利用震源機制判別山西地區地震事件類型

殷偉偉 張 蕙

1 山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號，030021 2 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉祠鎮，030025

山西地區因礦產開采誘發的非天然地震活動較多。由于非天然地震事件與天然地震事件具有諸多相似之處，僅通過地震波的波形特征難以準確判別，會對地震定位的精度、震源性質的判斷及地震應急等造成一定影響。

震源機制解作為地震學研究的基本參數，可以直觀反映發震斷層的運動學和空間幾何特征，是研究區域構造應力的基礎[1]，也可以用來判斷震源的破壞類型[2]和破裂樣式[3]。研究表明，天然地震大多由各向同性介質沿斷層面的剪切運動所引起[4]，震源模型可以用Ⅳ象限分布的雙力偶機制表示；非天然地震事件多為采礦誘發，破裂的類型和機理與天然地震存在較大區別，震源模型明顯偏離雙力偶機制，在全矩張量中非雙力偶源占比較大[5-7]。求解震源機制的方法通常包括P波初動法、P波和S波振幅比法及矩張量反演等。P波初動法要求能夠記錄到地震信號的臺站數量多，且方位角分布良好[8]，但對于震級較小的地震事件，此方法難以確定震源機制。利用P波和S波振幅比法求解震源機制可以在很大程度上減小斷層面參數的不確定性[9]，但仍受地震臺站方位角分布的制約。而地震矩張量模型能客觀、完整地表示一般類型地震的震源等效力系[10]，在彈性動力學上等效于剪切錯動模型，還可表示非剪切運動產生的地震。

本文采用gCAP方法[11]反演山西地區不同類型地震事件的震源機制，并計算全矩張量解中各分量所占比例，為判別地震事件類型及分析震源區應力場變化提供技術支持。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據資料

選取山西省測震臺網記錄到的2010-01-01～2019-12-31發生在山西及鄰區(109°～116°E，34°～42°N)的175次ML>3.0地震事件，其中天然地震110次，最大為2010-06-05山西陽曲ML5.1地震；爆破38次，最大為2014-03-22山西左云ML3.4地震；塌陷27次，最大為2013-07-22陜西神木ML4.1地震。圖1為地震和臺站分布，從圖中可以看出，天然地震主要集中在山西斷陷帶各斷陷盆地內，兩側隆起區較少；而非天然地震主要集中在山西大同、山西平魯、陜西神木及內蒙古準格爾旗等礦區。

圖1 地震及臺站分布

1.2 研究方法

gCAP方法是在CAP波形[12]反演最佳雙力偶(DC)震源機制的基礎上，在主軸坐標系中將震源機制進行分解，其反演原理與CAP方法類似，將寬頻帶數字地震臺站所記錄的南北向(N)、東西向(E)和垂直向(Z)波形分為Pnl波(P波及其后續震相)和S波(或面波)，并賦予不同的權重和濾波范圍。經格林函數計算得到各臺站的理論地震波形，并與實際觀測的地震波形進行擬合，當兩者的互相關系數最高時擬合效果最好，從而得到最優解[13]。

矩張量反演前，首先對原始地震波形進行去儀器響應，然后將臺站記錄的N向和E向水平分量根據反方位角(θ)利用式(1)和式(2)分別旋轉為徑向(R)和切向(T)，Pnl波和S波設置不同的帶通濾波以壓制干擾因素，頻帶范圍分別為0.05～0.2 Hz和0.03～0.1 Hz。在進行網格搜索時，設定斷層面的走向、傾角和滑動角的搜索間隔均為1°，震源深度搜索間隔為1 km，采用頻率-波數(F-K)法計算生成理論地震波形記錄的格林函數[14]，采樣間隔設為0.1 s，采樣點個數為1 024個：

R=Ncos(θ)+Esin(θ)

(1)

T=-Nsin(θ)+Ecos(θ)

(2)

gCAP方法中通常引入參數ζ(全矩張量中ISO部分所占大小)和χ(偏張量中CLVD 部分所占大小)來定量表示Mij中非雙力偶成分的強度。為更好地表征全矩張量解中3個部分的相對強度，各參數通常用平方值表示：

ΛISO=sgn(ζ)ζ2

(3)

ΛDC=(1-ζ2)(1-χ2)

(4)

ΛCLVD=sgn(χ)(1-ζ2)χ2

(5)

式中，|ΛDC|+|ΛCLVD|+|ΛISO|=1。

1.3 速度模型

山西地區位于鄂爾多斯塊體和華北盆地2個構造差異巨大的地質體之間，屬于華北克拉通破壞的過渡帶[15]，地表沉積層、地殼速度結構及莫霍面埋深等存在顯著的橫向不均勻性[16]。gCAP方法受地殼速度結構影響較小，但較為精確的速度結構能提高反演結果的精度，因此本文根據山西地區地質構造及山西斷陷盆地的分布等將研究區劃分為北部、中部和南部3個區域。其中，北部和中部區域以太原盆地和忻定盆地之間的石嶺關隆起(38.5°N)為界，中部和南部區域以臨汾盆地和太原盆地之間的靈石隆起(36.5°N)為界。利用山西省測震臺網記錄的高質量地震資料，采用一維速度模型的計算方法[17]，結合Crust1.0模型[18]得出各區域相應的速度模型，結果見表1。在計算全矩張量解時，針對不同區域的事件采用相應的分區速度模型。

