SEIS-CAP軟件快速反演山西地區(qū)2016年3次ML>4.5地震震源機(jī)制解的研究

王卓君，張 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

震源機(jī)制解是地震發(fā)生后除定位外，地震分析研究關(guān)鍵的產(chǎn)出，在后續(xù)趨勢(shì)判斷、應(yīng)急救災(zāi)等過(guò)程中發(fā)揮重要作用。震源機(jī)制解可以反映區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，是研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的基礎(chǔ)資料。目前常用的求解方法有P波初動(dòng)法、振幅比法、P波初動(dòng)聯(lián)合振幅比法、矩張量反演法、CAP全波形反演法等，這些方法的研究結(jié)果為多次地震發(fā)生機(jī)理做出較合理的解釋[1-7]。

SEIS-CAP軟件是基于CAP方法的震源機(jī)制解交互反演軟件，于2015年在山西臺(tái)網(wǎng)試運(yùn)行，主要應(yīng)用于ML3.5以上地震震源機(jī)制解的測(cè)定。在SEIS-CAP軟件的日常使用中，滿足震中距和信噪比條件的臺(tái)站較多，需要根據(jù)反演結(jié)果手動(dòng)挑選臺(tái)站，每次增減臺(tái)站后都需重新計(jì)算，耗費(fèi)了大量時(shí)間。為縮短震源機(jī)制解計(jì)算時(shí)間，滿足速報(bào)地震發(fā)生后快速測(cè)定震源機(jī)制解的需求，該研究收集山西地區(qū)2016年3次ML>4.5地震的近震波形數(shù)據(jù)和震相文件，使用SEIS-CAP軟件，讓滿足條件的臺(tái)站全部參與震源機(jī)制解反演，將反演結(jié)果與經(jīng)過(guò)臺(tái)站挑選后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 計(jì)算原理和反演模型

CAP(Cut And Paste)方法是由Zhao和Helmberger提出，Zhu和Helmberger進(jìn)行了改進(jìn)的全波形反演震源機(jī)制解的方法[8-9]。該方法的主要思想是將近震觀測(cè)波形分解成Pnl和面波部分進(jìn)行分別擬合，對(duì)3個(gè)斷層面參數(shù)(走向、滑動(dòng)角、傾角)，在各自的取值區(qū)間進(jìn)行格點(diǎn)取值，并計(jì)算理論地震圖，將理論地震圖與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行擬合，波形擬合最好的一組參數(shù)即是求得的震源斷層面解。

CAP方法綜合利用近震中的體波和面波信息，分別對(duì)Pnl和面波賦以不同權(quán)重，運(yùn)用Pnl和面波的振幅比，對(duì)地震深度及機(jī)制解有更好的約束；其引入距離影響因子，避免反演主要受最近臺(tái)站記錄影響；在誤差定義中使用絕對(duì)振幅而不是歸一化振幅，更好地識(shí)別震相的節(jié)面(nodal)，避免振幅歸一化帶來(lái)的其他局部最小值解，獲取更準(zhǔn)確的機(jī)制解。

CAP方法在計(jì)算理論波形時(shí)，先用F-K方法在給定速度模型下計(jì)算各個(gè)臺(tái)站位置的格林函數(shù)，然后由震源函數(shù)和格林函數(shù)合成理論波形。對(duì)于中小地震采用點(diǎn)源假設(shè)，震源時(shí)間函數(shù)直接取δ函數(shù)。由于CAP方法對(duì)速度結(jié)構(gòu)依賴相對(duì)較小，該文采用與山西臺(tái)網(wǎng)MSDP軟件對(duì)應(yīng)一致的速度模型，即山西2015地殼速度模型(見第9頁(yè)表1)[10-12]。對(duì)于ML<5.5地震，Pnl波部分濾波范圍是0.05～0.20 Hz，面波部分濾波范圍是0.05～0.10 Hz。

表1 反演中使用的地殼速度模型Table 1 Crustal velocity model used in inversion

2 資料收集及運(yùn)算過(guò)程

收集山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄的2016年發(fā)生在山西地區(qū)ML>4.5的3個(gè)地震的波形數(shù)據(jù)和震相文件，用SEIS-CAP軟件計(jì)算震源機(jī)制解。圖1為3次地震的震中分布圖與山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)74個(gè)臺(tái)站分布圖。

圖1 分析選取3個(gè)地震的震中與山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖Fig.1 The distribution of epicenters of three selected earthquakes and the shanxi seismograph stations

