楊軍 蘇有錦 陳佳 葉泵 李孝賓 金明培 王寶善

1)中國(guó)地震局滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)辦公室，云南省大理市洱海公園濱海大道 671000

2)云南省地震局，昆明 650224

3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

通常認(rèn)為，中小地震的震源機(jī)制易受局部地質(zhì)構(gòu)造條件的影響，因而用單個(gè)中小地震震源機(jī)制解的力軸來(lái)代表該區(qū)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向是不適宜的。但是，大量中小地震的震源機(jī)制解的優(yōu)勢(shì)結(jié)果可以反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征，單個(gè)地震的震源機(jī)制解可反映出在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下地震斷層活動(dòng)的性質(zhì)，多個(gè)地震的震源機(jī)制解可反映出較大區(qū)域內(nèi)的平均構(gòu)造應(yīng)力狀況(張建國(guó)等，2009;龍海英等，2007;林向東等，2010、2011、2013)，快速確定中小地震震源機(jī)制對(duì)于地震應(yīng)急處置和減輕區(qū)域地震災(zāi)害也有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著我國(guó)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的逐漸增多，確定頻繁發(fā)生的中小地震震源機(jī)制解，提供區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)作用的重要約束信息，正逐漸成為地震臺(tái)網(wǎng)拓展應(yīng)用功能的主要方向之一(張項(xiàng)等，2010)，而虛擬臺(tái)網(wǎng)技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工作中的應(yīng)用已很普遍。

震源機(jī)制解的計(jì)算方法較多，其中由Zhu等(1996)發(fā)展的剪切-粘貼方法CAP(Cut and Paste)是應(yīng)用較為廣泛的方法之一。CAP方法是一種全波形反演方法，具有對(duì)速度模型及介質(zhì)橫向不均勻性依賴不高的特點(diǎn)(Zhao et al，1994;Zhu et al，1996;鄭勇等，2009;龍鋒等，2010)。鄭勇等(2009)利用中國(guó)國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的波形記錄，采用CAP方法獲得汶川地震強(qiáng)余震(MS≥5.6)震源機(jī)制解，呂堅(jiān)等(2012)利用四川臺(tái)網(wǎng)、區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、陜西區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、四川水庫(kù)臺(tái)網(wǎng)和震后架設(shè)的流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的資料，采用CAP方法研究了汶川余震序列北川北段的震源分布特性與破裂復(fù)雜性，劉杰等(2013)利用四川臺(tái)網(wǎng)的地震波形資料，采用CAP方法計(jì)算了蘆山地震的震源機(jī)制解，謝祖軍等(2013)利用四川及周邊省市區(qū)域近震波形數(shù)據(jù)及IRIS的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，采用CAP等方法對(duì)蘆山地震的震源機(jī)制解進(jìn)行了計(jì)算，并分析了近震資料、遠(yuǎn)震資料及兩者聯(lián)合反演等情況下計(jì)算結(jié)果的差異性。

目前中小地震的震源機(jī)制解甚難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，需要一定的人工干預(yù)來(lái)得到準(zhǔn)確的中小地震震源機(jī)制解。盡管如此，國(guó)際上越來(lái)越多的地震臺(tái)網(wǎng)已開(kāi)始實(shí)現(xiàn)基于地震波形擬合來(lái)近實(shí)時(shí)地確定中小地震震源機(jī)制解，如在南北加州、歐洲地中海和臺(tái)灣等地區(qū)的實(shí)踐(張項(xiàng)等，2010)，劉薇等(2012)在青海大柴旦6.4級(jí)地震的余震震源機(jī)制中亦有過(guò)應(yīng)用研究。本文以下關(guān)虛擬臺(tái)網(wǎng)為例，通過(guò)實(shí)例探討結(jié)合虛擬臺(tái)網(wǎng)技術(shù)及CAP方法快速產(chǎn)出云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解的方法及其實(shí)際應(yīng)用。

1 資料及CAP方法

1.1 資料

計(jì)算云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解的資料來(lái)源于下關(guān)虛擬測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，下關(guān)虛擬測(cè)震臺(tái)網(wǎng)基于云南信息節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用廣東省地震局臺(tái)網(wǎng)中心開(kāi)發(fā)的測(cè)震軟件JOPENS接入了云南臺(tái)網(wǎng)48個(gè)固定臺(tái)站、8個(gè)四川臺(tái)網(wǎng)、2個(gè)貴州臺(tái)網(wǎng)的固定臺(tái)站數(shù)據(jù)及下關(guān)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)5個(gè)固定臺(tái)站等的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。本文利用虛擬臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)出的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算了2013年2月～2014年2月云南地區(qū)MS≥3.0的中小地震震源機(jī)制解共64例，并及時(shí)發(fā)布至云南省防震減災(zāi)網(wǎng)進(jìn)行信息共享，使云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解的計(jì)算工作應(yīng)用到臺(tái)網(wǎng)日常工作中。

