CAP方法反演乳山震群3.0級以上地震震源機(jī)制解

李　鉑， 崔　鑫， 苗慶杰， 穆　娟

(山東省地震局，濟(jì)南　250014)

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CAP方法反演乳山震群3.0級以上地震震源機(jī)制解

李鉑， 崔鑫， 苗慶杰， 穆娟

(山東省地震局，濟(jì)南250014)

利用CAP方法(Cut and Paste Method)，反演了2013年10月1日以來發(fā)生在山東乳山的地震序列中M≥3.0的9次地震震源機(jī)制解。結(jié)果顯示，這9次地震的震源機(jī)制解基本一致，在震源深度分布和震中空間分布上略有差異；擬合的最佳震源深度在3.8～8.6 km的范圍內(nèi)，主要分布在近地表的上地殼；乳山震群的斷層走向是NW向分布、傾角是NE向分布。因距已知主要斷層有一定距離，故可以推斷乳山地震序列區(qū)域有一條或者多條隱伏斷裂。

CAP方法；震源機(jī)制解；乳山

0　引言

在1046年和1939年1月山東乳山分別發(fā)生M5.5地震和M5.2地震，1997年也發(fā)生過M3.5地震。自2013年10月發(fā)生3.2級地震以來，之后發(fā)生了一系列的地震序列活動，是山東地震臺網(wǎng)數(shù)字化記錄以來發(fā)生過的頻次最高、持續(xù)時間最長的地震序列活動。截止到2015年10月，山東數(shù)字臺網(wǎng)共記錄到了乳山地震1萬余次。其中，M1.0～1.9地震252次，M2.0～2.9地震35次，M3.0～3.9地震6次，M4.0以上地震3次，最大震級為2015年5月22日的M4.6地震(圖1)。

地震震源機(jī)制與其他震源參數(shù)的獲取是基于對地震臺站的地震記錄信息的分析，對研究中小地震包括中小震群也有極為重要的意義。不但可以了解震群的孕震機(jī)理和地震后應(yīng)力分布情況，還可以反映區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。震源機(jī)制的相關(guān)參數(shù)也可以反映斷層面走向，在地震發(fā)生時能夠提供相應(yīng)的參數(shù)對地震強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)。在震源機(jī)制的研究中，Zhao等[1]和Helmberger等[2]提出了CAP(Cut and Paste)方法來獲取震源機(jī)制解，把波形記錄分為Pnl和長周期的低頻面波2個獨(dú)立的部分，對這2部分給定不同的比重進(jìn)行反演，通常設(shè)置其比重系數(shù)為2∶1，這樣模型中的速度結(jié)構(gòu)只會影響與之相對應(yīng)的體波和面波部分的到時；然后分別對這些截取的震相進(jìn)行相關(guān)性的擬合，通常默認(rèn)的震源機(jī)制解的格點(diǎn)搜索范圍是10°到2°之間。由于乳山地區(qū)的臺陣和臺站分布比較密集，當(dāng)我們通過對格點(diǎn)進(jìn)行搜索時，可以選擇更小的搜索范圍，搜索半徑為5 km，對其進(jìn)行近震震源機(jī)制解反演,來獲得更加精確、誤差更小的震源機(jī)制和震源深度。

圖1　乳山地震序列M-t圖

1　理論和方法

CAP方法原理[1-2]：設(shè)u(t)為去除儀器響應(yīng)后觀測到的地震波形位移，s(t)為相應(yīng)的理論計(jì)算出的波形位移，一個雙力偶震源的理論合成位移s(t)為：

(1)

其中：0≤θ≤2π，0≤δ≤π/2，0≤λ≤2π；i=1,2,3分別代表3種斷層類型，分別是垂直走滑斷層(vertical strike-slip)、垂直傾滑斷層(vertical dip-slip)和45°傾向滑動斷層(45°dip-slip)3種最基本的斷層類型[3]；Gi(t)為格林函數(shù)，M0為標(biāo)量地震矩，Ai為震源的輻射花樣，θ為臺站方位角；φ,δ,λ分別代表地震的斷層走向、斷層傾角和滑動角[4]。

震源機(jī)制解和深度可以通過等式(2)得到：

(2)

其中：u(t)和s(t)分別代表實(shí)際的地震記錄圖和理論地震圖。

(3)

C(t)表示的是正的最大值對應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)，當(dāng)u(t)和s(t)擬合得比較好的時候，對應(yīng)的t表示u(t)相對于s(t)的時間偏移量。

在對u(t)和s(t)進(jìn)行擬合殘差分析時，引進(jìn)L1和L2，分別代表不同的擬合部分[5]。其中L1代表Pnl波部分，L2代表面波部分?？紤]到距離不同而產(chǎn)生的振幅衰減，在擬合誤差函數(shù)中又引入了p(距離影響因子)，這可以將臺站看作是與震源一樣距離的基準(zhǔn)點(diǎn)去做震源參數(shù)的估算。

(4)

