高朝軍, 張志鵬, 夏愛(ài)國(guó)

(1.新疆地震局巴里坤地震臺(tái)，新疆 哈密 839000； 2.新疆地震局預(yù)報(bào)中心，新疆 烏魯木齊 830011)

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2012年新疆新源、和靜交界MS6.6地震前后震源機(jī)制解一致性參數(shù)變化特征①

高朝軍1, 張志鵬1, 夏愛(ài)國(guó)2

(1.新疆地震局巴里坤地震臺(tái)，新疆 哈密 839000； 2.新疆地震局預(yù)報(bào)中心，新疆 烏魯木齊 830011)

摘要：基于新疆地震臺(tái)網(wǎng)中心自2009年1月—2013年5月的波形數(shù)據(jù)，利用CAP方法和P波初動(dòng)方法計(jì)算2012年6月30日新疆新源、和靜交界MS6.6地震周圍(81°~89° E，42°~45° N)共418次中小地震震源機(jī)制解，反演其一致性參數(shù)Var的空間分布特征。結(jié)果表明：震中附近一致性參數(shù)Var在震前呈低值，震后恢復(fù)正常；震前最大主應(yīng)力P軸方位角與主震基本一致，震后恢復(fù)到歷史平均水平。

關(guān)鍵詞：新源、和靜交界MS6.6； 震源機(jī)制解； 一致性參數(shù)Var； P軸方位角。

0引言

據(jù)中國(guó)地震局地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2012年6月30日新疆維吾爾自治區(qū)新源、和靜交界(43.42° N, 84.75° E)發(fā)生MS6.6地震。該地震位于中天山地區(qū)，是自2011年6月以來(lái)新疆地區(qū)時(shí)間上連續(xù)、空間上多帶分布的又一次5.0級(jí)以上強(qiáng)震。本文將通過(guò)其周圍大量震源機(jī)制解反演的一致性參數(shù)，嘗試對(duì)此次地震前后的變化特征做進(jìn)一步的跟蹤分析與研究。

運(yùn)用大量中小地震震源機(jī)制解既可以描述震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，又能探討大范圍構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，從動(dòng)力成因和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析大震區(qū)數(shù)年來(lái)應(yīng)力場(chǎng)演化特征。前蘇聯(lián)學(xué)者Sadovsky等[1]認(rèn)為加而姆地區(qū)中強(qiáng)地震前一年半至兩年內(nèi)，小震P軸取向由紊亂趨于一致；陳颙[2]根據(jù)海城前震序列提出用震源機(jī)制的一致性作為判別前震的新參數(shù)，Gephart[3]隨后對(duì)震源機(jī)制解一致性參數(shù)θ進(jìn)行討論并給出了詳細(xì)定義；刁桂苓等[4]通過(guò)分析夏威夷Kaoiki地區(qū)的震源機(jī)制變化，提出利用震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的改變來(lái)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)；趙英萍等[5]對(duì)張北地震序列震源一致性參數(shù)θ進(jìn)行時(shí)間掃描，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)余震前一致性參數(shù)θ都出現(xiàn)低值異常；付虹等[6]認(rèn)為滇中地區(qū)強(qiáng)震發(fā)生在中小地震震源機(jī)制一致性參數(shù)θ低值分布區(qū)內(nèi)或其邊緣附近；Michael等[7-9]認(rèn)為一致性參數(shù)Var也可以用來(lái)描述應(yīng)力張量的時(shí)空變化，并認(rèn)為一致性參數(shù)Var與前面所述的一致性參數(shù)θ是等價(jià)的且為線性關(guān)系；Stefan Wiemer等[10]通過(guò)對(duì)南加州應(yīng)力張量的空間分布圖形分析認(rèn)為，應(yīng)力張量在1999年Hector Mine 的MW7.1地震前處于低值狀態(tài)；另外，王熠熙等[11]、榮代潞等[12]對(duì)大震前后主壓應(yīng)力P軸方位角的變化也進(jìn)行了分析討論。

本文對(duì)新源、和靜交界MS6.6地震前后中小地震震源機(jī)制解進(jìn)行計(jì)算，利用一致性參數(shù)Var的空間分布和區(qū)域平均最大主壓應(yīng)力P軸方位角，得出地震前后的變化過(guò)程及主要特征。

1資料數(shù)據(jù)

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

利用2009年1月—2013年5月間新疆地震臺(tái)網(wǎng)中心記錄的81°~89° E，42°~45° N范圍內(nèi)MS≥2.3(即ML≥3.0)地震目錄，挑選出震相相對(duì)清晰、記錄臺(tái)站相對(duì)較多的地震事件共418個(gè),其中對(duì)于MS≤3.9地震采用P波初動(dòng)方法計(jì)算其震源機(jī)制解，共計(jì)算了395次地震事件；針對(duì)MS≥4.0，采用CAP方法計(jì)算其震源機(jī)制解，共計(jì)算了23次地震事件。

