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华北盆地是位于华北克拉通东部的一个大型裂陷盆地，区内广泛分布数千米厚的新生代地层[1]，是一个板内地震活跃、历史震害严重的区域。地震学研究表明，松散沉积层对震相走时和波形的影响十分显著，可能给地震定位带来较大误差[2-3]。华北盆地沉积层速度结构的研究，对该区地震的精确定位具有重要意义。前人关于研究区沉积层速度结构已有过一些研究。嘉世旭等[4]利用深地震反射/折射剖面探测得到华北盆地地表P波平均速度在1.5～1.8 km/s；沈伟森等[5]利用井下摆天然地震记录中直达S波与其地表反射波的到时差计算得到首都圈地区浅层100～500 m深度范围的S波速度结构为：浅部100 m的平均S波速度低于300 m/s，500 m时S波速增加到800 m/s，平均速度梯度为0.8 (m/s)/m；刘渊源等[6]利用井下摆天然地震数据测量得到首都圈区域近地表P波和S波平均速度分别约为1.6～2.0 km/ s和0.34～0.48 km/ s，波速比约为4.0～5.3。
近年来，华北盆地内小震活动十分活跃，积累了丰富的井下摆近震观测资料，为我们开展沉积层速度结构研究提供了新的数据。本文拟收集2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据，选取近场井下地震计观测记录，通过拾取井下摆记录的直达P波、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差，研究台站下方地壳浅部P波、S波平均速度，并将沉积层模型应用于地震定位，检验速度结构对定位精度的影响。
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在华北盆地的近震井下观测记录中，经常能够观测到Pg波和Sg波的地表反射震相，即由直达波经自由地表反射、被井下地震计所接收的震相（P2, S2）（图1）。该震相通常与其参考震相成对出现，且两者的到时差仅依赖于地壳浅部的速度结构[7]。由于地震计的埋深是一个已知量，通过测量地表反射波与直达波的到时差，可以获得对浅地表平均速度的约束。以P波为例，对于井下摆震中距小于100 km，深度大于1 km的地震，其P波折射角均是小量[6]，在沉积土层中可简化为垂直入射，那么P波直达波与近地表反射波到时差就可以近似为
图 1 直达波（P1，S1）与地表反射波（P2，S2）
$$ T = 2\int_0^H {\frac{{{\rm d}h}}{{v\left( h \right)}}} $$ 式中：
$v(h)$ 为P波速度随深度的分布。根据中国地震台网统一地震目录，收集2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形记录数据（图2），选取震中距50 km以内的井下地震计观测记录，拾取P、S的直达波及其地表反射波震相到时（图3），获得了42个台站、211个地震事件、364个震相到时数据。在采用的台站近震波形数据中均显示出了2个清晰的直达波和地表反射波震相，说明台站上方土层内没有显著的速度分层，否则将出现多个反射波震相。
图 2 2015—2018年M1.0以上地震震中分布图
图 3 利用SAC软件拾取直达波及地表反射波到时
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量取P、S直达波与地表反射波的到时差，选取到时差个数在3个以上的台站，计算各台站P、S波到时差的平均值，结合地震计的埋深，计算得到各台站下方P、S波平均速度（图4, 表1）。从表1可以看出，华北盆地井下摆台站下方地壳浅部300 m深度上的P波平均速度分布在1.36～3.12 km/s区间，S波平均速度分布在0.32～0.91 km/s区间。为了考察华北盆地地壳浅部速度结构的整体特征，计算P、S波平均速度得知，VP约为1.98 km/s，VS约为0.46 km/s，波速比约为4.3。
表 1 研究区域内近地表速度结构部分数据统计
台站名 井下摆深度/m TP2-TP1/s P波时差个数 TS2-TS1/s S波时差个数 VP平均值/（km/s） VP标准差 VS平均值/（km/s） VS标准差 WEA 266 0.283 0 3 1.280 0 5 1.88 0.038 0.42 0.003 WAK 246 0.270 0 4 1.257 0 3 1.82 0.055 0.39 0.008 HEJ 250 1.165 0 4 0.43 0.009 WUQ 244 0.328 0 5 1.382 0 6 1.49 0.038 0.35 0.134 NHZ 247 0.267 0 3 1.302 0 6 1.85 0.078 0.38 0.004 JIH 277 0.177 5 4 1.005 0 6 3.12 0.165 0.55 0.074 YOQ 241 1.133 0 6 0.43 0.021 QIG 241 0.260 0 4 1.363 0 7 1.85 0.083 0.35 0.004 CHH 247 1.355 0 6 0.36 0.003 JTG 