張 佩 張海江, 劉 影王 華 M.Nafi Toks?z

1) 中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 2) 中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室 3) 美國(guó)劍橋02139麻省理工學(xué)院地球資源實(shí)驗(yàn)室

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美國(guó)Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)地震震源機(jī)制和各向異性研究*

1) 中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 2) 中國(guó)合肥230026中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地震與地球內(nèi)部物理實(shí)驗(yàn)室 3) 美國(guó)劍橋02139麻省理工學(xué)院地球資源實(shí)驗(yàn)室

Cove Fort-Sulphurdale位于美國(guó)猶他州中西部， 是一個(gè)地質(zhì)特征獨(dú)特的地?zé)豳Y源富集區(qū)． 為了有效開發(fā)地?zé)豳Y源， 有必要了解該地區(qū)的應(yīng)力分布和裂縫分布． 本文在前人工作的基礎(chǔ)上使用地震資料， 利用波形匹配、 P波極性和橫縱波振幅比聯(lián)合約束反演的方法， 研究該地區(qū)地震的震源機(jī)制解; 同時(shí)結(jié)合該地區(qū)的橫波分裂分析研究， 確定該地區(qū)的應(yīng)力分布和斷層/裂隙走向． 波形反演結(jié)果顯示, 實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的波形匹配度非常高， 且二者的P波初動(dòng)極性和橫縱波振幅比也都非常相近． 由震源機(jī)制分析得出的斷層面走向大部分趨于南北向， 與美國(guó)區(qū)域應(yīng)力圖顯示的最大水平主應(yīng)力指向(南北方向)， 具有較好的一致性， 符合目前研究對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造認(rèn)知． 橫波分裂分析結(jié)果也表明如果各向異性主要是由該地區(qū)的斷裂構(gòu)造所引起， 那么該地區(qū)的主要斷層或裂縫的方向可能為南北向．

Cove Fort-Sulphurdale 震源機(jī)制 波形匹配 區(qū)域地震 橫縱波振幅比 地?zé)釞M波分裂 各向異性

Hefei230026，China2)LaboratoryofSeismologyandPhysicsofEarth’sInterior，UniversityofScienceand

TechnologyofChina，Hefei230026，China3)EarthResourcesLab，MassachusettsInstituteofTechnology，Cambridge，MA02139，USA

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 傳統(tǒng)能源供需矛盾加劇， 其對(duì)環(huán)境的影響也越來(lái)越大. 基于國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、 節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的需求， 新型無(wú)污染、 可持續(xù)的替代能源的發(fā)展勢(shì)在必行． 地?zé)豳Y源作為新型能源， 在緩解能源矛盾和環(huán)境壓力方面很有潛力． 我國(guó)地?zé)豳Y源豐富， 全球地中海—喜馬拉雅地?zé)釒Ш铜h(huán)太平洋地?zé)釒ж灤┪覈?guó)西南地區(qū)和東南沿海(鄭克棪， 潘小平， 2009； 張金華等， 2013)． 因此， 地?zé)豳Y源在我國(guó)具有廣闊的開發(fā)利用前景， 對(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、 環(huán)境保護(hù)和新型節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的建立具有重要意義．

在地?zé)豳Y源勘探開發(fā)過(guò)程中， 斷裂的探測(cè)和表征以及原位應(yīng)力的確定是兩個(gè)非常關(guān)鍵的方面． 如果在地?zé)豳Y源開采之前就能夠確定地下斷裂的三維分布形態(tài)和應(yīng)力分布， 我們就可以評(píng)估和制定一個(gè)較合理的開采方案， 合理配置資源， 實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化． 本文以美國(guó)Cove Fort-Sulphurdal地?zé)釁^(qū)的研究為例， 分析地震與區(qū)域斷裂和應(yīng)力分布等的關(guān)系， 為后續(xù)的開發(fā)利用提供參考， 同時(shí)對(duì)我國(guó)地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)有所啟示．

Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)位于美國(guó)猶他州的中西部， 是一個(gè)具有獨(dú)特地質(zhì)特征的地?zé)豳Y源富集區(qū)． 該地區(qū)是一個(gè)構(gòu)造過(guò)渡區(qū)域， 其西部展布著廣闊的盆地和擁有一系列伸展構(gòu)造、 正斷層和鏟狀斷層的山脈， 東南部為變形和斷裂較少的科羅拉多高原． Sulphurdale區(qū)域受塞維爾(Sevier)造山運(yùn)動(dòng)的影響， 發(fā)育了很多破裂和褶皺， 其主要形成于阿爾布-賽諾曼(Albian-Cenomanian)時(shí)期(DeCelles， Coogan， 2006)． 該地區(qū)深部地層構(gòu)成為古生代變質(zhì)巖、 中生代白云巖、 灰?guī)r以及紅層(Moore， Samberg， 1979)， 上覆晚中生代礫巖， 層間夾雜砂巖和黏土巖(Rossetal， 1982)． 上部覆蓋著第三紀(jì)—第四紀(jì)凝灰?guī)r和其它火山熔巖． 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， 在該地區(qū)淺層存在石英二長(zhǎng)巖的淺成巖體(Ross， Moore，1985)． 圖1為該地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)圖和斷層分布．

圖1 Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)域的地質(zhì)圖(引自Steven， Morris， 1983)

Cove Fort-Sulphurdale是美國(guó)西部最大的地?zé)岙惓^(qū)的一部分． 自1975年以來(lái)， 該地區(qū)逐漸建立起一個(gè)與地?zé)峥碧介_發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)， 包括詳細(xì)的區(qū)域地質(zhì)、 地震、 重力、 磁法以及電阻率研究的結(jié)果． 根據(jù)地質(zhì)研究已經(jīng)勾劃出地?zé)嵯到y(tǒng)主要的構(gòu)造單元， 這些構(gòu)造以及較活躍的微震活動(dòng)都暗示著該地?zé)岙惓^(qū)巨大的潛能． 對(duì)于地?zé)衢_發(fā)來(lái)說(shuō)， 一個(gè)很重要的方面即為確定開發(fā)區(qū)域的應(yīng)力分布以及斷層或者裂隙的分布如其走向等． 本文將綜合利用該地區(qū)的地震震源機(jī)制信息和橫波分裂信息， 確定Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)的應(yīng)力分布和斷層/裂隙走向． 首先利用波形匹配、 P波極性和橫縱波振幅比聯(lián)合約束反演的方法， 得出研究區(qū)域地震的震源機(jī)制解， 然后利用該震源機(jī)制解進(jìn)行區(qū)域應(yīng)力分析并給出斷層的走向分布．

國(guó)內(nèi)外許多研究人員使用多個(gè)地震震源機(jī)制解或斷層面滑動(dòng)方向來(lái)反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)． Bott(1959)最早提出利用斷層面上的滑動(dòng)方向數(shù)據(jù)推斷斷層所在區(qū)域驅(qū)動(dòng)斷層運(yùn)動(dòng)的平均構(gòu)造應(yīng)力張量； Gephart和Forsyth(1984)提出了震源機(jī)制應(yīng)力反演(focal mechanism stress inversion, 簡(jiǎn)寫為FMSI)方法， 用以求解應(yīng)力場(chǎng)； 許忠淮和戈澍謨(1984)使用滑動(dòng)方向擬合法反演地震區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)； 鐘繼茂和程萬(wàn)正(2006)提出了力軸張量計(jì)算法． 此外， 還有格點(diǎn)嘗試法、 系統(tǒng)聚類分析方法等．

另外地殼中的各向異性分布也受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和斷層走向的影響． 控制地殼中的各向異性分布主要有兩種機(jī)制： 一種是結(jié)構(gòu)引起的各向異性， 另一種是應(yīng)力引起的各向異性(Boness， Zoback， 2004)． 研究地殼中的各向異性通常采用橫波分裂分析方法． 所謂橫波分裂是指橫波在穿過(guò)各向異性介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象(Zhangetal， 2007； Liuetal， 2008)， 較先到達(dá)的是快橫波， 較后到達(dá)的是慢橫波， 二者之間的偏振方向近似相互垂直， 其到時(shí)差大小與各向異性強(qiáng)度有關(guān)． 例如對(duì)于走滑斷層， 由于斷層兩側(cè)的相對(duì)滑動(dòng)可能在斷層面附近形成與走向平行的節(jié)理面， 因此沿?cái)鄬幼呦騻鞑サ臋M波速度大于垂直于斷層走向傳播的橫波速度． 所以在這種情況下， 快波的極化方向與斷層走向有關(guān)． 應(yīng)力引起的各向異性是指地殼中存在的微小裂縫， 在最大水平主壓應(yīng)力的作用下會(huì)在與應(yīng)力平行的方向上發(fā)生定向排列， 因此在平行于主應(yīng)力的方向上， 橫波的傳播速度快． 在這種情況下， 則可以根據(jù)快波的極化方向確定主應(yīng)力的方向(Crampin， 1984； Crampin， Atkinson， 1985)． 本文在對(duì)該區(qū)域地震震源機(jī)制分析的基礎(chǔ)上， 結(jié)合橫波分裂分析的結(jié)果， 期望能對(duì)Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)域的斷裂和應(yīng)力分布有更清晰的認(rèn)識(shí)， 為以后的地?zé)衢_發(fā)利用等提供可靠依據(jù)．

