海原地震带中东段几次小震震源机制解研究

田小慧，金春华，何秋菊

(宁夏回族自治区地震局，宁夏银川　750001)



海原地震带中东段几次小震震源机制解研究

田小慧，金春华，何秋菊

(宁夏回族自治区地震局，宁夏银川750001)

摘要：利用宁夏区域台网共27个台的宽频带数字地震记录, 采用 CAP法和snoke法反演了海原地震带中东段ML3.0级以上8次地震震源机制解。结果显示：2种方法计算8次地震的震源机制解虽有一些差别 ,但总体属性均为左旋走滑，北部带有少量拉张分量，南部带有少量逆冲分量，与实际主控断层的情况一致。对比这2种方法我们发现，计算结果比较接近，Snoke法在节面及主压、主张应力轴的方位明显较CAP法分散，CAP法计算结果更为可靠。

关键词：震源机制解;CAP法；snoke法

0引言

地震的震源机制从一定角度描述了震源的性质及其破裂过程。 因此,及时确定地震震源机制,对于地震本身的研究、孕震机理的解释及震后应力的分布,具有十分重要的意义。早在模拟时代，利用初动符号计算震源机制解及初动符号结合振幅比计算震源机制解就得到了广泛应用。赵知军等[1]在1990年利用宁夏及邻区地震台网记录的18 099个初动符号得到了7个小区的构造应力场。近年来，随着区域数字化，测震台网的改造完成，获取了大量高质量宽频地震数据，因此，利用近震地震波形反演震源机制成为可能。本文拟采用波形反演Cut and Paste(CAP)方法和传统初动振幅比法(Snoke)，研究了海原断裂带8次地震震源机制解特征。

CAP方法是一种联合使用体波和面波进行反演的方法，近年来在国内得到广泛应用。由于该方法分别截取波形的Pnl部分和面波部分分别拟合[2]，并在反演的过程中允许它们在适当的时间变化范围内相对移动，在一定程度上避免了因为地壳模型不准确而引起的震相到时的误差因素，对速度模型和地壳横向变化的依赖性较小，因此，在实际区域地震震源机制求解中有明显的优势。

1方法原理

震源机制和传播效应决定了观测波形的变化。如果地壳模型已知，可以准确地计算波形传播过程中的效应，因此，可以通过理论波形S(t)和观测波形 U(t)的拟合来估计震源的断层面参数[3-4]。双力偶震源产生的理论位移S(t)可以表示为：

(1)

其中，i=1，2，3对应3种基本断层响应，即：垂直走滑、垂直倾滑以及倾角为45° 的倾滑；Gi为格林函数，Ai是辐射系数，φ是台站方位角 ，Mo为标量地震矩。θ，δ，λ分别为断层的走向、倾角、滑动角。系数Ai由6个矩张量分量和台站方位角表示。

采用频率波数方法 (F-K)，计算各震中距的格林函数 ，由格林函数得到合成地震图后 ，把合成与观测的地震数据做互相关 。

由互相关函数确定时间偏移 ：

(2)

走向θ、倾角δ、滑动角λ以及标量地震矩M0等可以通过求解以下方程进行估计 ：

U(t)=S(t)

(3)

通过计算合成地震图, 对比P波、pP波和sP波的理论与观测数据的到时，准确定出震源深度；根据不同震相的幅度差异，调整震源参数， 使得波形能够较好地吻合观测数据确定震源机制解。

CAP方法使用频率F-波数K法[5-6]计算格林函数，使用网格搜索方法搜寻最优震源机制参数和震源深度。考虑到波形随震中距的衰减，方法定义误差函数如下：

(4)

式中 ，r为台站震中距 ，r0为选定的参考震中距，p为指数因子。参考有关研究，体波p=1，面波p=0.5。

2观测资料和地壳模型选取

2.1观测台站分布

选取2009～2015年发生在海原地震带中东段的8次中小地震，宁夏、内蒙、甘肃等区域台网都记录到了较好的地震波形。本文采用的所有可用的台站分布见图1。从分布来看，采用的地震射线方位角能够很好地覆盖各个方向，且大部分台站都位于200 km之内，因此，能够提供可靠的地震波反演资料。

2.2模型的选取

宁夏及邻近地区各地地壳结构特点存在较大差异[7]。银川地堑和六盘山断裂带位于构造活动强烈的南北地震带上，在其形成的历史过程中，受3个动力性质不同的地质块体—青藏地块、鄂尔多斯地块和阿拉善地块的交互作用，地壳速度结构较为复杂，具有结构层变异强烈，地壳层厚度突变显著的特点。地壳总厚度总体趋势是南部大于北部。由于南部处于青藏高原北东边缘向地台区的过渡地带，其地壳厚度介于青藏高原(厚度约60 km)与地台区(约42 km)之间；北部银川地区地壳总厚度小于40 km。陶乐—固原一线以东的鄂尔多斯地台区和贺兰山以西的阿拉善地台，壳幔结构相对简单，地壳分层比较平坦，莫霍面起伏不大，是整体相对稳定的构造单元。

