反演得到内蒙古东部区域二层速度模型。所选地震与地震台站的射线见图 1。
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图 1 2009 — 2016年4月131次地震和地震台站射线 Fig.1 Radial maps of 131 earthquakes and seismic stations from 2009 to April 2016 |
（1）地震数据。随机抽取2009—2016年内蒙古测震台网记录的内蒙古东部地区101次地震用来检验东部模型。用于检验东部模型的地震及地震台站分布见图 2。
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图 2 地震台与101次地震分布 Fig.2 The distribution of 101 earthquakes and seismic stations |
（2）爆破数据。爆破是检验定位结果是否准确的重要资料，随机抽取9次内蒙古测震台网记录的内蒙古东部地区爆破用来检验东部模型。爆破分布见图 3，因2次爆破的震中位置一致，图中只显示7次爆破。
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图 3 9次爆破分布 Fig.3 Distribution map of 9 blasts |
大陆地壳厚度较大，平均约35 km，刘芳等（2007）得到内蒙古地区Moho面平均深度为41 km。从内蒙古地壳等厚度图可知，全区地壳厚度35—42 km，均值38.3 km。在本次研究搜集的地震记录中拾取大量Pb震相，表明康拉德面存在的假设是合理的。假设地壳结构为2层，地震波在层内速度均匀，康拉德面波速和下地壳波速相同，则速度模型包含5个参数，分别是上地壳波速v1、下地壳波速v2、沿莫霍面波速vn及上地壳厚度H1和下地壳厚度H2。纵波传播路径示意见图 4。
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图 4 地壳内纵波传播路径 Fig.4 The longitudinal wave path in the crust |
基于内蒙古已有地区地壳速度模型研究成果，采用地震震相速度拟合及折合走时曲线方法，利用Hyposat批处理结果，对上地壳速度v1(vPg)、下地壳速度v2(vPb)、莫霍面速度v3(vPn)、上地壳厚度H1和下地壳厚度H2参数进行合理调整，建立初始地壳速度结构模型，最终确立内蒙古东部地区地壳速度结构模型。调整原则为：①震相数据离散度调整。删除实际震相数据与理论走时线相差4 s的数据；②深度调整。调整深度，使实际震相数据位于理论线中间位置；③速度值调整。实际数据应与理论线平行。
3 初始模型、最优模型确立 3.1 初始模型通过速度拟合、分区扫描以及折合走时确定地壳厚度及速度的方法，确定内蒙古东部地区初始地壳速度结构模型。
3.1.1 速度拟合。对选取的内蒙古东部地区131次ML ≥ 3.0地震（台站数N ≥ 8），提取Pg震相走时数据1 898条，Pn走时数据930条，Pb走时数据45条，Sg走时数据1 967条，进行Pn、Pb、Pg、Sg震相速度拟合，得到地震波的vPg、vPb、vPn、vSg拟合曲线，见图 5。
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图 5 内蒙古东部地区131次地震速度拟合 Fig.5 Seismic wave velocity ftting of 131 earthquakes in the eastern of Inner Menglia |
为考查地震速波的稳定性，对东部区域根据地震发生频次设置步长进行分区拟合扫描，然后得到速度均值，具体结果见表 1。
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表 1 分区扫描结果 Tab.1 Partition scan results |
依据Pg、Pb和Pn震相及其速度均值，计算折合走时
| $ {T_Z} = {T_L} - \left({\mathit{\Delta }/v} \right) $ | (1) |
其中：TZ为折合走时；TL为理论走时；Δ为震中距；v为波速。
基于华南地壳速度结构模型，使用式（1）得到地震P波折合走时曲线，见图 6(a)，可见Pg、Pn震相值均落在理论走时曲线上方，说明该模型设置的莫霍面深度偏浅，震相速度vPg、vPn分布与理论线接近水平。
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图 6 P波折合走时曲线 (a)华南模型折合；(b) 2015内蒙古最优模型折合；(c)第1次调整折合；(d)第2次调整折合 Fig.6 Reduced travel time curve of P wave |
