田小慧，金春華，何秋菊

(寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏銀川　750001)

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海原地震帶中東段幾次小震震源機(jī)制解研究

田小慧，金春華，何秋菊

(寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏銀川750001)

摘要：利用寧夏區(qū)域臺(tái)網(wǎng)共27個(gè)臺(tái)的寬頻帶數(shù)字地震記錄, 采用 CAP法和snoke法反演了海原地震帶中東段ML3.0級(jí)以上8次地震震源機(jī)制解。結(jié)果顯示：2種方法計(jì)算8次地震的震源機(jī)制解雖有一些差別 ,但總體屬性均為左旋走滑，北部帶有少量拉張分量，南部帶有少量逆沖分量，與實(shí)際主控?cái)鄬拥那闆r一致。對(duì)比這2種方法我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果比較接近，Snoke法在節(jié)面及主壓、主張應(yīng)力軸的方位明顯較CAP法分散，CAP法計(jì)算結(jié)果更為可靠。

關(guān)鍵詞：震源機(jī)制解;CAP法；snoke法

0引言

地震的震源機(jī)制從一定角度描述了震源的性質(zhì)及其破裂過(guò)程。 因此,及時(shí)確定地震震源機(jī)制,對(duì)于地震本身的研究、孕震機(jī)理的解釋及震后應(yīng)力的分布,具有十分重要的意義。早在模擬時(shí)代，利用初動(dòng)符號(hào)計(jì)算震源機(jī)制解及初動(dòng)符號(hào)結(jié)合振幅比計(jì)算震源機(jī)制解就得到了廣泛應(yīng)用。趙知軍等[1]在1990年利用寧夏及鄰區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)記錄的18 099個(gè)初動(dòng)符號(hào)得到了7個(gè)小區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。近年來(lái)，隨著區(qū)域數(shù)字化，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的改造完成，獲取了大量高質(zhì)量寬頻地震數(shù)據(jù)，因此，利用近震地震波形反演震源機(jī)制成為可能。本文擬采用波形反演Cut and Paste(CAP)方法和傳統(tǒng)初動(dòng)振幅比法(Snoke)，研究了海原斷裂帶8次地震震源機(jī)制解特征。

CAP方法是一種聯(lián)合使用體波和面波進(jìn)行反演的方法，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。由于該方法分別截取波形的Pnl部分和面波部分分別擬合[2]，并在反演的過(guò)程中允許它們?cè)谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng)，在一定程度上避免了因?yàn)榈貧つＰ筒粶?zhǔn)確而引起的震相到時(shí)的誤差因素，對(duì)速度模型和地殼橫向變化的依賴(lài)性較小，因此，在實(shí)際區(qū)域地震震源機(jī)制求解中有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1方法原理

震源機(jī)制和傳播效應(yīng)決定了觀(guān)測(cè)波形的變化。如果地殼模型已知，可以準(zhǔn)確地計(jì)算波形傳播過(guò)程中的效應(yīng)，因此，可以通過(guò)理論波形S(t)和觀(guān)測(cè)波形 U(t)的擬合來(lái)估計(jì)震源的斷層面參數(shù)[3-4]。雙力偶震源產(chǎn)生的理論位移S(t)可以表示為：

(1)

其中，i=1，2，3對(duì)應(yīng)3種基本斷層響應(yīng)，即：垂直走滑、垂直傾滑以及傾角為45° 的傾滑；Gi為格林函數(shù)，Ai是輻射系數(shù)，φ是臺(tái)站方位角 ，Mo為標(biāo)量地震矩。θ，δ，λ分別為斷層的走向、傾角、滑動(dòng)角。系數(shù)Ai由6個(gè)矩張量分量和臺(tái)站方位角表示。

采用頻率波數(shù)方法 (F-K)，計(jì)算各震中距的格林函數(shù) ，由格林函數(shù)得到合成地震圖后 ，把合成與觀(guān)測(cè)的地震數(shù)據(jù)做互相關(guān) 。

由互相關(guān)函數(shù)確定時(shí)間偏移 ：

(2)

走向θ、傾角δ、滑動(dòng)角λ以及標(biāo)量地震矩M0等可以通過(guò)求解以下方程進(jìn)行估計(jì) ：

U(t)=S(t)

