内蒙古分区地壳一维速度模型的检验

贾昕晔 王鑫 王树波 翟浩 杨智升 刘永梅 王旭东 张小艳 徐岩 苏相达 刘芳

内蒙古自治区地震局，呼和浩特 010051

0 引言

准确的区域地壳速度模型是区域地震台网大震速报及编目精确定位的重要保证，也是地震预报和地震学相关研究的重要依据。以往研究认为地壳速度模型对地震定位结果有重要影响，例如，张天中等(2007)研究表明，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。如何准确测定符合区域地质构造特征的地壳速度模型一直是地震学家关心和研究的重点(朱元清等，1990、1995、1997a、2002)。

多年来，学者们对大量不同区域的地壳速度模型开展了研究工作。曾融生等(1965)开展了中国西北区地壳中的高速夹层的研究；刘文学等(2011)、孙安辉等(2011)和陈向军等(2014)分析了新疆全区和分区地壳速度模型，完成了天山东北部地震的重新定位和一维地壳速度模型的改善工作；朱元清等(2017)完成了中国地震测定参考速度结构的研究。长期以来，内蒙古地区只开展了局部地区地壳速度模型的研究。刘芳等(2016a)建立了内蒙古地区地壳速度模型(简称“2015模型”，其中vP1=6.05km/s、vP2=6.60km/s、vPn=8.05km/s、H1=24km、H2=17km)，并将该模型应用于地震定位；赵艳红等(2018)在“2015模型”的基础上，建立了内蒙古地区西部、中部和东部3个区域的地壳速度模型。

内蒙古自治区地形狭长，横跨西北、华北、东北地区，地质构造复杂，地震活动较为强烈(曹刚，2001；刘芳等，2007、2010)。区内自东向西包括的主要活动断裂带有：西拉木伦河断裂、川井-赤峰断裂、和林格尔断裂、大青山山前断裂、色尔腾山山前断裂和狼山山前断裂等。内蒙古自治区历史上曾发生过多次灾害性大地震，特别是20世纪70年代以来，发生了包头西6.3级、和林格尔6.3级、赤峰-阿鲁科尔沁旗5.9级、东乌珠穆沁旗5.9级以及2015年阿拉善左旗5.8级等一系列中强地震。因此，建立符合内蒙古地区区域地质特征的地壳速度模型，对重要构造区域的地震预测以及地震学研究具有重要意义。

目前，前人研究得到的众多区域三维速度模型无法与区域测震台网实际使用的数据处理系统(JOPENS系统)进行对接，因此，如何将三维速度模型真正运用到测震台网地震定位中，还需进一步探讨和研究。刘芳等(2016b)将“2015模型”应用于JOPENS系统中，实测结果表明地震定位精度有一定程度的提高。然而，由于内蒙古地区狭长，横跨东西约3000多千米，且地质构造复杂，仅建立1个全区的平均地壳速度模型不能很好地描述不同区域的地质构造特征。

本文在内蒙古分区速度模型(表1)的基础上，分别使用折合走时、典型地震、爆破和塌陷以及PTD深度测定方法(即震源深度的确定性方法)(朱元清，1997a；宋秀青，2014)，开展“2015模型”与分区模型的对比研究，并将分区模型与全球地壳模型crust 1.0(Laske et al，2013)、crust 2.0(Bassin et al，2000)和使用接收函数得到的结果进行对比，进一步验证分区模型的适用性，以期提高测震台网的地震定位精度，并为地震预报、应急救援以及地球科学相关研究提供参考。

1 资料选取

本文分别选取4类数据(折合走时、典型地震、爆破和塌陷事件、PTD深度)对内蒙古西部(36°～46°N，97°～108°E)、中部(38°～54°N，108°～116°E)和东部(36°～50°N，116°～126°E)的地壳速度模型进行检验。①随机抽取2007年10月～2019年6月内蒙古西部112次、中部207次、东部200次地震进行折合走时检验(图1)；②选取2015年11月22日阿拉善左旗ML4.1、2015年10月29日和林格尔ML3.4、2018年11月19日科尔沁ML3.7等典型地震进行定位结果检验；③选取爆破和塌陷事件的检验数据；④随机抽取内蒙古西部26次、中部47次和东部98次ML≥3.0地震进行PTD深度检验。其中，折合走时的计算依据Pg、Pb和Pn震相，由下式得到

TZ=TL-(Δ/v)

(1)

