2013年甘肃岷县MS6．6地震矩张量反演及发震构造初探①

陈继锋，林向东，何新社

（1．中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2．北京市地震局，北京 100080）

0 引言

震源机制解是地震学研究的重要组成部分，对研究地壳应力场、强地面运动模拟、地震灾害评估等方面有着重要的意义。测定震源机制解的方法有多种，比 如 CAP［1］、FOCMEC［2］、TDMT［3］、HASH［4］等，国内外学者在这方面经过系统研究积累了大量宝贵的经验。其中应用矩张量概念对震源物理的研究是当代地震学的一个重要的前沿课题，地震矩张量可以直接从波形记录的反演中获得，既不需要对震源有任何先验的假设，也不需要大量的观测数据，因此在处理中等地震震源机制解中具有明显优势。近年来随着宽频带数字地震仪的广泛应用地震波形记录的质量明显提高，极大地推动了对震源物理过程研究的进展。对于区域性中等地震，由于区域性地震的波形记录包含了有关震源和区域地壳的丰富的信息，利用波形资料研究区域性中小地震的震源机制其结果有助于了解震源区和区域性应力状态以及断层的构造特性，也是理解地震孕育过程的重要途径。

由于中等地震的能量相对较小，通常难以利用远场波形反演地震矩张量解。利用P波初动求震源机制解，当近场没有足够的台站分布时，观测所能提供的初动资料数量以及这些初动点在震源球上分布的均匀程度对结果有相当大的影响，因此获得的震源机制解常常可靠性较差。随着新建的“十五”国家和区域数字地震台网的运行，利用区域震源宽频带记录进行中小地震的震源参数的研究成为近年来一个活跃的研究领域［5－9］。许多研究表明由于区域长周期地震波对速度结构的横向变化及密度的非均匀性相对不敏感，如果震源位置比较准确，地震满足震源的同步，假设波形信噪比高，则用区域范围稀疏台站记录的三分量长周期波形就足以反演得到稳定的矩张量解。另外，由初动得到的机制解仅仅是初始破裂面，由波形反演结果得到的则是整个破裂过程的信息，由于初始破裂方向并不一定与地震的断层错动完全一致，因此矩张量解得到的震源机制结果相对更加完整和可靠［10－11］。

2013年7月22日在甘肃省定西市岷县、漳县交界处发生MS6．6地震，造成了严重的人员和财产损失。震区位于南北地震带北端的甘东南地区，是中强震的多发区，历史上和现今中强地震时有发生，特别是近十年以来在该地区发生了多次5级以上地震，因此也是近年地震监测专注的地区。本文使用震源区“十五”新建的宽频带三分量地震仪波形数据的长周期波形记录，利用TDMT方法［2］在时间域反演本次地震的矩张量解，并与Harvard大学CMT解进行比较，最后结合构造背景分析岷县地震发震成因。

1 研究方法

本文使用了Dreger等［3］提出的利用区域范围长周期体波三分量波形在时间域反演地震矩张量解的TDMT程序，方法原理详见文献［8］。该方法目前在南加州台网及全球多个国家台网中运行以提供近实时地震矩张量解，在我国伽师及汶川地震序列研究中也得到了应用［8］。合成地震图所需的格林函数使用Saikia［12］经改进的离散波数积分方法计算：当使用长周期波形资料时，地震满足震源为点源的假设，震源时间函数直接取δ函数。每个参加反演的台站可以分别使用不同的地壳速度、密度等。

具体反演过程是：首先对观测波形进行去均值去倾校正反褶积仪器传递函数将记录变为实际速度值（m／s），再旋转到Z、R、T分量并积分为位移值。然后对观测资料使用Butterworth带通滤波器滤波到需要的长周期频段（0．016～0．05Hz），以剔除较低频和较高频噪声而不破坏用于矩张量反演的信息。对计算的Green函数也滤波到与观测数据同样的频率范围，最后采用迭代拟合相关系数的方法对观测波形和理论波形进行拟合。

2 数据准备及速度结构处理

近年来随着我国区域台网仪器布设数量剧增数字地震观测数据大量产出，应用这些数字地震资料的研究得到了快速发展，也对地震数据的高质量产出提出了要求。甘肃省地震局在“十五”期间通过新建、改建和升级等手段，在“九五”19个数字测震台站的基础上，建成了一个覆盖全省，拥有44个宽频带台站的数字地震观测台网。Niu等［13］通过对宽频带仪器远场直达波三分量的极性分析检测了全国宽频带地震台在运行期间可能出现的仪器方位角以及初至波极性倒转等问题。2013年5月开始甘肃局对所属44个台站的方位角进行了全面的检查和校正，保障了本研究使用的台站方位角偏差造成的影响。

我们搜集了2013年7月22日岷县MS6．6地震周边300km范围内的所有宽频带波形记录资料，去除限幅和停记等有问题的台站，最终选定了DBT（迭部台）、WDT（武都台）、HZT（合作台）、LTT（临潭台）、WXT（文县台）、JNT（静宁台）6个台站的信噪比较高的宽频带波形记录的资料来反演矩张量解。这6个台基全为基岩山洞观测，仪器选用台站使用BBVS－60型宽频带地震计（频带宽度为50Hz～60s，速度输出平坦）和CMG－3ESPC型宽频带地震计（频带宽度为50Hz～60s，速度输出平坦）。地震数据采集器字长全部为24位，采样率为100。

