基于p波初動波形和區(qū)域格林函數(shù)庫的中小地震震源機(jī)制格點搜索方法

基于p波初動波形和區(qū)域格林函數(shù)庫的中小地震震源機(jī)制格點搜索方法

0中小地震震源機(jī)制解的確定地震源通過地殼介質(zhì)傳播到地震臺，不僅傳輸?shù)卣鹪葱畔?，還傳輸?shù)卣鹪葱畔⒑偷卣鹋_之間的地殼介質(zhì)信息。在地震學(xué)的早期研究中,人們就已注意到地震P波到達(dá)時地表的初始振動有些是向上的,有些是向下的。利用位于不同地點的臺站記錄的P波初動極性四象限分布的物理圖像來求解震源機(jī)制解的方法,因為其簡便快捷且結(jié)果較為可靠,而被廣泛應(yīng)用于地震事件分析以及獲取震源信息及進(jìn)行應(yīng)力場研究等(如Balakinaetal.,1961;許忠淮等,1983;Hardebecketal,2002;胡幸平等,2008;俞春泉等,2009)。除了利用P波初動方法之外,利用S波與P波的振幅比資料方法(Kisslinger,1980;梁尚宏等,1984;刁桂苓等,1993)、波形反演方法(Dziewonskietal,1981)、聯(lián)合使用體波和面波資料的CAP(CutandPaster)方法(Zhaoetal,1994;Zhuetal,1996)等也廣泛應(yīng)用于震源機(jī)制的確定。但由于中小地震激發(fā)的低頻能量有限,致使主要基于低頻記錄波形反演中小地震震源機(jī)制解的方法難以使用(Tanetal,2007),而噪聲和散射因素又限制了利用S波與P波振幅比確定小震震源機(jī)制解的能力(Hardebecketal,2003)。因區(qū)域臺網(wǎng)記錄的波形復(fù)雜性,不同臺站記錄之間波形與振幅的較大差異,造成中小地震的震源機(jī)制解的確定甚難實現(xiàn)自動化處理,需要一定的人工干預(yù)來得到準(zhǔn)確的中小地震震源機(jī)制解。盡管如此,國際上越來越多的地震臺網(wǎng)已開始實現(xiàn)基于地震波形擬合來近實時地確定中小地震的震源機(jī)制解,如南北加州、歐洲地中海和臺灣等地區(qū)。隨著我國區(qū)域地震臺網(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)造活動和應(yīng)力場作用的重要約束信息,正逐漸成為地震臺網(wǎng)拓展功能的主要方向之一。為此,本文以我國地震臺站最密集的首都圈臺網(wǎng)為例,利用臺網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的2006年7月4日文安MW4.9地震記錄,嘗試綜合利用P波初動開始后幾個波動周期的波形信息來構(gòu)建通過自動搜索方法確定中小地震震源機(jī)制的方法。1格點搜索法基于網(wǎng)格函數(shù)庫1.1構(gòu)筑區(qū)域林分函數(shù)庫雙力偶點源所激發(fā)的地震波場可以表達(dá)為(Akietal,1980)其中Mij是矩張量,Gnj是格林函數(shù),r和rS分別代表接收點和源點的空間坐標(biāo),t是時間,δiS中的上標(biāo)S表示偏導(dǎo)算子作用于震源空間坐標(biāo)rS上。由(1)式可見,在得到源點與接收點之間的格林函數(shù)之后,將格林函數(shù)微分并與震源的矩張量做點乘,便可獲得由該震源激發(fā)傳播至接收臺站處的理論地震圖。對于某一研究區(qū)域,假如平時已經(jīng)完成耗時的格林函數(shù)運(yùn)算,得到區(qū)域內(nèi)所有地震臺站在整個區(qū)域空間內(nèi)的格林函數(shù)庫,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,根據(jù)格林函數(shù)的震源-觀測點互易性(Akietal,1980;Zhaoeal,2006),就可以直接利用已有的格林函數(shù)庫快速得到理論地震波形,從而對所發(fā)生地震的精確定位和震源機(jī)制測定提供極大的便利?；诟窳趾瘮?shù)庫方法已成功地應(yīng)用于南加州地震臺網(wǎng)記錄的中小地震震源機(jī)制測定(Zhaoetal,2006;Chenetal,2010)。本研究采用Zhu等(2002)的頻率-波數(shù)積分(F-K)方法,基于水平均勻分層的速度模型計算了首都圈數(shù)字地震臺網(wǎng)各臺站的格林函數(shù),構(gòu)建了首都圈地區(qū)的區(qū)域格林函數(shù)庫。