250 1.232 5 4 0.41 0.003 LUX 250 0.549 0 14 0.91 0.281 LZT 275 1.117 0 9 0.49 0.006 SJT 270 1.169 0 7 0.46 0.074 LUT 248 0.256 0 5 1.294 0 7 1.94 0.088 0.38 0.008 XIH 251 0.264 0 18 1.129 6 24 1.90 0.093 0.44 0.009 ZHX 201 0.881 1 9 1.36 0.46 0.013 FTZ 247 0.284 0 10 1.262 5 16 1.74 0.295 0.39 0.053 CIQ 202 0.966 7 3 0.42 0.020 TAH 480 0.472 7 48 1.921 4 22 2.03 0.020 0.50 0.007 LIX 250 1.210 0 4 0.41 0.003 GAZ 253 1.161 3 8 0.44 0.007 SHX 270 1.140 0 4 0.47 0.003 SHZ 300 0.403 0 3 1.284 0 7 1.49 0.056 0.47 0.006 MAF 278 1.013 3 3 0.55 0.079 REX 250 0.961 1 9 1.61 0.52 0.021 ZAQ 259 0.262 5 4 1.97 0.259 
图 4 研究区地壳300 m平均速度分布图
刘渊源等[6]研究表明，研究区近地表P波和S波平均速度分别为1.6～2.0 km/s和0.34～0.48 km/s, 波速比约为4.0～5.3[6]，本文结果与其基本一致。同时，将单台的平均波速进行对比显示：绝大多数台站的结果差异较小。例如，对于WEA台，刘渊源等得到的VP和VS分别为1.77 km/s和0.42 km/s[6]，本文结果为1.88 km/s和0.42 km/s，偏差分别为6%和0%。仅有个别台站的VP差异较大（偏差超过10%），例如JIH台，应当与P波震相信噪比较低引起的到时判读误差有关。对于该问题，因目前所掌握的近震数据仍比较有限，可以通过进一步积累观测资料予以核实。
为了考察速度结构对地震定位精度的影响，在crust1.0基础上构建含有松散沉积层的速度模型（表2）。使用Hypo2000方法对华北盆地2015—2018年27个M3.0以上地震事件进行重新定位。在定位过程中，选用相同的台站和震相到时，分别采用本文模型和华南模型（表3），并将定位结果进行对比（表4）。从表4可以看出，在删除残差≥10的错误数据后，基于沉积层模型和对比模型的定位残差均值分别为0.46 s和0.51 s，水平误差均值为0.68 km和0.73 km，垂直误差均值为2.05 km和2.23 km。结果表明，沉积层模型可显著改善华北盆地地震定位的精度。
表 2 本文模型
分层厚度/km VP/（km/s） VS/（km/s） 0.3 1.98 0.46 3.0 5.05 2.90 20.0 6.41 3.68 10.0 6.88 3.95 10.0 8.00 4.60 表 3 华南模型
分层厚度/km VP/（km/s） VS/（km/s） 15 6.01 3.51 18 6.51 3.80 10 8.01 4.68 表 4 地震定位结果对比表
地震参数 本文模型 华南模型 年-月-日 时：分：秒 纬度/（°N） 经度/（°E） 深度/km 震级 参考地名 残差 水平误差/km 垂直误差/km 残差 水平误差/km 垂直误差/km 2015-04-13 12:26:53 40.64 114.86 17 3.2 河北宣化 0.69 0.97 0.62 14.40 17.09 99.0 2015-04-18 18:59:52 39.71 118.35 6 3.2 河北唐山 0.49 0.65 0.48 15.23 17.83 99.0 2015-04-19 18:21:47 38.92 116.26 30 3.6 河北文安 0.49 0.75 1.58 0.51 0.78 1.64 2015-09-14 18:23:41 39.73 118.79 5 3.7 河北昌黎 0.54 1.09 0.74 11.96 20.9 99.0 2015-11-02 08:50:37 37.48 115.02 22 3.1 河北宁晋 0.21 0.71 5.17 0.23 0.76 4.15 2015-11-11 19:11:23 39.23 116.74 25 3.1 河北安次 0.33 1.02 2.25 0.26 0.86 1.99 2015-11-28 02:10:38 39.32 117.91 15 3.9 河北丰南 0.68 0.73 3.97 13.74 12.66 99.0 2015-12-01 14:44:22 39.40 116.67 31 3.1 河北永清 0.39 0.45 0.73 0.42 0.47 0.84 2015-12-06 08:07:49 39.37 117.92 23 3.4 河北丰南 0.51 1.00 2.41 0.54 1.05 2.50 2016-02-12 13:47:53 39.37 117.93 17 3.0 