本文研究地震均发生在海原断裂带，选用研究台站主要集中分布在青藏块体东北缘，故选用西海固地区的速度结构反演这8次地震。

图1　地震及台站分布

表1　　　　　　　　速度结构模型

2.3数据处理

基于上述地壳速度模型，采用频率—波数域(F-K)方法[5]，计算了不同深度，不同震中距的理论格林函数。在反演前，首先将记录的速度波形扣除仪器响应，并旋转成Z-R-T分量，手动拾取P波到时，然后将实际数据截断为Pnl面波部分。为了提高信噪比，得到比较可靠的结果，先对Pnl部分经宽带为0.05 Hz～0.2 Hz、面部分经带宽为0.03～0.1 Hz的4阶Butterworth带通滤波器滤波。这样滤波可以有效地减小地壳精细结构和噪声带来的影响，可以得到恰当的标量地震矩，充分反映地震波携带的震源信息[5]。对于理论波形也采用相同的滤波范围，利用格点搜索和互相关的方法，根据误差目标函数搜索出合成理论地震图与观测地震图全局差异最小的震源机制解[5]。另外，为避免反演结果主要受近台波形的影响，笔者考虑了地震波随距离衰减对波形的改造作用。

3结果分析

本研究用CAP法计算海原断裂带中东段ML3.0级以上地震共8次。图2为2015年6 月2日海原断裂带东南端ML3.6级地震CAP法得出的波形拟合图、深度拟合图及选用的台站分布图。可以看出，此次地震尽管震级不大，但选用台站分布合理，波形拟合较好，P波拟合值绝大多数在60%以上，超过一半的拟合在70%以上，最高达90%。S波绝大多数拟合值在80%以上，有4个台三段S波拟合值均在90%以上。此次地震信噪比较高，地震震相清晰，选用台站及速度模型均较为合理，计算结果较为可靠，深度拟合结果符合抛物线形态且结果一致性较好。

(a)波形拟合图(红色为理论波形，黑色为观测波形)；(b)深度拟合图；(c)参与计算的台站图2　CAP法计算2015年6月2日固原ML3.6级地震

8次地震计算结果如下(图3)：2种方法计算结果均为左旋走滑，但计算断层面性质却略有不同。Snoke法计算结果除2009年3月19日地震为正断层外，其余地震均为左旋走滑断层，有5次带有少量拉张分量，2次为逆冲分量；CAP法计算8次地震均为左旋走滑断层，有7次带有少量拉张分量，仅有1次为逆冲分量。造成这种情况的原因为：这8次地震震级较小，2009年会宁、镇原和环县地震台尚未加入，故对于2009年及其以前的地震Snoke法很难有足够的初动(尤其Pn初动)来确定断层面的具体位置。CAP法却不同，其为波形拟合反演，故各方位只要有1个记录波形很好的台站就可以找出较为准确的断层面位置。

图4为CAP法得到的断层面走向、滑动角、P、T、B轴方位角。可以看出，断层的走向为北西—南东方向，和图3中展示断层走向一致。滑动角为北北西方向，因海原断裂带为左旋走滑为主的断裂带，故滑动角断层走向基本一致。P轴方位角为北东—南西方向，海原断裂带地处青藏块体东北缘，受青藏块体自西南向东北挤压作用，P轴应力场和实际相吻合。断裂带性质为左旋走滑，断层两侧地震主张应力轴T轴和图3箭头所示方向一致，即断层滑动方向基本一致。

图3　8次地震震源机制解(蓝色为Snoke法，红色为CAP法)

图4　CAP法8次地震玫瑰图

表2～3详细给出了2种方法得到的震源机制节面参数。表中加粗字体为最终确定的断层面，另外一条则为辅助面。可以得出：CAP法计算结果8次地震走向均在88°～147°之间，其中6次在88°～110°之间，和图3中所示断层走向基本一致；倾角除2015年6月2日固原ML3.6级地震较小以外，其余倾角在49°～72°之间，50°左右居多。Snoke法7次走向9.2°～332°，倾角41°～86°，和CAP法较为接近。但相比较而言CAP法计算结果节面及主压、主张应力轴更为集中。故对于西部台站稀疏地区CAP法计算结果更为可靠。CAP法计算的矩震级和ML震级基本相同，据震源新参数小震矩震级研究[6-7]：宁夏地区小震矩震级满足MW=0.594 6×ML+1.266 5关系，按此公式计算出宁夏这8次地震矩震级差最大为0.2，算数平均值为0.1。表2还可以看出CAP法拟合的深度和hyp2000定位法得到的深度十分接近，因此日常研究中可用hyp2000定位方法确定初始深度。