式中，TZ为折合走时，TL为理论走时，Δ为震中距，v为波速。

图 1 3个区域的地震射线图(a)西部；(b)中部；(c)东部

2 内蒙古区域模型检验

从折合走时、典型地震、爆破和塌陷以及PTD深度测定方法4个方面入手，开展“2015模型”和分区模型的对比分析，进一步检验分区模型的适用性。

2.1 折合走时检验

2.1.1 西部模型的检验

随机抽取2015年1月～2019年6月西部地区112次ML≥3.0地震，分别采用“2015模型”、西部模型得到折合走时曲线(图2)。由图2(a)可见，“2015模型”设置的Moho面深度偏浅，震相数据位于理论线的上方，需要增加Moho面的深度；尽管vP1和vPn震相分布与理论线接近，但也存在一定的差异。由图2(b)可知，采用西部分区模型时，Moho面深度为44km，理论线位于实际数据中间位置；vP1、vP2和vPn震相数据整体分布趋势与理论线平行，且位于理论线中间。由此可见，西部模型更符合内蒙古西部地区的地质构造特征。

图 2 112次ML≥3.0地震的P波折合走时曲线(a)“2015模型”；(b)西部模型

图 3 中部地震P波折合走时曲线(a)“2015模型”；(b)中部模型

2.1.2 中部模型的检验

基于“2015模型”和中部模型，随机抽取2007年10月～2019年5月中部地区207次ML≥3.0地震，绘制P波折合走时曲线(图3)。由图3(a)可见，“2015模型”设置的Moho面深度与中部模型相同，均为41km，且“2015模型”与中部模型的vP1、vP2、vPn均比较接近。由图3(a)、(b)可以看到，震相分布与理论值接近，vP1、vP2和vPn震相数据整体分布趋势与理论线平行，且位于理论线中间。由此可见，“2015模型”和中部模型均适合内蒙古中部地区的地质构造特征。

2.1.3 东部模型的检验

基于“2015模型”和东部模型，随机抽取2010年1月～2019年6月东部地区200次ML≥3.0地震，绘制P波折合走时曲线(图4)。由图4(a)可知，“2015模型”设置的Moho面深度为41km，深度设定偏大，震相数据位于理论线的上方，需要减小Moho面的深度；尽管vP1和vP2的实际分布与理论分布接近，但还是偏小。由图4(b)可知，采用东部模型时，Moho面深度为39km，实际震相数据位于理论线的中间位置；vP1、vP2和vPn震相数据整体分布趋势与理论线平行，且位于理论线中间。由此可见，东部模型更适合内蒙古中部地区的地质构造特征。

图 4 东部地震P波折合走时曲线(a)“2015模型”；(b)东部模型

2.2 典型地震事件检验

选取3个区域ML≥3.0的典型地震事件，分别采用“2015模型”和分区模型，使用Hyposat定位方法进行定位，对比其定位残差结果，进而检验分区模型。

2.2.1 西部典型地震检验

图 5 “2015模型”(a)和西部模型(b)的定位结果

图 6 “2015模型”(a)和中部模型(b)的定位结果

2.2.2 中部典型地震事件检验

选取中部地区2015年10月29日和林格尔ML3.4地震，使用Hyposat方法对15个台站的震相数据进行定位(图6)。图6(a)显示了“2015模型”的定位结果，定位残差为0.631，定位深度为15.0km；图6(b)给出了中部模型的定位结果，定位残差为0.303，定位深度为20.7km。中部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.32。

2.2.3 东部典型地震事件检验

选取东部地区2018年11月19日科尔沁旗ML3.7地震，使用Hyposat方法对14个台站的震相数据进行定位(图7)，图7(a)显示了“2015模型”的定位结果，定位残差为0.960，定位深度为16.2km；图7(b)显示了东部模型的定位结果，定位残差为0.784，定位深度为16.8km。分析认为，东部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.17，深度测定值比较接近。

图 7 “2015模型”(a)和东部模型(b)的定位结果

2.3 爆破和塌陷的检验

选取西部地区20次爆破、中部地区24次爆破和8次塌陷、东部地区9次爆破，分别采用“2015模型”和分区模型进行定位，对比其定位残差和震中差的变化情况，从而检验分区模型的适用性。

2.3.1 西部地区爆破事件检验

选取2017～2018年西部地区发生的20次爆破(1.9≤ML≤2.7)，采用Hyposat定位，得到“2015模型”和西部模型的定位残差和震中差结果。

采用“2015模型”得到的定位残差范围为0.460～1.013，均值为0.584；使用西部模型得到的定位残差为0.210～0.723，均值为0.474。西部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.11(图8(a))。