河北唐山 0.26 0.71 1.88 0.44 1.03 3.32 2016-03-14 10:56:26 39.39 117.95 26 3.6 河北丰南 0.29 0.70 1.76 0.31 0.74 1.83 2016-05-16 07:34:51 39.63 118.26 22 3.5 河北唐山 0.67 0.98 3.47 0.69 1.01 3.52 2016-07-04 14:28:08 39.70 118.35 6 3.3 河北唐山 0.72 0.89 0.66 16.00 17.89 99.0 2016-08-22 15:15:29 39.69 118.35 4 3.2 河北唐山 0.82 0.90 0.57 16.18 15.11 99.0 2016-08-22 22:22:00 39.70 118.35 6 3.0 河北唐山 0.68 0.83 0.64 14.11 16.15 99.0 2016-08-24 10:08:26 39.68 118.39 18 3.0 河北唐山 0.80 0.99 0.68 15.70 16.71 99.0 2016-08-27 15:50:36 39.70 118.35 6 3.7 河北唐山 0.54 0.76 0.48 15.44 20.07 99.0 2016-09-19 01:43:23 39.18 116.72 25 3.1 河北霸州 0.35 0.40 0.74 0.37 0.42 0.73 2017-01-02 10:10:09 40.75 114.16 15 3.9 河北怀安 0.35 0.63 31.52 14.62 16.53 99.0 2017-01-20 13:09:30 36.49 114.28 17 3.2 河北磁县 0.63 0.73 0.49 12.72 14.12 99.0 2017-03-22 23:56:08 36.38 114.01 16 3.0 河北磁县 0.32 0.65 1.27 0.32 0.60 1.22 2017-04-28 11:11:50 38.52 116.48 24 3.6 河北大城 0.70 0.57 1.77 0.89 0.70 2.01 2017-04-29 03:37:25 36.87 114.63 26 3.4 河北永年 0.26 0.55 2.15 0.27 0.58 2.21 2017-09-15 13:43:59 37.45 115.00 12 3.5 河北宁晋 0.60 0.50 0.36 0.88 0.68 2.19 2017-10-15 04:57:12 39.65 118.26 15 3.0 河北唐山 0.68 0.60 2.88 0.70 0.62 2.84 2017-10-27 20:12:08 39.70 118.35 18 3.3 河北唐山 0.64 0.86 2.74 0.67 0.89 2.86 2018-04-16 02:08:06 39.48 116.71 26 3.2 河北廊坊 0.61 0.46 1.64 0.64 0.49 1.83 -
收集了2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据，选取近场井下地震计观测记录，通过拾取直达P波、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差，获得了台站下方地壳浅部300 m的P波、S波平均速度，并分析了波速的水平分布特征。
1）华北盆地沉积层浅部300 m的P波平均速度约1.98 km/s，S波平均速度约0.46 km/s，波速比约4.3。
2）在采用的台站近震波形数据中均显示了2个清晰的直达波和地表反射波，表明在井下摆以上的土层内均没有显著的速度分层。
3）地震定位结果表明，沉积层模型可显著改善华北盆地地震定位的精度。速度模型的不确定性对定位结果有较大影响，同时考虑到松散土层对P波、S波传播的延时性，故须经过大量数据计算与研究获取台站校正值，使沉积层模型更加有效地改善华北盆地地震定位的精度。
Velocity Structure of Sedimentary Layer in North China Basin Based on Downhole Seismic Records
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摘要: 收集了2015—2018年首都圈地区M1.0以上地震的波形数据，选取近场井下地震计观测记录，通过拾取直达P、S波及相应地表反射波的到时并测量其到时差，获得了台站下方地壳浅部300 m的P波、S波平均速度，并分析了波速的水平分布特征，结果表明，华北盆地近地表P波平均速度约为1.98 km/s，S波平均速度约为0.46 km/s，平均波速比约4.3；利用不同速度模型对27个地震事件进行定位，结果显示：沉积层模型可有效改善华北盆地地震定位精度。