表2　　　　　　CAP 法计算震源机制结果

表3　　　　　　Snoke 法计算震源机制结果

4结论与讨论

本文利用宁夏区域台网共27个台站的宽频带数字地震记录,采用CAP法和Snoke法反演了海原地震带中东段ML3.0级以上8次地震震源机制解，从断层属性、小震应力场等多方面对这2种方法计算结果做了系统全面的分析，结果显示：①2种方法计算8次地震的震源机制解虽有一些差别 ,但总体属性均为左旋走滑，北部带有少量拉张分量，南部带有少量逆冲分量，与实际主控断层的情况一致。②CAP法计算结果8次地震走向均在88°～147°之间，其中6次在88°～110°之间，和断层走向基本一致；倾角除2015年6月2日固原ML3.6级地震较小以外，其余倾角在49°～72°之间，50°左右居多；Snoke法7次走向9.2°～332°，倾角41°～86°，和CAP法比较接近，但较CAP法分散。③CAP法8次地震中7次有少量拉张分量，1次为纯走滑；Snoke计算结果8次中6次具有少量拉张分量，2次具有少量逆冲分量。④CAP主压、主张应力轴的方位明显较Snoke法集中。因此，对于西部台站稀疏地区小震因无法保证足够的初动，应用波形拟合的CAP法计算结果更为可靠。

值得注意的是，本次研究地震震级均较小，最大仅为ML3.6。加上宁夏地区台站稀疏，地壳速度结构复杂，因此，用CAP法计算亦有不小的挑战。在本研究中从速度模型、参与计算台站、地震震相精度及CAP法计算初始深度等方面反复研究试算，并多次请教中国地震局预测研究所赵翠萍、本单位一直从事CAP法震源机制研究的曾宪伟等多位专家，最终得到了较为合理的结果，在此对这几位专家表示诚挚的感谢。

参考文献：

[1]赵知军，刘秀景．宁夏及其邻区地震活动带与小区域构造应力场[J]．地震地质，1990，12(1):32-46.

[2]韩立波，蒋长胜．2011年6月8日新疆托克逊Ms5.3地震震源机制解反演[J]．地震学报，2012，34(3):415-422.

[3]Zhao L.S.,Helmberger D.V.Source Estimation From Broadband Regional Seismograms[J].Bull. Seism. Soc. Amer.,1994，84(1): 91-104.

[4]Zhu L.P.,Helmberger D.V.Advancement In Source Estimation Techniques Using Broadband Regional Seismograms[J].Bull.Seism.Soc. Amer.,1996，86(5):1 634-1 641.

[5]Tan Y.,Zhu L.P.,Helberger D.V.,et al.Locating And Modeling Regional Earthquakes With Two Stations[J].J.Geophys.Res.2006，111(B1):B01306,doi:1029/2005JB003775.

[6]杨明芝，马禾青，廖玉华．宁夏地震活动与研究[M].北京：地震出版社，2007:11-46．

[7]金春华，盛菊琴，田小慧． 宁夏地区地震震源衰减模型及震源参数研究[J] ．地震,2013，33(1):56-64.

STUDY ON THE FOCAL MECHANISM SOLUTION OF SMALL EARTHQUAKE IN THE MIDDLE EAST SEGMENT IN HAIYUAN SEISMIC ZONE

TIAN Xiaohui,JIN Chunhua,HE Qiuju

(Earquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region,Ynchuan 750001,China)

Abstract:In this paper,the focal mechanism solutions of 8 earthquakes with ML≥3.0 are inversed by the digital seismic records with broadband of 27 stations in Ningxia area network with the methods of CAP and Snoke in the middle east segment in Haiyuan seismic zone.Results showed that there are some differences in the focal mechanism solutions of the 8 earthauakes with the two methods,but overall attributes are sinistral strike slip,north with a stretching component,the south with a small amount of thrust components,they are consistent with the actual main control fault.Comparison of the two methods,the consistent with the actual main control fault,the results of the two methods are similarly,the result of Snoke method in the plane of section,the pressure and stress axis orientation are scattered than those of CAP method.The result of CAP method is more reliable.

Key words:Focal mechanism solution;CAP method;Snoke method

收稿日期：2015-09-08

作者简介：田小慧(1970—)，女，宁夏隆德人，工程师，从事地震监测、前兆观测工作。

中图分类号：P315.3

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)02-0001-06