由“2015—编目”得到的震中差分布范围为1.37～7.62km，均值为4.305km；由“西部模型—编目”得到的震中差分布范围为1.27～6.93km，均值为3.568km。由此可见，“西部模型—编目”的震中差均值较“2015—编目”降低了0.73km(图8(b))。

图 8 “2015模型”和西部模型的定位残差(a)、震中差(b)对比

2.3.2 中部地区爆破和塌陷事件检验

选取2015～2016年中部地区发生的24次爆破(2.5≤ML≤3.4)和8次塌陷(2.2≤ML≤3.1)，采用Hyposat定位方法对定位残差、震中差进行对比分析。

2.3.2.1 爆破检验

基于“2015模型”和中部模型，得到了24次爆破的定位残差和震中差对比图(图9)。采用“2015模型”得到的定位残差范围为0.301～1.010，均值为0.557；使用中部模型得到的定位残差为0.202～0.803，均值为0.485。中部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.07(图9(a))。

由“2015—编目”得到的震中差分布范围为1.22～8.61km，均值为4.16km；由“中部模型—编目”得到的震中差分布范围为1.20～8.23km，均值为3.63km。分析可见，“中部模型—编目”的震中差均值较“2015—编目”降低了0.53km(图9(b))。

图 9 “2015模型”和中部模型的爆破定位残差(a)、震中差(b)对比

2.3.2.2 塌陷检验

分别采用“2015模型”和中部模型对8次塌陷进行定位，图10 显示了定位残差及震中差的对比。图10(a)给出了定位残差的对比结果，采用“2015模型”定位，定位残差范围0.451～0.710，均值0.573；使用中部模型定位，定位残差范围0.364～0.652，均值0.513；中部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.06。由图10(b)可知，由“2015—编目”得到的震中差分布范围2.62～13.51km，均值7.08km；由“中部模型—编目”得到的震中差分布范围1.65～12.23km，均值5.95km；“中部模型—编目”的震中差较“2015—编目”降低了1.13km。

图 10 “2015模型”和中部模型的塌陷定位残差(a)、震中差(b)对比

2.3.3 东部地区爆破事件检验

选取2009～2014年内蒙古东部地区发生的9次爆破(2.5≤ML≤2.9)，分别采用“2015模型”和东部模型对其进行定位残差、震中差检验。

采用“2015模型”对9次爆破进行定位，定位残差范围0.192～1.340，均值0.570；使用东部模型定位，定位残差0.122～0.823，均值0.388；东部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.18(图11(a))。

使用“2015—编目”、“东部模型—编目”进行震中差对比(图11(b))，可以看到，由“2015—编目”得到的震中差分布范围为1.32～10.01km，均值为4.10km；由“东部模型—编目”得到的震中差分布范围为1.10～9.82km，均值为1.03km；“东部模型—编目”震中差较“2015—编目”降低了3.07km。

图 11 “2015模型”和东部模型的定位残差(a)、震中差(b)对比

2.4 PTD深度检验

2.4.1 西部地区

随机抽取内蒙古西部26次ML≥3.0地震，分别使用“2015模型”和西部模型进行PTD深度测定，深度分布和柱状图如图12、13所示，其中图12(b)、图12(c)分别为震源深度结果按纬度和经度方向的投影图像。

图 12 西部地震深度分布(a)三维分布；(b)纬度方向投影；(c)经度方向投影

图 13 西部模型与“2015模型”深度柱状图

由图12(a)和图13 可知，西部模型测定深度分布范围为1.24～26.12km，均值为14.39km；“2015模型”测定深度分布范围为1.01～21.23km，均值为11.38km；“2015模型”测定的震源深度均值较西部模型浅3km。分析认为，由于内蒙古西部模型得到的Moho面厚度比“2015模型”深3km，故“2015模型”测定的震源深度较浅。因此，西部模型测定震源深度更符合内蒙古西部地区的构造特征。

图 14 中部地震深度分布(a)三维分布；(b)纬度方向投影；(c)经度方向投影

图 15 中部模型与“2015模型”深度柱状图

图 16 东部地震深度分布(a)三维分布；(b)纬度方向投影；(c)经度方向投影

图 17 东部模型与“2015模型”深度柱状图

图 18 “2015模型”与分区模型对比

图 20 内蒙古地区Moho面厚度

2.4.2 中部地区

随机抽取内蒙古中部47次ML≥3.0地震，分别使用“2015模型”和中部模型进行PTD深度测定，深度分布和柱状图如图14、15所示，其中图14(b)、图14(c)分别为震源深度结果按纬度和经度方向的投影图像。