Abstract: Based on the near-field waveform data recorded by downhole seismometers of M≥1.0 earthquakes in the capital circle area from 2015 to 2018, the average velocity of P-wave and S-wave of 300 m in the shallow crust below the station was obtained by using the time difference between the arrival time of the direct P-wave, S-wave and corresponding surface reflection wave phase, and the horizontal distribution characteristics of the wave velocity were analyzed. The results show that the average velocity of P wave is about 1.98 km/s, the average velocity of s wave is about 0.46 km/s, and the average velocity ratio is about 4.3. 27 seismic events were located using different velocity models, the results show that the sediment model can effectively improve the north China basin earthquake location accuracy.
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Key words:
- basin of north China /
- downhole seismometer /
- near-seismic wave pattern /
- settled layer /
- velocity model
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表 1 研究区域内近地表速度结构部分数据统计
台站名 井下摆深度/m TP2-TP1/s P波时差个数 TS2-TS1/s S波时差个数 VP平均值/（km/s） VP标准差 VS平均值/（km/s） VS标准差 WEA 266 0.283 0 3 1.280 0 5 1.88 0.038 0.42 0.003 WAK 246 0.270 0 4 1.257 0 3 1.82 0.055 0.39 0.008 HEJ 250 1.165 0 4 0.43 0.009 WUQ 244 0.328 0 5 1.382 0 6 1.49 0.038 0.35 0.134 NHZ 247 0.267 0 3 1.302 0 6 1.85 0.078 0.38 0.004 JIH 277 0.177 5 4 1.005 0 6 3.12 0.165 0.55 0.074 YOQ 241 1.133 0 6 0.43 0.021 QIG 241 0.260 0 4 1.363 0 7 1.85 0.083 0.35 0.004 CHH 247 1.355 0 6 0.36 0.003 JTG 250 1.232 5 4 0.41 0.003 LUX 250 0.549 0 14 0.91 0.281 LZT 275 1.117 0 9 0.49 0.006 SJT 270 1.169 0 7 0.46 0.074 LUT 248 0.256 0 5 1.294 0 7 1.94 0.088 0.38 0.008 XIH 251 0.264 0 18 1.129 6 24 1.90 0.093 0.44 0.009 ZHX 201 0.881 1 9 1.36 0.46 0.013 FTZ 247 0.284 0 10 1.262 5 16 1.74 0.295 0.39 0.053 CIQ 202 0.966 7 3 0.42 0.020 TAH 480 0.472 7 48 1.921 4 22 2.03 0.020 0.50 0.007 LIX 250 1.210 0 4 0.41 0.003 GAZ 253 1.161 3 8 0.44 0.007 SHX 270 1.140 0 4 0.47 0.003 SHZ 300 0.403 0 3 1.284 0 7 1.49 0.056 0.47 0.006 MAF 278 1.013 3 3 0.55 0.079 REX 250 0.961 1 9 1.61 0.52 0.021 ZAQ 259 0.262 5 4 1.97 0.259 
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表 2 本文模型
分层厚度/km VP/（km/s） VS/（km/s） 0.3 1.98 0.46 3.0 5.05 2.90 20.0 6.41 3.68 10.0 6.88 3.95 10.0 8.00 4.60
