SEIS-CAP软件快速反演山西地区2016年3次ML>4.5地震震源机制解的研究

王卓君，张 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

震源机制解是地震发生后除定位外，地震分析研究关键的产出，在后续趋势判断、应急救灾等过程中发挥重要作用。震源机制解可以反映区域应力状态，是研究区域构造应力的基础资料。目前常用的求解方法有P波初动法、振幅比法、P波初动联合振幅比法、矩张量反演法、CAP全波形反演法等，这些方法的研究结果为多次地震发生机理做出较合理的解释[1-7]。

SEIS-CAP软件是基于CAP方法的震源机制解交互反演软件，于2015年在山西台网试运行，主要应用于ML3.5以上地震震源机制解的测定。在SEIS-CAP软件的日常使用中，满足震中距和信噪比条件的台站较多，需要根据反演结果手动挑选台站，每次增减台站后都需重新计算，耗费了大量时间。为缩短震源机制解计算时间，满足速报地震发生后快速测定震源机制解的需求，该研究收集山西地区2016年3次ML>4.5地震的近震波形数据和震相文件，使用SEIS-CAP软件，让满足条件的台站全部参与震源机制解反演，将反演结果与经过台站挑选后的结果进行对比分析。

1 计算原理和反演模型

CAP(Cut And Paste)方法是由Zhao和Helmberger提出，Zhu和Helmberger进行了改进的全波形反演震源机制解的方法[8-9]。该方法的主要思想是将近震观测波形分解成Pnl和面波部分进行分别拟合，对3个断层面参数(走向、滑动角、倾角)，在各自的取值区间进行格点取值，并计算理论地震图，将理论地震图与实际观测波形进行拟合，波形拟合最好的一组参数即是求得的震源断层面解。

CAP方法综合利用近震中的体波和面波信息，分别对Pnl和面波赋以不同权重，运用Pnl和面波的振幅比，对地震深度及机制解有更好的约束；其引入距离影响因子，避免反演主要受最近台站记录影响；在误差定义中使用绝对振幅而不是归一化振幅，更好地识别震相的节面(nodal)，避免振幅归一化带来的其他局部最小值解，获取更准确的机制解。

CAP方法在计算理论波形时，先用F-K方法在给定速度模型下计算各个台站位置的格林函数，然后由震源函数和格林函数合成理论波形。对于中小地震采用点源假设，震源时间函数直接取δ函数。由于CAP方法对速度结构依赖相对较小，该文采用与山西台网MSDP软件对应一致的速度模型，即山西2015地壳速度模型(见第9页表1)[10-12]。对于ML<5.5地震，Pnl波部分滤波范围是0.05～0.20 Hz，面波部分滤波范围是0.05～0.10 Hz。

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

2 资料收集及运算过程

收集山西测震台网记录的2016年发生在山西地区ML>4.5的3个地震的波形数据和震相文件，用SEIS-CAP软件计算震源机制解。图1为3次地震的震中分布图与山西测震台网74个台站分布图。

图1 分析选取3个地震的震中与山西测震台网台站分布图Fig.1 The distribution of epicenters of three selected earthquakes and the shanxi seismograph stations

计算步骤如下：

(1) 将3个地震事件的PHA格式震相文件放在MSDP软件相关目录下，使用MSDP打开EVT格式的地震波形，震相文件自动加载在波形上，使用HYPO2000或单纯型法定位，得到较准确的震中位置。

(2) 将MSDP定位时生成的PHASE格式震相文件放到SEIS-CAP软件相关目录下，使用SEIS-CAP打开EVT格式的地震波形，则震相文件自动加载在波形上。因使用的震相文件为编目正式结果，故台站记录均已标注准确的初至P波到时，无需重新标注震相。选择计算CAP反演，地震定位参数自动加载，手动输入MS震级。台站记录的信噪比下限设为1.2。