其中：r為震中距，r0為參考震中距，p為指數(shù)因子，也就是上述引論中出現(xiàn)的比率系數(shù)。

2　觀測臺站和地殼模型選取

我們對研究區(qū)進(jìn)行了區(qū)域劃分，在近場區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要有NE-NNE向和近SN向5組斷裂，主要有乳山斷裂、海陽斷裂、米山斷裂和朱吳斷裂，在震群南部近海還有千里巖斷裂北段。為了更好地圖示震群的走向，選擇較小的研究區(qū)范圍，主要在三十多公里的范圍內(nèi)，幾個主要的近場斷裂帶不在震群活動圖示中展現(xiàn)(圖2b)。

本文所有的臺站資料都來自＂十五＂數(shù)字地震臺網(wǎng)，為了得到可靠的震源機(jī)制解，選取了乳山及周邊19個臺站進(jìn)行對比分析。由于CAP方法對臺站的信噪比要求較高,在臺站選取時主要考慮初至波初動方向比較明顯的臺站。乳山震群分布比較集中，我們對研究區(qū)進(jìn)行了劃分(121.55°～121.75°E， 36.70°～36.95°N)，參與震源機(jī)制反演的臺站和震群活動范圍如圖2a所示。

a　乳山震群震中分布及乳山臺陣位置圖b　乳山震群附近主要斷層分布圖注：圖2b中，藍(lán)色三角為參與震源機(jī)制解反演的臺站；F1：米山斷裂；F2：乳山斷裂；F3：海陽斷裂；F4：朱吳斷裂；F5：千里巖斷裂北段圖2　乳山震群震中、乳山臺陣及附近主要斷層分布圖

張嶺[5]等利用MessyGA方法反演了渤海灣盆地及其地殼P波速度模型，李霞[6]等利用層析成像技術(shù)得到了膠東半島的地殼速度模型，并利用模型數(shù)據(jù)進(jìn)行重新精定位，經(jīng)過驗(yàn)證得到了接近真實(shí)的速度模型。參考上述文獻(xiàn)，確定乳山震群所在的乳山及附近地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)模型為6層(表1)。

表1　地殼速度模型

3　結(jié)果與討論

我們通常設(shè)置波形記錄的權(quán)重系數(shù)為2∶1，所以在反演乳山震群波形記錄時，對Pnl波和長周期的面波分別選取0.05～0.15Hz[7]和0.03～0.07Hz頻段[8]。本文用CAP方法反演了自2013年10月1日以來9次M≥3.0的乳山地震的震源機(jī)制解(表2,圖3)。

表2　乳山序列9次地震震源機(jī)制解

注：3個較大的藍(lán)色填充的沙灘球?yàn)?級以上地震震源機(jī)制解；6個紅色填充的沙灘球?yàn)?～4級地震的震源機(jī)制解；白色區(qū)域的藍(lán)點(diǎn)代表壓縮軸P軸，紅色和藍(lán)色區(qū)域的黃點(diǎn)代表拉張軸T軸。圖3　乳山序列較大地震震源機(jī)制解

本文采用CAP方法對乳山震群幾次較大地震的震源機(jī)制解進(jìn)行反演。結(jié)果顯示，幾次地震的主壓應(yīng)力軸方向一致[9]，節(jié)面走向基本相同，應(yīng)該對應(yīng)著震群所在斷層的走向，該走向也與乳山震群的震中NW向分布一致[10]；另一方面，該節(jié)面的走向應(yīng)該對應(yīng)斷層面的走向，而當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的斷層多為NE走向，故該地區(qū)可能存在尚未發(fā)現(xiàn)的隱伏斷層分布[11]。

選取了 2015年5月22日乳山M4.6地震作為演示震例，得到了節(jié)面I走向?yàn)?95°，傾角85°，滑動角為-19°；節(jié)面Ⅱ走向?yàn)?7°，傾角71°，滑動角為-175°，震源深度為8.6km。為了驗(yàn)證這次地震的震源參數(shù)質(zhì)量，利用P波初動極性方法進(jìn)行對比，得到了節(jié)面I走向?yàn)?77°，傾角76°，滑動角為22°；節(jié)面Ⅱ走向?yàn)?1°，傾角76°，滑動角為-141°，和利用CAP方法得到的震源參數(shù)基本一致(圖4)，這也部分驗(yàn)證了該方法的可靠性。

注：a　紅色代表壓縮軸P軸，黃色代表拉張軸T軸；b　白色區(qū)域的藍(lán)點(diǎn)代表壓縮軸P軸，藍(lán)色區(qū)域的黃點(diǎn)代表拉張軸T軸圖4　乳山M4.6地震 P波初動極性方法及CAP方法做出的震源球

圖5給出了乳山震群最大的M4.6地震的反演深度和波形擬合結(jié)果，圖5a給出了M4.6地震的擬合殘差和震源機(jī)制解隨著不同深度值的變化范圍，可以看出震源深度在8.6km的時候震源機(jī)制解的擬合殘差達(dá)到最小值。所以確定該地震的震源深度在8.6km附近，與山東地震臺網(wǎng)地震編目測定的震源深度結(jié)果完全一致。圖5b顯示了理論地震波形與觀測波形擬合效果。每個臺站的三分量有體

