宁夏中部小震震源机制解研究

田小慧，金春华，任家琪

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

宁夏中部小震震源机制解研究

田小慧，金春华，任家琪

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

本文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方法和Snoke方法反演了宁夏中部19次ML3.0以上地震震源机制解。 结果显示：东侧牛首山－罗山－固原断裂带和中部的烟洞山断裂带主要以右旋走滑为主，带少量逆冲分量，与实际主控断层的情况一致；西侧的中卫－同心断裂带以左旋走滑为主；19次地震的CAP法计算结果中的16次地震机制解走向在105～189o之间，另有2次为350o和353o，和断层走向基本一致。综合应力场研究结果表明该区域地震产生的震源区构造变形是近北东向发生压缩，近北西向发生相对扩张。对比2种方法计算结果发现，Snoke方法计算结果不理想。分析认为，一方面，宁夏台网台站间距较大，分布不理想；另一方面，识别小地震的初动及振幅比时存在误差。因此，对于西部台站稀疏地区CAP方法计算小震震源机制结果更为可靠。

震源机制解；CAP法 （Cut and Paste Method）；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。早在地震仪器模拟记录时代，利用初动符号和初动符号与振幅比相结合的震源机制解计算方法就得到了广泛的应用。赵知军等［1］在1990年利用宁夏及邻区地震台网记录的18099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，使得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（CAP）方法和传统初动振幅比法（Snoke）研究宁夏中部小震震源机制解特征。

CAP方法是一种联合使用体波和面波进行反演的方法，近年来在国内得到了广泛的应用，由于该方法分别截取波形的体波（Pnl）部分和面波部分进行拟合［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。正是由于该方法对速度模型和地壳横向变化的依赖性较小，因此在实际的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，因此我们可以通过理论波形S（t）和观测波形U（t）的拟合来估计震源的断层面参数［3-5］。双力偶震源产生的理论位移S（t）可以表示为：

其中i=1，2，3，分别对应三种基本断层响应，即：垂直走滑、垂直倾滑以及倾角为45o的倾滑；Gi为格林函数，Ai是辐射系数，φ是台站方位角 ，M0为标量地震矩。θ，δ，λ分别为断层的走向角、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：

走向角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：

通过计算合成地震图，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方法使用频率波数F-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：

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。本研究对体波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2004—2015年发生在宁夏中部牛首山－罗山－固原断裂带、烟洞山断裂带、中卫－同心断裂带、窑洞水－五佛寺4条断裂带的19次中小地震，宁夏、内蒙和甘肃等区域台网部分台站记录地震波形信噪比较高，本文采用的所有可用的台站分布见图1。图1显示台站相对地震的方位分布较理想，且大部分台站都位于200km之内，因此能够提供可靠的地震波反演资料。

图1 地震和台站分布图Fig.1 Distribution of earthquake epicenters and seismic stations

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。宁夏中部地区位于青藏块体和华北块体交汇部位，此地地壳厚度42～48km［7］。该地区多为北西西－北北西向弧形断裂，主要断裂有：牛首山－罗山－固原断裂带、烟洞山断裂带、中卫－同心断裂带、窑洞水－五佛寺4条断裂带。宁夏中部地区速度模型取自4条人工地震测深结果［7］，并经过多个地震的反复波形拟合检验，以拟合误差最小者作为研究区的速度模型，结果见表1。

表1 宁夏中部地区速度结构模型

2.3 数据处理

基于表1中的地壳速度模型，采用频率－波数域（F-K）方法［5，6］，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体波（Pnl）部分和面波部分。为了提高信噪比，得到比较可靠的结果，先对Pnl部分经带宽0.05～0.2Hz、面波部分经带宽0.03～0.1Hz的4阶Butterworth带通滤波器滤波。这样滤波可以有效地降低地壳结构误差和噪声信号带来的影响，可以得到恰当的标量地震矩，也能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，为了避免反演结果主要受近台波形的影响，我们考虑了地震波随距离衰减对波形的改造作用。

3 结果分析

3.1 震源机制与断裂的关系

本文共计算了研究区19次ML3.0以上地震的震源机制解，最大为2009年11月21日和2015年2月5日两次同心ML4.2地震。这些地震分布于南至同心南端，北抵宁夏吴忠，包括了中卫、中宁、同心等中部地区。计算过程中，由于2003—2007年测震台站较少，期间发生的3次地震仅有CAP方法计算结果。

