趙旭 黃志斌 陳宏峰 趙博 杜廣寶

中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

0 引言

2014年2月12日17時(shí)19分新疆于田縣發(fā)生MS7.3地震(簡稱于田地震)。該地震發(fā)生在民豐縣西南約110 km、于田縣東南約112 km處，處于西昆侖造山帶內(nèi)。震中位于昆侖山脈北麓的阿羌鄉(xiāng)偏遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀，但地震仍造成多處房屋橋梁受損，兩千多只牲畜死亡。該地震發(fā)生在距印度板塊和歐亞板塊碰撞帶數(shù)百千米的青藏高原北緣，位于中強(qiáng)地震較為活躍的EN向阿爾金斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜(圖1)。

地震發(fā)生后，如何在更短的時(shí)間內(nèi)獲知矩心時(shí)間、矩心位置、標(biāo)量地震矩以及斷層面幾何參數(shù)等地震工作者們所關(guān)心的重要震源信息已成為國內(nèi)外地震學(xué)家普遍關(guān)注的問題。這些信息能直觀地反映地震破裂面幾何形狀和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，對(duì)大地震本身的研究(Duputel et al，2012a)、地震災(zāi)害快速評(píng)估(Dreger et al，2005)、海嘯預(yù)警(Kanamori et al，2008)及震后應(yīng)力分布研究(Parsons et al，2008)等都有重要的意義。為此，趙旭等(2014a)研制了全球強(qiáng)震矩心矩張量自動(dòng)反演系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全球地震臺(tái)網(wǎng)寬頻帶臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震波形，并基于Kanamori等(2008)提出的基于W震相測(cè)定矩心矩張量的方法。通過離線自動(dòng)測(cè)定的2008年1月～2013年7月全球140個(gè)地震(MW6.5～9.0)的矩心矩張量與美國哥倫比亞大學(xué)Global CMT進(jìn)行了比較，評(píng)估結(jié)果表明此系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)25～40min自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)定全球MW6.5～9.0地震的矩張量。

圖1 地震震中位置及周圍斷層分布

W震相(W phase)是在S波之前到達(dá)的一種較明顯的長周期波(100～1000s)，最早于1992年日本記錄的尼加拉瓜海嘯地震的位移波形中被辨識(shí)出(Kanamori，1993)。根據(jù)地震射線理論，在選定初至P波開始至15Δ秒(Δ表示震中距，單位為度)時(shí)窗中，W震相所攜帶的能量可解釋為P、PP、SP和S等多個(gè)震相的疊加。本文使用的W震相測(cè)定地震矩張量法采用全球一維速度模型PREM，基于簡振正型疊加法計(jì)算理論波形。

為進(jìn)一步提高中國大陸中強(qiáng)地震(MW≥5.3)矩張量測(cè)定的時(shí)效性，趙旭等(2014a)使用最新的構(gòu)建了虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震波形(震中距小于12°)，采用改進(jìn)的W震相技術(shù)，開發(fā)了中國大陸中強(qiáng)震自動(dòng)矩張量測(cè)定系統(tǒng)。此系統(tǒng)自2013年7月開始在中國地震臺(tái)網(wǎng)中心上線試運(yùn)行，其測(cè)定結(jié)果一般在震后約15min內(nèi)得到。此次于田地震再次檢驗(yàn)并證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，自動(dòng)測(cè)定結(jié)果在震后約9min得到，且與Global CMT工作組給出的結(jié)果基本一致。

本文基于中國大陸中強(qiáng)震自動(dòng)矩張量測(cè)定系統(tǒng)，采用虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震波形，反演于田地震的矩張量，給出于田地震基于點(diǎn)源的震源機(jī)制解，并探討了自動(dòng)矩張量測(cè)定系統(tǒng)在未來地震災(zāi)情預(yù)判中的作用。

1 數(shù)據(jù)

