基于CAP方法的震源機制研究

趙凌云，鄧 津，陳俊華，申學(xué)林，戴 苗，魏貴春

（1．湖北省地震局，武漢 430071；2．甘肅省地震局，蘭州 730000）

基于CAP方法的震源機制研究

趙凌云1，鄧 津2，陳俊華1，申學(xué)林1，戴 苗1，魏貴春1

（1．湖北省地震局，武漢 430071；2．甘肅省地震局，蘭州 730000）

利用來源于湖北區(qū)域臺網(wǎng)共6個臺的寬頻帶數(shù)字地震記錄，采用CAP法（Cut and Paste Method）反演了2008年11月22日湖北 秭歸Ms4．1級地震和09月27日Ms3．2中小震的震源機制解。結(jié)果顯示，2次地震的震源機制解有一些差別，但是均為逆沖兼走滑分量性質(zhì)斷層，主壓應(yīng)力P軸主要集中在NE向，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向有一定一致性。分析認(rèn)為秭歸地震可能是仙女山斷裂受庫水滲透和載荷變化影響引發(fā)的水庫構(gòu)造地震。通過與P波初動地震震源機制結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，該地震的震源機制的反演結(jié)果有較好的一致性，結(jié)果較可信。

秭歸地震；震源機制解；CAP法（Cut and Paste Method）

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(yīng)力的分布，具有十分重要的意義。對于震源機制理論和方法的研究，一直是地震學(xué)研究的熱點，并取得了大量重要成果。1980年，Helmberger等利用地震P波（P＆Pn1）模擬［1］，通過理論和實際波形的對比，采用格點搜索的方法，得到了研究地震的震源機制。姚振興（Yao and Harkrider，1983）等通過廣義射線理論［2］，利用30°～90°范圍內(nèi)的長周期P波資料測定中強地震震源過程的地震矩張量反演方法。陳運泰、吳忠良等（Chen Y T，et al，1991；陳運泰等，1992；吳忠良等，1994）利用近震源寬頻帶記錄資料進(jìn)行了矩張量反演研究［3］。近年來，隨著區(qū)域數(shù)字化地震計的改造，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Cut and Paste（CAP）［4－7］方法，探討了該地區(qū)中小地震的發(fā)震特征及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征。

1 方法原理部分

利用Zhao等［4－8］提出的CAP（Cut and Paste Method；Zhao and Helmberger，1994，1996）方法，通過分割波形記錄為Pnl和Snl部分，分別賦予不同的權(quán)重，通過格點搜索的方法進(jìn)行地震震源機制的反演?；驹恚涸O(shè)u（t）是臺站記錄到的去除儀器響應(yīng)后的地震波形，s（t）是相應(yīng)的理論波形。一個雙力偶震源的理論合成位移s（t）可以表示為

式中，i＝1，2，3時分別對應(yīng)垂直走向滑動斷層、垂直傾向滑動斷層和45°傾向滑動斷層3種最基本的斷層類型。M0為標(biāo)量地震矩，Gi為格林函數(shù)，Ai為震源的輻射花樣信息，θ為臺站方位角，φ，δ，λ分別代表斷層的走向、傾角、滑動角。

采用頻率波數(shù)方法（F K）［7，8］，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(guān)。

由互相關(guān)函數(shù)確定時間偏移：

在反演過程中，以合成地震位移與觀測地震位移一致作為判斷標(biāo)準(zhǔn)：

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(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測數(shù)據(jù)確定震源機制解。

由于要求的震源機制解的未知參數(shù)不多，且0°≤φi≤360°，0°≤δ≤90°，－180°≤λ≤180°，因此求解方程（2）可定義一個誤差目標(biāo)函數(shù)來衡量s和u的差異，直接采用網(wǎng)格搜索的方法得到最佳的震源機制解。本研究中，使用經(jīng)震中距矯正后的絕對誤差值作為誤差目標(biāo)函數(shù)［7］（Zhao and Helmberger，1996），定義為

式中：r為震中距；r0為選定的參考震中距；p為指數(shù)因子，一般而言，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

選用湖北省地震臺網(wǎng)的6個臺站，在0．05～20 Hz的頻率范圍內(nèi)，這6個臺站儀器的幅頻特性曲線都是平直的，較好地獲得了臺站信息資料（表1）。