1.2 CAP方法概述

CAP方法相比以往的P波初動(dòng)、體波反演或面波反演而言是一種全波形反演方法。它將寬頻帶地震記錄分成Pnl和面波2個(gè)部分進(jìn)行反演并允許二者相對(duì)浮動(dòng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間變化范圍內(nèi)，搜索出合成地震圖和觀測(cè)地震圖全局差異最小的震源機(jī)制解。CAP方法具有對(duì)參與反演的臺(tái)站數(shù)要求不多、方位角分布不需太均勻、反演結(jié)果對(duì)速度模型和地殼結(jié)構(gòu)橫向不均勻性依賴較小的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)的一些研究結(jié)果充分證明了CAP方法在震源機(jī)制解與地震矩心深度研究方面的有效性與可靠性(Zhao et al，1994;Zhu et al，1996;鄭勇等，2009;龍鋒等，2010)。CAP方法的主要原理為:任意一個(gè)雙力偶震源的理論合成位移s(t)可表示為

圖1 下關(guān)虛擬臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布

式中，i=1，2，3時(shí)分別對(duì)應(yīng)垂直走滑、垂直傾滑和45°傾滑等3種最基本的斷層類型;Gi為格林函數(shù)，Ai為射線系數(shù)，θ為臺(tái)站方位角，M0為標(biāo)量地震矩，φS，δ，λ依次為所求震源機(jī)制解的走向、傾角和滑動(dòng)角參數(shù)。

反演過(guò)程中，以合成地震位移s(t)與觀測(cè)地震位移u(t)一致作為判斷標(biāo)準(zhǔn)

可定義一個(gè)如下的誤差目標(biāo)函數(shù)來(lái)衡量s與u的差異

式中，r為震中距，r0為選定的參考震中距，p則是考慮到幾何擴(kuò)散因子對(duì)地震波形的影響而采用的指數(shù)因子，它使得地震的矩震級(jí)大小較為可靠，經(jīng)參考前人研究的經(jīng)驗(yàn)(呂堅(jiān)等，2012;鄭勇等，2009)，選取在一般情況下體波可給定p=1.0、面波p=0.5。

2 計(jì)算流程

2.1 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

虛擬臺(tái)網(wǎng)中的RTS報(bào)警模塊會(huì)對(duì)地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)流服務(wù)器，RTS對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，如果符合預(yù)先設(shè)置的條件時(shí)RTS模塊發(fā)出報(bào)警。值守人員會(huì)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在約5分鐘內(nèi)能得出地震的初步參數(shù)，再根據(jù)地震震級(jí)大小及震源位置判斷是否要計(jì)算震源機(jī)制解。目前云南地區(qū)中小地震的常規(guī)產(chǎn)出選取MS≥3.0的省內(nèi)地震開(kāi)展震源機(jī)制解計(jì)算。將提交到系統(tǒng)中的地震波形事件以Seed格式轉(zhuǎn)出，然后轉(zhuǎn)換為SAC格式，依據(jù)定位結(jié)果初步選取采用的臺(tái)站數(shù)據(jù)，具體的流程見(jiàn)圖2。

2.2 速度模型的選取及格林函數(shù)的計(jì)算

地震震源參數(shù)的解算都是基于合理的地殼模型基礎(chǔ)之上，地震引起的位移一方面依賴于地震震源，另一方面依賴于包括場(chǎng)地條件在內(nèi)的地震波傳播路徑。為了得到真實(shí)的震源信息，只能針對(duì)具體問(wèn)題取實(shí)際傳播路徑的合理近似(劉薇等，2012)，本研究參考了云南地區(qū)人工測(cè)深的研究結(jié)果(胡鴻翔等，1986;張中杰，2005;林中洋等，1993;王椿鏞等，2002)采用水平分層模型(表1)。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中我們根據(jù)云南地區(qū)地殼由南向北逐漸增厚的特點(diǎn)，分別在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)震源位置采用45km或55km的地殼速度模型，采用頻率-波數(shù)積分(F-K)的方法(Zhu et al，2002)，計(jì)算出臺(tái)站與震源位置之間的格林函數(shù)。由于此項(xiàng)工作的嘗試才剛剛開(kāi)始，還未建立云南地區(qū)完整的格林函數(shù)庫(kù)，所以每次計(jì)算過(guò)程需要單獨(dú)計(jì)算格林函數(shù)，這也是需要后續(xù)改進(jìn)之處。如果平時(shí)建立了完整的格林函數(shù)庫(kù)，會(huì)使產(chǎn)出中小地震震源機(jī)制解的時(shí)間更快速。關(guān)于格林函數(shù)庫(kù)的方法已成功應(yīng)用到南加州地震臺(tái)網(wǎng)中小地震震源機(jī)制解的測(cè)定中(張項(xiàng)等，2010)，劉薇等(2012)在青海大柴旦6.4地震的余震震源機(jī)制中也曾嘗試使用過(guò)。在震源機(jī)制解的反演過(guò)程中，首先將觀測(cè)數(shù)據(jù)去儀器響應(yīng)得到地動(dòng)位移，再旋轉(zhuǎn)到徑向、切向和垂向，為了消除速度結(jié)構(gòu)橫向變化的影響，我們將波形分解為Pnl和面波2部分，將這2部分分別通過(guò)0.05～0.2、0.05～0.1Hz的4階Butterworth帶通濾波器來(lái)壓制噪音(鄭勇等，2009)，理論地震圖采用與實(shí)際觀測(cè)圖相同的分解、濾波規(guī)則。