圖2 Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)的地震事件和臺(tái)站分布 灰度代表地形高程(單位： km), 白色表示海拔高 Fig.2 Seismic events and stations distribution map in Cove Fort-Sulphurdale Red dots denote seismic events and blue triangles indicate stations， grayscale represents the terrain elevation (in km) (white indicates high altitude)

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)

為了更好地表征Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造， 探究該地區(qū)的地震活動(dòng)性， 美國(guó)麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究組在此布設(shè)了一個(gè)由10個(gè)地震臺(tái)站(ME01A， ME01B， ME02A， ME03A， ME05A， ME06A， ME07A， ME08A， ME09A和ME10A)組成的臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)． 該地震臺(tái)網(wǎng)工作了一年， 監(jiān)測(cè)到幾百個(gè)地震事件， 本文所使用的就是該臺(tái)網(wǎng)記錄到的地震數(shù)據(jù)． Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)的地震臺(tái)站和地震事件分布如圖2所示．

1.2 方法

確定震源機(jī)制的傳統(tǒng)方法是基于地震到達(dá)不同臺(tái)站的直達(dá)P波極性信息或振幅信息． 但是對(duì)于Cove Fort-Sulohurdale研究區(qū)域， 由于臺(tái)站分布稀疏， 單純依靠這些信息難以確定可靠的地震震源機(jī)制． 為了克服這一困難， 我們除了利用直達(dá)P波的極性以及P、 S波振幅信息外， 還利用地震波的全波形信息． 這里我們采用Li等(2011)發(fā)展的基于網(wǎng)格搜索的全波形匹配方法確定震源機(jī)制． 下面對(duì)該方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹．

地震震源機(jī)制可以用一個(gè)3×3的二階矩張量表示(Stein， Wysession， 2003)． 震源破裂過(guò)程中若介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 張量則為對(duì)稱張量， 所以只有6個(gè)完全獨(dú)立的分量． 假設(shè)地震事件的震源機(jī)制可以用單純的雙力偶源表示(Rutledge， Phillips， 2002)， 盡管實(shí)際上震源機(jī)制還可能包含體變和補(bǔ)償線性向量偶極部分， 但是將震源機(jī)制限定為雙力偶源有很多益處． 例如， 如果介質(zhì)存在各向異性， 在確定震源機(jī)制時(shí)卻基于各向同性介質(zhì)假設(shè)， 則可能會(huì)導(dǎo)致在震源機(jī)制確定中引入虛假的非雙力偶成分． 如果將震源機(jī)制限定為雙力偶源， 這些由于未考慮各向異性而引起的假的非雙力偶成分就可以被消除， 而雙力偶成分可以被很好地恢復(fù)(ilen，uk， 2002)． 本文中用走向、 傾角和滑動(dòng)角來(lái)表征震源機(jī)制， 并通過(guò)這3個(gè)參數(shù)確定雙力偶源矩張量的各個(gè)分量． 對(duì)于矩張量的每個(gè)分量， 采用離散波數(shù)方法(Bouchon， 1981， 2003)計(jì)算其格林函數(shù)． 該方法設(shè)定地震與臺(tái)站之間的結(jié)構(gòu)可以用一維層狀介質(zhì)模型來(lái)表示． 對(duì)于已知矩張量的某個(gè)震源(即走向、 傾角、 滑動(dòng)角已知)， 其在某個(gè)臺(tái)站的理論地震波形可以表示為格林函數(shù)的加權(quán)線性組合， 即