為了盡可能地減少臺(tái)站分布不均勻?qū)鴥?nèi)地震矩張量測(cè)定結(jié)果的影響，通過對(duì)多個(gè)歷史震例理論波形和實(shí)際觀測(cè)記錄進(jìn)行比較分析，最終從中國地震臺(tái)網(wǎng)中選取211個(gè)記錄質(zhì)量較高的臺(tái)站，聯(lián)合全球地震臺(tái)網(wǎng)II、IU等，建立了虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)。考慮到速度型地震計(jì)的幅頻特性以及強(qiáng)震激發(fā)的地震波包含主要能量的頻段范圍，選取的國內(nèi)臺(tái)站地震計(jì)類型多為JCZ-1、JCZ-1T、CTS-1、CMG-3ESPC或 BBVS-120型。國際臺(tái)地震計(jì)類型多為 STS-1或STS-2型。

利用虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)記錄的于田地震近震波形(震中距4°～12°)，數(shù)據(jù)預(yù)處理中采用新疆地震臺(tái)網(wǎng)正式目錄給出的于田地震基本參數(shù):發(fā)震時(shí)刻為北京時(shí)間2014年2月12日 17:19:48.19，震中位置 36.123°N、82.499°E，震源深度 10 km(http://10.5.202.22/bianmu/validate.jsp，查詢時(shí)間2014年2月26日)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要步驟:①控制波形質(zhì)量?？紤]臺(tái)站均勻覆蓋情況和波形記錄信噪比，舍去信噪比不高和斷點(diǎn)等“壞”波形;② 時(shí)間域反卷積。將原始的速度地震記錄轉(zhuǎn)化為位移記錄;③采用4階巴特沃斯(Butterworth)濾波器進(jìn)行帶通濾波。濾波頻段120～500s;④選用初至P波后180s為W震相時(shí)間窗。

2 方法

2.1 反演方法

W震相矩張量反演采用的技術(shù)思路類似于Dziewonski等(1981)和Ekstr?m等(2005)提出的標(biāo)準(zhǔn)矩心矩張量(Centroid moment tensor)反演方法，但兩種方法有4個(gè)方面的不同:①選用地震波時(shí)間窗的不同;②W震相矩張量反演使用長周期地震波形;③前者采用時(shí)間域反卷積方法，能對(duì)時(shí)間序列每個(gè)抽樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使得W震相可在限幅記錄中無失真恢復(fù)，從而使該方法可充分利用強(qiáng)震近震(震中距3°～12°)波形。而后者主要使用頻率域反卷積方法提取位移波形;④確定矩心水平位置和矩心深度的反演算法不同。

在W震相反演中未知震源參數(shù)向量m可由下式表示

其中，地震矩張量 f=［Mrr，Mpp，Mtt，Mrp，Mrt，Mpt］T;矩心時(shí)空坐標(biāo) ηc=［θc，φc，hc，τc］T，其中 θc，φc，hc，τc分別表示矩心余緯度、矩心經(jīng)度、矩心深度以及矩心時(shí)間，T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算符。

為了確定最佳的矩心時(shí)空坐標(biāo)ηc，可通過網(wǎng)格搜索的方法使下式定義的誤差函數(shù)最小

其中，向量sw表示W(wǎng)震相的理論波形;向量dw為W震相的實(shí)際觀測(cè)。

由于使用近震臺(tái)站記錄的W震相在測(cè)定強(qiáng)震震源參數(shù)方面具有以下優(yōu)勢(shì):①W震相傳播速度明顯高于面波，因此相比于傳統(tǒng)的面波波形反演方法，一般在震后15min可完成對(duì)震源參數(shù)的測(cè)定，更適合大震快速響應(yīng);②W震相主要在地幔中傳播，淺層大陸地殼和洋殼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈不均勻性對(duì)W震相的影響不大。因此，該方法逐漸被美國國家地震信息中心、美國太平洋海嘯警報(bào)中心、日本氣象廳等國外多家科學(xué)機(jī)構(gòu)所使用(Hayes et al，2009;Duputel et al，2012b)。

2.2 自動(dòng)處理流程

第1步，采用新疆地震臺(tái)網(wǎng)正式給出的于田地震震源位置和震級(jí)M，基于Kanamori等(2008)的方法，可通過震級(jí)M估算出矩心時(shí)間偏移td，反演得到初步矩張量解。