表1 臺站表Table 1 Coordinates of stations used in this study

圖1 地震震中與臺站分布圖Fig．1 Seism ic epicenter and stations arrangement

2．2 地殼速度模型的選取

通過比較陳學(xué)波、廖武林、李強［9］等對三峽地區(qū)模型的研究成果，選取走時殘差最小的地殼模型，經(jīng)實際驗證綜合分析得到最接近于真實的速度模型，從地表到40 km深度處分為8層，建立初始模型計算理論格林函數(shù)，見表2。

3 計算結(jié)果與分析

在反演過程中，將理論波形與旋轉(zhuǎn)后的觀測波形，濾波后得到Pnl部分（0．05～0．2 Hz）和Snl部分（0．02～0．05 Hz）進(jìn)行擬合［10－12］，全空間中進(jìn)行格點搜索震源參數(shù)，搜索得到不同深度上的震源機制和誤差，調(diào)整震源參數(shù)，使得波形能夠較好的吻合觀測數(shù)據(jù)，得到最佳的震源機制解。

本文利用CAP方法計算了湖北省秭歸Ms4．1與Ms3．2級地震的震源機制，結(jié)果可靠，增加了該區(qū)中小地震震源機制解的基礎(chǔ)資料。

表2 湖北秭歸地區(qū)地殼速度模型Table 2 Crustal velocity m odel for Zigui area，Hubei Province

3．1 震源深度

震源深度始終是一個很難確定的一個參數(shù)，往往地震目錄中給定的深度可能與實際深度存在較大的差異。通過F K方法，計算基于上述速度模型和不同震中距的格林函數(shù)時，震源深度對理論地震圖的形態(tài)將產(chǎn)生直接影響，并在一定程度上影響震源機制的反演結(jié)果。為了減小震源深度誤差對震源機制反演結(jié)果的影響，反演過程中采用格點法對震源深度進(jìn)行了搜索，以波形擬合誤差最小的震源深度和相應(yīng)的震源機制解作為最佳擬合結(jié)果。圖2是地震事件2008年11月22日的例子，圖2（a）是震源深度在7 km附近時的位移譜擬合結(jié)果；圖2（b）是誤差隨著深度的分布，可以看出震源深度的變化對擬合誤差具有明顯的影響，但在最佳深度附近的震源機制變化不大。根據(jù)誤差最小判定，本次地震事件的最佳震源深度為7 km，波形擬合為最好，最符合實際震源機制結(jié)果。

比較地震觀測報告中給出的震源深度（表3中H1）和震源機制反演過程中根據(jù)波形擬合得到的最佳震源深度（H2）的比較結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者定位深度比較接近，說明此2次地震集中在5～10 km范圍內(nèi)，而后者由于震級太小，誤差隨深度的變化結(jié)果并不是很好，地震深度的可信度可以為判斷本次地震可能是仙女山斷裂受庫水滲透和載荷變化影響引發(fā)的水庫構(gòu)造地震提供依據(jù)。

3．2 結(jié)果分析

本文共計算了2次地震的震源參數(shù)與相應(yīng)的震源機制解（如表3所示）。根據(jù)表中地震的2個斷層面以及P軸、T軸和B軸方向，分析得到：這2次地震的震源機制以逆沖為主兼有走滑分量；主壓應(yīng)力P軸主要集中在NE向，這與該區(qū)主要的北東向地震構(gòu)造基本一致，初步確定該震與北東向構(gòu)造活動密切有關(guān)，需要指出的是，P波初動資料所得震源機制解中有2組節(jié)面，而極震區(qū)等震線長軸約為北西西走向，那么震中處應(yīng)當(dāng)同時存在北西西走向的斷裂構(gòu)造。分析認(rèn)為本次地震可能是仙女山斷裂受庫水滲透和載荷變化影響引發(fā)的水庫構(gòu)造地震。

圖2 CAP方法計算的地震事件2008112216震源機制解Fig．2 Focalmechanism solution results of the earthquakes on Nov．22 2008 w ith the CAPmethod

表3 湖北 秭歸Ms4．1與Ms3．2地震的震源機制解Table 3 Focalmechanism solution results of the Ms 4．1 and Ms 3．2 earthquakes in Hubei Zigui

