田小慧，金春華，任家琪

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

寧夏中部小震震源機(jī)制解研究

田小慧，金春華，任家琪

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

本文利用寧夏區(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方法和Snoke方法反演了寧夏中部19次ML3.0以上地震震源機(jī)制解。 結(jié)果顯示：東側(cè)牛首山－羅山－固原斷裂帶和中部的煙洞山斷裂帶主要以右旋走滑為主，帶少量逆沖分量，與實(shí)際主控?cái)鄬拥那闆r一致；西側(cè)的中衛(wèi)－同心斷裂帶以左旋走滑為主；19次地震的CAP法計(jì)算結(jié)果中的16次地震機(jī)制解走向在105～189o之間，另有2次為350o和353o，和斷層走向基本一致。綜合應(yīng)力場(chǎng)研究結(jié)果表明該區(qū)域地震產(chǎn)生的震源區(qū)構(gòu)造變形是近北東向發(fā)生壓縮，近北西向發(fā)生相對(duì)擴(kuò)張。對(duì)比2種方法計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Snoke方法計(jì)算結(jié)果不理想。分析認(rèn)為，一方面，寧夏臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站間距較大，分布不理想；另一方面，識(shí)別小地震的初動(dòng)及振幅比時(shí)存在誤差。因此，對(duì)于西部臺(tái)站稀疏地區(qū)CAP方法計(jì)算小震震源機(jī)制結(jié)果更為可靠。

震源機(jī)制解；CAP法 （Cut and Paste Method）；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。早在地震儀器模擬記錄時(shí)代，利用初動(dòng)符號(hào)和初動(dòng)符號(hào)與振幅比相結(jié)合的震源機(jī)制解計(jì)算方法就得到了廣泛的應(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18099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)，使得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（CAP）方法和傳統(tǒng)初動(dòng)振幅比法（Snoke）研究寧夏中部小震震源機(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)得到了廣泛的應(yīng)用，由于該方法分別截取波形的體波（Pnl）部分和面波部分進(jìn)行擬合［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。正是由于該方法對(duì)速度模型和地殼橫向變化的依賴性較小，因此在實(shí)際的區(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)，因此我們可以通過(guò)理論波形S（t）和觀測(cè)波形U（t）的擬合來(lái)估計(jì)震源的斷層面參數(shù)［3-5］。雙力偶震源產(chǎn)生的理論位移S（t）可以表示為：

其中i=1，2，3，分別對(duì)應(yīng)三種基本斷層響應(yīng)，即：垂直走滑、垂直傾滑以及傾角為45o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 ，M0為標(biāo)量地震矩。θ，δ，λ分別為斷層的走向角、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：

走向角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)：

通過(guò)計(jì)算合成地震圖，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測(cè)數(shù)據(jù)確定震源機(jī)制解。

CAP方法使用頻率波數(shù)F-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?？紤]到波形隨震中距的衰減，方法定義誤差函數(shù)如下：

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。本研究對(duì)體波p=1，面波p=0.5。

2 觀測(cè)資料和地殼模型選取

2.1 觀測(cè)臺(tái)站分布

選取2004—2015年發(fā)生在寧夏中部牛首山－羅山－固原斷裂帶、煙洞山斷裂帶、中衛(wèi)－同心斷裂帶、窯洞水－五佛寺4條斷裂帶的19次中小地震，寧夏、內(nèi)蒙和甘肅等區(qū)域臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站記錄地震波形信噪比較高，本文采用的所有可用的臺(tái)站分布見圖1。圖1顯示臺(tái)站相對(duì)地震的方位分布較理想，且大部分臺(tái)站都位于200km之內(nèi)，因此能夠提供可靠的地震波反演資料。

圖1 地震和臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of earthquake epicenters and seismic stations

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。寧夏中部地區(qū)位于青藏塊體和華北塊體交匯部位，此地地殼厚度42～48km［7］。該地區(qū)多為北西西－北北西向弧形斷裂，主要斷裂有：牛首山－羅山－固原斷裂帶、煙洞山斷裂帶、中衛(wèi)－同心斷裂帶、窯洞水－五佛寺4條斷裂帶。寧夏中部地區(qū)速度模型取自4條人工地震測(cè)深結(jié)果［7］，并經(jīng)過(guò)多個(gè)地震的反復(fù)波形擬合檢驗(yàn)，以擬合誤差最小者作為研究區(qū)的速度模型，結(jié)果見表1。