2015年2月5日两次同心ML4.2地震波形拟合较好，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90%以上（图2）。这两次地震波形信噪比较高，记录震相清晰，并且台站布局理想（图2），速度模型较为合理，深度拟合结果符合抛物线形态且结果一致性较好（图2），因此，计算结果较为可靠。以2015年2月5日同心ML4.2地震为例，再利用Snoke方法计算了该地震的震源机制。结果表明，两种方法得到的同一地震的震源机制解基本一致，均表现为走滑为主兼具少量逆冲分量。考虑到该区域主控断裂为北西向左旋走滑为主的中卫－同心断裂带，因此，震源机制解中近北西向的节面为发震断层面的可能性较大，且该节面也表现为左旋走滑的性质，与断裂带旋性一致。

图2 2015年2月5日同心ML4.2地震震源机制相关图件Fig.2 The focal mechanism of 2015-02-05 ML4.2 earthquake

本研究中有5次地震沿最东侧牛首山－罗山－固原断裂分布（图3），分别为2004年7月4日吴忠ML3.3地震、2004年8月6日吴忠ML4.1地震、2007年2月11日吴忠ML3.7和2009年4月21日吴忠ML3.4地震和2008年3月12日同心ML3.8地震。这5次震源机制均表现为走滑为主，并且两种方法得到的震源机制基本一致。由于断裂走向近南北，因此震源机制解中近南北向的节面为发震断层面的可能性较大，即表现为右旋走滑属性，与牛首山－罗山－固原断裂的旋性基本一致。

图3 宁夏中部小震震源机制解结果（蓝色为Snoke方法，红色为CAP方法）Fig.3 Focal mechanism solutions of small earthquakes in central Ningxia

沿中部烟洞山断裂带分布的地震有6次，除2009年11月21日宁夏同心ML4.2地震外，还包括2010年5月30日宁夏同心震群1次，该震群共记录到地震20余次，其中4次地震有震源机制结果。比较同心震群中4次地震两种方法得到的震源机制结果，发现二者差距较大，即Snoke方法得到的结果均为拉张性质，与区域北东向主压应力的作用不一致，而CAP方法得到的结果显示震源错动为走滑错动为主，比较符合区域主压应力作用的结果。这4次地震和2009年11月21日地震的震源机制比较接近，均带有逆冲分量，并兼具右旋走滑性质。因此，本文采用CAP方法计算的结果作为最终结果。另外，2011年2月23日宁夏同心ML3.2地震CAP方法得到的震源机制解显示为右旋走滑型错动方式。

中卫－同心断裂带走向北西-南东，倾向南西，是一条左旋走滑为主的全新世活动断裂带。由于Snoke方法和CAP方法得到的该断裂附近5次地震的震源机制存在差异，结合区域构造特性，取CAP方法计算结果更合适，结果显示，5次地震错动方式均为左旋走滑为主兼具逆冲分量。

综上所述，Snoke方法在计算时初动振幅读取受人为影响较大，易产生误差，对于震级较大包围较好的台站计算结果与CAP方法计算结果一致性较好。这一点从图3的对比结果以及图1的台站分布可以看出。

3.2 震源机制综合分析

对宁夏中部地区有节面解（CAP计算结果）的19个地震分别绘制震源机制 P 、T 、N轴方位和仰角以及节面走向、倾角和滑动角玫瑰图（ 图 4 ）。结果表明，研究区内节面解有1个较明显的优势分布方向，为北北西-南南东向。由滑动角分布看，该区域发生地震以走滑或近走滑类型为主。节面倾角分布表明发震断层倾角近垂直向（60～80o）。由图4可以看出，主压应力P轴总体优势方向为NE30～40o，P 轴仰角主要分布在10～30o之间；主张应力T 轴总体优势方向较为分散，主要为北西-南东方向，在南东向优势分布在NE10～20o、30～50o和70～80o之间，T轴仰角主要分布在0～10o之间；中间主应力N轴有两个明显的优势方向，N轴仰角主要分布在40～50o之间。由此说明，该区域地震产生的震源区构造变形是近北东向发生压缩，近北西向发生相对扩张。

图4 宁夏中部地震震源机制解各参数玫瑰图Fig.4 Central Ningxia earthquake focal mechanism solution of the parameters of rose

