利用CAP方法快速計算云南地區(qū)中小地震震源機制解

楊軍 蘇有錦 陳佳 葉泵 李孝賓 金明培 王寶善

1)中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室，云南省大理市洱海公園濱海大道 671000

2)云南省地震局，昆明 650224

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

通常認為，中小地震的震源機制易受局部地質(zhì)構造條件的影響，因而用單個中小地震震源機制解的力軸來代表該區(qū)的區(qū)域構造應力場方向是不適宜的。但是，大量中小地震的震源機制解的優(yōu)勢結果可以反映區(qū)域構造應力場的特征，單個地震的震源機制解可反映出在構造應力場作用下地震斷層活動的性質(zhì)，多個地震的震源機制解可反映出較大區(qū)域內(nèi)的平均構造應力狀況(張建國等，2009;龍海英等，2007;林向東等，2010、2011、2013)，快速確定中小地震震源機制對于地震應急處置和減輕區(qū)域地震災害也有重要的現(xiàn)實意義。

隨著我國區(qū)域臺網(wǎng)的逐漸增多，確定頻繁發(fā)生的中小地震震源機制解，提供區(qū)域構造活動和應力場作用的重要約束信息，正逐漸成為地震臺網(wǎng)拓展應用功能的主要方向之一(張項等，2010)，而虛擬臺網(wǎng)技術在地震監(jiān)測預測工作中的應用已很普遍。

震源機制解的計算方法較多，其中由Zhu等(1996)發(fā)展的剪切-粘貼方法CAP(Cut and Paste)是應用較為廣泛的方法之一。CAP方法是一種全波形反演方法，具有對速度模型及介質(zhì)橫向不均勻性依賴不高的特點(Zhao et al，1994;Zhu et al，1996;鄭勇等，2009;龍鋒等，2010)。鄭勇等(2009)利用中國國家數(shù)字地震臺網(wǎng)和區(qū)域地震臺網(wǎng)的波形記錄，采用CAP方法獲得汶川地震強余震(MS≥5.6)震源機制解，呂堅等(2012)利用四川臺網(wǎng)、區(qū)域臺網(wǎng)、陜西區(qū)域臺網(wǎng)、四川水庫臺網(wǎng)和震后架設的流動臺網(wǎng)的資料，采用CAP方法研究了汶川余震序列北川北段的震源分布特性與破裂復雜性，劉杰等(2013)利用四川臺網(wǎng)的地震波形資料，采用CAP方法計算了蘆山地震的震源機制解，謝祖軍等(2013)利用四川及周邊省市區(qū)域近震波形數(shù)據(jù)及IRIS的遠震波形數(shù)據(jù)，采用CAP等方法對蘆山地震的震源機制解進行了計算，并分析了近震資料、遠震資料及兩者聯(lián)合反演等情況下計算結果的差異性。

目前中小地震的震源機制解甚難實現(xiàn)自動化處理，需要一定的人工干預來得到準確的中小地震震源機制解。盡管如此，國際上越來越多的地震臺網(wǎng)已開始實現(xiàn)基于地震波形擬合來近實時地確定中小地震震源機制解，如在南北加州、歐洲地中海和臺灣等地區(qū)的實踐(張項等，2010)，劉薇等(2012)在青海大柴旦6.4級地震的余震震源機制中亦有過應用研究。本文以下關虛擬臺網(wǎng)為例，通過實例探討結合虛擬臺網(wǎng)技術及CAP方法快速產(chǎn)出云南地區(qū)中小地震震源機制解的方法及其實際應用。

1 資料及CAP方法

1.1 資料

計算云南地區(qū)中小地震震源機制解的資料來源于下關虛擬測震臺網(wǎng)的準實時數(shù)據(jù)，下關虛擬測震臺網(wǎng)基于云南信息節(jié)點的網(wǎng)絡平臺，利用廣東省地震局臺網(wǎng)中心開發(fā)的測震軟件JOPENS接入了云南臺網(wǎng)48個固定臺站、8個四川臺網(wǎng)、2個貴州臺網(wǎng)的固定臺站數(shù)據(jù)及下關測震臺網(wǎng)5個固定臺站等的準實時數(shù)據(jù)，臺站分布見圖1。本文利用虛擬臺網(wǎng)產(chǎn)出的準實時數(shù)據(jù)，計算了2013年2月～2014年2月云南地區(qū)MS≥3.0的中小地震震源機制解共64例，并及時發(fā)布至云南省防震減災網(wǎng)進行信息共享，使云南地區(qū)中小地震震源機制解的計算工作應用到臺網(wǎng)日常工作中。

