2014年10月2日青海烏蘭51級地震震源機制、震源深度的確定

李國佑+姚家駿

摘要：利用2014年10月2日青海烏蘭51級地震震中周邊寬頻帶波形資料，采用CAP方法反演了該地震的震源機制解和震源深度，結(jié)果表明：烏蘭51級地震是一次逆沖型地震，最佳雙力偶解為節(jié)面I走向279°、傾角48°、滑動角81°；節(jié)面Ⅱ走向112°、傾角43°、滑動角100°，最佳矩心深度為15 km。采用波形互相關(guān)方法拾取Pn波，應(yīng)用滑動時窗相關(guān)法識別sPn震相，通過sPn與Pn震相之間的走時差進一步確定本次地震的震源深度。

關(guān)鍵詞：烏蘭51級地震；CAP方法；sPn震相

中圖分類號：P3157文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0088-06

0引言

柴達木盆地的形成和演化過程與印度板塊和歐亞板塊的陸-陸碰撞有著密切關(guān)系（Tapponnier，Molnar，1976；Clark，Royden，2000；尹安，2001；宋春暉，2006），盆地周邊受到阿爾金斷裂、大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂、鄂拉山斷裂、昆中斷裂等大型斷裂所圍限（張培震等，2003；呂寶鳳等，2011）。由于板塊運動的影響，盆地基底剛性程度不一，內(nèi)部及邊緣構(gòu)造眾多、應(yīng)力場多變（呂寶鳳等，2011），近期發(fā)生多次MS≥60強震，如1962年北霍布遜湖附近68級地震、1977年1月19日霍布遜湖63級地震、2003年德令哈66級地震、2008年大柴旦63級地震、2009年大柴旦64級地震等，顯示出盆地及周邊具有較強的地震活動性。

2014年10月2日青海烏蘭（364°N，978°E）發(fā)生51級地震，該地震位于柴達木盆地東部，震中周圍50 km內(nèi)歷史上無強震記錄。根據(jù)地震應(yīng)急人員的現(xiàn)場考察，該地震造成的地表破裂不明顯，無法從宏觀現(xiàn)象判斷地震的性質(zhì)。震源機制解、震源深度是地震的重要參數(shù)，對于研究發(fā)震構(gòu)造、震源破裂等有重要意義，本文利用近場寬頻帶波形資料，采用CAP方法反演本次地震的震源機制解，并采用滑動時窗相關(guān)法識別sPn震相，進一步確定了烏蘭地震的震源深度。

1研究方法及結(jié)果

11資料選取

本文所用資料來源于青?！笆濉睌?shù)字地震臺網(wǎng)（圖1），地震震中周邊的臺站比較稀疏，不過對震中形成了較好的包圍，適合利用CAP方法及sPn深度震相計算該地震震源機制解、震源深度等參數(shù)。

12震源機制解反演

目前反演震源機制的常用方法有P波初動法和波形反演法，P波初動法是震源機制解反演的傳統(tǒng)方法，該方法物理基礎(chǔ)清晰、結(jié)果可靠，不過需要用大量的P波初動符號，而且要求臺站在震中周邊均勻分布，因此在地震監(jiān)測能力較弱的地區(qū)受到一定限制。隨著數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展，地震學(xué)家發(fā)展了CAP方法來反演震源機制（Zhao，Helmberger，1994；Zhu，Helmberger，1996），利用寬頻帶近震記錄的體波和面波波形記錄聯(lián)合反演矩張量解，分別擬合體波和面波，具有所需臺站少、反演結(jié)果對速度模型和地殼結(jié)構(gòu)橫向變化的依賴性相對較小等優(yōu)點，并且可給出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

地震研究40卷第1期李國佑等：2014年10月2日青海烏蘭51級地震震源機制、震源深度的確定（鄭勇等，2009；黃建平等，2009）。該方法近年來得到了廣泛的應(yīng)用，曾反演了2008年汶川地震余震、2008年8月30日攀枝花—會理61級地震、2010年玉樹70地震、2010年河南太康46級地震、2013年中哈交界61級地震等中強震的震源機制解（龍鋒等，2010；呂堅等，2011；韓立波等，2012；高朝軍等，2013），得到了廣泛的應(yīng)用?？紤]到該區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究尚不詳細，震源機制解反演過程中采用Crust 10模型，該模型在全球尺度上提供了1°×1°分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)，分辨精度與結(jié)果比較可靠。