所使用的速度結(jié)構(gòu)(表1)為孫若昧等(1995)的首都圈地區(qū)地殼一維P波速度模型,李樂等(2007)曾成功地將該模型應(yīng)用于首都圈小震精定位研究。1.2基于信號相關(guān)機(jī)制的震源機(jī)制解本研究所采用的格點搜索方法,借鑒了CAP方法(Zhaoetal,1994;Zhuetal,1996)的思路,即綜合利用P波初動波形信息分步搜索確定震源機(jī)制解。第一步,對某一地震事件,對走向、傾角、滑動角等分別以15°為間隔得到三維網(wǎng)格,從格林函數(shù)庫中提取臺站-事件對應(yīng)的格林函數(shù),計算每一格點相應(yīng)的理論地震圖。從P波初動截取一定波動周期的觀測波形與理論地震圖進(jìn)行波形相關(guān)計算,對所有高信噪比記錄臺站的事件波形進(jìn)行同樣的相關(guān)處理,然后將所處理臺站互相關(guān)值相加得到互相關(guān)值的總和(TR值),并確定以最大TR值對應(yīng)的格點為中心的下一步震源機(jī)制解的精細(xì)搜索范圍。第二步,在震源機(jī)制解的精細(xì)搜索范圍內(nèi),分別以走向、傾角、滑動角等的1°小間隔,同樣利用格林函數(shù)庫計算高信噪比臺站的理論地震圖,選取合適的時間窗,對每一理論波形和實際記錄波形進(jìn)行互相關(guān)計算,然后將理論波形和實際波形相關(guān)度最高(TR值最大)的走向、傾角、滑動角等作為最終的結(jié)果,從而得到地震的震源機(jī)制解。由于本文的目的是研究利用P波初至后幾個周期的波形信息自動搜索獲取中小地震震源機(jī)制的可能性,因此本文中的地震震源位置(經(jīng)緯度、深度)都將采用地震目錄中的資料,不再討論震源定位誤差對結(jié)果的影響。2震源機(jī)制解的計算中國地震局地球物理研究所對文安地震做了精確定位,給出的結(jié)果為該震發(fā)生在北京時間2006年7月4日11時56分25.5秒,震源經(jīng)度116.25°E、緯度38.89°N,深度為13km,本文使用的文安地震震源位置將使用此結(jié)果。本文反演文安地震震源機(jī)制解所使用的數(shù)據(jù),主要來自首都圈數(shù)字地震臺網(wǎng)的震中距小于400km,且信噪比(SNR)較高、初動記錄清晰的33個臺站的波形記錄,臺站分布如圖1所示。從圖1可以清楚地看到,選取的33個臺站的方位角覆蓋非常好。在選擇了33個臺站的波形記錄之后,利用已經(jīng)建立的格林函數(shù)庫,對文安地震的震源機(jī)制解進(jìn)行格點搜索。在進(jìn)行格點搜索的時候,首先以大步長搜索獲得初步解,然后,在初步解的范圍內(nèi),以1°小步長搜索獲得最終的震源機(jī)制解。由于震源機(jī)制解的兩組節(jié)面是共軛的,因此在獲得兩個初步解的結(jié)果之后,只需要對其中一個解的范圍進(jìn)行小步長搜索,即可以得到最終的結(jié)果。以某一個臺站為例,F-K方法計算的理論地震圖為徑向、切向、垂直向等3個分量,切向不存在由震源直接激發(fā)的P波震相。首先對記錄的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn),將記錄數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)為徑向、切向、垂直向等3個方向的三分量記錄,截取了徑向和垂直向P波初動起一至兩個周期的波形作為記錄波形,然后從格林函數(shù)庫中提取對應(yīng)震源與該臺站之間的格林函數(shù),對走向0~360°、傾角0~90°、滑動角-180~180°的范圍,均以15°為間隔進(jìn)行格點搜索并計算理論地震圖,截取P波初動起始相同周期波形與記錄波形進(jìn)行互相關(guān)計算。對所有的33個臺站波形資料進(jìn)行了同樣的計算過程。從記錄的角度來看,任一地震臺記錄的地震波形資料都是對震源和傳播路徑的客觀描述,每一臺站對最終結(jié)果的貢獻(xiàn)是相同的,且徑向與垂直向?qū)τ谡鹪礄C(jī)制解的貢獻(xiàn)相同,因此取所有臺站互相關(guān)值之和最大點對應(yīng)的格點為震源機(jī)制解的進(jìn)一步搜索范圍。