1.2 CAP方法概述

CAP方法相比以往的P波初動、體波反演或面波反演而言是一種全波形反演方法。它將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波2個部分進行反演并允許二者相對浮動，在適當?shù)臅r間變化范圍內(nèi)，搜索出合成地震圖和觀測地震圖全局差異最小的震源機制解。CAP方法具有對參與反演的臺站數(shù)要求不多、方位角分布不需太均勻、反演結果對速度模型和地殼結構橫向不均勻性依賴較小的特點，目前國內(nèi)的一些研究結果充分證明了CAP方法在震源機制解與地震矩心深度研究方面的有效性與可靠性(Zhao et al，1994;Zhu et al，1996;鄭勇等，2009;龍鋒等，2010)。CAP方法的主要原理為:任意一個雙力偶震源的理論合成位移s(t)可表示為

圖1 下關虛擬臺網(wǎng)臺站分布

式中，i=1，2，3時分別對應垂直走滑、垂直傾滑和45°傾滑等3種最基本的斷層類型;Gi為格林函數(shù)，Ai為射線系數(shù)，θ為臺站方位角，M0為標量地震矩，φS，δ，λ依次為所求震源機制解的走向、傾角和滑動角參數(shù)。

反演過程中，以合成地震位移s(t)與觀測地震位移u(t)一致作為判斷標準

可定義一個如下的誤差目標函數(shù)來衡量s與u的差異

式中，r為震中距，r0為選定的參考震中距，p則是考慮到幾何擴散因子對地震波形的影響而采用的指數(shù)因子，它使得地震的矩震級大小較為可靠，經(jīng)參考前人研究的經(jīng)驗(呂堅等，2012;鄭勇等，2009)，選取在一般情況下體波可給定p=1.0、面波p=0.5。

2 計算流程

2.1 數(shù)據(jù)的準備

虛擬臺網(wǎng)中的RTS報警模塊會對地震波形數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。當?shù)卣鸢l(fā)生后，地震波形數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)流服務器，RTS對波形數(shù)據(jù)進行檢測，如果符合預先設置的條件時RTS模塊發(fā)出報警。值守人員會及時對數(shù)據(jù)進行處理，在約5分鐘內(nèi)能得出地震的初步參數(shù)，再根據(jù)地震震級大小及震源位置判斷是否要計算震源機制解。目前云南地區(qū)中小地震的常規(guī)產(chǎn)出選取MS≥3.0的省內(nèi)地震開展震源機制解計算。將提交到系統(tǒng)中的地震波形事件以Seed格式轉(zhuǎn)出，然后轉(zhuǎn)換為SAC格式，依據(jù)定位結果初步選取采用的臺站數(shù)據(jù)，具體的流程見圖2。