表1 地殼速度模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算速度分析

目前下關(guān)虛擬臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展的中小地震震源機(jī)制解的整個(gè)計(jì)算過(guò)程需要約45分鐘:其中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備約10分鐘;速度模型的準(zhǔn)備及格林函數(shù)的計(jì)算約25分鐘，在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)完成數(shù)據(jù)的處理及P波到時(shí)的標(biāo)注等準(zhǔn)備工作;計(jì)算震源機(jī)制解約5分鐘，其后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理和發(fā)布約5分鐘。從整個(gè)時(shí)耗過(guò)程可以看出，耗時(shí)最多的環(huán)節(jié)在于格林函數(shù)的計(jì)算和P波到時(shí)的拾取，故今后建立格林函數(shù)庫(kù)和實(shí)現(xiàn)P波到時(shí)拾取全自動(dòng)化應(yīng)是促進(jìn)中小地震震源機(jī)制解快速產(chǎn)出的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)改進(jìn)這2項(xiàng)技術(shù)，可使計(jì)算時(shí)間節(jié)省約20分鐘左右，屆時(shí)整個(gè)中小地震震源機(jī)制解的產(chǎn)出可以控制在25分鐘以內(nèi)。

圖2 下關(guān)虛擬臺(tái)網(wǎng)中小地震震源機(jī)制解計(jì)算流程圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)

基于CAP方法，我們計(jì)算了2013年2月～2014年2月期間云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解共64個(gè)(圖3)。為了檢查結(jié)果的可靠性，本文以洱源5.5級(jí)地震為例(表2)，將震源機(jī)制解結(jié)果與USGS、GFZ、中國(guó)地震局地球物理研究所等研究機(jī)構(gòu)給出的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果顯示下關(guān)臺(tái)網(wǎng)采用CAP方法得出的震源機(jī)制解與上述3家研究機(jī)構(gòu)給出的結(jié)果較為相近。由于各研究機(jī)構(gòu)使用的臺(tái)站數(shù)據(jù)、速度模型和計(jì)算方法等不同，其結(jié)果會(huì)存在一定差異，但總體來(lái)看結(jié)果較為一致。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中我們選取以震中為圓心200km為半徑范圍內(nèi)的臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，為了使中小地震震源機(jī)制解的結(jié)果更加可靠，我們要求絕大多數(shù)的Pnl波及面波相關(guān)系數(shù)高于75%，而實(shí)際應(yīng)用中部分相關(guān)系數(shù)高于90%。

雖然本文所計(jì)算時(shí)間段僅為1年，中小地震震源機(jī)制解數(shù)量上還相對(duì)較少，但這些中小地震集中分布于川滇菱形塊體與印支板塊，其結(jié)果對(duì)區(qū)域地震類型和應(yīng)力場(chǎng)分布有一定的指示意義。另外從中小地震震源機(jī)制解類型(圖3)來(lái)看，云南地區(qū)地震主要以走滑為主，但在香格里拉和洱源地區(qū)分布有少量正斷層地震，這與云南地區(qū)的其它研究結(jié)果(吳建平等，2004;趙小艷等，2009)較為一致。

圖3 云南及鄰區(qū)MS≥3.0地震震源機(jī)制解

圖4 中小地震P軸主應(yīng)力方向(F1～F5同圖3)

表2 下關(guān)臺(tái)網(wǎng)給出的洱源5.5級(jí)地震震源機(jī)制解與其他科研機(jī)構(gòu)給出結(jié)果的對(duì)比