(3) 选择震中距200 km以内的近台全部参与反演，得到震源机制解参数和震源机制解图。

3 计算结果分析

为论证该方法求解震源机制解是否可靠，采用对比分析的方法对这3次ML4.5以上(下文提到的震级均指ML震级)地震的震源机制解计算结果进行分析。

(1) 盐湖4.8级地震。

盐湖4.8级地震发生在2016年3月12日11时14分，震中位于运城盆地盐湖北岸断裂附近。有学者对此次地震的震源机制解进行求解，结果显示此次地震的错动方式为走滑兼逆冲[13-14]。本文使用SEIS-CAP方法对此次地震的震源机制解进行计算，在不做台站挑选的情况下，共有19个台站参与反演，得到拟合误差最小的一组机制解如第10页图2所示。拟合曲线光滑，结果稳定，机制解类型或结果未出现突跳变化，在震源深度12.2 km处拟合误差最小。

理论波形与实际记录波形匹配较好，在19个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占66%，拟合效果较理想。台站投影到震源球上的位置如第10页图3所示，大多数P波初动向上的台站位于震源球的阴影区，初动向下的台站位于震源球的空白区，表明此震源机制结果是可靠的。

为进行对比，从19个台站中选取波形拟合互相关系数较高，且台站方位角分布均匀的8个台站参与反演，得到一组结果稳定的震源机制解。观测波形与理论波形拟合曲线如第10页图4所示。在8个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占71%，与未做台站挑选得到的结果接近。

台站挑选前后得到的震源机制解节面参数以及他人使用CAP方法反演得到的结果显示，台站挑选前后SEIS-CAP方法得到震源机制解节面参数相近，与他人使用CAP方法得到的结果也基本一致(见第10页表2)。台站挑选后的波形拟合互相关系数未明显提高，是因为台站挑选时不能仅选择互相关系数高的台站，要考虑所选台站围绕震中均匀分布，有些互相关系数较高但方位角分布重合的台站会舍弃。

(2) 原平4.7级地震。

原平4.7级地震发生在2016年4月7日4时49分，微观震中位于忻定断陷盆地的原平凹陷内。在不做台站挑选的情况下，使用满足条件的32个台站来反演计算，在震源深度12 km处得到最佳震源机制解(见第11页图5)，拟合曲线光滑，结果稳定。在32个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占81%，拟合效果理想。台站投影到震源球上的位置如第11页图6所示，绝大多数台站的P波初动向上，台站多数位于震源球的阴影区或者阴影区和空白区交界附近，BOD和SHC两个台站的P波初动向下，位于震源球的空白区，表明震源机制结果与P波初动方向较吻合，结果可信。

图2 参与反演的震中周围台站分布和盐湖4.8级地震的震源机制解深度搜索图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

图3 盐湖4.8级地震台站在震源球中的位置分布图Fig.3 Location distribution of stations in the source sphere of the Salt Lake 4.8 earthquake

图4 盐湖4.8级地震观测波形与理论波形拟合图Fig.4 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

表2 盐湖4.8级地震震源机制解节面参数Table 2 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

从32个台站中选取波形拟合互相关系数较高，且台站方位角分布均匀的8个台站参与反演，得到一组结果稳定的震源机制解。观测波形与理论波形拟合曲线如第11页图7所示，在8个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占91%，优于未做台站挑选拟合的结果。

台站挑选前后得到的震源机制解节面参数以及他人使用CAP方法反演得到的结果显示，台站挑选前后SEIS-CAP方法得到震源机制解节面参数相近，与他人使用CAP方法得到的结果非常接近(见表3)；与矩张量反演得到的结果有一些差异[15-16]，但震源机制性质一致，节面参数基本趋势一致，总体上具有可比性；存在差异的主要原因是2种方法的原理不同。震源机制解结果表明，此次地震的错动方式为正断兼走滑。

图5 参与反演的震中周围台站分布和原平4.7级地震的震源机制解深度搜索图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

图6 原平4.7级地震台站在震源球中的位置分布图Fig.6 Location distribution of stations in the source sphere of Yuanping ML 4.7 earthquake

表3 原平4.7级地震震源机制解节面参数Table 3 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Yuanping ML 4.7 earthquake

图7 原平4.7级地震观测波形与理论波形拟合图Fig.7 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Yuanping ML 4.7 earthquake

