殷偉偉 張 蕙

1 山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號(hào)，030021 2 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原市晉祠鎮(zhèn)，030025

山西地區(qū)因礦產(chǎn)開(kāi)采誘發(fā)的非天然地震活動(dòng)較多。由于非天然地震事件與天然地震事件具有諸多相似之處，僅通過(guò)地震波的波形特征難以準(zhǔn)確判別，會(huì)對(duì)地震定位的精度、震源性質(zhì)的判斷及地震應(yīng)急等造成一定影響。

震源機(jī)制解作為地震學(xué)研究的基本參數(shù)，可以直觀反映發(fā)震斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)和空間幾何特征，是研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的基礎(chǔ)[1]，也可以用來(lái)判斷震源的破壞類型[2]和破裂樣式[3]。研究表明，天然地震大多由各向同性介質(zhì)沿?cái)鄬用娴募羟羞\(yùn)動(dòng)所引起[4]，震源模型可以用Ⅳ象限分布的雙力偶機(jī)制表示；非天然地震事件多為采礦誘發(fā)，破裂的類型和機(jī)理與天然地震存在較大區(qū)別，震源模型明顯偏離雙力偶機(jī)制，在全矩張量中非雙力偶源占比較大[5-7]。求解震源機(jī)制的方法通常包括P波初動(dòng)法、P波和S波振幅比法及矩張量反演等。P波初動(dòng)法要求能夠記錄到地震信號(hào)的臺(tái)站數(shù)量多，且方位角分布良好[8]，但對(duì)于震級(jí)較小的地震事件，此方法難以確定震源機(jī)制。利用P波和S波振幅比法求解震源機(jī)制可以在很大程度上減小斷層面參數(shù)的不確定性[9]，但仍受地震臺(tái)站方位角分布的制約。而地震矩張量模型能客觀、完整地表示一般類型地震的震源等效力系[10]，在彈性動(dòng)力學(xué)上等效于剪切錯(cuò)動(dòng)模型，還可表示非剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震。

本文采用gCAP方法[11]反演山西地區(qū)不同類型地震事件的震源機(jī)制，并計(jì)算全矩張量解中各分量所占比例，為判別地震事件類型及分析震源區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化提供技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取山西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的2010-01-01～2019-12-31發(fā)生在山西及鄰區(qū)(109°～116°E，34°～42°N)的175次ML>3.0地震事件，其中天然地震110次，最大為2010-06-05山西陽(yáng)曲ML5.1地震；爆破38次，最大為2014-03-22山西左云ML3.4地震；塌陷27次，最大為2013-07-22陜西神木ML4.1地震。圖1為地震和臺(tái)站分布，從圖中可以看出，天然地震主要集中在山西斷陷帶各斷陷盆地內(nèi)，兩側(cè)隆起區(qū)較少；而非天然地震主要集中在山西大同、山西平魯、陜西神木及內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗等礦區(qū)。

圖1 地震及臺(tái)站分布

1.2 研究方法

gCAP方法是在CAP波形[12]反演最佳雙力偶(DC)震源機(jī)制的基礎(chǔ)上，在主軸坐標(biāo)系中將震源機(jī)制進(jìn)行分解，其反演原理與CAP方法類似，將寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)站所記錄的南北向(N)、東西向(E)和垂直向(Z)波形分為Pnl波(P波及其后續(xù)震相)和S波(或面波)，并賦予不同的權(quán)重和濾波范圍。經(jīng)格林函數(shù)計(jì)算得到各臺(tái)站的理論地震波形，并與實(shí)際觀測(cè)的地震波形進(jìn)行擬合，當(dāng)兩者的互相關(guān)系數(shù)最高時(shí)擬合效果最好，從而得到最優(yōu)解[13]。

矩張量反演前，首先對(duì)原始地震波形進(jìn)行去儀器響應(yīng)，然后將臺(tái)站記錄的N向和E向水平分量根據(jù)反方位角(θ)利用式(1)和式(2)分別旋轉(zhuǎn)為徑向(R)和切向(T)，Pnl波和S波設(shè)置不同的帶通濾波以壓制干擾因素，頻帶范圍分別為0.05～0.2 Hz和0.03～0.1 Hz。在進(jìn)行網(wǎng)格搜索時(shí)，設(shè)定斷層面的走向、傾角和滑動(dòng)角的搜索間隔均為1°，震源深度搜索間隔為1 km，采用頻率-波數(shù)(F-K)法計(jì)算生成理論地震波形記錄的格林函數(shù)[14]，采樣間隔設(shè)為0.1 s，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 024個(gè)：