4 結(jié)論與討論

4．1 結(jié) 論

（1）本文根據(jù)波形擬合得到的最佳震源深度（H2）的比較結(jié)果主要集中分布在10 km附近，與李強［9］等通過雙差定位對三峽地區(qū)對深度的統(tǒng)計的結(jié)論一致（88．46%的地震深度分布在0～10 km范圍內(nèi)，其中42．55%的震源深度在6 km以內(nèi)，平均深度為6．59 km），說明定位震源深度都比較好且本文選擇的深度合理，對震源機制解結(jié)果沒有起到影響作用。

（2）4．1級主震的最佳雙力偶解為節(jié)面I走向213°，傾角81°，滑動角110°；節(jié)面Ⅱ走向326°，傾角22°，滑動角25°；3．2級地震的最佳雙力偶解節(jié)面Ⅰ走向211°，傾角27°，滑動角109°；節(jié)面Ⅱ走向10°，傾角65°，滑動角81°。這2次地震的震源機制解有一些差別，但均為逆斷兼有走滑性質(zhì)，主壓應(yīng)力P軸主要集中在NE向，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向有一定一致性，分析認(rèn)為本次地震可能是仙女山斷裂受庫水滲透和載荷變化影響引發(fā)的水庫構(gòu)造地震。

（3）通過與P波初動地震震源機制結(jié)果（節(jié)面Ⅰ走向213°，傾角81°，滑動角110°）對比發(fā)現(xiàn)，該地震的震源機制的反演結(jié)果有較好的一致性，結(jié)果較可信。

（4）本文給出2008年09月27日秭歸Ms3．2地震，2008年11月22日秭歸Ms4．1的發(fā)震構(gòu)造是北東向的逆斷兼有走滑性質(zhì)斷層，這與該區(qū)主要的北東向地震構(gòu)造基本一致，初步確定該地震與北東向構(gòu)造活動密切有關(guān)，需要指出的是，P波初動資料所得震源機制解中有2組節(jié)面，而極震區(qū)等震線長軸約為北西西走向，那么震中處應(yīng)當(dāng)同時存在北西西走向的斷裂構(gòu)造［13］。

4．2 討 論

本文是首次在三峽地區(qū)利用數(shù)字波形資料反演震源參數(shù)，盡管是初步分析，但也得到了比較有益的結(jié)果。隨著數(shù)字化地震臺網(wǎng)的改造，臺網(wǎng)密度增大、信噪比提高，記錄了越來越多的的中小地震，因此對中小地震震源機制的研究將會起到越來越重要的作用和良好的應(yīng)用前景。湖北三峽地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)可根據(jù)多個中小地震震源機制解詳細(xì)確定應(yīng)力場變化的細(xì)節(jié)特征，有待今后的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］ HELMBERGER D V，ENGEN GR．Modeling the long pe riod body waves from shallow earthquakes at regional ran ges［J］．Bul1．Seism．Soc．Am．，1980，70：1699－1714．

［2］ 姚振興，鄭天愉，溫聯(lián)星，等．用P波波形資料反演中強地震矩張量的方法［J］．地球物理學(xué)報，1994，37（1）：36－44．（YAO Zhen xin，ZHEN Tian yun，WEN Lian xing，et a1．Moment tensor inversion of the great or moderate earthquakes with P wave records［J］．Chinese Journal of Geophysics．1994，37（1）：36－44．（in Chi nese））

［3］ 吳忠良，陳運泰，倪江川，等．近震源寬頻帶記錄的地震矩張量反演［J］．地震學(xué)報，1994，（2）：141－152．（WU Zhong liang，CHEN Yun tai，NI Jiang chuan，et a1．Moment Tensor Inversion of broadband records local earthquake［J］．Acta Seismologica Sinica．1994，（2）：141－152．（in Chinese））

［4］ ZHAO L S，HELMBERGER D V．Source estimation from broadband regional seismograms［J］．Bull．Seis．Soc．A mer，1994，84（1）：91－104．

［5］ ZHU L，HELMBERGER D V．Advancement in source es timation techniques using broadband regional seismograms［J］．Bull Seism Soc Am，1996，86：1634－1641．

