廣西蒼梧Ms5.4級地震震源機制解與震源深度

姚海東，尹欣欣,沈 平，蒲 舉

(1.湖南省地震局，湖南 長沙 410004; 2.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000)

震源深度作為地震時空的一個基本參數(shù)是目前最難準確測定的參數(shù)之一。而震源深度的準確測定關(guān)系到對震源過程、斷層構(gòu)造和應(yīng)力場作用等一系列重要問題的正確認識。對于較大地震，震源深度的準確測定是震源烈度判斷的一個重要參考因素。地震定位中，由于位于上下方向上的地震臺站較少，因此深度定位不像水平位置定位那么精確。區(qū)域地震臺網(wǎng)通?；谝痪S速度模型，采用Pg(Sg)和Pn(Sn)震相進行地震定位。由于Pn(Sn)傳播距離遠，震相走時易受地殼介質(zhì)橫向不均勻性的影響，所以基于Pg(Sg)震相的地震定位，只有在近臺數(shù)量足夠和臺站方位覆蓋較好的情況下才能獲得較高精度的震源深度值。在臺網(wǎng)相對稀疏的情況下，由于缺少足夠數(shù)量的近臺資料，使得常規(guī)定位方法確定的震源深度值精度較低。目前，由于絕大多數(shù)臺網(wǎng)布局較疏，使用直達P波測定震源深度是無法得出精確結(jié)果的。我們利用廣西梧州市蒼梧(24.08°N，111.56°E)發(fā)生的MS5.4級地震觀測數(shù)據(jù)來測定震源深度。中國地震臺網(wǎng)于2016年7月31日測定，廣西梧州市蒼梧(24.08°N，111.56°E)發(fā)生MS5.4級地震，震源深度10 km。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

廣西絕大部分地區(qū)在晚三疊世以前經(jīng)歷了海水覆蓋的漫長地質(zhì)歷史時期，其中晚古生代到中三疊世也有相對隆起和相對凹陷的區(qū)域，隆起區(qū)有的長期露出水面為剝蝕區(qū)，凹陷區(qū)則接受沉積。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展演化歷史及區(qū)域構(gòu)造特征的不同，可將廣西劃分為一個一級構(gòu)造單元，即廣西一級構(gòu)造單元屬華南板塊范疇，2個二級構(gòu)造單元(揚子陸塊、華南活動帶),7個三級構(gòu)造單元和19個四級構(gòu)造單元。蒼梧位于云升隆起，云升隆起是三級構(gòu)造單元，位于桂東南蒼梧、北流、岑溪、陸川、博白等縣與廣東交界的云開大山一帶，呈北東向展布，西北側(cè)以博白—岑溪深斷裂為界。廣西境內(nèi)地震活動斷裂帶有北東向、北西向、北北東向、北北西向、近南北向和近東西向6組，其中以北東向、北西向2組為主。北西向、北東向的多組斷裂控制著廣西地震的發(fā)生，地震震中位于防城—靈山斷裂附近，防城—靈山是早中更新世斷裂。其中，北西向的百色—合浦斷裂帶、巴馬—博白斷裂帶、南丹—昆侖關(guān)斷裂和北東向的防城—靈山斷裂帶、合浦—北流斷裂帶、桂林—南寧斷裂帶等為主要的活動斷裂帶，歷史上幾次震級較大的地震就發(fā)生在這些斷裂帶附近。

本次蒼梧地震位于防城—靈山斷裂附近，防城—靈山斷裂帶是斜貫桂東南的一條規(guī)模較大的區(qū)域性北東向斷裂帶。斷裂帶的西南始于越南的先安，經(jīng)廣西的防城、欽州、靈山至平南的大安，由多條走向40°～50°，大致平行的一組復(fù)雜斷裂組成，呈舒緩波狀延伸，總長約350 km,，寬5～10 km,總體呈NE-NEE走向。該斷裂帶在大地構(gòu)造上構(gòu)成了欽州華力西褶皺帶的西北邊界，帶內(nèi)動力變質(zhì)作用強烈，巖漿活動較弱。斷裂帶強烈活動期為印支—燕山運動期間，喜山運動以來其活動性漸趨減弱，新構(gòu)造時期有一定程度的活動(周本剛,2008)。防城—靈山斷裂帶是一條中、強地震活動帶，自有記載以來，沿防城—靈山斷裂帶曾發(fā)生過4次5級以上的地震，最大地震為1936年4月1日發(fā)生在廣西靈山東北的63/4級地震(陳國達，1939)，而靈山以北現(xiàn)今中小地震相對密集。

2 CAP方法簡介與計算結(jié)果

2.1 方法簡介

CAP方法相對以往的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(jié)果對速度模型和地殼結(jié)構(gòu)橫向不均勻性依賴較小的特點，目前國內(nèi)的一些研究結(jié)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,1994；Zhu,1996；龍鋒,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：

s(t)=M0(t)

(1)

式中，i=1,2,3時分別對應(yīng)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)，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：

u(t)=s(t)

(2)

可定義一個如下的誤差目標函數(shù)來衡量s與u的差異：

(3)