(3)

通過(guò)計(jì)算合成地震圖, 對(duì)比P波、pP波和sP波的理論與觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的到時(shí)，準(zhǔn)確定出震源深度；根據(jù)不同震相的幅度差異，調(diào)整震源參數(shù)， 使得波形能夠較好地吻合觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)確定震源機(jī)制解。

CAP方法使用頻率F-波數(shù)K法[5-6]計(jì)算格林函數(shù)，使用網(wǎng)格搜索方法搜尋最優(yōu)震源機(jī)制參數(shù)和震源深度。考慮到波形隨震中距的衰減，方法定義誤差函數(shù)如下：

(4)

式中 ，r為臺(tái)站震中距 ，r0為選定的參考震中距，p為指數(shù)因子。參考有關(guān)研究，體波p=1，面波p=0.5。

2觀(guān)測(cè)資料和地殼模型選取

2.1觀(guān)測(cè)臺(tái)站分布

選取2009～2015年發(fā)生在海原地震帶中東段的8次中小地震，寧夏、內(nèi)蒙、甘肅等區(qū)域臺(tái)網(wǎng)都記錄到了較好的地震波形。本文采用的所有可用的臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。從分布來(lái)看，采用的地震射線(xiàn)方位角能夠很好地覆蓋各個(gè)方向，且大部分臺(tái)站都位于200 km之內(nèi)，因此，能夠提供可靠的地震波反演資料。

2.2模型的選取

寧夏及鄰近地區(qū)各地地殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在較大差異[7]。銀川地塹和六盤(pán)山斷裂帶位于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的南北地震帶上，在其形成的歷史過(guò)程中，受3個(gè)動(dòng)力性質(zhì)不同的地質(zhì)塊體—青藏地塊、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊的交互作用，地殼速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有結(jié)構(gòu)層變異強(qiáng)烈，地殼層厚度突變顯著的特點(diǎn)。地殼總厚度總體趨勢(shì)是南部大于北部。由于南部處于青藏高原北東邊緣向地臺(tái)區(qū)的過(guò)渡地帶，其地殼厚度介于青藏高原(厚度約60 km)與地臺(tái)區(qū)(約42 km)之間；北部銀川地區(qū)地殼總厚度小于40 km。陶樂(lè)—固原一線(xiàn)以東的鄂爾多斯地臺(tái)區(qū)和賀蘭山以西的阿拉善地臺(tái)，殼幔結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，地殼分層比較平坦，莫霍面起伏不大，是整體相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造單元。

本文研究地震均發(fā)生在海原斷裂帶，選用研究臺(tái)站主要集中分布在青藏塊體東北緣，故選用西海固地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)反演這8次地震。

圖1　地震及臺(tái)站分布

表1　　　　　　　　速度結(jié)構(gòu)模型

2.3數(shù)據(jù)處理

基于上述地殼速度模型，采用頻率—波數(shù)域(F-K)方法[5]，計(jì)算了不同深度，不同震中距的理論格林函數(shù)。在反演前，首先將記錄的速度波形扣除儀器響應(yīng)，并旋轉(zhuǎn)成Z-R-T分量，手動(dòng)拾取P波到時(shí)，然后將實(shí)際數(shù)據(jù)截?cái)酁镻nl面波部分。為了提高信噪比，得到比較可靠的結(jié)果，先對(duì)Pnl部分經(jīng)寬帶為0.05 Hz～0.2 Hz、面部分經(jīng)帶寬為0.03～0.1 Hz的4階Butterworth帶通濾波器濾波。這樣濾波可以有效地減小地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)和噪聲帶來(lái)的影響，可以得到恰當(dāng)?shù)臉?biāo)量地震矩，充分反映地震波攜帶的震源信息[5]。對(duì)于理論波形也采用相同的濾波范圍，利用格點(diǎn)搜索和互相關(guān)的方法，根據(jù)誤差目標(biāo)函數(shù)搜索出合成理論地震圖與觀(guān)測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解[5]。另外，為避免反演結(jié)果主要受近臺(tái)波形的影響，筆者考慮了地震波隨距離衰減對(duì)波形的改造作用。