波垂向(PV)、體波徑向(PR)、面波垂向(Surf.V)、面波徑向(Surf.R)、面波切向(SH)5個波形參與反演，黑線是實(shí)際的觀測波形，紅色是理論地震波形，理論波形和實(shí)際觀測波形都根據(jù)震級的不同確定反演參數(shù)和帶通濾波來壓制噪聲[10]。波形下方第1行為擬合時各個部分理論波形相對觀測波形的時間差(s)，第2行為兩者的擬合相關(guān)系數(shù)(%)。波形左側(cè)為臺站名，臺站名下方是該臺站震中距和其理論P(yáng)波初至與觀測值之間的差值。進(jìn)行理論波形和實(shí)際波形對比時，允許在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對其進(jìn)行相對浮動以達(dá)到最佳的擬合值，浮動的幅度可以通過互相關(guān)系數(shù)來確定；也可以通過相關(guān)的系數(shù)來反映波形擬合的效果，總體可以看出RCH、CHD、LOK和LZH臺的波形擬合效果相對較好，各臺站5個部分的波形擬合系數(shù)都達(dá)到了90%以上。

圖6為2015年7月1日M3.0級地震的反演深度和波形擬合圖。由圖6a看出該地震反演的最佳深度為6.3km。圖6b為此次M3.0地震理論波形和觀測波形擬合效果圖。

圖5　乳山M4.6地震最佳擬合深度和波形擬合圖

圖6　乳山M3.0地震最佳擬合深度和波形擬合圖

從2個地震的反演擬合情況來看,M3.0地震的部分臺站在擬合系數(shù)上也略小于M4.6級地震的擬合系數(shù)。

4　結(jié)論與討論

1)項(xiàng)目選用了山東地震臺網(wǎng)中心記錄到的數(shù)字波形數(shù)據(jù)，利用CAP方法通過近震波形擬合反演了9次乳山地區(qū)M≥3.0地震的震源機(jī)制解。對比后發(fā)現(xiàn)，乳山9次M≥3.0地震的震源機(jī)制解結(jié)果有較好的一致性，擬合的最佳震源深度范圍在3.8～8.6km。

2)選取了2015年5月22日乳山M4.6地震作為演示震例，得到了節(jié)面I：走向?yàn)?95°，傾角85°，滑動角為-19°；節(jié)面Ⅱ：走向?yàn)?7°，傾角71°，滑動角為-175°。通過對乳山震群的最大的地震(2015年5月22日M4.6)和一次較小的地震(2015年7月1日M3.0)做圖示分析，利用P波初動極性方法(節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?77°，傾角76°，滑動角為22°；節(jié)面Ⅱ走向?yàn)?1°，傾角76°，滑動角為-141°)對M4.6地震進(jìn)行了震源機(jī)制解的驗(yàn)證，結(jié)果比較理想，部分證明了CAP方法的可靠性。

3)從反演結(jié)果可以看出臺站波形擬合結(jié)果也比較理想。通過用CAP方法對乳山震群較大地震進(jìn)行震源機(jī)制解反演，確定震群的震源深度分布比較淺，主要是在近地表的上地殼。從乳山地區(qū)震群的分布來看，整個地震序列呈NW向分布，這與本文得出的節(jié)面Ⅰ的走向比較吻合。基本可以推斷出乳山震群的斷層走向?yàn)镹W向分布、傾角為NE向分布。

由于乳山震群離附近的幾條主斷裂帶都有一定距離，而且斷裂與地震序列的走向不太一致，可以推斷出這幾條主要斷裂都不是乳山地震序列的發(fā)震斷層，而是該區(qū)有一條或者多條隱伏斷裂存在。

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Focal Mechanism Solution of the Rushan Earthquake Swarm Sequences overM3.0 with CAP Method

LI Bo, CUI Xin, MIAO Qing-jie, MU Juan

(Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China)

Using the CAP (Cut and Paste Method) method, this article retrieved nine focal mechanism solutions of the earthquake swarm sequences overM3 in Rushan. The results show that these focal mechanism solutions are nearly consistent with each other, with slight differences in the distribution of focal depths and epicenters; the optimal fitting focal depths range from 3.8 kilometers to 8.6 kilometers, mainly locate in upper crust near the surface; the fault strike of Rushan earthquake swarm sequences is from north to west with the dip from north to east. Due to the distance away from the known main strikes, it is also assumed that there are one or several buried faults in Rushan earthquake area.

Rushan; Cut and Paste Method; focal mechanism

2015-12-16

中國地震局監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題“山東乳山地區(qū)震群特征及發(fā)震背景研究”(161501)

李鉑(1983—)，男(漢族)，山東定陶人，工程師，主要從事地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作．E-mail：lbjjwgaj@163.com

P315.332

A

1003-1375(2016)03-0014-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.003

李鉑，崔鑫，苗慶杰，等．CAP方法反演乳山震群3.0級以上地震震源機(jī)制解[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):14-19.