由深度分布可知，中部模型测定的深度分布范围为1.15～24.61km，均值为10.34km；“2015模型”测定的深度分布范围为1.05～2.83km，均值为9.52km。“2015模型”的震源深度均值较西部模型浅0.82km。由于内蒙古西部与“2015模型”测得的Moho面厚度均为41km，因此从PTD深度测定值来讲，“2015模型”比较符合内蒙古中部地区的构造特征。

2.4.3 东部地区

随机抽取内蒙古东部98次ML≥3.0地震，分别使用“2015模型”和东部模型进行PTD深度测定，深度分布和柱状图如图16、17所示，东部模型测定的深度分布范围为1.32～21.8km，均值为11.03km；“2015模型”测定的深度分布范围为1.55～22.8km，均值为12.31km；东部模型的震源深度较“2015模型”浅1.28km。由于内蒙古东部测得的Moho面厚度比“2015模型”浅2km，因此从PTD深度测定值来讲，东部模型比较符合内蒙古东部地区的构造特征。

2.5 Moho面厚度结果对比

2.5.1 分区模型与“2015模型”的对比

对比内蒙古西、中、东部3个区域速度模型与“2015模型”(图18)可知：①西、中、东3个区域vp1值接近，与“2015模型”分别相差 0.4km/s、0.4km/s和 0.5km/s；②西部vP2值与“2015模型”一致，中、东部vP2值与“2015模型”分别相差 0.02km/s和 0.11km/s；③中部Moho面厚度与“2015模型”相同，西部、东部Moho面厚度与“2015模型”分别相差3km和2km；④Moho面厚度的变化趋势为由西向东逐渐变浅，变化过程为44～41km到39km。

2.5.2 分区模型与全球地壳模型、接收函数结果的对比

He等(2014)利用接收函数方法得到了中国大陆地区的Moho面厚度分布(图19)，从图19可以看到，内蒙古地区Moho面厚度由西向东为44～42km到36km。使用全球地壳模型crust 1.0(Laske et al，2013)、crust 2.0(Bassin et al，2000)得到了内蒙古地区1°×1°的Moho面厚度分布(图20)，由全球地壳模型crust 1.0得到的内蒙古地壳Moho面厚度均值由西至东为44～42km到37km(图20(a))；由crust2.0得到的内蒙古地壳Moho面厚度均值由西至东为44～41km到35km(图20(b))。综合分析认为，全球地壳crust 1.0、crust 2.0以及接收函数方法得到的内蒙古地区Moho面厚度为西部—中部—东部逐渐变浅，与本文验证的结果基本一致，由此也验证了本文结果的可靠性。

3 结论

通过对内蒙古西部、中部和东部一维速度模型进行的折合走时、典型地震事件、爆破和塌陷、PTD深度检验，得到以下结论：

(1)通过随机抽取西部112次、中部207次和东部200次地震P波折合走时曲线拟合检验，认为“2015模型”和中部模型均适用于内蒙古中部地区，西部、东部模型较“2015模型”更符合内蒙古西、东区域的地质构造特征。

(2)分析典型地震检验结果可知，阿拉善左旗ML4.1、和林格尔ML3.4、科尔沁ML3.7典型地震事件的定位残差较“2015模型”分别降低0.46、0.32和0.17。

(3)由爆破和塌陷的定位残差和震中差检验可知：①对于西部的20次爆破，西部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.11，“西部模型—编目”震中差均值较“2015—编目”降低了0.73km；②对于中部24次爆破，中部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.07，“中部模型—编目”震中差均值较“2015—编目”降低了0.53km；对于8次塌陷，中部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.06，“中部模型—编目”震中差均值较“2015—编目”降低了1.13km；③对于东部9次爆破，东部模型的定位残差较“2015模型”降低了0.18，“东部模型—编目”震中差均值较“2015—编目”降低了3.07km。

(4)PTD震源深度测定值检验结果显示，“2015模型”测定的震源深度均值较西部模型浅3km；“2015模型”测定的震源深度均值较西部模型浅0.82km；东部模型测定的震源深度均值较“2015模型”浅1.28km。

(5)由Moho面厚度对比结果可知，内蒙古分区模型得到的Moho面厚度变化趋势由西向东逐渐变浅(44～41km到39km)。由全球地壳模型crust 1.0、crust 2.0得到的结果与分区模型基本一致，证明了模型的准确性。

(6)通过对内蒙古分区速度模型的检验，认为分区速度模型更符合内蒙古西部、中部和东部地区的地质构造特征。

致谢：中国地震局监测预报司、中国地震台网中心、上海市地震局、内蒙古自治区地震局和“全国区域一维速度模型建设及推广使用”项目组全体成员对本文研究工作给予了支持和帮助，在此表示感谢。