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由于下關(guān)虛擬臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解常規(guī)產(chǎn)出到2014年2月約1年的時(shí)間，在此期間我們共計(jì)算了64例中小地震的震源機(jī)制解(圖3)，主要分布于川滇菱形塊體、印支塊體和滇西塊體。以鮮水河、安寧河、則木河及小江斷斷裂為東邊界，紅河斷裂為西邊界的川滇菱形塊體，麗江-小金河斷裂將其劃分為南北兩區(qū)(皇甫等崗，2010)。在本文研究的中小地震震源機(jī)制解的計(jì)算區(qū)域及時(shí)段內(nèi)，川滇菱形塊體的南區(qū)P軸主應(yīng)力方向主要表現(xiàn)為北北西-南南東方向(圖4)，與該區(qū)域內(nèi)中小地震反映的應(yīng)力場(chǎng)方向較為一致，地震類型主要表現(xiàn)為走滑型。而北區(qū)的震例主要由2013年8月28日云南香格里拉、德軟-四川得容M5.1和8月31日M5.9地震及其余震組成，其地震類型以正斷層為主，同時(shí)有少許兼走滑的中小地震存在，P軸主應(yīng)力方面以北東東-南西西為主(圖4)，同時(shí)也有2個(gè)方向截然相反的余震;在相繼2個(gè)強(qiáng)震發(fā)生后的較短時(shí)間內(nèi)，其強(qiáng)余震的地震類型與2次強(qiáng)震基本保持一致。而到后期，開(kāi)始有余震呈走滑型出現(xiàn)。造成川滇菱形塊體震源機(jī)制解主壓應(yīng)力南北差異的主要原因可能與川滇菱形塊體南南東向的運(yùn)動(dòng)及在北緯28°N附近區(qū)域的主壓應(yīng)力場(chǎng)和張應(yīng)力軸均存在較大變化(皇甫崗等，2010;吳建平等，2004)有關(guān)。

而以瀾滄江斷裂、金沙江-紅河斷裂為界的印支塊體(胡家富等，2003)，研究時(shí)段內(nèi)中小地震P軸應(yīng)力場(chǎng)方向主要表現(xiàn)北北東-南南西，震源機(jī)制解的類型主要表現(xiàn)為走滑型，但其中部洱源地區(qū)則以正斷層為主。云南地區(qū)現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)一般被認(rèn)為一直承襲著上新世以來(lái)的基本格局，即印度板塊與歐亞板塊的碰撞不僅對(duì)地殼的垂直運(yùn)動(dòng)起著重要的作用，而且對(duì)斷裂活動(dòng)方式及各塊體的水平運(yùn)動(dòng)也起著控制作用，云南地區(qū)各活動(dòng)斷裂的運(yùn)動(dòng)特征雖然復(fù)雜，但多以水平運(yùn)動(dòng)為主(胡家富等，2003)。研究結(jié)果顯示在洱源地區(qū)分布有少量正斷層，這可能與川滇菱形塊體在向南滑移過(guò)程中南部邊界受到一定的阻擋，造成介質(zhì)的差異運(yùn)動(dòng)和較復(fù)雜的局部應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。

而瀾滄江斷斷裂以西的滇西地區(qū)，地震樣本數(shù)量較少，中小地震主要表現(xiàn)為走滑型地震，區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向較為分散，這也反映了中小地震發(fā)震的復(fù)雜性和多樣性。

4 結(jié)語(yǔ)

確定中小地震震源機(jī)制解已成為區(qū)域數(shù)字臺(tái)網(wǎng)面臨的緊迫任務(wù)，發(fā)展自動(dòng)化或半自動(dòng)化的中小地震震源機(jī)制解確定方法以提供較可靠的分析結(jié)果，是有效利用地震臺(tái)網(wǎng)記錄拓展信息功能的重要途徑。隨著中小地震震源機(jī)制解結(jié)果的不斷積累，將為研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化及地震活動(dòng)性方面的前兆異常提供大量資料，從而服務(wù)于區(qū)域地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工作。利用CAP方法常規(guī)產(chǎn)出云南地區(qū)中小地震震源機(jī)制解是本文在云南地區(qū)的一次嘗試，在實(shí)際操作中震后45分鐘能夠給出中小地震的震源機(jī)制解;本文計(jì)算的64個(gè)中小地震震源機(jī)制解顯示云南地區(qū)震源機(jī)制解以走滑為主，但在香格里拉和洱源一帶有少量正斷層分布，從文章涉及的川滇菱形塊體范圍來(lái)看，在其北部P軸應(yīng)力場(chǎng)方向主要表現(xiàn)為北北西-南南東，北部表現(xiàn)為北東東-南西西，印支板塊P軸主應(yīng)力方向主要以北北東-南南西為主，滇西地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)分布較為分散。