(1)

為了搜尋到最優(yōu)解， Li 等(2011)建立了一個(gè)表征觀測(cè)與模擬數(shù)據(jù)之間匹配度的目標(biāo)函數(shù)． 該目標(biāo)函數(shù)包含了地震記錄波形信息的4個(gè)不同方面， 表示為

(2)

通常情況下， 橫波(S波)振幅會(huì)比縱波(P波)振幅大很多． 為了平衡縱橫波的貢獻(xiàn)， 我們需要先將其分開， 類似于常用的CAP(cut and paste)方法(Zhu， Helmberger， 1996； 鄭勇等， 2009； 謝祖軍等， 2012)． 通過(guò)利用基于程函方程有限差分求解的走時(shí)計(jì)算程序(Podvin， Lecomte， 1991)計(jì)算出P波和S波的初至?xí)r刻， 將每個(gè)臺(tái)站上接收的波形在S波開始的時(shí)刻分成P波與S波兩個(gè)部分． 為了減小初至?xí)r刻不確定性的影響， 首先通過(guò)初至將波列初步對(duì)齊， 再通過(guò)波形互相關(guān)校正將模擬波形與觀測(cè)波形對(duì)齊． 整個(gè)方法的處理流程可以概括如下：

1) 利用設(shè)定的速度模型計(jì)算格林函數(shù)庫(kù);

2) 使用有限差分走時(shí)計(jì)算程序計(jì)算P波和S波的走時(shí)， 根據(jù)走時(shí)信息將波形分成P波和S波兩段;

3) 對(duì)于分開的P波和S波段： ① 通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的互相關(guān)確定時(shí)移， ② 計(jì)算對(duì)齊的模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的最大互相關(guān)值及二者之差的二范數(shù)， ③ 識(shí)別P波初動(dòng)極性， ④ 分別計(jì)算P波段和S波段的平均振幅;

4) 通過(guò)求取目標(biāo)函數(shù)最大值確定優(yōu)化的震源機(jī)制解．

2 合成數(shù)據(jù)測(cè)試

為了驗(yàn)證全波形匹配方法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性， 首先使用合成數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試． 我們使用離散波數(shù)法生成理論地震圖． 正演使用的臺(tái)站和速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)引自猶他州Cove Fort-Sulohurdale地?zé)釁^(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和速度成像結(jié)果(張欣等， 2012)． 正演時(shí)將震源放置于地下3816 m處， 表征震源機(jī)制的3個(gè)參數(shù)分別為： 走向210°、 傾角50°、 滑動(dòng)角20°． 合成的理論地震圖在反演前需要手動(dòng)進(jìn)行P波初至的拾取和相應(yīng)的極性判別． 反演過(guò)程中網(wǎng)格搜索時(shí)以震源所在位置為起始點(diǎn)， 水平方向的搜索范圍為[-600 m， 600 m]， 間距為150 m． 由于地震記錄對(duì)震源深度非常敏感， 震中深度上的較小變化都可能影響地震波多次反射、 折射的傳播路徑， 所以垂直方向上的搜索間隔設(shè)為100 m， 相應(yīng)的搜索范圍為[-400 m， 400 m]． 參數(shù)空間即走向、 傾角、 滑動(dòng)角的搜索間隔均為10°．

圖3給出了合成數(shù)據(jù)的震源機(jī)制反演結(jié)果． 我們選取了目標(biāo)函數(shù)從大到小排列的前9個(gè)反演結(jié)果進(jìn)行比較， 以表明反演結(jié)果的可靠性． 最優(yōu)解(No.1)位于右下角， 震源機(jī)制參數(shù)為： 走向210°， 傾角50°， 滑動(dòng)角20°， 與正演時(shí)的參數(shù)設(shè)置完全相同， 震源位置(0， 0， 0)也與正演時(shí)設(shè)定的地震位置完全吻合， 表明無(wú)論是震源機(jī)制還是空間位置均得到了很好的恢復(fù)．