R=Ncos(θ)+Esin(θ)

(1)

T=-Nsin(θ)+Ecos(θ)

(2)

gCAP方法中通常引入?yún)?shù)ζ(全矩張量中ISO部分所占大小)和χ(偏張量中CLVD 部分所占大小)來(lái)定量表示Mij中非雙力偶成分的強(qiáng)度。為更好地表征全矩張量解中3個(gè)部分的相對(duì)強(qiáng)度，各參數(shù)通常用平方值表示：

ΛI(xiàn)SO=sgn(ζ)ζ2

(3)

ΛDC=(1-ζ2)(1-χ2)

(4)

ΛCLVD=sgn(χ)(1-ζ2)χ2

(5)

式中，|ΛDC|+|ΛCLVD|+|ΛI(xiàn)SO|=1。

1.3 速度模型

山西地區(qū)位于鄂爾多斯塊體和華北盆地2個(gè)構(gòu)造差異巨大的地質(zhì)體之間，屬于華北克拉通破壞的過(guò)渡帶[15]，地表沉積層、地殼速度結(jié)構(gòu)及莫霍面埋深等存在顯著的橫向不均勻性[16]。gCAP方法受地殼速度結(jié)構(gòu)影響較小，但較為精確的速度結(jié)構(gòu)能提高反演結(jié)果的精度，因此本文根據(jù)山西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及山西斷陷盆地的分布等將研究區(qū)劃分為北部、中部和南部3個(gè)區(qū)域。其中，北部和中部區(qū)域以太原盆地和忻定盆地之間的石嶺關(guān)隆起(38.5°N)為界，中部和南部區(qū)域以臨汾盆地和太原盆地之間的靈石隆起(36.5°N)為界。利用山西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的高質(zhì)量地震資料，采用一維速度模型的計(jì)算方法[17]，結(jié)合Crust1.0模型[18]得出各區(qū)域相應(yīng)的速度模型，結(jié)果見(jiàn)表1。在計(jì)算全矩張量解時(shí)，針對(duì)不同區(qū)域的事件采用相應(yīng)的分區(qū)速度模型。

表1 分區(qū)模型參數(shù)

2 反演結(jié)果及驗(yàn)證

2.1 反演結(jié)果

采用gCAP方法對(duì)所選地震事件進(jìn)行不同深度的地震全矩張量反演，選擇方位角分布均勻、信噪比較高的臺(tái)站波形數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)的震源機(jī)制解。在175次地震事件中，有61次事件的震源機(jī)制因震級(jí)偏小或震中位于山西臺(tái)網(wǎng)邊緣導(dǎo)致反演效果不佳，在得到震源機(jī)制解的114次地震事件中，包括87次天然地震、18次塌陷及9次爆破。根據(jù)ζ和χ計(jì)算Mij中雙力偶和非雙力偶成分所占的比例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，使用gCAP方法反演山西地區(qū)震源機(jī)制的效果較好，天然地震的震源模型主要以雙力偶機(jī)制為主，雙力偶分量在Mij中約占90.57%～99.88%，而爆破及塌陷的雙力偶分量在Mij中約占1.92%～19.12%，低于天然地震雙力偶所占的比例。不同類型非天然地震的全矩張量解也存在明顯差別，爆破事件的ζ值均為正數(shù)，顯示震源類型為外向爆炸源；塌陷事件的ζ值均為負(fù)數(shù)，表明震源類型為內(nèi)向閉合源。

表2 選用的地震事件全矩張量解中各分量占比統(tǒng)計(jì)

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

針對(duì)天然地震和非天然地震，分別采用不同的方法驗(yàn)證本文的反演結(jié)果。對(duì)于天然地震，將本文結(jié)果與已有的研究成果進(jìn)行對(duì)比；由于對(duì)山西地區(qū)非天然地震震源機(jī)制的研究較少，本文將非天然地震反演結(jié)果與有現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)內(nèi)容的事件進(jìn)行對(duì)比。限于篇幅，本文僅列舉典型事件。

