SEIS-CAP軟件快速反演山西地區2016年3次ML>4.5地震震源機制解的研究

王卓君，張 玲

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

震源機制解是地震發生后除定位外，地震分析研究關鍵的產出，在后續趨勢判斷、應急救災等過程中發揮重要作用。震源機制解可以反映區域應力狀態，是研究區域構造應力的基礎資料。目前常用的求解方法有P波初動法、振幅比法、P波初動聯合振幅比法、矩張量反演法、CAP全波形反演法等，這些方法的研究結果為多次地震發生機理做出較合理的解釋[1-7]。

SEIS-CAP軟件是基于CAP方法的震源機制解交互反演軟件，于2015年在山西臺網試運行，主要應用于ML3.5以上地震震源機制解的測定。在SEIS-CAP軟件的日常使用中，滿足震中距和信噪比條件的臺站較多，需要根據反演結果手動挑選臺站，每次增減臺站后都需重新計算，耗費了大量時間。為縮短震源機制解計算時間，滿足速報地震發生后快速測定震源機制解的需求，該研究收集山西地區2016年3次ML>4.5地震的近震波形數據和震相文件，使用SEIS-CAP軟件，讓滿足條件的臺站全部參與震源機制解反演，將反演結果與經過臺站挑選后的結果進行對比分析。

1 計算原理和反演模型

CAP(Cut And Paste)方法是由Zhao和Helmberger提出，Zhu和Helmberger進行了改進的全波形反演震源機制解的方法[8-9]。該方法的主要思想是將近震觀測波形分解成Pnl和面波部分進行分別擬合，對3個斷層面參數(走向、滑動角、傾角)，在各自的取值區間進行格點取值，并計算理論地震圖，將理論地震圖與實際觀測波形進行擬合，波形擬合最好的一組參數即是求得的震源斷層面解。

CAP方法綜合利用近震中的體波和面波信息，分別對Pnl和面波賦以不同權重，運用Pnl和面波的振幅比，對地震深度及機制解有更好的約束；其引入距離影響因子，避免反演主要受最近臺站記錄影響；在誤差定義中使用絕對振幅而不是歸一化振幅，更好地識別震相的節面(nodal)，避免振幅歸一化帶來的其他局部最小值解，獲取更準確的機制解。

CAP方法在計算理論波形時，先用F-K方法在給定速度模型下計算各個臺站位置的格林函數，然后由震源函數和格林函數合成理論波形。對于中小地震采用點源假設，震源時間函數直接取δ函數。由于CAP方法對速度結構依賴相對較小，該文采用與山西臺網MSDP軟件對應一致的速度模型，即山西2015地殼速度模型(見第9頁表1)[10-12]。對于ML<5.5地震，Pnl波部分濾波范圍是0.05～0.20 Hz，面波部分濾波范圍是0.05～0.10 Hz。

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

2 資料收集及運算過程

收集山西測震臺網記錄的2016年發生在山西地區ML>4.5的3個地震的波形數據和震相文件，用SEIS-CAP軟件計算震源機制解。圖1為3次地震的震中分布圖與山西測震臺網74個臺站分布圖。

圖1 分析選取3個地震的震中與山西測震臺網臺站分布圖Fig.1 The distribution of epicenters of three selected earthquakes and the shanxi seismograph stations

計算步驟如下：

(1) 將3個地震事件的PHA格式震相文件放在MSDP軟件相關目錄下，使用MSDP打開EVT格式的地震波形，震相文件自動加載在波形上，使用HYPO2000或單純型法定位，得到較準確的震中位置。

(2) 將MSDP定位時生成的PHASE格式震相文件放到SEIS-CAP軟件相關目錄下，使用SEIS-CAP打開EVT格式的地震波形，則震相文件自動加載在波形上。因使用的震相文件為編目正式結果，故臺站記錄均已標注準確的初至P波到時，無需重新標注震相。選擇計算CAP反演，地震定位參數自動加載，手動輸入MS震級。臺站記錄的信噪比下限設為1.2。