圖4給出了模擬數(shù)據(jù)與合成數(shù)據(jù)的波形匹配圖． 每個(gè)子圖中均給出了相應(yīng)的“偏移”值， 表示將模擬數(shù)據(jù)與合成數(shù)據(jù)對(duì)齊所采取的時(shí)移(Δ)． 引入時(shí)移的原因有兩個(gè)： 一是由于我們手動(dòng)對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行P波初至的拾取， 不可避免地會(huì)引入一些誤差； 二是地下散射體散射噪音也會(huì)對(duì)初至?xí)r間造成影響， 從而改變互相關(guān)最大值的位置(Noletetal， 2005)．

3 結(jié)果

3.1 地震震源機(jī)制

將上述方法應(yīng)用于美國(guó)猶他州Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)所監(jiān)測(cè)到的地震事件． 在臺(tái)站布設(shè)的一年時(shí)間里， 臺(tái)網(wǎng)共記錄到了200多個(gè)地震事件(圖2中紅色圓點(diǎn)所示)． 從地表臺(tái)站的記錄來(lái)看， 這些地震的主要能量均集中在0.5—35 Hz． 圖5給出了地面臺(tái)站所記錄到的一個(gè)典型事件的地震圖及其相應(yīng)的頻譜圖．

圖5 一個(gè)典型事件的垂向記錄(a)及其頻譜(b)

圖6 Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)的一維層狀P波和S波速度結(jié)構(gòu) Fig.6 1D layered velocity structure of P and S waves for Cove Fort-Sulphurdale

為了確定這些微小地震的震源機(jī)制， 需對(duì)研究區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)有一個(gè)比較清晰的了解． 張欣等(2012)利用雙差走時(shí)層析成像(double-difference tomography, 簡(jiǎn)寫為TomoDD)對(duì)Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)記錄到的200多個(gè)微震事件進(jìn)行重新定位， 并對(duì)該地區(qū)進(jìn)行成像， 得到了該地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)信息． TomoDD成像方法是利用相鄰事件在同一臺(tái)站上的到時(shí)差進(jìn)行反演， 能夠極大地減小絕對(duì)走時(shí)誤差對(duì)反演結(jié)果的影響(Zhang， Thurber， 2003)． 利用反演得到的三維速度結(jié)構(gòu)， 本文得到了Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)的一維層狀速度結(jié)構(gòu)(圖6)， 并使用該速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了格林函數(shù)庫(kù)的計(jì)算和震源機(jī)制解的反演．

圖7和8給出了Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)4個(gè)具有不同震源機(jī)制的典型事件利用波形匹配震源機(jī)制確定方法得到的模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比及相應(yīng)的震源機(jī)制解． 可以看出， 實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的波形相似度非常高， 而且每個(gè)臺(tái)站模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的P波初動(dòng)極性也都非常相近， 說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)的一致性非常高， 這也間接表明了本文結(jié)果的準(zhǔn)確性． 需要注意的是， 盡管在某個(gè)臺(tái)站波形匹配較好， 但其極性匹配卻相反， 一個(gè)可能的原因是由于信噪比較差， 所拾取的波形極性信息不準(zhǔn)． 另外， 對(duì)于大多數(shù)臺(tái)站而言， 盡管其極性與波形匹配較好， 但其S/P波振幅比卻有較大差異． 這可能是由于盡管在波形正演時(shí)考慮了地下介質(zhì)衰減參數(shù)， 但所使用的一維衰減介質(zhì)模型可能不能很好地表示真實(shí)的地下介質(zhì)衰減情況所造成的． 因此傳統(tǒng)的基于極性和振幅比確定震源機(jī)制的方法， 其結(jié)果可能具有較高的不確定性． 通過(guò)增加波形匹配的約束， 可以更可靠地確定震源機(jī)制． 圖7和8也分別給出了4個(gè)典型事件相對(duì)應(yīng)的最佳震源機(jī)制解． 可以看出， 其震中位置較初始位置分別沿東西(x)、 南北(y)向移動(dòng)， 上下方向(z)也有偏移. 這可能是P波初至導(dǎo)致的定位誤差， 也可能是由于所使用的一維層狀速度結(jié)構(gòu)不夠精確所致． 如上所述， 震中位置的偏移可以補(bǔ)償由于速度結(jié)構(gòu)不精確而造成的模擬波形與實(shí)際記錄的相位差異， 使反演結(jié)果更準(zhǔn)確可靠．