3結(jié)果分析

本研究用CAP法計(jì)算海原斷裂帶中東段ML3.0級(jí)以上地震共8次。圖2為2015年6 月2日海原斷裂帶東南端ML3.6級(jí)地震CAP法得出的波形擬合圖、深度擬合圖及選用的臺(tái)站分布圖?？梢钥闯?，此次地震盡管震級(jí)不大，但選用臺(tái)站分布合理，波形擬合較好，P波擬合值絕大多數(shù)在60%以上，超過(guò)一半的擬合在70%以上，最高達(dá)90%。S波絕大多數(shù)擬合值在80%以上，有4個(gè)臺(tái)三段S波擬合值均在90%以上。此次地震信噪比較高，地震震相清晰，選用臺(tái)站及速度模型均較為合理，計(jì)算結(jié)果較為可靠，深度擬合結(jié)果符合拋物線(xiàn)形態(tài)且結(jié)果一致性較好。

(a)波形擬合圖(紅色為理論波形，黑色為觀(guān)測(cè)波形)；(b)深度擬合圖；(c)參與計(jì)算的臺(tái)站圖2　CAP法計(jì)算2015年6月2日固原ML3.6級(jí)地震

8次地震計(jì)算結(jié)果如下(圖3)：2種方法計(jì)算結(jié)果均為左旋走滑，但計(jì)算斷層面性質(zhì)卻略有不同。Snoke法計(jì)算結(jié)果除2009年3月19日地震為正斷層外，其余地震均為左旋走滑斷層，有5次帶有少量拉張分量，2次為逆沖分量；CAP法計(jì)算8次地震均為左旋走滑斷層，有7次帶有少量拉張分量，僅有1次為逆沖分量。造成這種情況的原因?yàn)椋哼@8次地震震級(jí)較小，2009年會(huì)寧、鎮(zhèn)原和環(huán)縣地震臺(tái)尚未加入，故對(duì)于2009年及其以前的地震Snoke法很難有足夠的初動(dòng)(尤其Pn初動(dòng))來(lái)確定斷層面的具體位置。CAP法卻不同，其為波形擬合反演，故各方位只要有1個(gè)記錄波形很好的臺(tái)站就可以找出較為準(zhǔn)確的斷層面位置。

圖4為CAP法得到的斷層面走向、滑動(dòng)角、P、T、B軸方位角。可以看出，斷層的走向?yàn)楸蔽鳌蠔|方向，和圖3中展示斷層走向一致?；瑒?dòng)角為北北西方向，因海原斷裂帶為左旋走滑為主的斷裂帶，故滑動(dòng)角斷層走向基本一致。P軸方位角為北東—南西方向，海原斷裂帶地處青藏塊體東北緣，受青藏塊體自西南向東北擠壓作用，P軸應(yīng)力場(chǎng)和實(shí)際相吻合。斷裂帶性質(zhì)為左旋走滑，斷層兩側(cè)地震主張應(yīng)力軸T軸和圖3箭頭所示方向一致，即斷層滑動(dòng)方向基本一致。

圖3　8次地震震源機(jī)制解(藍(lán)色為Snoke法，紅色為CAP法)

圖4　CAP法8次地震玫瑰圖

表2～3詳細(xì)給出了2種方法得到的震源機(jī)制節(jié)面參數(shù)。表中加粗字體為最終確定的斷層面，另外一條則為輔助面?？梢缘贸觯篊AP法計(jì)算結(jié)果8次地震走向均在88°～147°之間，其中6次在88°～110°之間，和圖3中所示斷層走向基本一致；傾角除2015年6月2日固原ML3.6級(jí)地震較小以外，其余傾角在49°～72°之間，50°左右居多。Snoke法7次走向9.2°～332°，傾角41°～86°，和CAP法較為接近。但相比較而言CAP法計(jì)算結(jié)果節(jié)面及主壓、主張應(yīng)力軸更為集中。故對(duì)于西部臺(tái)站稀疏地區(qū)CAP法計(jì)算結(jié)果更為可靠。CAP法計(jì)算的矩震級(jí)和ML震級(jí)基本相同，據(jù)震源新參數(shù)小震矩震級(jí)研究[6-7]：寧夏地區(qū)小震矩震級(jí)滿(mǎn)足MW=0.594 6×ML+1.266 5關(guān)系，按此公式計(jì)算出寧夏這8次地震矩震級(jí)差最大為0.2，算數(shù)平均值為0.1。表2還可以看出CAP法擬合的深度和hyp2000定位法得到的深度十分接近，因此日常研究中可用hyp2000定位方法確定初始深度。