操作過程中，去除觀測數(shù)據(jù)中的儀器響應(yīng)，旋轉(zhuǎn)得到徑向、切向和垂向的地動位移。為了消除速度結(jié)構(gòu)橫向變化的影響，對Pnl波和面波波形分別通過005～02 Hz和005～01 Hz的4階Butterworth帶通濾波器壓制噪音。通過頻率-波數(shù)法（F-K）計算格林函數(shù)，進而得到理論地震圖，對理論波形采用與觀測波形相同的分解、濾波規(guī)則。震源參數(shù)采用全空間中格點搜索，對不同的波段數(shù)據(jù)分別做互相關(guān)，得到不同深度上的震源機制和誤差，再根據(jù)誤差的大小確定震源深度，當滿足具有最小誤差值時對應(yīng)的斷層面解即為最佳震源機制解。

利用上述方法，得到最佳震源機制解和震源深度，結(jié)果如圖2（采用下半球投影）所示。圖2a為烏蘭51級地震震源機制解及波形擬合圖，灰色虛線表示理論地震圖，黑線表示實際觀測地震，其下的數(shù)字分別表示理論地震圖相對觀測地震圖的相對移動時間和二者的相關(guān)系數(shù)，波形左側(cè)的文字分別為震中距、臺站名、方位角（°）。由圖可見，波形擬合互相關(guān)系數(shù)多數(shù)在90%以上，這表明波形Pnl和Snl部分都有較好的對應(yīng)關(guān)系。圖2b為反演誤差隨深度的變化以及不同震源深度下搜索的機制解所對應(yīng)的誤差，由圖可以看出當深度為16 km時誤差最小，此深度以及對應(yīng)的震源機制解即為所求的解。其中，節(jié)面I走向279°、傾角48°、滑動角81°；節(jié)面Ⅱ走向112°、傾角43°、滑動角100°，矩震級MW505，最佳矩心深度15 km，表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)。對比中國地震局地球物理研究所（CEA-IGP）給出的本次MS51主震震源機制解參數(shù)（表1），本文獲得結(jié)果與其比較接近，說明本文反演結(jié)果是比較可靠的。

結(jié)果來源節(jié)面Ⅰ節(jié)面ⅡP軸T軸B軸走向滑動傾角走向滑動傾角方位傾角方位傾角方位傾角CEA-IGP287°80°47°121°101°44°24°2°126°83°294°7°本文279°81°48°112°100°43°15°3°127°83°285°7°

13采用sPn震相確定震源深度

震源深度是震源信息中最不易測準的參數(shù)，地震臺站記錄越少，震源深度的誤差往往越大。研究表明，可以利用深度震相來提高震源深度的測定精度（Langston，1987，1994；Saikia，2000；韋生吉等，2009；崇加軍等，2010；羅艷等，2010；韓立波等，2012）。謝祖軍等（2012）利用近震波形資料，采用CAP方法反演了2011年1月19日安徽安慶ML48地震的震源機制解，然后結(jié)合P、sP、pP和sPmP等深度震相對震源深度進行了精確確定。深度震相sPn是測定近距離（Δ<1 000 km）地震震源深度比較實用的震相之一，任克新等（2004）利用其確定了2003年內(nèi)蒙古60級地震的震源深度。張瑞青等（2008）首次嘗試用滑動時窗相關(guān)法識別sPn震相，給出了2008年汶川地震后17個MS≥50余震的震源深度，進一步討論了龍門山斷裂、平武—青川斷裂的特征。

