用CAP方法反演2010年6月5日山西陽(yáng)曲MS4．6地震震源機(jī)制解①

宋美琴，李華玥，韓立波，李 麗，王秀文，梁向軍

（1．山西省地震局，山西 太原 030021；2．石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050031；3．中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

2010年6月5日距離太原市35km左右的陽(yáng)曲地區(qū)發(fā)生4．6級(jí)地震，太原市區(qū)震感明顯，但現(xiàn)場(chǎng)野外地質(zhì)考察未發(fā)現(xiàn)地表斷裂。這次地震是2008年汶川地震后山西地震帶發(fā)生的第四次4級(jí)以上有感地震，引起了廣泛的關(guān)注。宋美琴等通過(guò)對(duì)山西地震帶M≥3．5地震韻律特征分析，認(rèn)為從2009年原平4．2級(jí)地震開(kāi)始山西地震帶進(jìn)入了第五活躍時(shí)段，未來(lái)幾年中等以上地震將持續(xù)活躍［1］。這一地震的發(fā)生進(jìn)一步映證了這一觀點(diǎn)。這次地震發(fā)生在太原盆地東側(cè)控盆邊界斷裂——山根底斷裂附近，又位于根據(jù)歷史地震破裂區(qū)及活斷層破裂分段特征識(shí)別出的太原盆地地震破裂空段內(nèi)［2］。距離震中60km范圍內(nèi)最大地震為1102年太原6．5級(jí)地震，最近的一次地震是2002年太原4．7級(jí)地震。這次地震發(fā)生在具有強(qiáng)震潛在危險(xiǎn)的破裂空段內(nèi)，其發(fā)震構(gòu)造是什么及對(duì)未來(lái)的可能影響值得深入探討。本文的目的是利用CAP方法研究陽(yáng)曲4．6級(jí)地震的震源機(jī)制解，并結(jié)合山西中部地質(zhì)構(gòu)造特征、陽(yáng)曲地震精確定位結(jié)果，分析本次地震是否與山根底斷裂活動(dòng)有關(guān)。

在震源機(jī)制的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)取得了大量重要成果。其中Zhao和 Helmberger等［3－4］等提出的CAP（Cut And Paste）方法獲取震源機(jī)制解，在國(guó)內(nèi)外諸多研究成果中得到了充分證明；而且CAP方法由于采用分段的波形擬合，其中Pnl波和面波部分包含了有效確定震源深度的深度震相信息，因此可作為研究震源深度的一種方法［5－15］。CAP方法其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在反演震源機(jī)制解時(shí)使用的是近震寬頻帶波形資料，彌補(bǔ)了利用P波初動(dòng)求解震源機(jī)制解受臺(tái)站數(shù)量限制的缺陷。本文收集了山西省寬頻帶數(shù)字地震儀的近震波形數(shù)據(jù)，利用CAP方法對(duì)震源機(jī)制解和震源深度進(jìn)行反演。

1 CAP方法原理和反演模型

1．1 方法原理簡(jiǎn)述

CAP方法的主要思想是將近震整個(gè)波形分為P波部分（Pnl）和面波部分（Sur），對(duì)兩部分的3分量共5部分（Pnl不存在切向分量）給定不同的權(quán)重進(jìn)行反演，分別計(jì)算實(shí)際地震記錄和理論地震圖的誤差函數(shù)，在給定參數(shù)空間范圍內(nèi)采用格點(diǎn)搜索法進(jìn)行網(wǎng)格搜索，得到相對(duì)誤差最小時(shí)的震源機(jī)制解和震源深度［3－4］。

1．2 數(shù)據(jù)基本情況

考慮陽(yáng)曲地震震級(jí)較小，本研究首先選取震中距小于230km的臺(tái)站數(shù)據(jù)，共有20個(gè)臺(tái)；最終遴選出7個(gè)信噪比較高、P波初動(dòng)明顯、臺(tái)站方位分布良好的臺(tái)站記錄參與反演計(jì)算（圖1）。

1．3 速度模型的選取

CAP方法反演震源機(jī)制解主要是通過(guò)計(jì)算給定震源機(jī)制解的理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比，不斷改變震源參數(shù)，擬合最好的機(jī)制解為最終的反演結(jié)果。在計(jì)算理論波形時(shí)先用F－K［4］方法在給定速度模型下計(jì)算各個(gè)臺(tái)站位置的格林函數(shù)，然后由震源函數(shù)和格林函數(shù)合成理論波形。在反演過(guò)程中，越可靠的速度模型得到的反演結(jié)果越可靠。

