利用近震及遠(yuǎn)震波形反演的北京mw=51級(jí)地震震源深度

1地震震源機(jī)制的確定—引言以中亞地區(qū)為主體的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)非?；钴S。作為一個(gè)特殊的區(qū)域，它在大陸動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)揮著非常重要的作用。首都圈地區(qū)是中國政治、經(jīng)濟(jì)和文化的中心。歷史上有多次大地震，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。華北克拉通的研究一直是我們研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，也得到了地震和地質(zhì)構(gòu)造的各種結(jié)果。吳京通過切割波的分離，獲得了首都圈西北部地殼環(huán)境的各向異性。當(dāng)湖南偉等人通過16048條p波第一次到達(dá)時(shí)，他們獲得了北京天津唐區(qū)3維p波結(jié)構(gòu)（經(jīng)度112125；緯度3545）。從1973年1月1日到2007年7月1日，usgs提供了地震、主要斷裂帶、文安地震和近地震站的分布信息。圓圈代表地震的級(jí)別小于4，波形代表地震的級(jí)別大于4.0。不同顏色代表不同的地震深度。黑色帶顯示了中國北方的幾個(gè)斷裂帶。歷史上著名的大地震主要集中在這些大斷裂帶上。黑色五角星列出了2006-07-04年文安地震的位置。這表明地震沒有位于斷裂帶，因此引起了我們的極大興趣。黑色三角是本文用來反演和計(jì)算的近地震站的分布。該站覆蓋的方位角良好，我們可以獲得該地震的源機(jī)制，并提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持和機(jī)會(huì)。地震震源機(jī)制的確定,對(duì)于地震本身的研究、地震的孕震機(jī)理的解釋及震后應(yīng)力的分布,具有十分重要的意義.為此,對(duì)于震源機(jī)制理論和方法的研究,一直是地震學(xué)研究的熱點(diǎn),并取得了大量重要成果.1980年,Helmbergeretal.利用地震P波(P&&Pnl)模擬,通過理論和實(shí)際波形的對(duì)比,采用格點(diǎn)搜索的方法,得到了研究地震的震源機(jī)制.隨后Wallaceet.al通過對(duì)震源機(jī)制進(jìn)行方位角、傾角、滑移角的參數(shù)化,并利用最小二乘反演結(jié)合互相關(guān)的方法,得到了地震的震源機(jī)制.DziewonskiandWoodhouse給出了同時(shí)考慮近震波形和全球波形P波初到確定地震震源機(jī)制的方法,并提出利用正態(tài)模態(tài)疊加的方法研究了地震的震源機(jī)制.L.E.Jones同時(shí)考慮直達(dá)P和地表多次反射的P波得到了地震的震源機(jī)制和破裂過程.隨著矩張量方法的出現(xiàn),利用長周期地震矩張量反演的方法被廣泛應(yīng)用[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27].而其他一些反演方法,主要針對(duì)近震波形的直達(dá)波和Moho面的多次反射波[28,29,30,31,32,33,34,35,36].近年來,隨著計(jì)算性能提高及大量高質(zhì)量寬頻地震數(shù)據(jù)的使用,利用地震波形反演震源機(jī)制成為可能.Zhao等通過分割波形記錄為Pnl和Snl部分,分別賦予不同的權(quán)重,通過格點(diǎn)搜索的方法進(jìn)行地震震源機(jī)制的反演.最近,利用遠(yuǎn)震波形和近震波形相結(jié)合的方法被廣泛應(yīng)用于地震震源機(jī)制、地震定位等的研究中.楊智嫻等利用雙差的方法,利用經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的方法得到了地震的震源參數(shù).本文在處理震中距小于600km的近震波形時(shí),采用了Zhao(1994)提出的CAP方法,在處理30°～90°遠(yuǎn)震波形的時(shí)候,我們主要考慮直達(dá)P波、源區(qū)地表反射的sP和pP波,來同時(shí)確定地震的震級(jí)、深度和震源機(jī)制的方位角、傾角、滑移角等物理量.