由圖2b可知，震源機制解節(jié)面參數(shù)在深度范圍13～17 km之間偏差較小，為進一步確認震源深度結(jié)果的可靠性，利用深度震相sPn與參考震相Pn對深度進行進一步分析。深度震相sPn出現(xiàn)在Pn與Pg震相之間，主要出現(xiàn)在300～800 km震中距范圍內(nèi)，其形成的原因為殼內(nèi)地震原生S波的SV成分在地表震中附近反射轉(zhuǎn)換為P波，轉(zhuǎn)換后的P波入射到莫霍面時，當入射角為臨界角時，可形成sPn波，其振幅和周期均大于Pn波，若初動清晰，sPn波與Pn波反向。sPn與Pn波到時差僅隨震源深度增加而增加，并不隨震中距變化，可根據(jù)這個特征測定震源深度。我們在震中距為300～400 km的部分臺站觀察到了清晰的sPn波（圖3），部分臺站因為其它震相淹沒或干擾等原因未能準確識別。

為了提高sPn-Pn到時差測定的準確性，本文利用滑動時窗相關(guān)法提取sPn震相，挑選7個臺站初動一致向上、清晰可辨的垂直向記錄，根據(jù)Pn/sPn的優(yōu)勢頻率，經(jīng)過低通濾波，然后以01 s為步長，利用滑動時窗相關(guān)法計算兩條波形文件的相關(guān)系數(shù)，對所有波形文件做兩兩相關(guān)，將相關(guān)系數(shù)相加，最后獲取兩個相關(guān)系數(shù)最高的點的時間差，即我們所需要的sPn和Pn震相到時差。根據(jù)sPn和Pn震相到時差，以及相應(yīng)的區(qū)域速度結(jié)構(gòu)，代入到震源深度計算公式中，測定出該事件的震源深度。

經(jīng)過上述處理，7個臺站Pn波初對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為099（圖4）。在Pn初至后約53 s，可明顯追蹤到一周期較大、初至向下的震相，對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為090根據(jù)sPn波特征及與Pn 震相之間相同的走時差，表明此震相即為sPn震相，與手動標注相近，但更為穩(wěn)定可靠。

對于一維多層地殼速度模型，sPn與Pn之間的走時差（洪星等，2006）可表示為

其中，h為震源深度，Hn為第n層地殼的厚度，VPM為莫霍界面的P波速度，震源位于第i層內(nèi)，VPn和VSn分別是第n層的P波和S波速度。

利用sPn與Pn走時差確定震源深度，其誤差主要源自sPn-Pn走時差的測定誤差和震源附近一維速度模型的誤差，本文的地殼模型主要源自Crust 10及王有學(xué)和錢輝（2000）研究成果。利用Crust 10模型下，計算的震源深度為1473 km；利用王有學(xué)和錢輝（2000）的研究成果，計算的震源深度為1483 km，兩者差別僅為01 km，且與CAP反演結(jié)果相一致，進一步驗證了CAP方法在深度約束上的可靠性。

2結(jié)論

采用CAP方法反演得到了2014年10月2日烏蘭51級地震的震源機制解，節(jié)面I走向279°、傾角48°、滑動角81°；節(jié)面Ⅱ走向112°、傾角43°、滑動角100°，最佳矩心深度為15 km，為逆沖型地震。利用滑動時窗相關(guān)法提取sPn深度震相，通過一維多層地殼速度模型計算了本次地震的震源深度，與CAP反演結(jié)果相差小于05 km。

本次地震發(fā)生在強震記錄較少的柴達木盆地東部地區(qū)，該區(qū)是東昆侖、祁連山與柴達木盆地基底、共和盆地基底共同作用的構(gòu)造體系復(fù)合部位，主要由南邊的柴達木南緣斷裂和北邊的柴達木北緣斷裂以及它們之間的一系列逆沖推覆構(gòu)造所組成。研究顯示烏蘭地震震源機制解兩個節(jié)面傾角參數(shù)均為45°左右的，是一個傾角較高的逆沖型地震，該地震余震不豐富，僅有10次左右ML1～2小震，是個典型的孤立型地震。目前缺乏對震中區(qū)附近活動構(gòu)造的詳細研究，周邊較大的斷裂有柴達木盆地南緣斷裂，其東端距該地震震中約35 km，兩者的具體關(guān)系需要進一步研究。

相關(guān)圖件用GMT繪制，審稿專家給予了不少指導(dǎo)，在此表示感謝。

參考文獻：

崇加軍，倪四道，曾祥方2010sPL，一個近距離確定震源深度的震相[J].地球物理學(xué)報，53（11）：2620-2630

鄧起東，張培震，冉勇康，等2002中國大陸活動構(gòu)造基本特征[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，32（12）：1020-1030

