基于p波初动波形和区域格林函数库的中小地震震源机制格点搜索方法

基于p波初动波形和区域格林函数库的中小地震震源机制格点搜索方法

0中小地震震源机制解的确定地震源通过地壳介质传播到地震台，不仅传输地震源信息，还传输地震源信息和地震台之间的地壳介质信息。在地震学的早期研究中,人们就已注意到地震P波到达时地表的初始振动有些是向上的,有些是向下的。利用位于不同地点的台站记录的P波初动极性四象限分布的物理图像来求解震源机制解的方法,因为其简便快捷且结果较为可靠,而被广泛应用于地震事件分析以及获取震源信息及进行应力场研究等(如Balakinaetal.,1961;许忠淮等,1983;Hardebecketal,2002;胡幸平等,2008;俞春泉等,2009)。除了利用P波初动方法之外,利用S波与P波的振幅比资料方法(Kisslinger,1980;梁尚宏等,1984;刁桂苓等,1993)、波形反演方法(Dziewonskietal,1981)、联合使用体波和面波资料的CAP(CutandPaster)方法(Zhaoetal,1994;Zhuetal,1996)等也广泛应用于震源机制的确定。但由于中小地震激发的低频能量有限,致使主要基于低频记录波形反演中小地震震源机制解的方法难以使用(Tanetal,2007),而噪声和散射因素又限制了利用S波与P波振幅比确定小震震源机制解的能力(Hardebecketal,2003)。因区域台网记录的波形复杂性,不同台站记录之间波形与振幅的较大差异,造成中小地震的震源机制解的确定甚难实现自动化处理,需要一定的人工干预来得到准确的中小地震震源机制解。尽管如此,国际上越来越多的地震台网已开始实现基于地震波形拟合来近实时地确定中小地震的震源机制解,如南北加州、欧洲地中海和台湾等地区。随着我国区域地震台网的逐渐增多,确定频繁发生的中小地震震源机制解,提供区域构造活动和应力场作用的重要约束信息,正逐渐成为地震台网拓展功能的主要方向之一。为此,本文以我国地震台站最密集的首都圈台网为例,利用台网内发生的2006年7月4日文安MW4.9地震记录,尝试综合利用P波初动开始后几个波动周期的波形信息来构建通过自动搜索方法确定中小地震震源机制的方法。1格点搜索法基于网格函数库1.1构筑区域林分函数库双力偶点源所激发的地震波场可以表达为(Akietal,1980)其中Mij是矩张量,Gnj是格林函数,r和rS分别代表接收点和源点的空间坐标,t是时间,δiS中的上标S表示偏导算子作用于震源空间坐标rS上。由(1)式可见,在得到源点与接收点之间的格林函数之后,将格林函数微分并与震源的矩张量做点乘,便可获得由该震源激发传播至接收台站处的理论地震图。对于某一研究区域,假如平时已经完成耗时的格林函数运算,得到区域内所有地震台站在整个区域空间内的格林函数库,当地震发生时,根据格林函数的震源-观测点互易性(Akietal,1980;Zhaoeal,2006),就可以直接利用已有的格林函数库快速得到理论地震波形,从而对所发生地震的精确定位和震源机制测定提供极大的便利。基于格林函数库方法已成功地应用于南加州地震台网记录的中小地震震源机制测定(Zhaoetal,2006;Chenetal,2010)。本研究采用Zhu等(2002)的频率-波数积分(F-K)方法,基于水平均匀分层的速度模型计算了首都圈数字地震台网各台站的格林函数,构建了首都圈地区的区域格林函数库。所使用的速度结构(表1)为孙若昧等(1995)的首都圈地区地壳一维P波速度模型,李乐等(2007)曾成功地将该模型应用于首都圈小震精定位研究。1.2基于信号相关机制的震源机制解本研究所采用的格点搜索方法,借鉴了CAP方法(Zhaoetal,1994;Zhuetal,1996)的思路,即综合利用P波初动波形信息分步搜索确定震源机制解。第一步,对某一地震事件,对走向、倾角、滑动角等分别以15°为间隔得到三维网格,从格林函数库中提取台站-事件对应的格林函数,计算每一格点相应的理论地震图。从P波初动截取一定波动周期的观测波形与理论地震图进行波形相关计算,对所有高信噪比记录台站的事件波形进行同样的相关处理,然后将所处理台站互相关值相加得到互相关值的总和(TR值),并确定以最大TR值对应的格点为中心的下一步震源机制解的精细搜索范围。第二步,在震源机制解的精细搜索范围内,分别以走向、倾角、滑动角等的1°小间隔,同样利用格林函数库计算高信噪比台站的理论地震图,选取合适的时间窗,对每一理论波形和实际记录波形进行互相关计算,然后将理论波形和实际波形相关度最高(TR值最大)的走向、倾角、滑动角等作为最终的结果,从而得到地震的震源机制解。由于本文的目的是研究利用P波初至后几个周期的波形信息自动搜索获取中小地震震源机制的可能性,因此本文中的地震震源位置(经纬度、深度)都将采用地震目录中的资料,不再讨论震源定位误差对结果的影响。2震源机制解的计算中国地震局地球物理研究所对文安地震做了精确定位,给出的结果为该震发生在北京时间2006年7月4日11时56分25.5秒,震源经度116.25°E、纬度38.89°N,深度为13km,本文使用的文安地震震源位置将使用此结果。