表1 寧夏中部地區(qū)速度結(jié)構(gòu)模型

2.3 數(shù)據(jù)處理

基于表1中的地殼速度模型，采用頻率－波數(shù)域（F-K）方法［5，6］，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)酁轶w波（Pnl）部分和面波部分。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)帶寬0.05～0.2Hz、面波部分經(jīng)帶寬0.03～0.1Hz的4階Butterworth帶通濾波器濾波。這樣濾波可以有效地降低地殼結(jié)構(gòu)誤差和噪聲信號(hào)帶來(lái)的影響，可以得到恰當(dāng)?shù)臉?biāo)量地震矩，也能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)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測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解［5］。另外，為了避免反演結(jié)果主要受近臺(tái)波形的影響，我們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

3.1 震源機(jī)制與斷裂的關(guān)系

本文共計(jì)算了研究區(qū)19次ML3.0以上地震的震源機(jī)制解，最大為2009年11月21日和2015年2月5日兩次同心ML4.2地震。這些地震分布于南至同心南端，北抵寧夏吳忠，包括了中衛(wèi)、中寧、同心等中部地區(qū)。計(jì)算過(guò)程中，由于2003—2007年測(cè)震臺(tái)站較少，期間發(fā)生的3次地震僅有CAP方法計(jì)算結(jié)果。

2015年2月5日兩次同心ML4.2地震波形擬合較好，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90%以上（圖2）。這兩次地震波形信噪比較高，記錄震相清晰，并且臺(tái)站布局理想（圖2），速度模型較為合理，深度擬合結(jié)果符合拋物線形態(tài)且結(jié)果一致性較好（圖2），因此，計(jì)算結(jié)果較為可靠。以2015年2月5日同心ML4.2地震為例，再利用Snoke方法計(jì)算了該地震的震源機(jī)制。結(jié)果表明，兩種方法得到的同一地震的震源機(jī)制解基本一致，均表現(xiàn)為走滑為主兼具少量逆沖分量。考慮到該區(qū)域主控?cái)嗔褳楸蔽飨蜃笮呋瑸橹鞯闹行l(wèi)－同心斷裂帶，因此，震源機(jī)制解中近北西向的節(jié)面為發(fā)震斷層面的可能性較大，且該節(jié)面也表現(xiàn)為左旋走滑的性質(zhì)，與斷裂帶旋性一致。

圖2 2015年2月5日同心ML4.2地震震源機(jī)制相關(guān)圖件Fig.2 The focal mechanism of 2015-02-05 ML4.2 earthquake

本研究中有5次地震沿最東側(cè)牛首山－羅山－固原斷裂分布（圖3），分別為2004年7月4日吳忠ML3.3地震、2004年8月6日吳忠ML4.1地震、2007年2月11日吳忠ML3.7和2009年4月21日吳忠ML3.4地震和2008年3月12日同心ML3.8地震。這5次震源機(jī)制均表現(xiàn)為走滑為主，并且兩種方法得到的震源機(jī)制基本一致。由于斷裂走向近南北，因此震源機(jī)制解中近南北向的節(jié)面為發(fā)震斷層面的可能性較大，即表現(xiàn)為右旋走滑屬性，與牛首山－羅山－固原斷裂的旋性基本一致。

圖3 寧夏中部小震震源機(jī)制解結(jié)果（藍(lán)色為Snoke方法，紅色為CAP方法）Fig.3 Focal mechanism solutions of small earthquakes in central Ningxia