高朝軍，夏愛國，張琳琳20132013年1月29日中哈交界MS61地震震源機制解與發(fā)震斷層研究[J].內(nèi)陸地震，27（4）：303-310

韓立波，蔣長勝，包豐20122010年河南太康MS46地震序列震源參數(shù)的精確確定[J].地球物理學(xué)報，55（9）：2973-2981

洪星，葉雯燕，邵榮平，等2006臺灣海峽南部一次50級地震的sPn震相分析[J]地震地磁觀測與研究，27（3）：26-31

黃建平，倪四道，傅容珊，等2009綜合近震及遠震波形反演2006文安地震（MW51）的震源機制解[J].地球物理學(xué)報，52（1）：120-130

龍鋒，張永久，聞學(xué)澤，等20102008年8月30日攀枝花-會理61級地震序列ML≥40事件的震源機制解[J].地球物理學(xué)報，53（12）：2852-2860

呂寶鳳，張越青，楊書逸2011柴達木盆地構(gòu)造體系特征及其成盆動力學(xué)意義[J].地質(zhì)論評，57（2）：167-174

呂堅，鄭勇，馬玉虎，等20112010年4月14日青海玉樹MS47、 MS71、MS63地震震源機制解與發(fā)震構(gòu)造研究[J].地球物理學(xué)進展，26（5）：1600-1606

羅艷，倪四道，曾祥方，等2010汶川地震余震區(qū)東北端一個余震序列的地震學(xué)研究[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，40（6）：677-687

任克新，鄒立曄，劉瑞豐，等2004用sPn 計算內(nèi)蒙地震的震源深度[J].地震地磁觀測與研究，25（3）：24-31

宋春暉2006青藏高原北緣新生代沉積演化與高原構(gòu)造隆升過程[D].蘭州：蘭州大學(xué)

王有學(xué)，錢輝2000青海東部地殼速度結(jié)構(gòu)特征研究[J].地學(xué)前緣，7（4）：568-579

韋生吉，倪四道，崇加軍，等20092003年8月16日赤峰地震：一個可能發(fā)生在下地殼的地震？[J].地球物理學(xué)報，52（1）：111-119

謝祖軍，鄭勇，倪四道，等20122011年1月19日安慶ML48地 震的震源機制解和深度研究[J].地球物理學(xué)報，55（5）：1624-1634

尹安2001喜馬拉雅-青藏高原造山帶地質(zhì)演化——顯生宙亞洲大陸生長[J].地球?qū)W報，22（3）：193-255

張培震，鄧起東，張國民2003中國大陸的強震運動與活動地塊[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，33（增刊1）：12-20

張瑞青，吳慶舉，李永華，等2008汶川中強余震震源深度的確定及其意義[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，38（10）：1234-1241

鄭勇，馬宏生，呂堅，等2009汶川地震強余震（MS≥56）的震源機制解及其與發(fā)震構(gòu)造的關(guān)系[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，39（4）：413-426

CLARK M K，ROYDEN L H2000Topographic ooze：Building the eastern margin of Tibet bylower crustal flow[J].Geology，28（8）：703-706

LANGSTON C A1987Depth of faulting during the 1968 Meckering，Australia，earthquake sequence determined from waveform analysis of local seismograms[J].JGR，92（B11）：11511-11561

LANGSTON C A1994An integrated study of crustal structure and regionalwave propagation for southeastern Missouri[J].BSSA，84（1）：105-118

SAIKIA C K2000A method for path calibration using regional and teleseismic broadband seismograms：Application to the 21 May 1997 Jabalpur，India earthquake（MW58）[J].Current Science Bangalore，79（9）：1301-1315

TAPPONNIER P，MOLNAR P1976Slip-line field theory and large-scale continental tectonicsNature 264（5584）：319-324

ZHAO L S，HELMBERGER D V1994Source estimation from broadband regional seismograms[J].BSSA，84（1）：91-104

ZHU L P，HELMBERGER D V1996Advancement in source estimation techniques using broadband regional seismograms[J].BSSA，86（5）：1634-1641