計(jì)算步驟如下：

(1) 將3個(gè)地震事件的PHA格式震相文件放在MSDP軟件相關(guān)目錄下，使用MSDP打開EVT格式的地震波形，震相文件自動(dòng)加載在波形上，使用HYPO2000或單純型法定位，得到較準(zhǔn)確的震中位置。

(2) 將MSDP定位時(shí)生成的PHASE格式震相文件放到SEIS-CAP軟件相關(guān)目錄下，使用SEIS-CAP打開EVT格式的地震波形，則震相文件自動(dòng)加載在波形上。因使用的震相文件為編目正式結(jié)果，故臺(tái)站記錄均已標(biāo)注準(zhǔn)確的初至P波到時(shí)，無(wú)需重新標(biāo)注震相。選擇計(jì)算CAP反演，地震定位參數(shù)自動(dòng)加載，手動(dòng)輸入MS震級(jí)。臺(tái)站記錄的信噪比下限設(shè)為1.2。

(3) 選擇震中距200 km以內(nèi)的近臺(tái)全部參與反演，得到震源機(jī)制解參數(shù)和震源機(jī)制解圖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為論證該方法求解震源機(jī)制解是否可靠，采用對(duì)比分析的方法對(duì)這3次ML4.5以上(下文提到的震級(jí)均指ML震級(jí))地震的震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

(1) 鹽湖4.8級(jí)地震。

鹽湖4.8級(jí)地震發(fā)生在2016年3月12日11時(shí)14分，震中位于運(yùn)城盆地鹽湖北岸斷裂附近。有學(xué)者對(duì)此次地震的震源機(jī)制解進(jìn)行求解，結(jié)果顯示此次地震的錯(cuò)動(dòng)方式為走滑兼逆沖[13-14]。本文使用SEIS-CAP方法對(duì)此次地震的震源機(jī)制解進(jìn)行計(jì)算，在不做臺(tái)站挑選的情況下，共有19個(gè)臺(tái)站參與反演，得到擬合誤差最小的一組機(jī)制解如第10頁(yè)圖2所示。擬合曲線光滑，結(jié)果穩(wěn)定，機(jī)制解類型或結(jié)果未出現(xiàn)突跳變化，在震源深度12.2 km處擬合誤差最小。

理論波形與實(shí)際記錄波形匹配較好，在19個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占66%，擬合效果較理想。臺(tái)站投影到震源球上的位置如第10頁(yè)圖3所示，大多數(shù)P波初動(dòng)向上的臺(tái)站位于震源球的陰影區(qū)，初動(dòng)向下的臺(tái)站位于震源球的空白區(qū)，表明此震源機(jī)制結(jié)果是可靠的。

為進(jìn)行對(duì)比，從19個(gè)臺(tái)站中選取波形擬合互相關(guān)系數(shù)較高，且臺(tái)站方位角分布均勻的8個(gè)臺(tái)站參與反演，得到一組結(jié)果穩(wěn)定的震源機(jī)制解。觀測(cè)波形與理論波形擬合曲線如第10頁(yè)圖4所示。在8個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占71%，與未做臺(tái)站挑選得到的結(jié)果接近。

臺(tái)站挑選前后得到的震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)以及他人使用CAP方法反演得到的結(jié)果顯示，臺(tái)站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)相近，與他人使用CAP方法得到的結(jié)果也基本一致(見第10頁(yè)表2)。臺(tái)站挑選后的波形擬合互相關(guān)系數(shù)未明顯提高，是因?yàn)榕_(tái)站挑選時(shí)不能僅選擇互相關(guān)系數(shù)高的臺(tái)站，要考慮所選臺(tái)站圍繞震中均勻分布，有些互相關(guān)系數(shù)較高但方位角分布重合的臺(tái)站會(huì)舍棄。

(2) 原平4.7級(jí)地震。

原平4.7級(jí)地震發(fā)生在2016年4月7日4時(shí)49分，微觀震中位于忻定斷陷盆地的原平凹陷內(nèi)。在不做臺(tái)站挑選的情況下，使用滿足條件的32個(gè)臺(tái)站來(lái)反演計(jì)算，在震源深度12 km處得到最佳震源機(jī)制解(見第11頁(yè)圖5)，擬合曲線光滑，結(jié)果穩(wěn)定。在32個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占81%，擬合效果理想。臺(tái)站投影到震源球上的位置如第11頁(yè)圖6所示，絕大多數(shù)臺(tái)站的P波初動(dòng)向上，臺(tái)站多數(shù)位于震源球的陰影區(qū)或者陰影區(qū)和空白區(qū)交界附近，BOD和SHC兩個(gè)臺(tái)站的P波初動(dòng)向下，位于震源球的空白區(qū)，表明震源機(jī)制結(jié)果與P波初動(dòng)方向較吻合，結(jié)果可信。