1.2P波初動(dòng)方向計(jì)算原理

在求解震源機(jī)制解的方法中，最初常采用P波初動(dòng)[13]，該方法操作簡(jiǎn)單。以2009年2月23日新疆和靜縣(42.61° N,85.91° E)MS2.9地震為例，挑選出臺(tái)站記錄清晰、P波初動(dòng)方向清楚共45個(gè)，按照相對(duì)方位角畫出其空間分布[圖1(a)]，然后通過(guò)控制矛盾比搜索出一對(duì)最佳節(jié)面解[圖1(b)]。但該方法在求解震源機(jī)制解時(shí)對(duì)資料要求苛刻，要求記錄足夠多，并且在震源球面上的分布范圍足夠廣，數(shù)據(jù)覆蓋較好，對(duì)于臺(tái)站記錄較少、分布不均勻的震級(jí)較大地震，計(jì)算出的震源機(jī)制解誤差較大。

1.3CAP方法計(jì)算原理

Cut and Paste (簡(jiǎn)稱CAP)方法可以克服由于調(diào)整記錄少等缺點(diǎn)[14-16]，在震源機(jī)制解和震源深度計(jì)算方面被大量應(yīng)用[17-20]。結(jié)果顯示，利用該方法得到的震源深度比較準(zhǔn)確，其對(duì)應(yīng)的震源機(jī)制解較為合理，這為更進(jìn)一步研究深部構(gòu)造斷裂提供了重要依據(jù)。

該方法利用近震體波和面波信息，將寬頻帶數(shù)字地震波形記錄分解為體波Pnl和面波兩部分[21]，在雙力偶震源假設(shè)下，利用反演結(jié)果對(duì)地殼速度結(jié)構(gòu)模型及橫向變化的依賴性相對(duì)較小等特點(diǎn)，以合成波形和真實(shí)記錄的誤差函數(shù)極小為目標(biāo)，搜索出最佳深度和對(duì)應(yīng)的震源機(jī)制解。

計(jì)算理論格林函數(shù)時(shí)，使用國(guó)際上通用的分層結(jié)構(gòu)模型。趙俊猛等[22]利用人工爆破獲得了天山中段速度模型，作為該次地震的地下結(jié)構(gòu)速度模型，經(jīng)過(guò)前期對(duì)多次中強(qiáng)地震的分析計(jì)算，認(rèn)為此模型是合理可信的。本文采用上述的研究成果——平行分層地殼模型，具體分層速度分布見(jiàn)表1。

以2012年6月30日新源(43.38° N，84.58° E)MS4.5地震為例，采用上述地殼速度結(jié)構(gòu)模型，利用CAP方法計(jì)算擬合誤差隨震源深度的變化以及最小擬合誤差下的震源機(jī)制解(圖2)。

圖1　利用P波初動(dòng)方向計(jì)算震源機(jī)制解 Fig.1　The focal mechanism solution using P-wave first motion method

層序(自上而下)厚度/kmS波速度/(km·s-1)P波速度/(km·s-1)密度/(103kg·m-3)133.25.71.022143.35.92.13113.46.12.4493.56.32.755113.86.42.8693.957.03.1

圖2(a)為該次地震事件的擬合誤差隨震源深度的分布，可以看出震源深度的變化對(duì)擬合誤差有明顯影響，根據(jù)誤差最小判定原則，本次地震事件的最小擬合誤差對(duì)應(yīng)的最佳震源深度約為21km;其對(duì)應(yīng)的震源機(jī)制解中一節(jié)面走向191°、傾角79°、滑動(dòng)角-28°，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得到另一個(gè)節(jié)面解走向287°、傾角62°、滑動(dòng)角-167°，這與哈佛大學(xué)關(guān)于該地震的震源機(jī)制解基本一致。

圖2　新源、和靜交界MS4.5地震震源機(jī)制解反演結(jié)果Fig.2　Inverse result of the focal mechanism of the Xinyuan-Hejing MS4.5 earthquake

1.4震源區(qū)周圍大量中小震源機(jī)制解空間分布

通過(guò)1.2和1.3中所述兩種方法，計(jì)算出81°~89° E，42°~45° N范圍內(nèi)2009年1月—2013年5月間418個(gè)MS≥2.3(即ML≥3.0)地震的震源機(jī)制解。它們主要分布在大型斷裂帶及其附近和山前盆地交界處(圖3)。