2.2 速度模型的選取及格林函數(shù)的計算

地震震源參數(shù)的解算都是基于合理的地殼模型基礎之上，地震引起的位移一方面依賴于地震震源，另一方面依賴于包括場地條件在內(nèi)的地震波傳播路徑。為了得到真實的震源信息，只能針對具體問題取實際傳播路徑的合理近似(劉薇等，2012)，本研究參考了云南地區(qū)人工測深的研究結果(胡鴻翔等，1986;張中杰，2005;林中洋等，1993;王椿鏞等，2002)采用水平分層模型(表1)。實際計算過程中我們根據(jù)云南地區(qū)地殼由南向北逐漸增厚的特點，分別在計算過程中根據(jù)震源位置采用45km或55km的地殼速度模型，采用頻率-波數(shù)積分(F-K)的方法(Zhu et al，2002)，計算出臺站與震源位置之間的格林函數(shù)。由于此項工作的嘗試才剛剛開始，還未建立云南地區(qū)完整的格林函數(shù)庫，所以每次計算過程需要單獨計算格林函數(shù)，這也是需要后續(xù)改進之處。如果平時建立了完整的格林函數(shù)庫，會使產(chǎn)出中小地震震源機制解的時間更快速。關于格林函數(shù)庫的方法已成功應用到南加州地震臺網(wǎng)中小地震震源機制解的測定中(張項等，2010)，劉薇等(2012)在青海大柴旦6.4地震的余震震源機制中也曾嘗試使用過。在震源機制解的反演過程中，首先將觀測數(shù)據(jù)去儀器響應得到地動位移，再旋轉(zhuǎn)到徑向、切向和垂向，為了消除速度結構橫向變化的影響，我們將波形分解為Pnl和面波2部分，將這2部分分別通過0.05～0.2、0.05～0.1Hz的4階Butterworth帶通濾波器來壓制噪音(鄭勇等，2009)，理論地震圖采用與實際觀測圖相同的分解、濾波規(guī)則。

表1 地殼速度模型

3 計算結果分析

3.1 計算速度分析

目前下關虛擬臺網(wǎng)開展的中小地震震源機制解的整個計算過程需要約45分鐘:其中數(shù)據(jù)準備約10分鐘;速度模型的準備及格林函數(shù)的計算約25分鐘，在這個過程中同時完成數(shù)據(jù)的處理及P波到時的標注等準備工作;計算震源機制解約5分鐘，其后對計算結果進行分析處理和發(fā)布約5分鐘。從整個時耗過程可以看出，耗時最多的環(huán)節(jié)在于格林函數(shù)的計算和P波到時的拾取，故今后建立格林函數(shù)庫和實現(xiàn)P波到時拾取全自動化應是促進中小地震震源機制解快速產(chǎn)出的重要環(huán)節(jié)，通過改進這2項技術，可使計算時間節(jié)省約20分鐘左右，屆時整個中小地震震源機制解的產(chǎn)出可以控制在25分鐘以內(nèi)。

圖2 下關虛擬臺網(wǎng)中小地震震源機制解計算流程圖

3.2 計算結果分析

3.2.1 計算結果對比檢驗

基于CAP方法，我們計算了2013年2月～2014年2月期間云南地區(qū)中小地震震源機制解共64個(圖3)。為了檢查結果的可靠性，本文以洱源5.5級地震為例(表2)，將震源機制解結果與USGS、GFZ、中國地震局地球物理研究所等研究機構給出的結果進行了比對，結果顯示下關臺網(wǎng)采用CAP方法得出的震源機制解與上述3家研究機構給出的結果較為相近。由于各研究機構使用的臺站數(shù)據(jù)、速度模型和計算方法等不同，其結果會存在一定差異，但總體來看結果較為一致。實際計算過程中我們選取以震中為圓心200km為半徑范圍內(nèi)的臺站數(shù)據(jù)進行計算，為了使中小地震震源機制解的結果更加可靠，我們要求絕大多數(shù)的Pnl波及面波相關系數(shù)高于75%，而實際應用中部分相關系數(shù)高于90%。

雖然本文所計算時間段僅為1年，中小地震震源機制解數(shù)量上還相對較少，但這些中小地震集中分布于川滇菱形塊體與印支板塊，其結果對區(qū)域地震類型和應力場分布有一定的指示意義。另外從中小地震震源機制解類型(圖3)來看，云南地區(qū)地震主要以走滑為主，但在香格里拉和洱源地區(qū)分布有少量正斷層地震，這與云南地區(qū)的其它研究結果(吳建平等，2004;趙小艷等，2009)較為一致。

圖3 云南及鄰區(qū)MS≥3.0地震震源機制解

圖4 中小地震P軸主應力方向(F1～F5同圖3)