圖2 參與反演的震中周圍臺(tái)站分布和鹽湖4.8級(jí)地震的震源機(jī)制解深度搜索圖Fig.2 The distribution of stations around the epicentre involved in inversion and the depth searching diagram of focal mechanism solution of the Salt Lake 4.8-magnitude earthquake

圖3 鹽湖4.8級(jí)地震臺(tái)站在震源球中的位置分布圖Fig.3 Location distribution of stations in the source sphere of the Salt Lake 4.8 earthquake

圖4 鹽湖4.8級(jí)地震觀測(cè)波形與理論波形擬合圖Fig.4 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

表2 鹽湖4.8級(jí)地震震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)Table 2 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

從32個(gè)臺(tái)站中選取波形擬合互相關(guān)系數(shù)較高，且臺(tái)站方位角分布均勻的8個(gè)臺(tái)站參與反演，得到一組結(jié)果穩(wěn)定的震源機(jī)制解。觀測(cè)波形與理論波形擬合曲線如第11頁(yè)圖7所示，在8個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占91%，優(yōu)于未做臺(tái)站挑選擬合的結(jié)果。

臺(tái)站挑選前后得到的震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)以及他人使用CAP方法反演得到的結(jié)果顯示，臺(tái)站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)相近，與他人使用CAP方法得到的結(jié)果非常接近(見表3)；與矩張量反演得到的結(jié)果有一些差異[15-16]，但震源機(jī)制性質(zhì)一致，節(jié)面參數(shù)基本趨勢(shì)一致，總體上具有可比性；存在差異的主要原因是2種方法的原理不同。震源機(jī)制解結(jié)果表明，此次地震的錯(cuò)動(dòng)方式為正斷兼走滑。

圖5 參與反演的震中周圍臺(tái)站分布和原平4.7級(jí)地震的震源機(jī)制解深度搜索圖Fig.5 The distribution of stations around the epicentre involved in inversion and the depth searching diagram of focal mechanism solution of Yuanping ML 4.7 earthquake

圖6 原平4.7級(jí)地震臺(tái)站在震源球中的位置分布圖Fig.6 Location distribution of stations in the source sphere of Yuanping ML 4.7 earthquake

表3 原平4.7級(jí)地震震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)Table 3 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Yuanping ML 4.7 earthquake

圖7 原平4.7級(jí)地震觀測(cè)波形與理論波形擬合圖Fig.7 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Yuanping ML 4.7 earthquake

(3) 清徐4.6級(jí)地震。

清徐4.6級(jí)地震發(fā)生在2016年12月18日11時(shí)8分，震中位于太原盆地內(nèi)的田莊斷裂附近。在不做臺(tái)站挑選的情況下，使用滿足條件的35個(gè)臺(tái)站來(lái)反演計(jì)算，在震源深度18.2 km處得到最佳震源機(jī)制解(見圖8)，擬合曲線光滑，結(jié)果穩(wěn)定。在35個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占75%，擬合效果理想。臺(tái)站投影到震源球上的位置如圖9所示，P波初動(dòng)向上的臺(tái)站多數(shù)位于震源球陰影區(qū)和空白區(qū)交界附近，P波初動(dòng)向下的臺(tái)站全部位于震源球的空白區(qū)，震源機(jī)制結(jié)果與P波初動(dòng)方向基本吻合，結(jié)果可信。

從35個(gè)臺(tái)站中選取波形擬合互相關(guān)系數(shù)較高，且臺(tái)站方位角分布均勻的8個(gè)臺(tái)站參與反演，得到一組結(jié)果穩(wěn)定的震源機(jī)制解。觀測(cè)波形與理論波形擬合曲線如圖10所示。在8個(gè)臺(tái)站中，體波和面波各部分波形擬合互相關(guān)系數(shù)大于60%的占89%，優(yōu)于未做臺(tái)站挑選擬合的結(jié)果。