圖8 No.234和No.11地震事件的震源機(jī)制解和波形匹配圖． 圖中說(shuō)明同圖4

圖9 20個(gè)地震事件的震源機(jī)制解 Fig.9 Distribution of focal mechanisms of 20 seismic events (red dots) determined by the waveform matching method

為了減小信噪比和臺(tái)站方位角的影響， 確保反演結(jié)果的可靠性， 本文從200多個(gè)地震事件中挑選出信噪比較高、 臺(tái)站覆蓋較好的20個(gè)事件進(jìn)行震源機(jī)制反演． 所選地震事件的位置及其相應(yīng)的震源機(jī)制解結(jié)果如圖9所示． 表1列出了這20個(gè)地震詳細(xì)的震源機(jī)制解結(jié)果， 可以看到大多數(shù)發(fā)震斷層為走滑斷層(12個(gè))， 也有少部分正斷層(5個(gè))和逆沖斷層(3個(gè))． 從圖9和表1可以明顯看出， 這些地震的斷層面解的走向大部分趨于N--S向(13個(gè))或NE向(5個(gè))， 這意味著該地區(qū)的斷層或裂縫的走向主要分布在N--S向上．

表1 20個(gè)地震事件的震源參數(shù)

3.2 基于震源機(jī)制解的應(yīng)力分析

地震的震源機(jī)制解是認(rèn)識(shí)地震發(fā)震斷層及其破裂特征的主要方式， 同時(shí)， 震源機(jī)制解也反映了地殼內(nèi)部的應(yīng)力狀況， 為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)． 根據(jù)雙力偶點(diǎn)源模型， 每次地震的震源機(jī)制解都給出了P軸、B軸、T軸的方位和兩個(gè)節(jié)面參數(shù)， 其中一個(gè)節(jié)面是發(fā)震斷層面． 由巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知， 通過(guò)斷層面解求得的P軸和T軸只是反映了地震前后震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的變化， 它們與構(gòu)造應(yīng)力的主軸方向之間存在一個(gè)偏角(鐘繼茂， 程萬(wàn)正， 2006)． 盡管如此， 由于P軸、B軸、T軸與主應(yīng)力軸(S1，S2，S3)之間相差不會(huì)太大， 我們?nèi)匀荒軌蚴褂肞軸、B軸、T軸的方向來(lái)近似代表主應(yīng)力的方向． 對(duì)于地理坐標(biāo)系(o，x，y，z)， 其坐標(biāo)原點(diǎn)o為震源，x軸指向北，y軸指向東，z軸垂直向下； 在雙力偶點(diǎn)源模型條件下， 張應(yīng)力軸方向矢量t、 壓應(yīng)力軸方向矢量p與斷層面滑動(dòng)矢量u和法向矢量v之間的關(guān)系為(Aki， Richards， 1980)

圖10 Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)20個(gè)地震事件的P軸(紅色)和T軸(藍(lán)色)分布軸線長(zhǎng)短表示傾角大小， 線段越短表示傾角越大 Fig.10 Distribution of P (red) and T (blue) axes determined from focal mechanisms of 20 seismic events in the Cove Fort-Sulphurdale area The length of axis indicates inclination with the shorter line representing greater inclination angle

(3)

(4)

若斷層面的走向φ、 傾角δ和滑動(dòng)角λ均已知， 則滑動(dòng)矢量u和斷層面法向矢量ν可表示為

(5)

(6)

本文采用上述方法對(duì)Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)發(fā)生的20個(gè)地震事件進(jìn)行了主應(yīng)力軸計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果如圖10所示． 可以看出， 中間部分的主壓應(yīng)力方向趨于N--S向， 兩邊趨于E--W和NNE向． Hickman和Zoback(2004)在美國(guó)加州中部SAFOD鉆井也觀測(cè)到相似的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象. 這可能是由臨近斷層的滑動(dòng)所引起的， 說(shuō)明該地區(qū)存在地殼的活動(dòng)變形， 仍處于構(gòu)造活動(dòng)區(qū)． 總的來(lái)說(shuō)， 主壓應(yīng)力P軸的優(yōu)勢(shì)取向?yàn)镹--S向和與其共軛的E--W向, 主張應(yīng)力T軸的方位角相對(duì)離散， 主要集中在N--S和NNE兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向． 統(tǒng)計(jì)顯示P軸、T軸傾角大部分處于20°—40°之間(圖11)， 表明該斷裂帶所承受的作用力以近水平向力和斜向力為主， 最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)取向與震源機(jī)制解參數(shù)結(jié)果比較一致．