表2 下關臺網(wǎng)給出的洱源5.5級地震震源機制解與其他科研機構給出結果的對比

3.2.2 計算結果分析

由于下關虛擬臺網(wǎng)開展云南地區(qū)中小地震震源機制解常規(guī)產(chǎn)出到2014年2月約1年的時間，在此期間我們共計算了64例中小地震的震源機制解(圖3)，主要分布于川滇菱形塊體、印支塊體和滇西塊體。以鮮水河、安寧河、則木河及小江斷斷裂為東邊界，紅河斷裂為西邊界的川滇菱形塊體，麗江-小金河斷裂將其劃分為南北兩區(qū)(皇甫等崗，2010)。在本文研究的中小地震震源機制解的計算區(qū)域及時段內(nèi)，川滇菱形塊體的南區(qū)P軸主應力方向主要表現(xiàn)為北北西-南南東方向(圖4)，與該區(qū)域內(nèi)中小地震反映的應力場方向較為一致，地震類型主要表現(xiàn)為走滑型。而北區(qū)的震例主要由2013年8月28日云南香格里拉、德軟-四川得容M5.1和8月31日M5.9地震及其余震組成，其地震類型以正斷層為主，同時有少許兼走滑的中小地震存在，P軸主應力方面以北東東-南西西為主(圖4)，同時也有2個方向截然相反的余震;在相繼2個強震發(fā)生后的較短時間內(nèi)，其強余震的地震類型與2次強震基本保持一致。而到后期，開始有余震呈走滑型出現(xiàn)。造成川滇菱形塊體震源機制解主壓應力南北差異的主要原因可能與川滇菱形塊體南南東向的運動及在北緯28°N附近區(qū)域的主壓應力場和張應力軸均存在較大變化(皇甫崗等，2010;吳建平等，2004)有關。

而以瀾滄江斷裂、金沙江-紅河斷裂為界的印支塊體(胡家富等，2003)，研究時段內(nèi)中小地震P軸應力場方向主要表現(xiàn)北北東-南南西，震源機制解的類型主要表現(xiàn)為走滑型，但其中部洱源地區(qū)則以正斷層為主。云南地區(qū)現(xiàn)代地殼運動一般被認為一直承襲著上新世以來的基本格局，即印度板塊與歐亞板塊的碰撞不僅對地殼的垂直運動起著重要的作用，而且對斷裂活動方式及各塊體的水平運動也起著控制作用，云南地區(qū)各活動斷裂的運動特征雖然復雜，但多以水平運動為主(胡家富等，2003)。研究結果顯示在洱源地區(qū)分布有少量正斷層，這可能與川滇菱形塊體在向南滑移過程中南部邊界受到一定的阻擋，造成介質(zhì)的差異運動和較復雜的局部應力場有關。

而瀾滄江斷斷裂以西的滇西地區(qū)，地震樣本數(shù)量較少，中小地震主要表現(xiàn)為走滑型地震，區(qū)域主壓應力場方向較為分散，這也反映了中小地震發(fā)震的復雜性和多樣性。

4 結語

確定中小地震震源機制解已成為區(qū)域數(shù)字臺網(wǎng)面臨的緊迫任務，發(fā)展自動化或半自動化的中小地震震源機制解確定方法以提供較可靠的分析結果，是有效利用地震臺網(wǎng)記錄拓展信息功能的重要途徑。隨著中小地震震源機制解結果的不斷積累，將為研究區(qū)域構造應力場的變化及地震活動性方面的前兆異常提供大量資料，從而服務于區(qū)域地震監(jiān)測預測工作。利用CAP方法常規(guī)產(chǎn)出云南地區(qū)中小地震震源機制解是本文在云南地區(qū)的一次嘗試，在實際操作中震后45分鐘能夠給出中小地震的震源機制解;本文計算的64個中小地震震源機制解顯示云南地區(qū)震源機制解以走滑為主，但在香格里拉和洱源一帶有少量正斷層分布，從文章涉及的川滇菱形塊體范圍來看，在其北部P軸應力場方向主要表現(xiàn)為北北西-南南東，北部表現(xiàn)為北東東-南西西，印支板塊P軸主應力方向主要以北北東-南南西為主，滇西地區(qū)的應力場分布較為分散。