山西帶中北部地區(qū)中小地震震源機(jī)制解特征

孫貴成，郭祥云，馬利軍

（1.河北省地震局承德中心臺(tái)，河北 承德 067000；2.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081；3.河北省地震局張家口中心臺(tái)，河北 張家口 075000）

0 引言

地震是地殼巖層在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下，當(dāng)巖層所受的累積應(yīng)變能達(dá)到一定程度時(shí)，巖層發(fā)生破裂和錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的。由中小地震矩張量反演得到的地震矩、震源機(jī)制解、震源深度等能夠快速地刻畫發(fā)震斷層，從而為地震災(zāi)害評(píng)估、震后地震應(yīng)急服務(wù)［1］。Lund和Slunga［2］提出震源機(jī)制解能夠有效地控制地殼應(yīng)力方向。由于中小地震發(fā)生的頻率高，對(duì)于描繪區(qū)域構(gòu)造和控制區(qū)域應(yīng)力方向起著很重要的作用，為我們研究活動(dòng)構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)提供了重要的信息。通過對(duì)震源機(jī)制解特征的研究，可以更高的分辨率監(jiān)視構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)、空變化圖像。

近年來山西帶中北部中小地震活動(dòng)較為頻繁，不但反映山西帶中北部的斷層及應(yīng)力場(chǎng)信息，同時(shí)還攜帶著這個(gè)具有特殊構(gòu)造背景地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的信息。為了認(rèn)識(shí)這些中小地震的震源機(jī)制，以便進(jìn)一步研究應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布狀態(tài)。本文利用寬頻帶記錄的數(shù)字地震波形，基于HASH 方法［3］反演了2008年10月－2013年4月期間發(fā)生的ML2.0以上地震的震源機(jī)制解。同時(shí)為驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，把幾個(gè)地震的反演結(jié)果與Cut and Paste（CAP）方法［4］反演的震源機(jī)制解進(jìn)行了對(duì)比，表明反演結(jié)果是可靠的。

1 方法及資料

科學(xué)可靠地獲得中小地震震源機(jī)制解一直是地震學(xué)中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。熱點(diǎn)是中小地震震源機(jī)制解是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演、地震危險(xiǎn)性分析、震源物理等研究中的重要素材，難點(diǎn)是波形反演中理論地震圖、震源模型以及初動(dòng)極性計(jì)算中臺(tái)站數(shù)目和分布的局限等因素制約了反演結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

20 世紀(jì)80年代以來，人們開始應(yīng)用網(wǎng)格搜索法計(jì)算P 波初動(dòng)震源機(jī)制解。許忠淮等［5］最早提出了利用P 波初動(dòng)極性求震源機(jī)制解的格點(diǎn)嘗試法，得到解區(qū)（可選解的集合）及平均解。Resenberg and Oppenheimer［6］編寫了一套求解P 波初動(dòng)震源機(jī)制解的程序FPFIT，求最佳解及解的置信區(qū)間，并對(duì)解進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。Hardebeck 和Shearer［3］改進(jìn)了FPFIT 程序，并討論了P 波初動(dòng)極性、震源位置以及速度模型的不確定性對(duì)震源機(jī)制解的影響。Li等人［7］提出聯(lián)合使用P波初動(dòng)、振幅比與波形擬合聯(lián)合反演中小地震震源機(jī)制解的方法。

本研究采用目前國(guó)際上較為流行和普遍接受的基于P 波初動(dòng)極性和S／P 振幅比（HASH）方法計(jì)算震源機(jī)制解。其原理是：選取不同方位、不同震中距的臺(tái)站記錄的中小地震波形，利用從震源向上出射的直達(dá)P（Pg）波和直達(dá)S（Sg）波引起的地動(dòng)位移振幅比求解震源機(jī)制，輻射花樣的比值來求解震源機(jī)制參數(shù)［3］。地震目錄來自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心“全國(guó)地震編目系統(tǒng)”（http：／／10.5.202.22／bianmu／index.jsp）在線提供的2008年10月以來正式地震目錄，收集整理國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心［8］提供的山西帶中北部地區(qū)2008年10月－2013年4月的ML2.0以上中小地震的波形資料。

