海原地震帶中東段幾次小震震源機制解研究

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)

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海原地震帶中東段幾次小震震源機制解研究

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)域臺網(wǎng)共27個臺的寬頻帶數(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級以上8次地震震源機制解。結果顯示：2種方法計算8次地震的震源機制解雖有一些差別 ,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，與實際主控斷層的情況一致。對比這2種方法我們發(fā)現(xiàn)，計算結果比較接近，Snoke法在節(jié)面及主壓、主張應力軸的方位明顯較CAP法分散，CAP法計算結果更為可靠。

關鍵詞：震源機制解;CAP法；snoke法

0引言

地震的震源機制從一定角度描述了震源的性質(zhì)及其破裂過程。 因此,及時確定地震震源機制,對于地震本身的研究、孕震機理的解釋及震后應力的分布,具有十分重要的意義。早在模擬時代，利用初動符號計算震源機制解及初動符號結合振幅比計算震源機制解就得到了廣泛應用。趙知軍等[1]在1990年利用寧夏及鄰區(qū)地震臺網(wǎng)記錄的18 099個初動符號得到了7個小區(qū)的構造應力場。近年來，隨著區(qū)域數(shù)字化，測震臺網(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)初動振幅比法(Snoke)，研究了海原斷裂帶8次地震震源機制解特征。

CAP方法是一種聯(lián)合使用體波和面波進行反演的方法，近年來在國內(nèi)得到廣泛應用。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]，并在反演的過程中允許它們在適當?shù)臅r間變化范圍內(nèi)相對移動，在一定程度上避免了因為地殼模型不準確而引起的震相到時的誤差因素，對速度模型和地殼橫向變化的依賴性較小，因此，在實際區(qū)域地震震源機制求解中有明顯的優(yōu)勢。

1方法原理

震源機制和傳播效應決定了觀測波形的變化。如果地殼模型已知，可以準確地計算波形傳播過程中的效應，因此，可以通過理論波形S(t)和觀測波形 U(t)的擬合來估計震源的斷層面參數(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對應3種基本斷層響應，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是臺站方位角 ，Mo為標量地震矩。θ，δ，λ分別為斷層的走向、傾角、滑動角。系數(shù)Ai由6個矩張量分量和臺站方位角表示。

采用頻率波數(shù)方法 (F-K)，計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 ，把合成與觀測的地震數(shù)據(jù)做互相關 。

由互相關函數(shù)確定時間偏移 ：

(2)

走向θ、傾角δ、滑動角λ以及標量地震矩M0等可以通過求解以下方程進行估計 ：

U(t)=S(t)

(3)

通過計算合成地震圖, 對比P波、pP波和sP波的理論與觀測數(shù)據(jù)的到時，準確定出震源深度；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測數(shù)據(jù)確定震源機制解。

CAP方法使用頻率F-波數(shù)K法[5-6]計算格林函數(shù)，使用網(wǎng)格搜索方法搜尋最優(yōu)震源機制參數(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：

(4)

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

2觀測資料和地殼模型選取

2.1觀測臺站分布

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站分布見圖1。從分布來看，采用的地震射線方位角能夠很好地覆蓋各個方向，且大部分臺站都位于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)各地地殼結構特點存在較大差異[7]。銀川地塹和六盤山斷裂帶位于構造活動強烈的南北地震帶上，在其形成的歷史過程中，受3個動力性質(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，地殼速度結構較為復雜，具有結構層變異強烈，地殼層厚度突變顯著的特點。地殼總厚度總體趨勢是南部大于北部。由于南部處于青藏高原北東邊緣向地臺區(qū)的過渡地帶，其地殼厚度介于青藏高原(厚度約60 km)與地臺區(qū)(約42 km)之間；北部銀川地區(qū)地殼總厚度小于40 km。陶樂—固原一線以東的鄂爾多斯地臺區(qū)和賀蘭山以西的阿拉善地臺，殼幔結構相對簡單，地殼分層比較平坦，莫霍面起伏不大，是整體相對穩(wěn)定的構造單元。

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

圖1　地震及臺站分布

表1　　　　　　　　速度結構模型

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，并旋轉成Z-R-T分量，手動拾取P波到時，然后將實際數(shù)據(jù)截斷為Pnl面波部分。為了提高信噪比，得到比較可靠的結果，先對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結構和噪聲帶來的影響，可以得到恰當?shù)臉肆康卣鹁兀浞址从车卣鸩〝y帶的震源信息[5]。對于理論波形也采用相同的濾波范圍，利用格點搜索和互相關的方法，根據(jù)誤差目標函數(shù)搜索出合成理論地震圖與觀測地震圖全局差異最小的震源機制解[5]。另外，為避免反演結果主要受近臺波形的影響，筆者考慮了地震波隨距離衰減對波形的改造作用。