(3) 選擇震中距200 km以內的近臺全部參與反演，得到震源機制解參數和震源機制解圖。

3 計算結果分析

為論證該方法求解震源機制解是否可靠，采用對比分析的方法對這3次ML4.5以上(下文提到的震級均指ML震級)地震的震源機制解計算結果進行分析。

(1) 鹽湖4.8級地震。

鹽湖4.8級地震發生在2016年3月12日11時14分，震中位于運城盆地鹽湖北岸斷裂附近。有學者對此次地震的震源機制解進行求解，結果顯示此次地震的錯動方式為走滑兼逆沖[13-14]。本文使用SEIS-CAP方法對此次地震的震源機制解進行計算，在不做臺站挑選的情況下，共有19個臺站參與反演，得到擬合誤差最小的一組機制解如第10頁圖2所示。擬合曲線光滑，結果穩定，機制解類型或結果未出現突跳變化，在震源深度12.2 km處擬合誤差最小。

理論波形與實際記錄波形匹配較好，在19個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占66%，擬合效果較理想。臺站投影到震源球上的位置如第10頁圖3所示，大多數P波初動向上的臺站位于震源球的陰影區，初動向下的臺站位于震源球的空白區，表明此震源機制結果是可靠的。

為進行對比，從19個臺站中選取波形擬合互相關系數較高，且臺站方位角分布均勻的8個臺站參與反演，得到一組結果穩定的震源機制解。觀測波形與理論波形擬合曲線如第10頁圖4所示。在8個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占71%，與未做臺站挑選得到的結果接近。

臺站挑選前后得到的震源機制解節面參數以及他人使用CAP方法反演得到的結果顯示，臺站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機制解節面參數相近，與他人使用CAP方法得到的結果也基本一致(見第10頁表2)。臺站挑選后的波形擬合互相關系數未明顯提高，是因為臺站挑選時不能僅選擇互相關系數高的臺站，要考慮所選臺站圍繞震中均勻分布，有些互相關系數較高但方位角分布重合的臺站會舍棄。

(2) 原平4.7級地震。

原平4.7級地震發生在2016年4月7日4時49分，微觀震中位于忻定斷陷盆地的原平凹陷內。在不做臺站挑選的情況下，使用滿足條件的32個臺站來反演計算，在震源深度12 km處得到最佳震源機制解(見第11頁圖5)，擬合曲線光滑，結果穩定。在32個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占81%，擬合效果理想。臺站投影到震源球上的位置如第11頁圖6所示，絕大多數臺站的P波初動向上，臺站多數位于震源球的陰影區或者陰影區和空白區交界附近，BOD和SHC兩個臺站的P波初動向下，位于震源球的空白區，表明震源機制結果與P波初動方向較吻合，結果可信。

圖2 參與反演的震中周圍臺站分布和鹽湖4.8級地震的震源機制解深度搜索圖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

圖3 鹽湖4.8級地震臺站在震源球中的位置分布圖Fig.3 Location distribution of stations in the source sphere of the Salt Lake 4.8 earthquake

圖4 鹽湖4.8級地震觀測波形與理論波形擬合圖Fig.4 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

表2 鹽湖4.8級地震震源機制解節面參數Table 2 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of the Salt Lake ML 4.8 earthquake

從32個臺站中選取波形擬合互相關系數較高，且臺站方位角分布均勻的8個臺站參與反演，得到一組結果穩定的震源機制解。觀測波形與理論波形擬合曲線如第11頁圖7所示，在8個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占91%，優于未做臺站挑選擬合的結果。

臺站挑選前后得到的震源機制解節面參數以及他人使用CAP方法反演得到的結果顯示，臺站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機制解節面參數相近，與他人使用CAP方法得到的結果非常接近(見表3)；與矩張量反演得到的結果有一些差異[15-16]，但震源機制性質一致，節面參數基本趨勢一致，總體上具有可比性；存在差異的主要原因是2種方法的原理不同。震源機制解結果表明，此次地震的錯動方式為正斷兼走滑。

圖5 參與反演的震中周圍臺站分布和原平4.7級地震的震源機制解深度搜索圖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

圖6 原平4.7級地震臺站在震源球中的位置分布圖Fig.6 Location distribution of stations in the source sphere of Yuanping ML 4.7 earthquake

表3 原平4.7級地震震源機制解節面參數Table 3 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Yuanping ML 4.7 earthquake

圖7 原平4.7級地震觀測波形與理論波形擬合圖Fig.7 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Yuanping ML 4.7 earthquake