臺(tái)站挑選前后得到的震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)以及他人使用CAP方法反演得到的結(jié)果顯示，臺(tái)站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)相近，與他人使用CAP方法得到的結(jié)果非常接近[17](見第13頁(yè)表4)，結(jié)果可信。震源機(jī)制解結(jié)果表明，此次地震的錯(cuò)動(dòng)方式為正斷兼走滑。

圖8 參與反演的震中周圍臺(tái)站分布和清徐4.6級(jí)地震的震源機(jī)制解深度搜索圖Fig.8 The distribution of stations around the epicentre involved in inversion and the depth searching diagram of focal mechanism solution of Qingxu ML 4.6 earthquake

圖9 清徐4.6級(jí)地震臺(tái)站在震源球中的位置分布圖Fig.9 Location distribution of stations in the source sphere of Qingxu ML 4.6 earthquake

4 結(jié)論與討論

用SEIS-CAP軟件快速反演山西地區(qū)2016年3次ML>4.5地震的震源機(jī)制解。在不做臺(tái)站挑選的情況下，使用震中距200 km范圍內(nèi)，信噪比大于1.2的所有臺(tái)站進(jìn)行震源機(jī)制解快速反演。將此方法測(cè)定的震源機(jī)制解結(jié)果與經(jīng)過(guò)臺(tái)站挑選后得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并與他人對(duì)這3次地震測(cè)定的震源機(jī)制解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論如下：

圖10 清徐4.6級(jí)地震觀測(cè)波形與理論波形擬合圖Fig.10 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Qingxu ML 4.6 earthquake

表4 清徐4.6級(jí)地震震源機(jī)制解節(jié)面參數(shù)Table 4 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Qingxu ML 4.6 earthquake

(1) 對(duì)于山西地區(qū)ML>4.5的地震，使用SEIS-CAP軟件對(duì)震中距200 km范圍內(nèi)，信噪比大于1.2的所有臺(tái)站進(jìn)行震源機(jī)制解反演的方法可行。臺(tái)站挑選前后得到的震源機(jī)制結(jié)果接近，與他人研究3次地震的結(jié)果基本一致。ML4.5以上地震發(fā)生后，在準(zhǔn)確標(biāo)注200 km范圍內(nèi)臺(tái)站初至P波到時(shí)并定位的基礎(chǔ)上，快速反演震源機(jī)制解。該方法省略手動(dòng)挑選臺(tái)站的步驟，節(jié)省大量時(shí)間，消除挑選臺(tái)站時(shí)人為因素的影響，提高震源機(jī)制解計(jì)算的速度和結(jié)果的唯一性。

(2) 使用SEIS-CAP軟件反演得到的2016年3次ML>4.5地震的震源深度依次為12.2 km、12 km和18.2 km，該結(jié)果與山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一編目得到的結(jié)果12 km、14 km和18 km基本一致，證明運(yùn)用該方法得到的震源機(jī)制結(jié)果可信。殷偉偉等[9]建立山西2015一維地殼速度模型指出，山西地區(qū)上地殼平均厚度為21 km。山西地區(qū)2016年3次ML>4.5地震分別發(fā)生于山西斷陷帶內(nèi)運(yùn)城盆地、忻定盆地和太原盆地內(nèi)部，均發(fā)生于上地殼，表明山西斷陷帶盆地內(nèi)部的地震主要發(fā)生于上地殼，可能與山西斷陷盆地受剪切拉張作用，盆地下方地殼減薄，脆性破裂區(qū)變淺有關(guān)。

(3) 由山西地區(qū)2016年3次ML>4.5地震的震源機(jī)制節(jié)面解結(jié)果看出，山西斷陷帶以正斷性質(zhì)的斷層為主，同時(shí)也存在走滑兼逆沖的局部構(gòu)造。3次地震的震源機(jī)制結(jié)果符合山西斷陷帶北東向擠壓，北西向拉張的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征[18]。

需要指出的是，該文提出的使用SEIS-CAP軟件不做臺(tái)站挑選快速反演震源機(jī)制解的方法只適用于ML>4.5地震。對(duì)于ML<4.5的地震，震中附近臺(tái)站的信噪比相對(duì)較低，波形擬合相對(duì)較差，不做臺(tái)站挑選就無(wú)法得到穩(wěn)定的震源機(jī)制解，仍需手動(dòng)挑選波形擬合較好，方位角分布均勻的臺(tái)站進(jìn)行求解。