表2　　　　　　CAP 法計(jì)算震源機(jī)制結(jié)果

表3　　　　　　Snoke 法計(jì)算震源機(jī)制結(jié)果

4結(jié)論與討論

本文利用寧夏區(qū)域臺(tái)網(wǎng)共27個(gè)臺(tái)站的寬頻帶數(shù)字地震記錄,采用CAP法和Snoke法反演了海原地震帶中東段ML3.0級(jí)以上8次地震震源機(jī)制解，從斷層屬性、小震應(yīng)力場(chǎng)等多方面對(duì)這2種方法計(jì)算結(jié)果做了系統(tǒng)全面的分析，結(jié)果顯示：①2種方法計(jì)算8次地震的震源機(jī)制解雖有一些差別 ,但總體屬性均為左旋走滑，北部帶有少量拉張分量，南部帶有少量逆沖分量，與實(shí)際主控?cái)鄬拥那闆r一致。②CAP法計(jì)算結(jié)果8次地震走向均在88°～147°之間，其中6次在88°～110°之間，和斷層走向基本一致；傾角除2015年6月2日固原ML3.6級(jí)地震較小以外，其余傾角在49°～72°之間，50°左右居多；Snoke法7次走向9.2°～332°，傾角41°～86°，和CAP法比較接近，但較CAP法分散。③CAP法8次地震中7次有少量拉張分量，1次為純走滑；Snoke計(jì)算結(jié)果8次中6次具有少量拉張分量，2次具有少量逆沖分量。④CAP主壓、主張應(yīng)力軸的方位明顯較Snoke法集中。因此，對(duì)于西部臺(tái)站稀疏地區(qū)小震因無(wú)法保證足夠的初動(dòng)，應(yīng)用波形擬合的CAP法計(jì)算結(jié)果更為可靠。

值得注意的是，本次研究地震震級(jí)均較小，最大僅為ML3.6。加上寧夏地區(qū)臺(tái)站稀疏，地殼速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，用CAP法計(jì)算亦有不小的挑戰(zhàn)。在本研究中從速度模型、參與計(jì)算臺(tái)站、地震震相精度及CAP法計(jì)算初始深度等方面反復(fù)研究試算，并多次請(qǐng)教中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所趙翠萍、本單位一直從事CAP法震源機(jī)制研究的曾憲偉等多位專(zhuān)家，最終得到了較為合理的結(jié)果，在此對(duì)這幾位專(zhuān)家表示誠(chéng)摯的感謝。

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STUDY ON THE FOCAL MECHANISM SOLUTION OF SMALL EARTHQUAKE IN THE MIDDLE EAST SEGMENT IN HAIYUAN SEISMIC ZONE

TIAN Xiaohui,JIN Chunhua,HE Qiuju

(Earquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Ynchuan 750001,China)

Abstract:In this paper,the focal mechanism solutions of 8 earthquakes with ML≥3.0 are inversed by the digital seismic records with broadband of 27 stations in Ningxia area network with the methods of CAP and Snoke in the middle east segment in Haiyuan seismic zone.Results showed that there are some differences in the focal mechanism solutions of the 8 earthauakes with the two methods,but overall attributes are sinistral strike slip,north with a stretching component,the south with a small amount of thrust components,they are consistent with the actual main control fault.Comparison of the two methods,the consistent with the actual main control fault,the results of the two methods are similarly,the result of Snoke method in the plane of section,the pressure and stress axis orientation are scattered than those of CAP method.The result of CAP method is more reliable.

Key words:Focal mechanism solution;CAP method;Snoke method

收稿日期：2015-09-08

作者簡(jiǎn)介：田小慧(1970—)，女，寧夏隆德人，工程師，從事地震監(jiān)測(cè)、前兆觀(guān)測(cè)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-586X(2016)02-0001-06