圖1 臺(tái)站和震中分布圖

本文選取震中距小于180km，P波初動(dòng)清晰的至少4個(gè)臺(tái)站的地震波形資料，臺(tái)站和震中分布如圖1。P波初動(dòng)振幅量取原則是初動(dòng)半振幅，S波振幅量取S波到時(shí)2s之內(nèi)的最大振幅。反演過程中考慮初動(dòng)和SH／P振幅比錯(cuò)誤數(shù)目，以5°為搜索間隔，小于預(yù)設(shè)容錯(cuò)范圍內(nèi)的解被自動(dòng)挑出；在可接受的解中，以振幅比之均方根誤差最小者為此次地震事件的最優(yōu)解。

2 震源機(jī)制解分析

利用從震源向上射出的直達(dá)P（Pg）波和直達(dá)S（Sg）波引起的地動(dòng)位移振幅比反演了研究區(qū)域內(nèi)ML2.0以上559 個(gè)中小地震的震源機(jī)制解。依據(jù)HASH 方法給出的質(zhì)量評(píng)價(jià)，559個(gè)震源機(jī)制解中A 類405個(gè)，占總數(shù)的72%；B 類90 個(gè)，占總數(shù)的16%；C類44個(gè)，占總數(shù)的8%；D 類20個(gè)，占總數(shù)的4%。從解的質(zhì)量分布來看，結(jié)果較為可靠。根據(jù)Zoback［9］研究全球應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的分類標(biāo)準(zhǔn)（表1），對(duì)震源機(jī)制解進(jìn)行分類（圖2）。由圖2可見山西帶中北部中小地震震源機(jī)制斷層類型較多，分布散亂，以走滑型和正斷型為主，兼一定數(shù)量的逆斷層類型。小地震的發(fā)生具有隨機(jī)性且具有一定的分段性，斷層類型的分布與活動(dòng)斷裂有一定的關(guān)系。在山西帶的北部區(qū)域以拉張作用為主，地震活動(dòng)斷層類型以正斷、走滑為主；中部地區(qū)以剪切作用為主，地震活動(dòng)斷層類型以走滑為主。震源機(jī)制的類型與地震所處的位置有關(guān)，在陽曲附近地震活動(dòng)斷層類型復(fù)雜多樣；南部地區(qū)交城斷裂、太古斷裂以擠壓逆斷層和拉張正斷層活動(dòng)類型為主。

表1 震源機(jī)制分類標(biāo)準(zhǔn)

圖2 2008年10月1日－2013年4月24日山西帶中北部及鄰區(qū)ML2.0級(jí)以上地震震源機(jī)制解

把P軸的方位角和傾角繪在圖3、圖4上，線段的長(zhǎng)短表示傾角大小，越短表示越直立，越長(zhǎng)表示越水平。由圖3可見，ML3.0級(jí)以下地震震源機(jī)制各參數(shù)有一定的離散性和隨機(jī)性，尤其在山西帶中部地區(qū)，有一定數(shù)量的震源機(jī)制解與背景構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相比，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、反向或者是傾向滑動(dòng)。這表明華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)研究區(qū)域的中小地震控制作用較弱，局部活動(dòng)斷裂對(duì)地震具有一定的控制作用。從圖4可以看出，ML3.0級(jí)以上地震主壓應(yīng)力軸優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NE－SSW，與由華北強(qiáng)震的震源機(jī)制得到的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有良好的一致性［10］，這表明ML3.0 級(jí)以上地震的發(fā)生受到大區(qū)域動(dòng)力因素的制約，取向與背景區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)一致。

圖3 2008年10月1日—2013年4月24日山西帶中北部及鄰區(qū)ML3.0級(jí)以下中小地震主壓應(yīng)力軸方向。圖中線段表示主壓應(yīng)力方向，線段的長(zhǎng)短表示傾角的大小