經(jīng)過計算,得到文安地震震源機(jī)制的節(jié)面Ⅰ搜索范圍為走向15~30°、傾角75~90°、滑動角150~165°,節(jié)面Ⅱ搜索范圍為走向105~120°、傾角60~75°、滑動角0~15°(圖2)。由于震源機(jī)制解中兩個斷層面的共軛性,選取節(jié)面Ⅰ以1°為間隔進(jìn)行小步長搜索,計算理論地震圖,利用與獲得初步解相同的計算原理和過程,對所有的33個臺站資料進(jìn)行了同樣的計算過程,最終得到文安地震震源機(jī)制解的一個節(jié)面為走向20°、傾角82°、滑動角158°(圖3)。使用本文得到的文安地震的震源機(jī)制解,重新計算參與文安地震震源機(jī)制解反演的臺站理論波形,并與實際P波波形進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示理論波形與實際波形符合的較好(圖4)。從不同機(jī)構(gòu)的測定結(jié)果(表2,圖5)來看,本研究結(jié)果與gCMT以及黃建平等(2009)給出的結(jié)果的節(jié)面約有5~10°左右的差異,三者結(jié)果比較一致,顯示文安地震為近純走滑型地震;中國地震臺網(wǎng)中心自動CMT解與其他結(jié)果有一定差異,但是所有的結(jié)果均顯示出文安地震為走滑型地震。本研究結(jié)果與刁桂苓等(2006)(表2)得到的結(jié)果亦較為一致。3格點搜索法計算本文得到的文安地震震源機(jī)制解,所用臺站數(shù)目較多,而且方位角覆蓋非常好,因此是比較可靠的。但是中小地震釋放能量相對較少,能夠記錄到中小地震清晰波形記錄的臺站往往較少,且這些臺站方位角覆蓋也往往較差,為了檢驗臺站數(shù)目和方位角的分布對格點搜索方法的影響,進(jìn)行了選取如下不同臺站計算文安地震的震源機(jī)制解的試驗(圖6)。從圖6可以直觀地看出,對于文安地震,當(dāng)臺站方位角覆蓋達(dá)到180°左右時,使用文本中的方法,僅需5~6個在覆蓋范圍內(nèi)方位角分布比較均勻的臺站就可以得到比較好的文安地震的震源機(jī)制解。這表明了本文給出的方法對于中小地震震源機(jī)制解確定的有效性。其中的小差異與Hardebeck等(2002)所述的據(jù)由P波初動給出的震源機(jī)制解節(jié)面一般有5~10°的不確定性相符,可能是由于節(jié)面附近P波初動均很小而致。在本文進(jìn)行的搜索過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)方位角覆蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于180°或者臺站數(shù)目過少時(4個以下),利用本文的方法,在大步長搜索時得到的結(jié)果將往往不具有明顯的解的收斂區(qū)域,即在這種情況下無法使用本方法得到地震的震源機(jī)制解。4格點搜索震源機(jī)制解的應(yīng)用效果震源機(jī)制解可為區(qū)域應(yīng)力場分布、地震與構(gòu)造之間的關(guān)系以及斷層的活動性和相互作用等研究提供可靠的約束信息,因此確定中小地震的震源機(jī)制解已成為日益增多的數(shù)字地震臺網(wǎng)面對的緊迫任務(wù),而發(fā)展自動或半自動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,是有效利用地震臺網(wǎng)記錄拓展信息服務(wù)功能的重要途徑。本文以密集的首都圈數(shù)字地震臺網(wǎng)為例,計算了一維速度模型下的區(qū)域格林函數(shù)庫,利用首都圈臺網(wǎng)提供的波形數(shù)據(jù),使用格點搜索方法獲得了2006年文安5.1級地震震源機(jī)制解的一個節(jié)面為:走向20°、傾角82°、滑動角158°。通過對較少臺站和方位角覆蓋情況下利用本文的格點搜索方法獲得震源機(jī)制解的可行性討論,表明了所給出的格點搜索中小地震震源機(jī)制解方法的有效性。在獲得較均勻分布的5~6個臺站的高信噪比地震波形記錄且臺站方位角覆蓋達(dá)到180°左右時,該方法可得到比較可靠的結(jié)果,這為綜合利用P波初動及隨后幾個波動周期的波形信息來搜索中小地震震源機(jī)制的自動處理程序提供了可能的實例。但要將本方法實際應(yīng)用于中小地震發(fā)生后的實際資料分析處理,在數(shù)分鐘內(nèi)獲得較為可靠的中小地震震源機(jī)制,還需編制可自動化處理