(3) 清徐4.6級地震。

清徐4.6級地震發生在2016年12月18日11時8分，震中位于太原盆地內的田莊斷裂附近。在不做臺站挑選的情況下，使用滿足條件的35個臺站來反演計算，在震源深度18.2 km處得到最佳震源機制解(見圖8)，擬合曲線光滑，結果穩定。在35個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占75%，擬合效果理想。臺站投影到震源球上的位置如圖9所示，P波初動向上的臺站多數位于震源球陰影區和空白區交界附近，P波初動向下的臺站全部位于震源球的空白區，震源機制結果與P波初動方向基本吻合，結果可信。

從35個臺站中選取波形擬合互相關系數較高，且臺站方位角分布均勻的8個臺站參與反演，得到一組結果穩定的震源機制解。觀測波形與理論波形擬合曲線如圖10所示。在8個臺站中，體波和面波各部分波形擬合互相關系數大于60%的占89%，優于未做臺站挑選擬合的結果。

臺站挑選前后得到的震源機制解節面參數以及他人使用CAP方法反演得到的結果顯示，臺站挑選前后SEIS-CAP方法得到震源機制解節面參數相近，與他人使用CAP方法得到的結果非常接近[17](見第13頁表4)，結果可信。震源機制解結果表明，此次地震的錯動方式為正斷兼走滑。

圖8 參與反演的震中周圍臺站分布和清徐4.6級地震的震源機制解深度搜索圖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

圖9 清徐4.6級地震臺站在震源球中的位置分布圖Fig.9 Location distribution of stations in the source sphere of Qingxu ML 4.6 earthquake

4 結論與討論

用SEIS-CAP軟件快速反演山西地區2016年3次ML>4.5地震的震源機制解。在不做臺站挑選的情況下，使用震中距200 km范圍內，信噪比大于1.2的所有臺站進行震源機制解快速反演。將此方法測定的震源機制解結果與經過臺站挑選后得到的結果進行對比分析，并與他人對這3次地震測定的震源機制解結果進行對比。主要認識和結論如下：

圖10 清徐4.6級地震觀測波形與理論波形擬合圖Fig.10 A fitting diagram of the observed and theoretical waveforms of Qingxu ML 4.6 earthquake

表4 清徐4.6級地震震源機制解節面參數Table 4 Nodal surface parameters of focal mechanism solution of Qingxu ML 4.6 earthquake

(1) 對于山西地區ML>4.5的地震，使用SEIS-CAP軟件對震中距200 km范圍內，信噪比大于1.2的所有臺站進行震源機制解反演的方法可行。臺站挑選前后得到的震源機制結果接近，與他人研究3次地震的結果基本一致。ML4.5以上地震發生后，在準確標注200 km范圍內臺站初至P波到時并定位的基礎上，快速反演震源機制解。該方法省略手動挑選臺站的步驟，節省大量時間，消除挑選臺站時人為因素的影響，提高震源機制解計算的速度和結果的唯一性。

(2) 使用SEIS-CAP軟件反演得到的2016年3次ML>4.5地震的震源深度依次為12.2 km、12 km和18.2 km，該結果與山西測震臺網統一編目得到的結果12 km、14 km和18 km基本一致，證明運用該方法得到的震源機制結果可信。殷偉偉等[9]建立山西2015一維地殼速度模型指出，山西地區上地殼平均厚度為21 km。山西地區2016年3次ML>4.5地震分別發生于山西斷陷帶內運城盆地、忻定盆地和太原盆地內部，均發生于上地殼，表明山西斷陷帶盆地內部的地震主要發生于上地殼，可能與山西斷陷盆地受剪切拉張作用，盆地下方地殼減薄，脆性破裂區變淺有關。

(3) 由山西地區2016年3次ML>4.5地震的震源機制節面解結果看出，山西斷陷帶以正斷性質的斷層為主，同時也存在走滑兼逆沖的局部構造。3次地震的震源機制結果符合山西斷陷帶北東向擠壓，北西向拉張的區域應力場特征[18]。

需要指出的是，該文提出的使用SEIS-CAP軟件不做臺站挑選快速反演震源機制解的方法只適用于ML>4.5地震。對于ML<4.5的地震，震中附近臺站的信噪比相對較低，波形擬合相對較差，不做臺站挑選就無法得到穩定的震源機制解，仍需手動挑選波形擬合較好，方位角分布均勻的臺站進行求解。