圖11 P軸和T軸傾角統(tǒng)計(jì)圖 Fig.11 Distribution of inclination angles for P and T axes

3.3 橫波分裂分析

進(jìn)行橫波分裂研究的方法有很多種. 例如， 偏振分析法(Crampin， 1978)、 旋轉(zhuǎn)分析法(Andoetal， 1983)、 自動(dòng)分析法(Shihetal， 1989)、 偏振線性度定量估計(jì)法(Asteretal， 1990)、 自適應(yīng)分析法(鄭治真， 1990)、 最大特征值法(劉希強(qiáng)， 1992)、 相關(guān)函數(shù)分析法(高原， 鄭斯華， 1994)、 偏振旋轉(zhuǎn)法(李英康， 崔作舟， 1994)等． 本文主要使用快慢波波形互相關(guān)的方法(高原， 鄭斯華， 1994)確定橫波分裂參數(shù)．

圖12給出了利用CDP(相關(guān)函數(shù)計(jì)算—時(shí)間延遲校正—偏振分析檢驗(yàn))方法對(duì)ME01A臺(tái)站記錄到的某次地震的波形進(jìn)行橫波分裂分析的流程． 可以看出， 橫波極化方向和快慢橫波之間的到時(shí)差經(jīng)校正之后質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的線性特征與波形匹配得很好， 顯示了該方法的可行性． 本文將上述橫波分裂分析方法應(yīng)用于Cove Fort-Sulphurdale地?zé)釁^(qū)發(fā)生的200多個(gè)地震事件． 圖13分別顯示了所有地震事件的平均橫波分裂延遲時(shí)間和快波極化方向． 其中圖13a中的藍(lán)色圓點(diǎn)表示在某個(gè)深度地震的慢波時(shí)間延遲， 我們選取了所有互相關(guān)系數(shù)大于0.7的地震事件， 并對(duì)某深度±0.5 km范圍內(nèi)所有地震事件所對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差， 即圖中所示的誤差棒． 可以看出， 隨著地震深度的增加， 慢波時(shí)間延遲并沒(méi)有增大， 說(shuō)明各向異性主要存在于淺部地區(qū)． 由圖13b可以看出， 不同臺(tái)站的平均極化方向也趨于一致， 均指向N--S向． 上述橫波分裂分析結(jié)果表明， 如果各向異性主要是由該地區(qū)的斷裂構(gòu)造引起， 則該地區(qū)的主要斷層或裂縫的方向應(yīng)該是N--S向．

圖12 CDP方法橫波分裂分析流程圖

圖13 橫波分裂分析的所有地震事件的平均時(shí)間延遲(a)和各臺(tái)站快波極化方向(b)

4 討論與結(jié)論

本文采用新的波形匹配算法進(jìn)行震源機(jī)制反演， 與常規(guī)天然地震震源機(jī)制反演時(shí)所用頻帶(0.05—0.5 Hz)信息相比， 該方法能夠利用地震儀記錄到的高頻波形信息(幾Hz至幾十Hz)， 在研究區(qū)域地下速度結(jié)構(gòu)信息已知的情況下， 采用快速的網(wǎng)格搜索方法得到震源機(jī)制解和地震位置信息， 達(dá)到最佳波形匹配． 波形匹配目標(biāo)函數(shù)中加入了P波初動(dòng)和橫縱波振幅比信息， 既充分利用了波形信息， 又可以對(duì)反演加以約束， 避免了僅靠波形數(shù)據(jù)反演導(dǎo)致的不確定性． 合成數(shù)據(jù)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用均證實(shí)了該方法可以應(yīng)用于地震等高頻地震事件的精定位和震源參數(shù)計(jì)算， 反演結(jié)果穩(wěn)定可靠．