圖3　2009年1月—2013年5月ML≥3.0地震震源機(jī)制解空間分布 (中間部分的藍(lán)色五角星　　　為新源、和靜交界MS6.6地震震中位置)Fig.3　The spatial distribution of focal mechanisms of earthquake with ML≥3.0 from January 2009 to　　　 May 2013 (Blue pentagram represents epicentral location of Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake)

2一致性參數(shù)Var

應(yīng)力場(chǎng)反演可以反映較大范圍應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力P軸、T軸和B軸的分布，應(yīng)力大小和均勻性。一致性參數(shù)variance(下文簡(jiǎn)稱Var)用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力張量與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間的方差，表示已知的震源機(jī)制解與理論上的應(yīng)力張量間的離散程度。很多算法[3，7-9]可被用來(lái)計(jì)算一致性參數(shù)，本文采用快速算法。

通常情況下，Var數(shù)值較小(小于0.1)，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)處震源機(jī)制解反演的應(yīng)力張量與區(qū)域應(yīng)力張量之間偏離較小，即應(yīng)力場(chǎng)的一致性較好；Var數(shù)值較高(大于0.2)，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)處震源機(jī)制解反演的應(yīng)力張量與實(shí)際的震源機(jī)制解應(yīng)力張量之間偏離較大，即應(yīng)力場(chǎng)的一致性較差[23-24]。

3結(jié)果分析

3.1一致性參數(shù)空間變化

對(duì)81°~89° E，42°~45° N范圍內(nèi)2009年1月—2013年5月間418個(gè)MS≥2.3(即ML≥3.0)地震的震源機(jī)制解，利用ZMAP軟件進(jìn)行一致性參數(shù)計(jì)算。采用0.2°×0.2°來(lái)劃分空間網(wǎng)格，取最少地震個(gè)數(shù)為30來(lái)計(jì)算一致性參數(shù)Var(采用不同的網(wǎng)格劃分和最低采樣個(gè)數(shù)，結(jié)果表明這些方式對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)實(shí)質(zhì)性影響)，得到2012年6月30日新源、和靜MS6.6地震前后Var的空間分布圖像(圖4)。由圖4(a)可知，地震前震中周圍的Var處于低值狀態(tài)(0.15左右)；由圖4(b)可知，震后其周圍的Var值有所恢復(fù)(大于0.2)。

圖4　不同時(shí)間段內(nèi)ML≥3.0地震震源機(jī)制解一致　　　性參數(shù)Var的空間分布Fig.4　Spatial distribution of the consistency parameter Var　　　 of focal mechanisms of ML≥3.0 earthquakes in　　　 different periodes

究其原因，在本次主震前，震源區(qū)震源機(jī)制解受應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)一運(yùn)作，應(yīng)力場(chǎng)的一致性較好，因而一致性參數(shù)處于低值狀態(tài)；而在主震發(fā)生之后，震源區(qū)應(yīng)力得到釋放，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制作用增強(qiáng)，地震以離散發(fā)生的中小地震為主。

3.2最大主壓應(yīng)力P軸方位

通過(guò)CAP方法計(jì)算2012年6月30日新源、和靜交界MS6.6地震震源機(jī)制解[25]，結(jié)果顯示其節(jié)面1走向39°、傾角46°、滑動(dòng)角12°；節(jié)面2走向301°、傾角81°、滑動(dòng)角135°，進(jìn)一步計(jì)算可知其最大主壓應(yīng)力P軸方位角為357°。

仿照3.1中所述，同樣利用ZMAP軟件得到2012年6月30日新源、和靜MS6.6地震前后最大主壓應(yīng)力P軸方位角空間分布圖像(圖5)。震前震源區(qū)最大主應(yīng)力P軸方位角近NS向[圖5(a)]，非常接近主震主壓應(yīng)力P軸方位角357°；而震后震中附近最大主應(yīng)力P軸方位角為NNW方向[圖5(b)]，與主震主壓應(yīng)力P軸方位角357°有一定夾角(接近30°)，與北天山西段應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果NWW向[26]基本一致，在一定程度上表明地震發(fā)生后其周圍應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，與歷史平均水平一致。

究其原因，在本次主震前，震源區(qū)附近應(yīng)力集中，其平均最大主壓應(yīng)力P軸方位角與主震基本一致；地震發(fā)生后，震源區(qū)應(yīng)力得到釋放，恢復(fù)到與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致的狀態(tài)，導(dǎo)致平均最大主壓應(yīng)力P軸方位角與主震有一定夾角。