［6］ ZHU L，TAN Y，HELMBERGER D V．Calibration of the Tibetan Plateau using regional seismic waveforms［J］．Pa geoph，2006，163：1193－1213．

［7］ TAN Y，ZHU L，HELMBERGER DV，et a1．Locating and modeling regional earthquakes with two stations［J］．J Geophys．Res．，2006，111（B01）：306－314．

［8］ ZHU and Rivera．A note on the dynamic and static dis placements from a point source in multilayered media［J］．Geophys．J．Int．，2002，148：619－627．

［9］ 張愛民，李強．雙差定位法在三峽庫區(qū)地震定位中的應(yīng)用［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2006，26（3）：73－77．（ZHANG Ai min，LIQiang．Application of double difference locationmethod to earthquake in Three Gorges Reservoir area［J］．Journal of Geodesy and Geodynam ics，2006，26（3）：73－77．（in Chinese））

［10］張愛萍，倪四道，楊曉勇，等．2004年東烏珠穆沁旗地震震源參數(shù)研究［J］．地震，2008，28（3）：61－68．（ZHANG Ai ping，NISi dao，YANG Xiao yong，et al．Source parameters of 2004 Xilin Gol League earthquake［J］．Earthquake，2008，28（3）：61－68．（in Chinese））

［11］黃建平，倪四道，傅容珊，等．綜合近震及遠(yuǎn)震波形反演2006文安地震（Mw5．1）的震源機制解［J］．地球物理學(xué)報，2009，52（1）：120－130．（HUANG Jian ping，NISi dao，F(xiàn)U Rong shan，et a1．Source mechanism of the 2006 Mw5．1 Wenan Earthquake determined from a joint inversion of local and teleseismic broadband wave form data［J］．Chinese Journal of Geophysics，2009，52（1）：120－130．（in Chinese））

［12］呂 堅，鄭 勇，倪四道，等．2005年11月26日九江－瑞昌Ms5．7、Ms4．8地震的震源機制解與發(fā)震構(gòu)造研究［J］．地球物理學(xué)報，2008，51（1）：158－164．（Lv Jian，ZHENG Yong，NISi dao，et al．Focalmechanisms and seismogenic structures of the Ms 5．7 and Ms4．8 Jiu jiang Ruichang earthquakes of Nov．26，2005［J］．Chi nese Journal of Geophysics，2008，51（1）：158－164．（in Chinese））

［13］楊福平，嚴(yán)尊國．湖北省秭歸ML3．6地震震源特征［J］．大地測量與地球動力學(xué)，2002，22（4）：92－96．（YANG Fu ping，YAN Zun guo．Source characteristics of ML3．6 earthquake in Zigui，Hubei［J］．Journal of Ge odesy and Geodynamics，2002，22（4）：92－96（in Chi nese））

（編輯：劉運飛）

Study on Source M echanism of M s 4．1 and M s 3．2 Earthquakes in Hubei Ziguiw ith CAP M ethod

ZHAO Ling yun1，DENG Jin2，CHEN Jun hua1，SHEN Xue lin1，DAIMiao1，WEIGui chun1
（1．Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071，China；2．Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China）

On the basis of the records of6 stations in Hubei regional seismic network，we obtained the focalmecha nisms of the Ms 4．1 and Ms3．2 earthquakes in Ziguion Nov．22，2008 and Sep．27，2008，respectivelywith the Cut and Paste（CAP）method．The result shows that earthquakes have strike slip and strike slip faultmechanisms and the orientations ofmaximum compressional stresses aremainly in NE．It is certainly consistentwith the orientation of the regionalmaximum compressional stresses．We deduce the earthquake is the reservoir induced earthquake by water permeation and dynamic changes load．The comparison shows that the focusmechanism of two events presen ted in this paper is consistentwith that of small moderate earthquakes determined by P wave first motion．

Zigui earthquake；focusmechanism solution；CAPmethod

P315．6

A

1001－5485（2010）05－0081－04

2010 03 01

趙凌云（1981 ），女，碩士，山西五寨人，主要從事數(shù)字地震波理論及應(yīng)用研究，（電話）027 87868209（電子信箱）zhaolingyun002＠126．com。