反演地震矩张量的重要步骤之一是计算格林函数，其计算结果在很大程度上影响反演结果的可靠性，因此速度模型的建立是一件非常基础而关键的工作。本文计算理论地震图使用了Crust2．0的2°×2°分层的速度和密度结构模型［14］，这是一个被广泛使用的模型。作者将该模型与甘肃地区深浅部结构的研究结果［15－16］进行了对比，差别较小。同时由于反演方法使用区域范围长周期的波形数据反演结果对结构的依赖性不强，研究中根据各个台站的位置最终使用了各自台站的速度模型。

3 矩张量反演及结果分析

2013年7月22日在甘肃省定西市岷县与漳县交界处发生MS6．6地震，随后发生MS5．6强余震，截止2013年8月28日共发生余震1 335次。图1为震中附近地震台站分布图，震中最近台站MXT（岷县台）限幅。图2给出了本次地震的波形处理过程。

图1 岷县MS6．6地震震中附近台站分布图Fig．1 Distribution of seismic stations near rhe Minxian MS6．6earthquake epicenter

图3为本次地震的DBT（迭部台）、WDT（武都台）、HZT（合作台）、LTT（临潭台）、WXT（文县台）、JNT（静宁台）6个台实际观测与理论波形以及反演结果双力偶震源机制解得下半球投影，同时绘出了P、T轴。6个台理论波形和实际观测的波形互相关系为93．5%，可见此次地震以逆冲为主，兼具走滑分量的特征。

全球多家研究机构对地震矩张量进行反演研究，其中哈佛大学在此方面被公认为最权威的研究机构，他们对全球绝大部分MW＞4．8地震矩张量作了反演。了进一步分析本文矩张量反演结果的可靠性，本文对比了哈佛大学的结果，数据显示本文的计算结果和哈佛大学的结果十分接近，也与韩立波计算的震源机制解基本一致（图4）。具体参数见表1。

图2 文县台记录的岷县MS6．6地震观测波形的滤波处理Fig．2 The processing procedure of observed waveform of Minxian MS6．6earthquake recorded at Wenxian station as example

图3 理论波形与实际波形拟合及反演结果（实线为记录波形，虚线为理论波形）Fig．3 The inversion results and comparison of the synthetic waveforms with the observed waveforms（Solid line represents observed data，dashed line represents the synthetic waveform）

表1 岷县MS6．6地震双力偶震源机制解Table 1 The double－couple focal mechanism for Minxian MS6．6earthquake

图4 岷县MS6．6地震双力偶震源机制解比较Fig．4 Comparison of three double－couple focal mechanisms for the MS6．6event

在计算理论格林函数时，震源深度将影响理论地震图的形态，进而在一定程度上影响震源机制的反演结果。为了减少震源深度的误差对矩张量解的影响，我们在深度上进行了迭代，反演了若干个深度上的地震矩张量解，以波形拟合误差最小的震源深度和相应的矩张量解作为最佳结果。这样在对初始震源深度进行评价和校正的同时得到了最佳的矩张量解。从图5可以看出震源深度的变化对拟合误差具有一定的影响，在不同的深度，方差减小VR值变化很明显，有显著的高值点，即为本次地震破裂的矩心位置8km。然而在很宽的深度范围反演结果都比较稳定，表明了方法的稳定性。

4 讨论与结论

（1）本文利用甘肃省测震台网记录的三分量宽频带波形资料反演了2013年7月22日岷县MS6．6地震的矩张量解，数据显示与哈佛大学矩张量解十分相似。由图1和图3可以看到用于反演地震矩张量的这6个台站基本上包围了震中，且波形拟合较好。

图5 不同震源深度上矩张量解及波形拟合方差减小VR值Fig．5 Moment tensor solutions and the variance reduction values at different focal depths

（2）本次地震为一次中等强度地震，现场考察未发现地表裂缝、断层等构造现象［17］。通常发震断层的确定是由震源机制解结合震源区地质考察的断裂分布等方法来确定的，本次地震震中位置在两条规模的区域性断裂西秦岭北缘断裂（F1）和临潭－宕昌断裂（F2）中间，靠近临潭－宕昌断裂（图1），余震分布见图6。从目前掌握的该震源区附近的地质资料来看［17－19］临潭－宕昌断裂由多条规模不等、相互平行或斜列的次级断裂组合而成，断裂带影响宽度范围在5～10km，在岷县东南断裂归并为一体，延至宕昌以南。断裂的总体性质是以向北逆冲为主，略具左旋走滑分量，断裂呈NWW－NW向展布，倾向北东，倾角50°～70°。该地震震源机制解表明，节面II呈NWW向分布，以逆冲为主，兼具走滑分量的特征，这与临潭－宕昌断裂走向、破裂方式基本吻合，由此推测岷县地震的发生可能与临潭－宕昌断裂活动相关。震后考察结果也显示临潭－宕昌断裂带的中南段与本次地震关系密切，应该为本次甘肃省岷县MS6．6地震的孕震和发震构造。

图6 2013年7月22日岷县MS6．6地震余震分布图Fig．6 The distribution of aftershocks on July 22，2013，the Minxian magnitude 6．6earthquake

（3）本文利用区域范围长周期体波三分量波形在时间域反演了岷县地震的断层面解和地震矩心深度等，但这只是地震震源参数中的一部分，不足以完全揭示岷县地震的发生、发展和终止，还应通过各种地球物理方法研究地震破裂过程、震源区的精细结构、构造应力场等，并结合震源物理学、野外地质考察等研究将会进一步明确这次地震的发震机理。

致谢：研究过程中使用了美国伯克利地震实验室的矩张量反演软件和SAC波形处理软件，大部分图件使用GMT绘制，特此申明。赵翠萍研究员辅导了TDMT程序的使用，在此一并感谢！

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