第2步，在假定上述震源位置為矩心位置的前提條件下，基于一維網(wǎng)格搜索在矩心時(shí)間偏移td解空間中求出最佳s解，使誤差函數(shù)χ(m)最小。使用最佳解td(圖2)，再次迭代計(jì)算，修訂第1步求得的矩張量解。

第3步，在滿足遴選后波形道數(shù)N≥15和臺(tái)站方位間隙角γ≤270°的條件下，開始時(shí)水平向搜索間隔為0.4°，爾后在局部最小值附近進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格為0.2°、0.1°。在深度向搜索間隔一般為2 km。基于三維網(wǎng)格搜索，使誤差函數(shù)χ(m)最小，求出最佳的矩心水平位置和矩心深度。使用優(yōu)化的矩心水平位置和矩心深度(圖3)再次計(jì)算，得到最佳矩張量解(圖1)。

圖2 通過一維網(wǎng)格搜索求出矩心時(shí)間偏移td最佳解

3 結(jié)果分析

在于田地震的地震矩張量反演中，使用了距于田地震12°范圍內(nèi)共20道波形(圖4)。臺(tái)站覆蓋間隙角約108°。為了使臺(tái)站覆蓋均勻，增加了位于中國境內(nèi)及其周邊4個(gè)國際臺(tái)站記錄的高質(zhì)量長周期垂直向波形(IC_WMQ，IC_LSA，II_AAK，IU_MAKZ)。

經(jīng)第3步計(jì)算后，獲得實(shí)際觀測(cè)波形與理論波形擬合最優(yōu)的矩張量(表1)。圖4給出實(shí)際觀測(cè)波形和理論波形的對(duì)比。由圖4可見，大多數(shù)臺(tái)站的實(shí)際觀測(cè)波形與理論波形擬合較好，波形擬合誤差均方根值(RMS)為0.017mm，略小于Global CMT給出的矩張量模擬理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形擬含誤差均方根值0.019mm。需要指出的是，通過比較4個(gè)國際臺(tái)站的整個(gè)波形擬合情況發(fā)現(xiàn)，基于本文研究的點(diǎn)源模型，能較好地模擬未參與反演的面波部分，說明本文的結(jié)果是可信的。

圖3 網(wǎng)格搜索獲得的矩心水平位置最佳解

表1 于田地震震源參數(shù)對(duì)比

由表1可知，于田地震的總標(biāo)量地震矩M0為3.05×1019N·m，換算成矩震級(jí)約MW6.92，最佳雙力偶解的節(jié)面 I和節(jié)面Ⅱ(走向/傾角/滑動(dòng)角)為 243°/70°/-18°、339°/73°/-159°。補(bǔ)償線性矢量偶極(CLVD)根據(jù) λ2/(|λ1|，|λ3|)計(jì)算得到，其中本征值 λ1＞ λ2＞λ3，約23.8%，說明除具有雙力偶的剪切位錯(cuò)外，還含有較多的非雙力偶成分。節(jié)面I的走向、傾角與震中附近阿爾金斷裂的走向、傾角最為接近(圖1)，因此認(rèn)定節(jié)面I為發(fā)震斷層面，判定于田地震為一次左旋走滑為主兼有少量正傾滑分量的事件。

通過網(wǎng)格搜索最佳波形擬合的矩心時(shí)間偏移td約為7s(圖2)。假設(shè)矩心時(shí)間偏移td能表征震源破裂持續(xù)時(shí)間(Rupture duration)的(Kanamori et al，2008)，則推斷震源破裂時(shí)大部分能量釋放的持續(xù)時(shí)間約14s。矩心震中位置(36.123°N，82.623°E，圖3)較破裂起始點(diǎn)(36.123°N，82.499°E)在水平方向往東偏移約13km，說明能量釋放集中區(qū)中心位于破裂起始點(diǎn)以東約13km。矩心深度約10km，同破裂起始點(diǎn)深度一致。