本文反演文安地震震源机制解所使用的数据,主要来自首都圈数字地震台网的震中距小于400km,且信噪比(SNR)较高、初动记录清晰的33个台站的波形记录,台站分布如图1所示。从图1可以清楚地看到,选取的33个台站的方位角覆盖非常好。在选择了33个台站的波形记录之后,利用已经建立的格林函数库,对文安地震的震源机制解进行格点搜索。在进行格点搜索的时候,首先以大步长搜索获得初步解,然后,在初步解的范围内,以1°小步长搜索获得最终的震源机制解。由于震源机制解的两组节面是共轭的,因此在获得两个初步解的结果之后,只需要对其中一个解的范围进行小步长搜索,即可以得到最终的结果。以某一个台站为例,F-K方法计算的理论地震图为径向、切向、垂直向等3个分量,切向不存在由震源直接激发的P波震相。首先对记录的波形数据进行坐标旋转,将记录数据旋转为径向、切向、垂直向等3个方向的三分量记录,截取了径向和垂直向P波初动起一至两个周期的波形作为记录波形,然后从格林函数库中提取对应震源与该台站之间的格林函数,对走向0~360°、倾角0~90°、滑动角-180~180°的范围,均以15°为间隔进行格点搜索并计算理论地震图,截取P波初动起始相同周期波形与记录波形进行互相关计算。对所有的33个台站波形资料进行了同样的计算过程。从记录的角度来看,任一地震台记录的地震波形资料都是对震源和传播路径的客观描述,每一台站对最终结果的贡献是相同的,且径向与垂直向对于震源机制解的贡献相同,因此取所有台站互相关值之和最大点对应的格点为震源机制解的进一步搜索范围。经过计算,得到文安地震震源机制的节面Ⅰ搜索范围为走向15~30°、倾角75~90°、滑动角150~165°,节面Ⅱ搜索范围为走向105~120°、倾角60~75°、滑动角0~15°(图2)。由于震源机制解中两个断层面的共轭性,选取节面Ⅰ以1°为间隔进行小步长搜索,计算理论地震图,利用与获得初步解相同的计算原理和过程,对所有的33个台站资料进行了同样的计算过程,最终得到文安地震震源机制解的一个节面为走向20°、倾角82°、滑动角158°(图3)。使用本文得到的文安地震的震源机制解,重新计算参与文安地震震源机制解反演的台站理论波形,并与实际P波波形进行了比较,结果显示理论波形与实际波形符合的较好(图4)。从不同机构的测定结果(表2,图5)来看,本研究结果与gCMT以及黄建平等(2009)给出的结果的节面约有5~10°左右的差异,三者结果比较一致,显示文安地震为近纯走滑型地震;中国地震台网中心自动CMT解与其他结果有一定差异,但是所有的结果均显示出文安地震为走滑型地震。本研究结果与刁桂苓等(2006)(表2)得到的结果亦较为一致。3格点搜索法计算本文得到的文安地震震源机制解,所用台站数目较多,而且方位角覆盖非常好,因此是比较可靠的。但是中小地震释放能量相对较少,能够记录到中小地震清晰波形记录的台站往往较少,且这些台站方位角覆盖也往往较差,为了检验台站数目和方位角的分布对格点搜索方法的影响,进行了选取如下不同台站计算文安地震的震源机制解的试验(图6)。从图6可以直观地看出,对于文安地震,当台站方位角覆盖达到180°左右时,使用文本中的方法,仅需5~6个在覆盖范围内方位角分布比较均匀的台站就可以得到比较好的文安地震的震源机制解。这表明了本文给出的方法对于中小地震震源机制解确定的有效性。其中的小差异与Hardebeck等(2002)所述的据由P波初动给出的震源机制解节面一般有5~10°的不确定性相符,可能是由于节面附近P波初动均很小而致。在本文进行的搜索过程中发现,当方位角覆盖远远小于180°或者台站数目过少时(4个以下),利用本文的方法,在大步长搜索时得到的结果将往往不具有明显的解的收敛区域,即在这种情况下无法使用本方法得到地震的震源机制解。4格点搜索震源机制解的应用效果震源机制解可为区域应力场分布、地震与构造之间的关系以及断层的活动性和相互作用等研究提供可靠的约束信息,因此确定中小地震的震源机制解已成为日益增多的数字地震台网面对的紧迫任务,而发展自动或半自动化的中小地震震源机制解确定方法以提供较可靠的分析结果,是有效利用地震台网记录拓展信息服务功能的重要途径。本文以密集的首都圈数字地震台网为例,计算了一维速度模型下的区域格林函数库,利用首都圈台网提供的波形数据,使用格点搜索方法获得了2006年文安5.1级地震震源机制解的一个节面为:走向20°、倾角82°、滑动角158°。通过对较少台站和方位角覆盖情况下利用本文的格点搜索方法获得震源机制解的可行性讨论,表明了所给出的格点搜索中小地震震源机制解方法的有效性。在获得较均匀分布的5~6个台站的高信噪比地震波形记录且台站方位角覆盖达到180°左右时,该方法可得到比较可靠的结果,这为综合利用P波初动及随后几个波动周期的波形信息来搜索中小地震震源机制的自动处理程序提供了可能的实例。但要将本方法实际应用于中小地震发生后的实际资料分析处理,在数分钟内获得较为可靠的中小地震震源机制,还需编制可自动化处理