基于2015内蒙古最优模型，得到地震P波折合走时曲线，见图 6(b)，可见Pg震相值落在理论线下方，Pn震相值落在理论线上方，说明该模型设置的莫霍面深度偏深。
P波走时分两阶段进行调整：①将莫霍面深度减至39 km（H1 = 25 km，H2 = 14 km），将v1由6.13 km/s调至6.05 km/s，下调0.08 km/s，将v2由6.3 km/s调至6.72 km/s，上调0.42 km/s，将v3由8.14 km/s调至8.05 km/s，下调0.09 km/s；②将莫霍面深度减至36 km（H1 = 23 km，H2 = 13 km），将v1由6.05 km/s调至6.02 km/s，下调0.03 km/s，将v2由6.72 km/s调至6.5 km/s，下调0.22 km/s，将v3由8.05 km/s调至8.08 km/s，上调0.03 km/s。最终使P波折合走时实际数据位于理论走时曲线中间，使数据整体分布趋势与理论线平行，见图 6中(c)、(d)图。
3.1.4 初始模型参数。综合地震速度拟合曲线和折合走时曲线，得到内蒙古东部区域一维速度初始模型，具体参数见表 2。
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表 2 初始模型 Tab.2 The initial model |
选取内蒙古地震台网记录的131次ML≥3.0地震，应用初始模型，据其扰动范围内不同的值设置数组模型，采用Hyposat批处理方法，进行2次搜索定位，具体结果见表 3。由表 3可知，第1次搜索最小平均残差RMS = 0.485，第2次搜索最小平均残差RMS = 0.440。依据平均残差结果，确定Hyposat批处理东部最优模型为：v1 = 6.10 km/s；vPb = 6.72 km/s；vn = 8.00 km/s；H1 = 23 km，莫霍面深度H = 39 km。以同样方法，使用华南地壳速度结构模型进行批处理，平均残差RMS = 0.539，使用2015内蒙古最优模型处理，平均残差RMS = 0.479（表 3）。
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表 3 Hyposat批处理2次搜索结果 Tab.3 The results of Hyposat two batch search |
综合前人研究成果（李祥等，1987；刘昌铨等，1991；刘芳等，2007）、内蒙古东部区域地震震相拟合曲线及折合走时曲线得到的初始模型、Hyposat批处理建立的东部最优速度结构模型，结合内蒙古东部地区地质构造特征，确立该地区地壳速度结构模型，参数如下：v1 = 6.10 km/s、vPb = 6.72 km/s、vn = 8.05 km/s、H1 = 23 km、H2 = 16 km（表 4）。
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表 4 模型对比 Tab.4 Model comparison |
由内蒙古东部地壳速度结构模型、2015内蒙古最优模型、华南模型参数对比结果（表 4）可知：①对于v1、vPb和vn的结果，3种模型相差不大；②对于地壳厚度，东部模型和最优模型相差不大，均大于华南模型。
4 东部模型Hyposat批处理检验随机选取内蒙古地震台网记录的101次地震和9次爆破，使用华南模型（编目）、2015最优模型和内蒙古东部模型，采用Hyposat批处理定位软件进行批量定位处理，得到地震的震中位置、发震时刻、震级及震源深度等地震参数，并得到定位残差。从3种模型的定位残差及震中位置差（震中差）进行对比分析。
4.1 地震检验（1）定位走时残差。对101次地震，采用东部模型、华南（编目）模型、2015最优模型进行定位，定位走时残差对比曲线见图 7。由图 7可知，地震编目定位走时残差范围在0—2.185 s，均值为0.475 s；2015最优模型定位走时残差范围在0—0.911 s，均值为0.333 s；内蒙古东部模型定位走时残差范围在0—0.909 s，均值为0.327 s。对比可知，内蒙古东部模型较2015最优模型定位走时残差均值降低0.006 s，较华南定位走时残差均值降低0.148 s。
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图 7 内蒙古东部模型、2015最优模型、华南模型定位走时残差对比 Fig.7 East, 2015 optimal and catalog (South China) positioning residual comparison chart |
（2）震中差。图 8给出101次地震的内蒙古东部—编目、2015最优—编目和华南—编目震中差对比曲线，可知所选地震内蒙古东部—编目震中差范围在0.133 9—4.922 4 km，均值为1.514 km；2015最优—编目震中差范围在0.111 2—18.799 1 km，均值为1.843 km；华南—编目震中差范围在0—19.797 9 km，均值为2.923 km。