圖4 每道實(shí)際觀測(cè)波形(黑線)和理論波形(紅線)的對(duì)比

4 討論與結(jié)論

本文采用虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震波形，基于W震相技術(shù)的矩張量測(cè)定系統(tǒng)，成功反演了于田地震的矩心矩張量解。結(jié)果表明，于田地震發(fā)震斷層面參數(shù)分別為走向243°/傾角70°/滑動(dòng)角-18°，補(bǔ)償線性矢量偶極(CLVD)約23.8%，為一次左旋走滑為主兼少量正斷傾滑分量的事件。該結(jié)果同哥倫比亞大學(xué)Global CMT工作組根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)體波和面波給出的斷層面參數(shù)基本一致，也同王衛(wèi)民等①王衛(wèi)民等，2014，2014年2月12日新疆于田7.3級(jí)地震震源破裂過程反演初步結(jié)果(http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/201402/t20140214_4032524.html.)基于遠(yuǎn)場(chǎng)體波反演獲得點(diǎn)源模型的震源機(jī)制解(走向240.0°/傾角71.9°/滑動(dòng)角-2.2°)相吻合。王衛(wèi)民等①根據(jù)破裂過程的反演結(jié)果認(rèn)為，于田地震是左旋走滑為主并具有正傾滑分量的事件，與本文得出的對(duì)于田地震斷錯(cuò)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)相同。

自動(dòng)測(cè)定地震矩張量能在震后第一時(shí)間內(nèi)獲取地震矩心時(shí)間、矩心位置、標(biāo)量地震矩以及斷層面幾何參數(shù)等地震工作者們所關(guān)心的重要震源信息，對(duì)地震災(zāi)情預(yù)判具有重要作用。其應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在以下5個(gè)方面:①快速測(cè)定大震(MW≥8.5)的矩震級(jí)，可避免因采用其他震級(jí)標(biāo)度出現(xiàn)的震級(jí)完全飽和而低估震級(jí)的問題，更好地服務(wù)于大震速報(bào)(Hanks et al，1999;陳運(yùn)泰等，2005);②用于甄別隱伏斷裂的幾何產(chǎn)狀，快速確定地震破裂方向及估算破裂尺度大小等(Cesca et al，2011;趙旭等，2014b);③作為基礎(chǔ)資料，可用以修正震源模型，計(jì)算準(zhǔn)確的地震動(dòng)圖(Dreger et al，2005);④通過確定震級(jí)的大小、震源破裂方式及震源深度等，用于地震海嘯預(yù)警(Kanamori et al，2008);⑤計(jì)算地震庫侖破裂靜應(yīng)力變化，判定未來余震趨勢(shì)(Parsons et al，2008)。

基于近震波形的中國大陸中強(qiáng)震(MW≥5.3)自動(dòng)矩張量測(cè)定系統(tǒng)，適合于中強(qiáng)震甚至大震(MW≥7.5)的矩張量反演(Duputel et al，2012b;趙旭等，2014a)，且時(shí)效性較強(qiáng)。由于使用時(shí)間域反卷積方法能對(duì)時(shí)間序列每個(gè)抽樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使得W震相可在限幅記錄中無失真恢復(fù)，可充分使用強(qiáng)震、近震(震中距3°～12°)的寬頻帶波形，而不必考慮收集遠(yuǎn)場(chǎng)波形(震中距30°～90°)等待時(shí)間。本文基于此系統(tǒng)，采用虛擬中國地震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震波形(震中距4°～12°)成功反演了于田地震的矩心矩張量，再次證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適用性。未來系統(tǒng)正式運(yùn)行后，其測(cè)定的震源關(guān)鍵信息，不僅是大地震研究的基礎(chǔ)資料，而且將在地震災(zāi)害的快速評(píng)估、海嘯預(yù)警及震后應(yīng)力分布研究等方面發(fā)揮重要作用。

致謝：衷心感謝周龍泉研究員在本文成稿過程中提出的寶貴建議。中國地震臺(tái)網(wǎng)中心地震臺(tái)網(wǎng)部數(shù)據(jù)管理組提供了高質(zhì)量數(shù)據(jù)波形。全球臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)從IRIS DMC下載，在此一并表示感謝!