沿中部煙洞山斷裂帶分布的地震有6次，除2009年11月21日寧夏同心ML4.2地震外，還包括2010年5月30日寧夏同心震群1次，該震群共記錄到地震20余次，其中4次地震有震源機(jī)制結(jié)果。比較同心震群中4次地震兩種方法得到的震源機(jī)制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者差距較大，即Snoke方法得到的結(jié)果均為拉張性質(zhì)，與區(qū)域北東向主壓應(yīng)力的作用不一致，而CAP方法得到的結(jié)果顯示震源錯(cuò)動(dòng)為走滑錯(cuò)動(dòng)為主，比較符合區(qū)域主壓應(yīng)力作用的結(jié)果。這4次地震和2009年11月21日地震的震源機(jī)制比較接近，均帶有逆沖分量，并兼具右旋走滑性質(zhì)。因此，本文采用CAP方法計(jì)算的結(jié)果作為最終結(jié)果。另外，2011年2月23日寧夏同心ML3.2地震CAP方法得到的震源機(jī)制解顯示為右旋走滑型錯(cuò)動(dòng)方式。

中衛(wèi)－同心斷裂帶走向北西-南東，傾向南西，是一條左旋走滑為主的全新世活動(dòng)斷裂帶。由于Snoke方法和CAP方法得到的該斷裂附近5次地震的震源機(jī)制存在差異，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特性，取CAP方法計(jì)算結(jié)果更合適，結(jié)果顯示，5次地震錯(cuò)動(dòng)方式均為左旋走滑為主兼具逆沖分量。

綜上所述，Snoke方法在計(jì)算時(shí)初動(dòng)振幅讀取受人為影響較大，易產(chǎn)生誤差，對(duì)于震級(jí)較大包圍較好的臺(tái)站計(jì)算結(jié)果與CAP方法計(jì)算結(jié)果一致性較好。這一點(diǎn)從圖3的對(duì)比結(jié)果以及圖1的臺(tái)站分布可以看出。

3.2 震源機(jī)制綜合分析

對(duì)寧夏中部地區(qū)有節(jié)面解（CAP計(jì)算結(jié)果）的19個(gè)地震分別繪制震源機(jī)制 P 、T 、N軸方位和仰角以及節(jié)面走向、傾角和滑動(dòng)角玫瑰圖（ 圖 4 ）。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)節(jié)面解有1個(gè)較明顯的優(yōu)勢(shì)分布方向，為北北西-南南東向。由滑動(dòng)角分布看，該區(qū)域發(fā)生地震以走滑或近走滑類型為主。節(jié)面傾角分布表明發(fā)震斷層傾角近垂直向（60～80o）。由圖4可以看出，主壓應(yīng)力P軸總體優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E30～40o，P 軸仰角主要分布在10～30o之間；主張應(yīng)力T 軸總體優(yōu)勢(shì)方向較為分散，主要為北西-南東方向，在南東向優(yōu)勢(shì)分布在NE10～20o、30～50o和70～80o之間，T軸仰角主要分布在0～10o之間；中間主應(yīng)力N軸有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)方向，N軸仰角主要分布在40～50o之間。由此說(shuō)明，該區(qū)域地震產(chǎn)生的震源區(qū)構(gòu)造變形是近北東向發(fā)生壓縮，近北西向發(fā)生相對(duì)擴(kuò)張。

圖4 寧夏中部地震震源機(jī)制解各參數(shù)玫瑰圖Fig.4 Central Ningxia earthquake focal mechanism solution of the parameters of rose

3.3 CAP方法與Snoke方法結(jié)果比較

表2和表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（沒(méi)有見到加粗）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16次地震走向在105～189o之間，另兩次為350o和353o，與圖3中所示斷層走向基本一致；傾角在26～78o之間，60o左右居多。Snoke方法16次計(jì)算結(jié)果不夠理想，不予討論。相較而言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方法計(jì)算結(jié)果更為可靠。CAP方法計(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［7］：寧夏地區(qū)小震矩震級(jí)滿足 關(guān)系，按此公式計(jì)算出寧夏中部這19次地震矩震級(jí)差最大為0.7。表2還可以看出CAP方法擬合得到的地震深度，與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。

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 方法和Snoke方法反演了寧夏中部19次ML3.0以上地震震源機(jī)制解，分析了震源機(jī)制與斷層的關(guān)系以及震源機(jī)制綜合玫瑰圖，結(jié)果顯示：