圖1 震中位置和研究中用到的臺(tái)站分布情況Fig．1 The seismic epicenter and seismic stations used in study

表1 研究區(qū)地殼速度模型Table 1 The crustal velocity model used in study region

陽(yáng)曲MS4．6地震發(fā)生在太原盆地北端，靠近東側(cè)控盆斷裂。許多學(xué)者在這一區(qū)域采用不同的方法獲得了該區(qū)的地殼和上地幔的精細(xì)結(jié)構(gòu)［16－18］?？紤]到CAP方法使用的是一維速度模型，本文綜合考慮了人工地震測(cè)深剖面、波形擬合和接收函數(shù)研究結(jié)果，建立速度模型（表1）。

2 反演結(jié)果與分析

2．1 震源機(jī)制解

基于前述7個(gè)臺(tái)的近震波形數(shù)據(jù)和表1中的速度模型，利用CAP方法，經(jīng)過(guò)全局搜索，在震源深度20km附近的擬合誤差最小，如圖2所示。震級(jí)為MW4．5，對(duì)應(yīng)的震源機(jī)制節(jié)面Ⅰ的參數(shù)為：走向角213°，傾角47°，滑動(dòng)角－161°；節(jié)面II的參數(shù)為：走向109°，傾角76°，滑動(dòng)角－44°。地震震源是傾滑型。從圖2可以看出在不同方位角臺(tái)站上計(jì)算得到的理論波形都能較好地與實(shí)際記錄到的波形匹配，且其絕對(duì)振幅大小也較為相似，互相關(guān)系數(shù)大于60%的占81%。選用的7個(gè)臺(tái)站在方位角上具有較好的分布。從以上統(tǒng)計(jì)分析可以看出擬合效果比較理想。反演結(jié)果與用振幅比方法得到的結(jié)果基本一致①山西省地震局．2011年度山西省地震趨勢(shì)研究報(bào)告．2011．。

2．2 震源深度

從圖3中可以看出，反演得到的震源機(jī)制解在各個(gè)深度較為一致，最佳震源深度出現(xiàn)在20km附近。而當(dāng)深度增加或者減小時(shí)，擬合誤差會(huì)相應(yīng)的變大，由此可以判定陽(yáng)曲MS4．6地震震源深度為20 km左右。該結(jié)果與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的震源深度6km差別較大，但從本文的反演結(jié)果來(lái)看6 km的擬合誤差明顯大于20km，因此我們認(rèn)為20 km是比較可靠的。另外，作者采用hypo2000絕對(duì)定位方法［19］對(duì)本次地震進(jìn)行了重新定位，精定位結(jié)果顯示震中水平位置與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心給出的水平位置一致，但震源深度有明顯差別。精定位震源深度為17km，深度誤差1．04km，精確定位深度與CAP擬合深度相差較小，說(shuō)明陽(yáng)曲4．6級(jí)地震震源應(yīng)該處于地下17～20km范圍內(nèi)。這一深度與宋美琴、鄭勇等山西精定位研究結(jié)果顯示太原盆地北端中小地震多發(fā)生在5～30km結(jié)論相吻合［12］。

圖2 陽(yáng)曲4．6級(jí)地震理論圖與觀測(cè)圖（紅線波形是計(jì)算出的理論波形，黑線波形是實(shí)際觀測(cè)的波形，波形左側(cè)為臺(tái)站名、震中距（km）和方位角，波形下面的數(shù)字依次為反演誤差及互相關(guān)系數(shù)。濾波范圍：P波部分為0．05～0．2Hz，面波部分為0．03～0．1Hz）Fig．2 Comparison between the theoretical and the observed seismograms of Yangqu MS4．6earthquake and focal mechanism solution．（Red curves are theoretical seismograms，and black curves are observation seismograms．There are the station names，epicentral distances（unit：km）and azimuths at the left side of the waveform curves，the first line below the curves are the inversion error，and the second lines are their correlation coefficients（unit：%）．The filtering range：0．05 ～0．2Hz for the P wave，and 0．03～0．1Hz for the Surfaces wave）