3.3 CAP方法与Snoke方法结果比较

表2和表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（没有见到加粗）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16次地震走向在105～189o之间，另两次为350o和353o，与图3中所示断层走向基本一致；倾角在26～78o之间，60o左右居多。Snoke方法16次计算结果不够理想，不予讨论。相较而言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方法计算结果更为可靠。CAP方法计算的矩震级和ML震级基本相同，据震源新参数小震矩震级研究［7］：宁夏地区小震矩震级满足 关系，按此公式计算出宁夏中部这19次地震矩震级差最大为0.7。表2还可以看出CAP方法拟合得到的地震深度，与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。

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 方法和Snoke方法反演了宁夏中部19次ML3.0以上地震震源机制解，分析了震源机制与断层的关系以及震源机制综合玫瑰图，结果显示：

（1）东侧牛首山－罗山－固原断裂带和中部的烟洞山断裂带附近的地震震源机制基本以右旋走滑为主，带少量逆冲分量，与实际主控断层的情况一致。最西边的中卫－同心断裂带以左旋走滑为主。据前人研究，这个区域主要受来自青藏高原的推挤作用［7］，该区域构造应力场主压应力方向以水平作用为主，地震产生的震源区构造变形是北东东向发生压缩，北北西向发生相对扩张［9］，这就很好的解释了上述结论。

（2）19次地震的CAP方法计算结果中16次显示走向在105～189o之间，另有两次分别为350o和353o，和断层走向基本一致；倾角在26～78o之间，60o左右居多。

（3）对震级较小且台站分布不理想的地震，Snoke方法计算结果不理想。分析认为一方面，宁夏台网台站间距较大，分布不理想；另一方面，识别小地震的初动及振幅比时存在误差。

（4）由滑动角分布看，该区域发生地震以走滑或近走滑错动类型为主。主压应力P轴总体优势方向为NE30～40o，主张应力 T 轴总体优势方向较为分散，主要为北西-南东方向。由此说明，该区域地震产生的震源区构造变形是近北东向发生压缩，近北西向发生相对扩张。

本次研究地震震级为ML3.0～4.2之间，震级相对偏小，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。在本研究过程中，为尽可能增加计算结果的可靠性，从速度模型、参与计算台站、地震震相识别精度及CAP方法拟合计算过程等方面进行了多次检验性的研究工作。

致谢：本研究过程得到了中国地震局预测研究所赵翠萍研究员的帮助，本单位同事提出了一些修改意见，在此一并表示感谢。

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STUDY ON THE FOCAL MECHANISM SOLUTIONS OF SMALL EARTHQUAKES IN THE MIDDLE AREAS OF NINGXIA

TIAN Xiao-hui， JIN Chun-hua， REN Jia-qi

（Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region， Ningxia Yinchuan 750001， China）

In this paper ，used Digital seismic records with broadband of 27 stations in Ningxia area network， bying the CAP method and the Snoke method to inversion the focal mechanism solution 19 times above ML3.0 in the middle province. The result shows: Niushou mountain-Luo mountain-Guyuan fault zone in the east and Yandong mountain fault zone are dextral strike slip， with a small amount of thrust components， in line with the actual main control fault. Zhongwei-Tongxin fault zone in the west are sinistral strike slip. In 19 times CAP method computing results， 16 times focal mechanism solution trend were between 105o-189o， other 2 times were 350oand 353o， in line with the fault trend. The results of the field of stress indicate that The structure deformations in the focal region caused by earthquake are compression in NE and expansion in NW in II region. Compare two methods we found that calculation result of Snoke is poor. Analysis suggests， on the one hand， Ningxia network station spacing is bigger， the distribution is not ideal. On the other hand， errors are caused when initial motion and the amplitude ratio of small earthquakes are recognized. As a result， it is more reliable to use the CAP method to calculate the results of the focal mechanism for the small earthquakes in the sparse region of western station.

focal mechanism solution； Cut and Paste Method； Snoke Method

P315.3

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.002

1674-8565（2016）03-0007-08

测震台网青年骨干培养专项（20140325）

2016-03-06

2016-05-28

田小慧（1970-），女，宁夏回族自治区隆德县人， 2000年毕业于宁夏大学，计算机与通讯专业，工程师，现主要从事测震、前兆观测工作。