（1）東側(cè)牛首山－羅山－固原斷裂帶和中部的煙洞山斷裂帶附近的地震震源機(jī)制基本以右旋走滑為主，帶少量逆沖分量，與實(shí)際主控?cái)鄬拥那闆r一致。最西邊的中衛(wèi)－同心斷裂帶以左旋走滑為主。據(jù)前人研究，這個(gè)區(qū)域主要受來(lái)自青藏高原的推擠作用［7］，該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向以水平作用為主，地震產(chǎn)生的震源區(qū)構(gòu)造變形是北東東向發(fā)生壓縮，北北西向發(fā)生相對(duì)擴(kuò)張［9］，這就很好的解釋了上述結(jié)論。

（2）19次地震的CAP方法計(jì)算結(jié)果中16次顯示走向在105～189o之間，另有兩次分別為350o和353o，和斷層走向基本一致；傾角在26～78o之間，60o左右居多。

（3）對(duì)震級(jí)較小且臺(tái)站分布不理想的地震，Snoke方法計(jì)算結(jié)果不理想。分析認(rèn)為一方面，寧夏臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站間距較大，分布不理想；另一方面，識(shí)別小地震的初動(dòng)及振幅比時(shí)存在誤差。

（4）由滑動(dòng)角分布看，該區(qū)域發(fā)生地震以走滑或近走滑錯(cuò)動(dòng)類型為主。主壓應(yīng)力P軸總體優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E30～40o，主張應(yīng)力 T 軸總體優(yōu)勢(shì)方向較為分散，主要為北西-南東方向。由此說(shuō)明，該區(qū)域地震產(chǎn)生的震源區(qū)構(gòu)造變形是近北東向發(fā)生壓縮，近北西向發(fā)生相對(duì)擴(kuò)張。

本次研究地震震級(jí)為ML3.0～4.2之間，震級(jí)相對(duì)偏小，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)。在本研究過(guò)程中，為盡可能增加計(jì)算結(jié)果的可靠性，從速度模型、參與計(jì)算臺(tái)站、地震震相識(shí)別精度及CAP方法擬合計(jì)算過(guò)程等方面進(jìn)行了多次檢驗(yàn)性的研究工作。

致謝：本研究過(guò)程得到了中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所趙翠萍研究員的幫助，本單位同事提出了一些修改意見，在此一并表示感謝。

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STUDY ON THE FOCAL MECHANISM SOLUTIONS OF SMALL EARTHQUAKES IN THE MIDDLE AREAS OF NINGXIA

TIAN Xiao-hui， JIN Chun-hua， REN Jia-qi

（Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region， Ningxia Yinchuan 750001， China）

In this paper ，used Digital seismic records with broadband of 27 stations in Ningxia area network， bying the CAP method and the Snoke method to inversion the focal mechanism solution 19 times above ML3.0 in the middle province. The result shows: Niushou mountain-Luo mountain-Guyuan fault zone in the east and Yandong mountain fault zone are dextral strike slip， with a small amount of thrust components， in line with the actual main control fault. Zhongwei-Tongxin fault zone in the west are sinistral strike slip. In 19 times CAP method computing results， 16 times focal mechanism solution trend were between 105o-189o， other 2 times were 350oand 353o， in line with the fault trend. The results of the field of stress indicate that The structure deformations in the focal region caused by earthquake are compression in NE and expansion in NW in II region. Compare two methods we found that calculation result of Snoke is poor. Analysis suggests， on the one hand， Ningxia network station spacing is bigger， the distribution is not ideal. On the other hand， errors are caused when initial motion and the amplitude ratio of small earthquakes are recognized. As a result， it is more reliable to use the CAP method to calculate the results of the focal mechanism for the small earthquakes in the sparse region of western station.

focal mechanism solution； Cut and Paste Method； Snoke Method

P315.3

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.002

1674-8565（2016）03-0007-08

測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)（20140325）

2016-03-06

2016-05-28

田小慧（1970-），女，寧夏回族自治區(qū)隆德縣人， 2000年畢業(yè)于寧夏大學(xué)，計(jì)算機(jī)與通訊專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)震、前兆觀測(cè)工作。