Cove Fort-Sulphurdale地區(qū)20個(gè)地震事件的震源機(jī)制表明： 大多數(shù)地震發(fā)震斷層為走滑斷層， 也有少部分為正斷層和逆沖斷層； 其斷層面的走向大部分趨于N--S向， 與該區(qū)域最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)取向N--S方向(Heidbachetal， 2009)具有較好的一致性． 由于該地區(qū)處于近E--W向的拉張應(yīng)力作用下， 因此其主壓應(yīng)力方向應(yīng)該是接近N--S方向． 本文所選取地震事件的震源機(jī)制和相應(yīng)的應(yīng)力分析結(jié)果均與該地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征比較一致， 符合目前人們對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造認(rèn)知． 橫波分裂分析結(jié)果也表明， 如果各向異性主要是由該地區(qū)的斷裂構(gòu)造所引起， 則該地區(qū)的主要斷層或裂縫的方向應(yīng)該是N--S向． 本文的各向異性研究結(jié)果顯示快波的極化方向指向N--S向， 與震源機(jī)制分析所推斷出的應(yīng)力方向一致， 同時(shí)也與區(qū)域地質(zhì)圖上所顯示的斷層走向一致， 由此認(rèn)為該研究區(qū)域的各向異性可能是由斷裂構(gòu)造和應(yīng)力這兩種機(jī)制共同引起的．

本文中震源機(jī)制反演采用的是雙力偶點(diǎn)源模型和一維層狀均勻速度結(jié)構(gòu)， 這些與實(shí)際情況均存在一定的偏差． 若要得到精準(zhǔn)的震源機(jī)制解和發(fā)震斷層特征， 還需使用更精確的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行全矩張量反演， 以獲得震源區(qū)完整的震源破裂特征． 同時(shí)可以考慮加入重力或電磁數(shù)據(jù)反演結(jié)果， 以便通過(guò)不同類型數(shù)據(jù)的約束， 更好地探討Cove Fort-Sulphurdale 地?zé)釁^(qū)的結(jié)構(gòu)特征．

麻省理工學(xué)院李俊倫博士提供了震源機(jī)制反演程序， 麻省理工學(xué)院地球資源實(shí)驗(yàn)室提供了Cove Fort-Sulphurdale 地區(qū)的地震數(shù)據(jù)， 曾祥方博士提供了計(jì)算主應(yīng)力軸的代碼， 審稿專家對(duì)本文提出了寶貴意見和建議， 作者在此一并表示感謝.

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Focal mechanisms and seismic anisotropy analysis of local earthquakes at the Cove Fort-Sulphurdale geothermal site， United States

1)SchoolofEarthandSpaceSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，

Cove Fort-Sulphurdale is located in central-western Utah， which is characterized by its unique geologic features and rich geothermal resources. For better development of geothermal reservoirs， it is necessary to have the know-ledge of stress and fracture distribution of the region. Based on the previous work， we use the waveform matching method to invert the focal mechanisms of local earthquakes collected in Cove Fort-Sulphurdale， constrained by first arrival P wave polarities and S/P amplitude ratios. Furthermore， we also use the shear wave splitting analysis method to study the anisotropy in this region. Combining both focal mechanism and anisotropy results， we can determine the stress distribution and fault/fracture directions. The results show that the waveforms of synthetic data match real data very well， and the first arrival P wave polarities and S/P amplitude ratios are close. Fault plane solutions have strikes trending in approximately N--S direction， which is consistent with the maximum horizontal principle stress indicated by the stress map of America and our current understanding of the tectonics in this region. Shear wave-splitting analysis results also show that if the anisotropy is mainly caused by the fault structure in this region， the strikes of the main faults/fractures should be in the N--S direction.

Cove Fort-Sulphurdale; focal mechanism; waveform matching; local earthquake; S/P amplitude ratio; geothermal; shear wave splitting; anisotropy

10.11939/jass.2015.06.002.

國(guó)家基金委項(xiàng)目(41274055)和“深部探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)與集成”項(xiàng)目(SinoProbe-02)共同資助.

2015-02-04收到初稿， 2015-05-12決定采用修改稿.

e-mail: zhang11@ustc.edu.cn

10.11939/jass.2015.06.002

P315.01

A

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Zhang P, Zhang H J, Liu Y, Wang H, Toks?z M N. 2015. Focal mechanisms and seismic anisotropy analysis of local earthquakes at the Cove Fort-Sulphurdale geothermal site， United States.ActaSeismologicaSinica, 37(6): 899--915. doi:10.11939/jass.2015.06.002.