(3) 清徐4.6级地震。

清徐4.6级地震发生在2016年12月18日11时8分，震中位于太原盆地内的田庄断裂附近。在不做台站挑选的情况下，使用满足条件的35个台站来反演计算，在震源深度18.2 km处得到最佳震源机制解(见图8)，拟合曲线光滑，结果稳定。在35个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占75%，拟合效果理想。台站投影到震源球上的位置如图9所示，P波初动向上的台站多数位于震源球阴影区和空白区交界附近，P波初动向下的台站全部位于震源球的空白区，震源机制结果与P波初动方向基本吻合，结果可信。

从35个台站中选取波形拟合互相关系数较高，且台站方位角分布均匀的8个台站参与反演，得到一组结果稳定的震源机制解。观测波形与理论波形拟合曲线如图10所示。在8个台站中，体波和面波各部分波形拟合互相关系数大于60%的占89%，优于未做台站挑选拟合的结果。

台站挑选前后得到的震源机制解节面参数以及他人使用CAP方法反演得到的结果显示，台站挑选前后SEIS-CAP方法得到震源机制解节面参数相近，与他人使用CAP方法得到的结果非常接近[17](见第13页表4)，结果可信。震源机制解结果表明，此次地震的错动方式为正断兼走滑。

图8 参与反演的震中周围台站分布和清徐4.6级地震的震源机制解深度搜索图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

图9 清徐4.6级地震台站在震源球中的位置分布图Fig.9 Location distribution of stations in the source sphere of Qingxu ML 4.6 earthquake

4 结论与讨论

用SEIS-CAP软件快速反演山西地区2016年3次ML>4.5地震的震源机制解。在不做台站挑选的情况下，使用震中距200 km范围内，信噪比大于1.2的所有台站进行震源机制解快速反演。将此方法测定的震源机制解结果与经过台站挑选后得到的结果进行对比分析，并与他人对这3次地震测定的震源机制解结果进行对比。主要认识和结论如下：

图10 清徐4.6级地震观测波形与理论波形拟合图Fig.10 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Qingxu ML 4.6 earthquake

表4 清徐4.6级地震震源机制解节面参数Table 4 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Qingxu ML 4.6 earthquake

(1) 对于山西地区ML>4.5的地震，使用SEIS-CAP软件对震中距200 km范围内，信噪比大于1.2的所有台站进行震源机制解反演的方法可行。台站挑选前后得到的震源机制结果接近，与他人研究3次地震的结果基本一致。ML4.5以上地震发生后，在准确标注200 km范围内台站初至P波到时并定位的基础上，快速反演震源机制解。该方法省略手动挑选台站的步骤，节省大量时间，消除挑选台站时人为因素的影响，提高震源机制解计算的速度和结果的唯一性。

(2) 使用SEIS-CAP软件反演得到的2016年3次ML>4.5地震的震源深度依次为12.2 km、12 km和18.2 km，该结果与山西测震台网统一编目得到的结果12 km、14 km和18 km基本一致，证明运用该方法得到的震源机制结果可信。殷伟伟等[9]建立山西2015一维地壳速度模型指出，山西地区上地壳平均厚度为21 km。山西地区2016年3次ML>4.5地震分别发生于山西断陷带内运城盆地、忻定盆地和太原盆地内部，均发生于上地壳，表明山西断陷带盆地内部的地震主要发生于上地壳，可能与山西断陷盆地受剪切拉张作用，盆地下方地壳减薄，脆性破裂区变浅有关。

(3) 由山西地区2016年3次ML>4.5地震的震源机制节面解结果看出，山西断陷带以正断性质的断层为主，同时也存在走滑兼逆冲的局部构造。3次地震的震源机制结果符合山西断陷带北东向挤压，北西向拉张的区域应力场特征[18]。

需要指出的是，该文提出的使用SEIS-CAP软件不做台站挑选快速反演震源机制解的方法只适用于ML>4.5地震。对于ML<4.5的地震，震中附近台站的信噪比相对较低，波形拟合相对较差，不做台站挑选就无法得到稳定的震源机制解，仍需手动挑选波形拟合较好，方位角分布均匀的台站进行求解。