3結果分析

本研究用CAP法計算海原斷裂帶中東段ML3.0級以上地震共8次。圖2為2015年6 月2日海原斷裂帶東南端ML3.6級地震CAP法得出的波形擬合圖、深度擬合圖及選用的臺站分布圖?？梢钥闯?，此次地震盡管震級不大，但選用臺站分布合理，波形擬合較好，P波擬合值絕大多數(shù)在60%以上，超過一半的擬合在70%以上，最高達90%。S波絕大多數(shù)擬合值在80%以上，有4個臺三段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，選用臺站及速度模型均較為合理，計算結果較為可靠，深度擬合結果符合拋物線形態(tài)且結果一致性較好。

(a)波形擬合圖(紅色為理論波形，黑色為觀測波形)；(b)深度擬合圖；(c)參與計算的臺站圖2　CAP法計算2015年6月2日固原ML3.6級地震

8次地震計算結果如下(圖3)：2種方法計算結果均為左旋走滑，但計算斷層面性質(zhì)卻略有不同。Snoke法計算結果除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為：這8次地震震級較小，2009年會寧、鎮(zhèn)原和環(huán)縣地震臺尚未加入，故對于2009年及其以前的地震Snoke法很難有足夠的初動(尤其Pn初動)來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個記錄波形很好的臺站就可以找出較為準確的斷層面位置。

圖4為CAP法得到的斷層面走向、滑動角、P、T、B軸方位角?？梢钥闯?，斷層的走向為北西—南東方向，和圖3中展示斷層走向一致。滑動角為北北西方向，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軸應力場和實際相吻合。斷裂帶性質(zhì)為左旋走滑，斷層兩側地震主張應力軸T軸和圖3箭頭所示方向一致，即斷層滑動方向基本一致。

圖3　8次地震震源機制解(藍色為Snoke法，紅色為CAP法)

圖4　CAP法8次地震玫瑰圖

表2～3詳細給出了2種方法得到的震源機制節(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法計算結果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法計算結果節(jié)面及主壓、主張應力軸更為集中。故對于西部臺站稀疏地區(qū)CAP法計算結果更為可靠。CAP法計算的矩震級和ML震級基本相同，據(jù)震源新參數(shù)小震矩震級研究[6-7]：寧夏地區(qū)小震矩震級滿足MW=0.594 6×ML+1.266 5關系，按此公式計算出寧夏這8次地震矩震級差最大為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 法計算震源機制結果

表3　　　　　　Snoke 法計算震源機制結果

4結論與討論

本文利用寧夏區(qū)域臺網(wǎng)共27個臺站的寬頻帶數(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級以上8次地震震源機制解，從斷層屬性、小震應力場等多方面對這2種方法計算結果做了系統(tǒng)全面的分析，結果顯示：①2種方法計算8次地震的震源機制解雖有一些差別 ,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，與實際主控斷層的情況一致。②CAP法計算結果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計算結果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、主張應力軸的方位明顯較Snoke法集中。因此，對于西部臺站稀疏地區(qū)小震因無法保證足夠的初動，應用波形擬合的CAP法計算結果更為可靠。

值得注意的是，本次研究地震震級均較小，最大僅為ML3.6。加上寧夏地區(qū)臺站稀疏，地殼速度結構復雜，因此，用CAP法計算亦有不小的挑戰(zhàn)。在本研究中從速度模型、參與計算臺站、地震震相精度及CAP法計算初始深度等方面反復研究試算，并多次請教中國地震局預測研究所趙翠萍、本單位一直從事CAP法震源機制研究的曾憲偉等多位專家，最終得到了較為合理的結果，在此對這幾位專家表示誠摯的感謝。

參考文獻：

[1]趙知軍，劉秀景．寧夏及其鄰區(qū)地震活動帶與小區(qū)域構造應力場[J]．地震地質(zhì)，1990，12(1):32-46.

[2]韓立波，蔣長勝．2011年6月8日新疆托克遜Ms5.3地震震源機制解反演[J]．地震學報，2012，34(3):415-422.

[3]Zhao L.S.,Helmberger D.V.Source Estimation From Broadband Regional Seismograms[J].Bull. Seism. Soc. Amer.,1994，84(1): 91-104.

[4]Zhu L.P.,Helmberger D.V.Advancement In Source Estimation Techniques Using Broadband Regional Seismograms[J].Bull.Seism.Soc. Amer.,1996，86(5):1 634-1 641.

[5]Tan Y.,Zhu L.P.,Helberger D.V.,et al.Locating And Modeling Regional Earthquakes With Two Stations[J].J.Geophys.Res.2006，111(B1):B01306,doi:1029/2005JB003775.

[6]楊明芝，馬禾青，廖玉華．寧夏地震活動與研究[M].北京：地震出版社，2007:11-46．

[7]金春華，盛菊琴，田小慧． 寧夏地區(qū)地震震源衰減模型及震源參數(shù)研究[J] ．地震,2013，33(1):56-64.

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

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

中圖分類號：P315.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-586X(2016)02-0001-06