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小震震源機制與應力場反演方法及其應用研究

嚴川

(中國地震局地球物理究所，北京100081)

眾所周知，構造應力場的分析與研究在地球科學研究以及生產實踐應用中都具有相當重要的地位。 同樣，我們也知道，天然地震的震源機制在構造應力場的分析和研究中也具有相當重要的地位。 地震矩張量的引入使地震產生的遠場位移與描述震源機制的地震矩張量之間成為線性關系。 如果地震產生的位移與描述地震波傳播路徑效應的格林函數已知，則很容易通過波形反演得到地震矩張量，即震源機制。 然而，波形反演技術只適用于遠場記錄或較大的地震，最多也只能應用到區(qū)域地震記錄或中等大小的地震。 由于近場合成格林函數很難近似于實際的介質響應，所以，波形反演方法不再適合于近場記錄或小震。 在應用近場記錄確定小震的震源機制方面，一直以來都沒有像波形反演技術那樣被廣泛認可且較為統一的方法和技術。 因此，學習和吸收已有的研究成果，探索確定小震震源機制的新方法就成為本研究的第一項任務。 利用震源機制解反演構造應力場方法主要有兩種： 一種假設應力場最大切應力的方向與斷層滑動方向一致，并由此求解構造應力場； 另一種假設眾多的震源機制解應力軸的平均方向即為構造應力場的方向，并由此求解構造應力場。 兩種方法各有優(yōu)缺點，因此，探索利用震源機制解求解構造應力場的方法就成為本研究的第二項任務。

基于數十年來已有的研究進展，我們提出了一種地方和區(qū)域地震震源機制反演技術----廣義極性振幅技術(generalized polarity and amplitude technique，GPAT)，并通過一系列數值實驗檢驗了這種技術的可行性和抗干擾能力。 首先，我們從地震波場概念出發(fā)，利用P波初動極性與廣義震相振幅構建矢量，建立反演系統，并給出求解技術； 其次，考慮影響反演結果的各種因素，包括臺站布局、 臺站數目、 隨機噪聲、 震中位置誤差、 震源深度誤差和速度模型誤差，分別進行了單一因素影響測試； 再次，同時考慮各種因素進行了綜合測試。 實驗結果表明，GPAT是可行的，具有良好的抗干擾能力。

為了檢驗GPAT的實用性，我們利用GPAT反演確定了49次實際地震的震源機制、 矩震級和震源深度。 為了檢驗GPAT對地方地震、 區(qū)域地震以及遠震的適用性，我們選用了震級約為ML0.2～MS7.0的地震與震中距范圍約在5～8000 km之間的觀測資料。 對反演結果的分析表明，利用GPAT獲取的震源機制結果在合理誤差范圍內是正確的，利用GPAT獲取的矩震級結果是可靠的，而利用GPAT獲取的震源深度總體上似乎比常規(guī)定位深度深約0.6 km。 總體而言，GPAT在震源機制、 矩震級和震源深度的反演方面表現出良好的實用性。 對GPAT進行充分的檢驗之后，我們將這種方法應用于云南巧家臺陣記錄的1671次地震，獲得了這些地震的震源機制解。 這些地震的最小震級為ML-0.7，最大震級ML4.7。

同樣，在學習和參考已有研究的基礎上，尤其是吸收已有的綜合斷層面方法的精髓，基于地震矩張量為應力過量的物理解釋，提出了利用震源機制反演應力場的方法----地震矩張量平均方法(tensor-averaging method，TAM)。 這種方法承認大量的震源機制應力主軸的平均方向即為應力場的方向，因此，無須區(qū)分真實的滑動面，計算效率極高。

為了檢驗TAM方法的可行性和抗干擾能力，我們設計了相關的數值實驗。 首先，檢驗震源機制的不確定性對反演結果的影響，為此，我們假設震源機制的不確定性程度或噪聲水平分別為5%，10%，20%，30%和50%，地震事件類型分別為垂直走滑事件、 正斷層事件、 逆斷層事件和垂直傾滑事件4種典型類型，震源機制的數目分別為1000，100和20三種。 結果表明： ①不確定性水平對不同類型應力場的影響差別不大； ②隨著不確定性水平的增加，結果的受影響程度呈增大趨勢； ③隨著觀測資料數目的減少，結果的受影響程度呈增大趨勢。 然后，檢驗局部應力場相對總體應力場的偏離程度或應力場非均勻性水平對反演結果的影響，為此，我們假設偏離水平分別為10%，20%，30%和50%，采用與上面同樣的事件數目和震源機制類型。 結果表明： ①應力場的非均勻性對不同類型應力場的影響差別不大； ②隨著非均勻性水平的增加，結果的受影響程度呈增大趨勢； ③隨著觀測資料數目的減少，結果的受影響程度呈增大趨勢。 上述實驗表明，在合適的干擾水平條件和足夠的觀測資料情況下，利用TAM可以得到正確的結果，因此，TAM方法是可行的，也具有良好的抗干擾能力。

為了檢驗TAM方法的實用性，我們利用已經得到的巧家臺陣內部1671次小震的震源機制解反演了這一區(qū)域的應力場方向。 反演結果表明，應力場方向與當地的GPS速度場具有很好的一致性，也與其他已有的研究結果比較一致。 這說明利用TAM方法得到的結果具有實際意義，因此，TAM方法是實用的。

利用TAM方法得到的應力場具有實際意義，不但是對TAM方法的有力支持，也是對GPAT方法的有力支持。

關鍵詞震源機制反演方法； 應力場反演方法； 數值試驗； 小江斷裂巧家段

(作者電子信箱，嚴川： yanc@cea-igp.ac.cn)

中圖分類號：P315.3+3；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.016