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，參考前人研究的經(jīng)驗(呂堅，2012)，在一般情況下體波可給定P=1.0、面波P=0.5。該方法將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波兩個部分進行反演并允許相對浮動，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，提高了Pnl的權(quán)重，且對地震深度有比較好的約束。

2.2 數(shù)據(jù)處理與計算結(jié)果

表1 速度模型

選取廣西、廣東和湖南區(qū)域測震臺網(wǎng)14個寬頻帶數(shù)字地震臺站的波形記錄參與反演，臺站分布如圖2所示，震中距在50～600 km范圍內(nèi)，且波形記錄信噪比較高。所使用的地震觀測儀器型號包括BBVS-60、CMG-3ESPC、CTS-1和BBVS-120等型號。觀測頻帶為60 s～50 Hz或120 s～50 Hz，采樣率均為100 Hz，高信噪比的數(shù)字地震資料為本研究的開展奠定了好的基礎(chǔ)。在計算之前，對數(shù)據(jù)進行了去均值、去除儀器響應(yīng)、歸一化和濾波的數(shù)據(jù)處理，速度模型選擇CRUST2.0全球速度模型表(具體參數(shù)參見表1)，計算以后得到最終結(jié)果(參見表2)，對比CENC的結(jié)果，兩者的差距較小，說明本文計算結(jié)果是比較可靠的，震源機制解結(jié)果參見圖1。

表2 震源機制解對比

圖1 震源機制解參數(shù)

圖2 用于計算的14個臺站分布

圖3 最佳震源深度時CAP方法反演波形擬合對比

3 sPn震相計算震源深度

震相sPn是測定近距離(Δ<1 000 km)淺源地震震源深度數(shù)值的比較實用的震相。設(shè)震源不在地表(h≠0)，為了簡化描述，設(shè)地殼為雙層(參見圖5)。當?shù)卣鸢l(fā)生在地殼內(nèi)時，S波射線入射地表并反射轉(zhuǎn)換為P波后入射到Moho面，當入射角為臨界角時，形成Pn波， 由于它是由S波轉(zhuǎn)換而來， 故記為sPn波，其射線傳

圖4 最佳震源深度

圖5 雙層地殼模型sPn震相傳播路徑

播路徑如圖5。雖然其動力學特征保持橫波性質(zhì)振幅和周期均大于縱波，但最終以縱波形式出現(xiàn)在地震記錄上，所以垂直分向顯示清晰，其振幅和周期均大于Pn。sPn震相是出現(xiàn)在Pn與Pg間(尹欣欣等，2013；Chenetal，2016；尹欣欣等，2017；呂俊強等，2016)。現(xiàn)以雙層地震模型理論計算sPn與Pn的到時差。vs1、v1分別表示上層地殼內(nèi)S波和P波的傳播速度，v2表示下地殼內(nèi)波的傳播速度，v3表示Pn波的傳播速度，h為震源深度，由Snell定律可推出其到時差為:

(4)

圖6 波形對比分析圖

根據(jù)華南地區(qū)地震波走時差地殼模型可以推出：v1=6.01 km/s，vs1=3.55 km/s，v3=7.98 km/s，則K=2.724。即震源在上地殼的深度:h=2.724。sPn的震相特征是到時差與震中距無關(guān)，僅與震源深度有關(guān)。根據(jù)sPn震相這一性質(zhì),來尋找sPn震相，由于噪聲信號干擾和人工量取震相誤差，故將7個臺站記錄的Pn和sPn震相走時差平均值3.7 s作為震相分析如圖6，代入公式計算震源深度為10.1 km。

4 討論與結(jié)論

本文利用CAP震源機制解方法選取14個測震臺波形反演了廣西蒼梧MS5.4級地震，結(jié)合廣西地區(qū)構(gòu)造背景，歷史地震震源機制參數(shù)以及余震分布特征，確定主軸參數(shù)為走向340°，傾角19°，滑動角-18°，最優(yōu)深度解為9.2 km，對比其他結(jié)果CENC結(jié)果除深度結(jié)果其他參數(shù)基本一致。從震源機制結(jié)果推斷出該次地震為左旋走滑為主，根據(jù)地震現(xiàn)場宏觀調(diào)查，并結(jié)合地震余震分布和震源機制解的研究，初步判定本次地震的發(fā)震構(gòu)造為NE向的防城—靈山斷裂。防城—靈山斷裂帶是斜貫桂東南的一條規(guī)模較大的區(qū)域性北東向斷裂帶,是一條中、強地震活動帶。為進一步確定深度結(jié)果，本文使用了深度震相sPn方法，利用sPn震相與Pn震相的到時差來計算震源深度結(jié)果為10.1 km,與CAP方法結(jié)果9.2 km基本一致。與震源深度計算比較準確的CAP震源機制最優(yōu)深度解及其他研究機構(gòu)結(jié)果對比，驗證了該方法的可靠性。

致謝：本文所使用的地震波形資料來自于廣西、廣東、湖南數(shù)字地震臺網(wǎng)。文中所有圖件由GMT和Matlab軟件繪制。

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