4結(jié)論與討論

大量中小地震震源機(jī)制的一致性是判斷地震危險(xiǎn)性的一個(gè)有用判據(jù)。任何一個(gè)地震序列都有發(fā)生、發(fā)展、衰退的過(guò)程， 前震或在震群中最大地震發(fā)生之前，震源區(qū)震源機(jī)制解趨于一致則表明孕震區(qū)域受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制，處于持續(xù)增強(qiáng)的過(guò)程；震后大范圍低值異常不復(fù)存在，表明區(qū)域處于應(yīng)力松弛狀態(tài)?？梢岳谜鹪礄C(jī)制一致性參數(shù)研究大地震發(fā)生之前一系列前震,得到震源機(jī)制解變化情況，探索孕震區(qū)背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)力過(guò)程，進(jìn)而確定該區(qū)域未來(lái)地震的危險(xiǎn)性。

基于大量中小地震震源機(jī)制解得到一致性參數(shù)和主壓應(yīng)力P軸方位角的變化，其主要特點(diǎn)如下：

(1) 主震發(fā)生前，孕震區(qū)一系列中小地震震源機(jī)制解一致性參數(shù)Var比較低，說(shuō)明這些地震受到了震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)一作用；而主震發(fā)生后震源機(jī)制解的一致性參數(shù)Var比較高，說(shuō)明背景應(yīng)力場(chǎng)的控制作用開(kāi)始增強(qiáng)，導(dǎo)致后續(xù)地震的震源機(jī)制散亂。因而震前一致性參數(shù)處于低值狀態(tài)，可能是中強(qiáng)地震前的一種前兆現(xiàn)象。

(2) 震前震源區(qū)附近應(yīng)力集中，其平均最大主壓應(yīng)力P軸方位角與主震基本一致；震后其平均最大主壓應(yīng)力P軸方位角與主震有一定夾角，并恢復(fù)到與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致的狀態(tài)。

(3) 強(qiáng)震發(fā)生前一致性參數(shù)處于低值狀態(tài)，同時(shí)最大主壓應(yīng)力P軸方位角與歷史平均水平不太一致，這可能為未來(lái)中強(qiáng)地震的發(fā)震地點(diǎn)判定提供了一些參考依據(jù)，但目前積累的震例不多，還需進(jìn)一步積累和深入研究。

致謝：文中使用了鄭勇提供的CAP的計(jì)算程序，并得到了新疆地震局李志海、羅炬等人的大力幫助，計(jì)算結(jié)果與青海地震局姚家駿進(jìn)行了深入探討，文中部分圖件使用GMT繪制，審稿專家提出了寶貴的意見(jiàn)和建議，在此一并表示感謝！

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Variation Characteristics of Consistency Parameter of Focal Mechanisms before and after the 2012 Xinyuan-HejingMS6.6 Earthquake

GAO Chao-jun1, ZHANG Zhi-peng1, XIA Ai-guo2

(1.BalikunSeismicStation,EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Hami839000,Xinjiang，China;2.ForecastingCenter,EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang，China)

Abstract：On June 30, 2012, an MS6.6 earthquake occurred at the border of Xinyuan and Hejing in Xinjiang. This study inversed the spatial distribution of the consistency parameter Var (variance) and the azimuth of the mean maximum principal compressive stress P axis and found some changes in these parameters. First, on the basis of the waveform data of January 2009-May 2013 recorded by the Xinjiang Seismic Network Center, we used the cut-and-paste and P-wave first motion methods to inverse the focal mechanism solutions of 418 small-to-moderate earthquakes around the main shock area of the above mentioned MS6.6 earthquake. Then, we inversed the consistency parameter and azimuth variation of the mean principal compressive stress P axis. From the study results, we derive three conclusions. First, prior to the main shock, around the seismogenic zone, the Var value was relatively low, which means that the earthquake action was affected by the stress field of the seismogenic zone. After the main shock, the Var value significantly increased, which means that the control of the background stress field began to strengthen. Second, prior to the main shock, the stress near the epicenter area began to concentrate, and the azimuth of the mean maximum principal compressive stress P axis was consistent with the main shock. However, after the main shock, this azimuth exhibited a certain angle from the main shock and was consistent with the azimuth of the regional stress field. Third, prior to the main shock, the Var value was relatively low, and the azimuth of the maximum principal compressive stress P axis was not consistent with the historical average value.

Key words：Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake; focal mechanism solution; consistency parameter Var; azimuth of P axis

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0019

中圖分類號(hào):P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)01-0019-07

作者簡(jiǎn)介：高朝軍，男，工程師，主要從事數(shù)字地震和地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。E-mail：xjgaochaojun@163.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局“三結(jié)合”課題(163103)；新疆地震科學(xué)基金(201301)

收稿日期：①2014-11-21