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2016-03-12山西省運(yùn)城市鹽湖區(qū)(35.00°N，110.88°E)發(fā)生ML4.8地震，地震的發(fā)震斷裂為中條山山前斷裂[19]，地質(zhì)資料顯示該斷層走向?yàn)镹E-NEE，傾向NW，傾角為60°～80°，屬于高角度正斷層[20]。本文采用gCAP方法反演山西鹽湖ML4.8地震的震源機(jī)制解，得出最佳質(zhì)心深度為12 km(圖2)。圖3為震源深度在12 km處的震源機(jī)制解及理論波形與實(shí)際波形的擬合圖像，參與反演的48個(gè)波形段中相關(guān)系數(shù)大于65%的有41個(gè)，占比85%以上，說(shuō)明本文反演的震源參數(shù)結(jié)果比較可靠。表3為本文得出的震源機(jī)制解及前人采用傳統(tǒng)CAP方法反演的詳細(xì)結(jié)果，2種方法反演的斷層面和震源深度比較接近，但CAP方法得出的發(fā)震斷層錯(cuò)動(dòng)方式為走滑兼逆沖，與發(fā)震斷層的性質(zhì)(高角度正斷層)及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向矛盾；本文結(jié)果顯示，斷層錯(cuò)動(dòng)方式為走滑兼正斷，符合發(fā)震斷層的特征。此外，本文還揭示該地震的破裂過(guò)程比較復(fù)雜，屬于體積縮小的內(nèi)向閉合型破裂，全矩張量解中包含4.65%的非雙力偶成分，ζ值為-0.21，χ值為-0.05。這種復(fù)雜的破裂方式可能與震中所處的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，共軛斷裂交會(huì)處斷層破裂面通常不是平面結(jié)構(gòu)[21]，易產(chǎn)生該現(xiàn)象，這也可能是造成此次地震破壞程度較同震級(jí)事件更嚴(yán)重的原因。

圖2 山西鹽湖地震不同深度處震源機(jī)制解及反演方差

圖3 山西鹽湖地震全矩張量解及理論波形(紅色)和實(shí)際波形(黑色)對(duì)比

表3 山西鹽湖地震不同方法反演震源機(jī)制解結(jié)果對(duì)比

據(jù)山西省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2017-04-10 19:44山西繁峙縣發(fā)生ML3.3塌陷事件。使用gCAP方法反演該事件不同深度的全矩張量解，結(jié)果顯示，震源深度擬合誤差的最小值在0.2 km處(圖4)，與單純形法測(cè)定結(jié)果(0 km)存在一定差距。這可能是由于2種方法測(cè)定的震源深度含義不同，單純形法測(cè)定的震源深度反映的是震源初始破裂位置，而gCAP方法反演的深度則是破裂處的質(zhì)心深度。圖5為該地震矩張量解和理論波形與實(shí)測(cè)波形的擬合結(jié)果。從圖中可以看出，兩者擬合效果較好，41個(gè)波形段中相關(guān)系數(shù)大于65%的有29個(gè)，占比71%。測(cè)定的矩震級(jí)為MW3.03，最佳斷層面解為180°/61°/56°，ζ值為-0.90，χ值為0.13，非雙力偶分量占比81.32%，其中ISO分量占80%。ISO值為負(fù)數(shù)，顯示震源為內(nèi)向閉合源，推測(cè)是由于本次事件發(fā)生在鐵礦區(qū)，塌陷體向下方采空區(qū)沖擊，形成壓縮性沖擊，這與楊慧等[2]測(cè)定的山東石膏礦塌陷地震的震源機(jī)制解相似。據(jù)報(bào)道，2017-04-10 19:44山西繁峙縣灤興鐵礦2號(hào)平硐上部發(fā)生塌陷，證實(shí)了本文反演結(jié)果的正確性。

圖4 山西繁峙縣塌陷不同深度處震源機(jī)制解及反演方差

圖5 山西繁峙縣塌陷地震全矩張量解及理論波形(紅色)和實(shí)際波形(黑色)對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

1)使用gCAP方法反演山西地區(qū)震源機(jī)制具有較好的效果，天然地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比通常大于90%，而爆破、塌陷等非天然地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比小于20%。

2)可將山西地區(qū)地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比是否大于80%作為判別天然地震事件與非天然地震事件的依據(jù)。

3)對(duì)于全矩張量解中雙力偶分量占比小于20%的非天然地震事件，可使用參數(shù)ζ(全矩張量解中ISO部分占比)作進(jìn)一步判別，當(dāng)ζ>0時(shí)，震源為外向爆炸源，反之則為內(nèi)向閉合源。

4)2016-03-12山西鹽湖ML4.8地震的破裂過(guò)程比較復(fù)雜，斷層錯(cuò)動(dòng)方式為走滑兼正斷，全矩張量解中包含一定成分的非雙力偶機(jī)制，屬于體積縮小的內(nèi)向閉合型破裂，與已有的地質(zhì)資料相符。

致謝：感謝山西、內(nèi)蒙古、河北、河南及陜西地震臺(tái)網(wǎng)為本文提供地震數(shù)據(jù)。