3 發(fā)震斷裂探討

從地震所處的位置看，陽(yáng)曲MS4．6地震位于太原盆地東側(cè)的山根底斷裂附近（圖1）。震中位置距離太原盆地東邊界山根底斷裂6km左右，距離控制忻定盆地西側(cè)邊界的系舟山西麓斷裂9．7km。距震中最近的山根底斷裂是否與陽(yáng)曲MS4．6地震有關(guān)值得探討。山根底斷裂為交城斷裂NE向的延伸部分，全長(zhǎng)22km，走向NE－NNE，傾向SE，傾角65°～70°，為全新世活動(dòng)正斷層。據(jù)歷史地震記載在斷裂附近無(wú)5級(jí)以上地震發(fā)生。用CAP方法獲得的震源機(jī)制解中近EW 向（走向109°，傾角76°）的節(jié)面傾向SE，與山根底斷裂走向相差約30°，傾向一致。假定其為發(fā)震斷裂，根據(jù)震源深度與地震距斷裂的水平距離測(cè)算斷裂傾角為73°與Ⅱ節(jié)面傾角非常接近。因此從計(jì)算結(jié)果推測(cè)其為發(fā)震斷裂的可能性大。由于陽(yáng)曲MS4．6地震位于山根底斷裂走向的延長(zhǎng)線上，高精度地形圖上顯示本次地震位于與太原盆地東北端毗鄰的石嶺關(guān)隆起區(qū)，而山根底斷裂止于太原盆地與石嶺關(guān)橫向隆起的交界部位，且震源機(jī)制解結(jié)果顯示其為正斷活動(dòng)為主，兼有一定的斜滑，理論上震源位置應(yīng)該處于斷裂的上盤(pán)，即傾向太原盆地的一側(cè)，這與陽(yáng)曲MS4．6地震處于太原盆地以北的石嶺關(guān)隆起區(qū)（斷裂的下盤(pán)）相矛盾。因此山根底斷裂應(yīng)該不是陽(yáng)曲地震的發(fā)震構(gòu)造。

圖3 不同深度誤差和震源機(jī)制隨不同震源深度的變化圖Fig．3 Variation of focal mechanism solution and mismatchswith different focal depths

而距離陽(yáng)曲4．6地震9．7km左右的系舟山西麓斷裂，全長(zhǎng)30km，走向近SN，傾向 W，傾角70°，為一全新世右旋剪切的正傾滑斷裂，是控制忻定盆地與石嶺關(guān)隆起的邊界斷裂。據(jù)歷史地震記載在斷裂附近無(wú)5級(jí)以上地震發(fā)生。陽(yáng)曲地震的震源機(jī)制解的一個(gè)節(jié)面的走向213°，傾向 W，傾角47°，這與系舟山西麓斷裂產(chǎn)狀接近。但目前尚未找到系舟山西麓斷裂延伸至石嶺關(guān)隆起區(qū)的相關(guān)證據(jù)。因此系舟山西麓斷裂也不是陽(yáng)曲地震的發(fā)震構(gòu)造。

本次地震現(xiàn)場(chǎng)野外考察并未發(fā)現(xiàn)地表破裂帶。在中國(guó)東部的一些中等和弱的地震活動(dòng)區(qū)，地震時(shí)地表常無(wú)地震破裂帶發(fā)育，它們可能是地表尚未顯露斷層的隱伏斷層或深部斷層活動(dòng)的結(jié)果［20］。陽(yáng)曲4．6級(jí)地震位于橫向隆起區(qū)，震源機(jī)制解結(jié)果與震區(qū)附近斷裂存在一定的差異，而目前也未發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解相符的斷裂。結(jié)合前人研究成果，認(rèn)為陽(yáng)曲地震不排除隱伏斷層活動(dòng)的可能，對(duì)此認(rèn)識(shí)仍需做進(jìn)一步的探討與研究。

4 結(jié)論

（1）用CAP方法反演得到2010年6月5日陽(yáng)曲MS4．6地震的MW為4．5。震源機(jī)制解節(jié)面Ⅰ走向角213°、傾角47°、滑動(dòng)角－161°；節(jié)面Ⅱ走向109°，傾角76°，滑動(dòng)角－44°，屬于傾滑型。

（2）確定位顯示震中處于石嶺關(guān)隆起區(qū)，CAP反演和精定位結(jié)果推斷本次地震的震源深度為17～20km。

（3）AP方法反演獲得的震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)與震中附近的山根底斷裂和系舟山西麓斷裂產(chǎn)狀存在一定的差異，因此認(rèn)為兩條斷裂均不是陽(yáng)曲地震的發(fā)震斷裂，認(rèn)為有可能是隱伏斷層活動(dòng)結(jié)果。

致謝：山西省監(jiān)測(cè)信息中心提供了波形數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所鄭勇研究員對(duì)本文給予了技術(shù)指導(dǎo)，山西省地震局預(yù)報(bào)中心王霞繪制了部分圖件，謹(jǐn)致謝意！

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