山西地处鄂尔多斯块体和河淮块体的交界地带，是一个结构复杂、震害严重区域（丁志峰，1999）。据史料记载，公元前512年至公元2016年山西境内共发生83次破坏性地震，其中1次8级地震，5次7级地震，16次6级地震，大部分地震发生在断陷盆地内。研究表明，在华北地区，断陷盆地内震害严重（董一兵等，2018；Dong et al，2018），且该区地震活动与其深部构造关系密切，如：段永红等（2015）深地震测深结果表明，山西断陷带下方存在低速凹陷区，是小震频发部位；郑洪伟等（2012）地震层析成像结果显示，大同火山群深部显示低速特征。已有研究表明，远震震相到时可为深部结构提供一定约束（楼海等，2008；张风雪等，2013），鉴于此，计算山西地震台网记录的远震P波到时残差，并对其水平分布特征进行分析，用以研究山西地区地下深部结构，为防震减灾提供数据支撑。

自新生代以来，山西地区不断发展形成一系列地堑和盆地，由北向南对接而组成的地堑—裂谷系，总体呈“S”形雁行排列，长1 000多千米（刘惠敏等，2004）。从山西近年来震中分布可知，地震主要分布在研究区域的断裂带附近（图 1，图中空心圆表示2008—2016年发生的地震，黑色折线表示活动断裂层，黄色曲线表示省界）。鉴于该区震害的严重性，很多人用不同的方法了解和研究山西的地震构造背景（王秀文，1991）。研究结果表明，山西断裂带现今的构造应力场特征为：主要受NW、NWW—SE、SEE向压应力场的控制，不存在明显的走滑运动；运动强度在水平方向上表现为北强南弱，在时间上表现为前弱后强；局部区域的应变量级达到10^-6（杨国华等，1999）。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区地震和活动断层分布 Fig.1 Distribution of the earthquakes and the faults

收集山西地震台网21个宽频带地震台站2008—2016年记录的1 253个远震事件，选取其中481个波形信噪比较高事件（图 2，图中菱形表示远震震中，三角形表示山西地震台网），利用中国地震局提供的EDSP-IAS软件拾取到时，得到7 600余条高质量远震P波初至到时数据。地震事件筛选原则如下：①震中距30°—90°，以避免下地幔和核幔边界的复杂结构对地震波走时的影响；②震级大于5.0，以保证地震波到达台站时具有较高信噪比；③每个地震事件的有效记录数大于6。

图 2(Fig. 2)

图 2 远震震中分布 Fig.2 Distribution of the teleseismic epicenters

为了便于观察山西地区远震P波走时特征，绘制所选远震P波初至到时与震中距关系曲线，见图 3。

图 3(Fig. 3)

图 3 P波初至到时时距曲线 Fig.3 The time-distance curve of the P wave

由图 3可见：①整体上，研究区远震P波走时与震中距近似成线性关系；②存在离散曲线，与整体趋势相比，有些表现为早到时（震中距相同而到时较早），有些则表现为晚到时（震中距相同而到时较晚），说明山西局部地区可能存在高速或低速异常结构，可通过计算相对到时残差定量分析研究区下方的波速异常。

相对到时残差有助于减小震源、发震时刻的不确定性，以及研究区以外速度不均匀性对地震层析成像结果的影响，因此得到广泛应用，计算过程如下：①计算每个事件的P波初至震相在各地震台站的理论到时；②计算各地震台站的绝对到时残差；③计算各地震台站的相对到时残差。

（1）计算理论到时。使用IASP91一维地球速度结构模型（Kennett et al，1991），计算P波初至震相理论到时，并进行地球椭圆率到时纠正（Dziewonski et al，1976）。使用Zhao等（2004）给出的三维射线追踪法，确定震源与台站之间的射线路径。

（2）计算绝对到时残差t_ij（从第j个事件到第i个台站）。

式中，$ T_{ij}^{{\rm{OBS}}}$和$T_{ij}^{{\rm{CAL}}} $分别为实测到时和理论到时。

（3）计算相对到时残差r_ij。

式中，$t_j^{\rm{m}} $为平均残差，n_j第j个事件的观测资料数，且$t_j^{\rm{m}} = \frac{1}{{{n_j}}}\sum\nolimits_{i = 1}^{{n_j}} {} {t_{ij}} $，则第i个台站的平均相对残差$r_j^{\rm{m}} $可以表示为

式中k_i为第i个台站记录的事件数。

利用上述方法，计算选取的山西地震台网远震P波相对到时残差，残差分布与频次关系见图 4。由图 4可见，相对到时残差大部分集中于-1—1 s，且符合正态分布特征，说明使用IASP91模型可较好地拟合研究区P波走时异常。

图 4(Fig. 4)

图 4 相对到时残差分布与频次 (a)相对到时残差随震中距分布；(b)相对到时残差频次 Fig.4 Relative arrival time residual distribution and frequency

计算各地震台站P波相对到时残差的算术平均值，绘制研究区相对到时残差分布，见图 5，图中灰色矩形区域为山西断裂带，◇表示负延迟到时（残差为负值）；○表示正延迟到时（残差为正值）。由图 5可见，研究区下方P波到时残差呈西—中—东格局分布，即整体呈自西向东由早到时逐渐过渡为晚到时的分布特征，与郑洪伟等（2012）的研究结果基本一致。具体表现为：①以研究区中部的山西断裂带为界，西部台站P波主要表现为早到时，东部位于大同火山区的台站P波则主要表现为晚到时；②位于山西断裂带内部的地震台站P波主要表现为早到时，但P波到时残差水平显著低于西部台站。

图 5(Fig. 5)

图 5 研究区相对到时残差分布 Fig.5 Distribution of the relative residuals

研究区P波相对到时残差的分布特征可能与该区地下深部构造有关。已有研究表明，远震P波走时残差的早到时通常意味着地球深部存在高速异常体，而晚到时则意味着存在低速异常体（张风雪等，2013）。由此推测：①山西断裂带西部地区（到时较早）下方可能存在高速异常结构；②山西断裂带内部及东部的大同火山区（到时相对较晚）可能存在低速异常结构。

本文利用2008—2016年山西地震台网记录的远震事件波形，计算IASP91模型下远震P波震相的相对到时残差，分析结果表明，山西地区远震P波到时残差在水平方向上表现出区域性分布的特征，与已有研究结果较一致。由于远震P波中携带了壳幔速度结构信息，测量远震P波相对到时残差，可为研究区深部结构提供约束。本研究为初步结果，下一步可开展山西地区远震P波层析成像研究，以深化对研究区深部孕震环境的认识。