圖4 2008年10月1日－2013年4月24日山西帶中北部及鄰區(qū)ML3.0級(jí)以上中小地震主壓應(yīng)力軸方向。圖中線段表示主壓應(yīng)力方向，線段的長(zhǎng)短表示傾角的大小

綜上所述，山西斷陷帶地殼應(yīng)力場(chǎng)具有一定的復(fù)雜性，不像其它地區(qū)表現(xiàn)出很好的一致性。華北地區(qū)主體應(yīng)力場(chǎng)存在均勻性的同時(shí)，也強(qiáng)調(diào)了其不均勻性的存在，并認(rèn)為統(tǒng)一和均勻是相對(duì)的［5，10－11］。山西帶中北部地區(qū)主張應(yīng)力軸雖然都接近水平，但主應(yīng)力軸的方位角、傾角都比華北地區(qū)大，其應(yīng)力特點(diǎn)根本不同于華北地區(qū)。

3 結(jié)果校驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)反演結(jié)果的可靠性，選取發(fā)生在山西斷陷帶上的ML4.0級(jí)以上、3種不同破裂方式的地震，采用CAP 方法計(jì)算的結(jié)果與HASH 方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表2）。可以看出，通過2種方法反演的震源機(jī)制解結(jié)果基本一致，其中2次的結(jié)果完全一致。2011年8月2日山西古縣ML4.2級(jí)地震震源機(jī)制結(jié)果略有差別，但震源錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)一致。經(jīng)分析，認(rèn)為震源機(jī)制解參數(shù)的差異可能由震源位置的差異引起。CAP 方法給出的震源深度27km（圖5），比臺(tái)網(wǎng)中心的給出的結(jié)果深8km。

圖5 2011年8月2日山西古縣ML4.2級(jí)地震CAP方法結(jié)果

表2 不同的方法得到的山西帶ML4.0級(jí)以上地震震源機(jī)制解

4 結(jié)論與討論

中小地震激發(fā)的低頻能量有限，致使主要基于低頻記錄波形反演中小地震震源機(jī)制解方法難以使用［12］。因此，本研究選用國(guó)際上較為流行和普遍接受的基于初動(dòng)符號(hào)和振幅比的HASH 方法對(duì)山西帶中北部地區(qū)的中小地震震源機(jī)制解進(jìn)行反演。反演結(jié)果顯示，研究區(qū)中小地震震源機(jī)制解種類較多，分布散亂。震源機(jī)制解除走滑型外，還有一定數(shù)量的正斷層和逆斷層類型，表明小地震的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，華北構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)研究區(qū)域ML3.0級(jí)以下地震的控制作用較弱，局部活動(dòng)斷裂對(duì)地震具有一定的控制作用。在山西帶北部以拉張作用為主，中部地區(qū)以剪切作用為主，這與小震綜合機(jī)制解所做的結(jié)果相一致［13－14］。由于本研究所選取的地震震級(jí)小，震源體積小，所釋放的能量也少，較多地受局部因素的作用，攜帶的局部因素的信息較豐富，致使局域性特征更加顯著?；顒?dòng)斷裂基本上繼承了新生代以來的主要活動(dòng)特征，并以斷裂及其控制的斷塊活動(dòng)為主，即具有繼承性和不均勻性等活動(dòng)特征。

通過分析山西地區(qū)中小地震震源機(jī)制解的特征，進(jìn)一步對(duì)整個(gè)華北地區(qū)的基于中小地震震源機(jī)制解的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析與研究，深入了解本地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性及其地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制，從而對(duì)該地區(qū)實(shí)現(xiàn)較可靠的地震預(yù)測(cè)提供有效途徑。

致謝：中國(guó)地震局地球物理研究所“國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)；文中采用了韓立波博士CAP方法反演的機(jī)制解結(jié)果；圖件采用GMT 繪制；審稿專家對(duì)本文的修改提出了中肯的意見和建議。在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。

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