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表 4 地震定位结果对比表
地震参数 本文模型 华南模型 年-月-日 时：分：秒 纬度/（°N） 经度/（°E） 深度/km 震级 参考地名 残差 水平误差/km 垂直误差/km 残差 水平误差/km 垂直误差/km 2015-04-13 12:26:53 40.64 114.86 17 3.2 河北宣化 0.69 0.97 0.62 14.40 17.09 99.0 2015-04-18 18:59:52 39.71 118.35 6 3.2 河北唐山 0.49 0.65 0.48 15.23 17.83 99.0 2015-04-19 18:21:47 38.92 116.26 30 3.6 河北文安 0.49 0.75 1.58 0.51 0.78 1.64 2015-09-14 18:23:41 39.73 118.79 5 3.7 河北昌黎 0.54 1.09 0.74 11.96 20.9 99.0 2015-11-02 08:50:37 37.48 115.02 22 3.1 河北宁晋 0.21 0.71 5.17 0.23 0.76 4.15 2015-11-11 19:11:23 39.23 116.74 25 3.1 河北安次 0.33 1.02 2.25 0.26 0.86 1.99 2015-11-28 02:10:38 39.32 117.91 15 3.9 河北丰南 0.68 0.73 3.97 13.74 12.66 99.0 2015-12-01 14:44:22 39.40 116.67 31 3.1 河北永清 0.39 0.45 0.73 0.42 0.47 0.84 2015-12-06 08:07:49 39.37 117.92 23 3.4 河北丰南 0.51 1.00 2.41 0.54 1.05 2.50 2016-02-12 13:47:53 39.37 117.93 17 3.0 河北唐山 0.26 0.71 1.88 0.44 1.03 3.32 2016-03-14 10:56:26 39.39 117.95 26 3.6 河北丰南 0.29 0.70 1.76 0.31 0.74 1.83 2016-05-16 07:34:51 39.63 118.26 22 3.5 河北唐山 0.67 0.98 3.47 0.69 1.01 3.52 2016-07-04 14:28:08 39.70 118.35 6 3.3 河北唐山 0.72 0.89 0.66 16.00 17.89 99.0 2016-08-22 15:15:29 39.69 118.35 4 3.2 河北唐山 0.82 0.90 0.57 16.18 15.11 99.0 2016-08-22 22:22:00 39.70 118.35 6 3.0 河北唐山 0.68 0.83 0.64 14.11 16.15 99.0 2016-08-24 10:08:26 39.68 118.39 18 3.0 河北唐山 0.80 0.99 0.68 15.70 16.71 99.0 2016-08-27 15:50:36 39.70 118.35 6 3.7 河北唐山 0.54 0.76 0.48 15.44 20.07 99.0 2016-09-19 01:43:23 39.18 116.72 25 3.1 河北霸州 0.35 0.40 0.74 0.37 0.42 0.73 2017-01-02 10:10:09 40.75 114.16 15 3.9 河北怀安 0.35 0.63 31.52 14.62 16.53 99.0 2017-01-20 13:09:30 36.49 114.28 17 3.2 河北磁县 0.63 0.73 0.49 12.72 14.12 99.0 2017-03-22 23:56:08 36.38 114.01 16 3.0 河北磁县 0.32 0.65 1.27 0.32 0.60 1.22 2017-04-28 11:11:50 38.52 116.48 24 3.6 河北大城 0.70 0.57 1.77 0.89 0.70 2.01 2017-04-29 03:37:25 36.87 114.63 26 3.4 河北永年 0.26 0.55 2.15 0.27 0.58 2.21 2017-09-15 13:43:59 37.45 115.00 12 3.5 河北宁晋 0.60 0.50 0.36 0.88 0.68 2.19 2017-10-15 04:57:12 39.65 118.26 15 3.0 河北唐山 0.68 0.60 2.88 0.70 0.62 2.84 2017-10-27 20:12:08 39.70 118.35 18 3.3 河北唐山 0.64 0.86 2.74 0.67 0.89 2.86 2018-04-16 02:08:06 39.48 116.71 26 3.2 河北廊坊 0.61 0.46 1.64 0.64 0.49 1.83
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