表1 分區模型參數

2 反演結果及驗證

2.1 反演結果

采用gCAP方法對所選地震事件進行不同深度的地震全矩張量反演，選擇方位角分布均勻、信噪比較高的臺站波形數據，計算相應的震源機制解。在175次地震事件中，有61次事件的震源機制因震級偏小或震中位于山西臺網邊緣導致反演效果不佳，在得到震源機制解的114次地震事件中，包括87次天然地震、18次塌陷及9次爆破。根據ζ和χ計算Mij中雙力偶和非雙力偶成分所占的比例，統計結果見表2。由表2可知，使用gCAP方法反演山西地區震源機制的效果較好，天然地震的震源模型主要以雙力偶機制為主，雙力偶分量在Mij中約占90.57%～99.88%，而爆破及塌陷的雙力偶分量在Mij中約占1.92%～19.12%，低于天然地震雙力偶所占的比例。不同類型非天然地震的全矩張量解也存在明顯差別，爆破事件的ζ值均為正數，顯示震源類型為外向爆炸源；塌陷事件的ζ值均為負數，表明震源類型為內向閉合源。

表2 選用的地震事件全矩張量解中各分量占比統計

2.2 結果驗證

針對天然地震和非天然地震，分別采用不同的方法驗證本文的反演結果。對于天然地震，將本文結果與已有的研究成果進行對比；由于對山西地區非天然地震震源機制的研究較少，本文將非天然地震反演結果與有現場核實內容的事件進行對比。限于篇幅，本文僅列舉典型事件。

據中國地震臺網測定，2016-03-12山西省運城市鹽湖區(35.00°N，110.88°E)發生ML4.8地震，地震的發震斷裂為中條山山前斷裂[19]，地質資料顯示該斷層走向為NE-NEE，傾向NW，傾角為60°～80°，屬于高角度正斷層[20]。本文采用gCAP方法反演山西鹽湖ML4.8地震的震源機制解，得出最佳質心深度為12 km(圖2)。圖3為震源深度在12 km處的震源機制解及理論波形與實際波形的擬合圖像，參與反演的48個波形段中相關系數大于65%的有41個，占比85%以上，說明本文反演的震源參數結果比較可靠。表3為本文得出的震源機制解及前人采用傳統CAP方法反演的詳細結果，2種方法反演的斷層面和震源深度比較接近，但CAP方法得出的發震斷層錯動方式為走滑兼逆沖，與發震斷層的性質(高角度正斷層)及區域應力場方向矛盾；本文結果顯示，斷層錯動方式為走滑兼正斷，符合發震斷層的特征。此外，本文還揭示該地震的破裂過程比較復雜，屬于體積縮小的內向閉合型破裂，全矩張量解中包含4.65%的非雙力偶成分，ζ值為-0.21，χ值為-0.05。這種復雜的破裂方式可能與震中所處的構造環境有關，共軛斷裂交會處斷層破裂面通常不是平面結構[21]，易產生該現象，這也可能是造成此次地震破壞程度較同震級事件更嚴重的原因。

圖2 山西鹽湖地震不同深度處震源機制解及反演方差

圖3 山西鹽湖地震全矩張量解及理論波形(紅色)和實際波形(黑色)對比

表3 山西鹽湖地震不同方法反演震源機制解結果對比

據山西省測震臺網測定，2017-04-10 19:44山西繁峙縣發生ML3.3塌陷事件。使用gCAP方法反演該事件不同深度的全矩張量解，結果顯示，震源深度擬合誤差的最小值在0.2 km處(圖4)，與單純形法測定結果(0 km)存在一定差距。這可能是由于2種方法測定的震源深度含義不同，單純形法測定的震源深度反映的是震源初始破裂位置，而gCAP方法反演的深度則是破裂處的質心深度。圖5為該地震矩張量解和理論波形與實測波形的擬合結果。從圖中可以看出，兩者擬合效果較好，41個波形段中相關系數大于65%的有29個，占比71%。測定的矩震級為MW3.03，最佳斷層面解為180°/61°/56°，ζ值為-0.90，χ值為0.13，非雙力偶分量占比81.32%，其中ISO分量占80%。ISO值為負數，顯示震源為內向閉合源，推測是由于本次事件發生在鐵礦區，塌陷體向下方采空區沖擊，形成壓縮性沖擊，這與楊慧等[2]測定的山東石膏礦塌陷地震的震源機制解相似。據報道，2017-04-10 19:44山西繁峙縣灤興鐵礦2號平硐上部發生塌陷，證實了本文反演結果的正確性。

圖4 山西繁峙縣塌陷不同深度處震源機制解及反演方差

圖5 山西繁峙縣塌陷地震全矩張量解及理論波形(紅色)和實際波形(黑色)對比

3 結 語

1)使用gCAP方法反演山西地區震源機制具有較好的效果，天然地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比通常大于90%，而爆破、塌陷等非天然地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比小于20%。

2)可將山西地區地震事件的全矩張量解中雙力偶分量占比是否大于80%作為判別天然地震事件與非天然地震事件的依據。

3)對于全矩張量解中雙力偶分量占比小于20%的非天然地震事件，可使用參數ζ(全矩張量解中ISO部分占比)作進一步判別，當ζ>0時，震源為外向爆炸源，反之則為內向閉合源。

4)2016-03-12山西鹽湖ML4.8地震的破裂過程比較復雜，斷層錯動方式為走滑兼正斷，全矩張量解中包含一定成分的非雙力偶機制，屬于體積縮小的內向閉合型破裂，與已有的地質資料相符。

致謝：感謝山西、內蒙古、河北、河南及陜西地震臺網為本文提供地震數據。