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图 8 内蒙古东部—编目、2015最优—编目和华南—编目震中差对比 Fig.8 Comparison of the epicentral difference between "East-Catalog", "Optimum-Catalog" and "South China-Catalog" |
（3）检验结果。101次地震使用内蒙古东部模型、华南模型（编目）和2015最优模型进行Hyposat批处理定位，定位走时残差及震中位置（震中差）进行对比。结果发现：内蒙古东部模型定位走时残差均值最小，较华南模型（编目）残差均值有较明显降低；内蒙古东部模型—编目较华南—编目震中差均值降低约1.5 km、2015最优—编目较华南—编目震中差均值降低约1 km。
4.2 爆破检验（1）定位走时残差。随机选取的9次爆破，采用内蒙古东部模型、华南（编目）模型、2015最优模型分别进行定位，得到定位走时残差，见图 9。由图可知，9次爆破华南（编目）定位走时残差范围在0.23—1.464 s，均值为0.578 s；2015最优模型定位走时残差范围在0.174—1.271 s，均值0.511 s；内蒙古东部模型定位残差范围在0.163—0.852 s，均值0.367 s。内蒙古东部模型较2015最优模型定位走时残差均值降低0.144 s，较华南模型降低0.211 s。
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图 9 内蒙古东部模型、2015最优模型、华南模型定位走时残差对比 Fig.9 Comparison of location residuals between astern, 2015 optimal and cataloging (South China) |
（2）震中差。9次爆破的内蒙古东部—编目、最优—编目和华南—编目震中差对比情况，从图 10可知，内蒙古东部—编目震中差范围在0.162—15.118 4 km，均值为3.551 km；2015最优—编目震中差范围在0.448—12.312 km，均值为3.670 km；华南—编目震中差范围在0.996—14.158 km，均值为4.357 km。
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图 10 内蒙古东部—编目、2015最优—编目和华南—编目震中差对比 Fig.10 Comparison of the epicentral difference between "East-Catalog", "Optimum-Catalog" and "South China-Catalog" |
（3）检验结果。9次爆破分别用东部模型、华南模型（编目）和最优模型进行Hyposat批处理定位，对定位残差及震中位置差（震中差）进行对比。结果发现，内蒙古东部模型定位走时残差均值最小，较华南模型（编目）和2015模型有明显降低；内蒙古东部模型—编目震中差均值最小。
5 结论通过对内蒙古东部地区一维地壳速度结构速度模型进行分析，得到以下结论。
（1）对131次地震Hyposat批处理定位结果进行2次搜索，得到内蒙古东部地区地壳速度结构模型：v1= 6.10 km/s，vPb = 6.72 km/s，vn = 8.05 km/s，H1 = 23 km。
（2）随机抽取101次地震进行Hyposat批处理，定位走时残差检验结果表明，内蒙古东部地壳速度结构模型定位走时残差均值最小，较华南模型（编目）有明显降低。统计发现，RMS在0—0.5的地震，华南地壳速度结构模型占总数的65%，2015内蒙古最优模型占总数的90%，内蒙古东部地区地壳速度结构模型占总数的95%。
震中差检验结果显示：东部模型—编目较华南—编目震中差均值降低约1.5 km；最优—编目较华南—编目震中差均值降低约1 km；东部模型—编目震中差均在5 km以内。
（3）抽取内蒙古东部地区9次爆破对内蒙古东部地区地壳速度结构模型进一步检验，发现定位残差明显优于其他2种模型。
（4）使用Pn/Pg联合测定震源深度反演得到内蒙古东部地壳2层速度模型，符合内蒙古东部地区实际地壳结构，适用于内蒙古地震台网地震定位。
Hyposat方法对地壳速度结构模型较敏感，使用不同模型的地震定位结果差异较大。采用内蒙古东部地区地壳速度结构模型，使用Hyposat方法对结果进行检验，地震定位走时残差明显降低，震中差有所减小且合理稳定，可见地震定位质量有所提高。
使用Pn/Pg联合测定震源深度方法反演地壳速度模型，要求地震事件记录到一定数量的Pn、Pg震相，受此条件影响，数据量偏小对结果的可靠性有一定影响。
研究中使用上海市地震局朱元清研究员提供的Pn/Pg联合测定深度方法和广东省地震局吕作勇提供的Hyposat批处理程序，在此表示感谢。
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