并通過了與哈佛大學(xué)基于中心矩張量方法(CMT)得到的地震震源機(jī)制解,利用P波初動(dòng)得到的由CCDSN提供的震源機(jī)制解(P-initialmethod)進(jìn)行了比較,三者較為相似;進(jìn)一步通過余震分布、理論波形和實(shí)際觀測對(duì)比發(fā)現(xiàn),通過綜合考慮近震和遠(yuǎn)震波形能快速準(zhǔn)確地反演得到地震的震源機(jī)制和震源深度.2近震與遠(yuǎn)震的反演方法2.1格點(diǎn)搜索方法基于研究區(qū)域的地殼速度模型,利用近震波形進(jìn)行震源機(jī)制反演,其反演原理為:設(shè)μ(t)是臺(tái)站記錄到的去除儀器響應(yīng)后的地震波形,s(t)是相應(yīng)的理論計(jì)算出的波形,如等式(1)所示:sj(t)=Μ03∑i=1Aij(?-θ,δ,λ)Gij(h,Δ,t),(1)sj(t)=M0∑i=13Aij(??θ,δ,λ)Gij(h,Δ,t),(1)其中,j=1,2,3對(duì)應(yīng)于垂向、徑向、切向分量,Gij是對(duì)應(yīng)各個(gè)方向的格林函數(shù),Aij是輻射的衰減系數(shù),M0是地震的矩張量,?和Δ地震的方位角和震中距.需要反演得到的地震深度(h)、方位角(θ)、傾角(δ)、滑移角(λ)可以通過解等式(2)得到:u(t)=s(t)?(2)其中μ(t)和s(t)分別為實(shí)際地震記錄和理論地震圖.為此,我們可以根據(jù)格點(diǎn)搜索的方法,同時(shí)搜索可能的地震深度(h)、方位角(θ)、傾角(δ)、滑移角(λ),同時(shí)給定誤差函數(shù)作為測量標(biāo)準(zhǔn),從而得到最佳的搜索出的震源機(jī)制.對(duì)于近震和遠(yuǎn)震波形反演,我們采用不同方法計(jì)算格林函數(shù)和誤差測量函數(shù).對(duì)于近震情況,近震波形受地殼橫向各向異性(散射體的存在)影響較為明顯,導(dǎo)致不同的頻率范圍內(nèi)的波形差別較大,在這種情況下,我們采用頻率-波數(shù)方法(F-K)來計(jì)算各臺(tái)站處的格林函數(shù).另外,在波形反演過程中,反演結(jié)果容易受到波形中較強(qiáng)部分的影響,如果采用全波形反演,長周期的面波將對(duì)反演結(jié)果起主導(dǎo)地位.為了克服這一反演中存在的困難,我們在進(jìn)行近震反演的時(shí)候,利用的是Zhao提出的Cut-And-Paste(CAP)方法.該方法把整個(gè)波形分為P波部分(Pnl)和面波部分(Sur),對(duì)兩部分的三分量共5部分(Pnl不存在切向分量)給定不同的權(quán)重進(jìn)行反演,這樣可以充分考慮各部分波形對(duì)于震源機(jī)制的貢獻(xiàn).我們選擇格點(diǎn)搜索的方法,并選取等式(3)所示的誤差測量函數(shù).e=∥u(t)-s(t)∥,(3)對(duì)于遠(yuǎn)震波形,地震波的圖像主要受震源機(jī)制、源時(shí)間函數(shù)、臺(tái)站附近的速度結(jié)構(gòu)影響,為此在計(jì)算各臺(tái)站下方的格林函數(shù)的時(shí)候,我們采用射線理論.考慮到不同臺(tái)站震中距差別較大,記錄到的波形存在數(shù)量級(jí)的差別,為此我們采用歸一化的誤差測量函數(shù),如等式(4)所示.通過格點(diǎn)搜索方法,在適當(dāng)范圍內(nèi)循環(huán)地震深度、方位角、傾角、滑移角,得到相對(duì)誤差最小時(shí)的地震的震源機(jī)制和地震深度.e=∥u(t)-s(t)∥∥u(t)∥?∥s(t)∥,(4)3數(shù)據(jù)分析與反演結(jié)果3.1獨(dú)立強(qiáng)度生長記錄本文用到的數(shù)據(jù)包括兩部分:近震數(shù)據(jù)主要來自于首都圈臺(tái)網(wǎng)、國家臺(tái)網(wǎng)提供的震中距小于600km的波形記錄,臺(tái)站信息如表1中左欄所示;遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)主要來自IRIS提供的、震中距在30°～90°之間的、信噪比(SNR)較高的波形數(shù)據(jù),臺(tái)站信息如表1中右欄所示.3.2近震波形反演的震源機(jī)制一般說來,人工試驗(yàn)反射波的方法能夠得到準(zhǔn)確的炮點(diǎn)位置和臺(tái)站分布資料,通過偏移的方法,可以得到較為清晰的速度剖面,本文在選擇源區(qū)模型的時(shí)候,采用了反射波得到的結(jié)果.由于文安地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)變化較為明顯,呈現(xiàn)出由東向西遞增趨勢,為了得到更為準(zhǔn)確的格林函數(shù),對(duì)于不同方位角上的臺(tái)站,我們采用了不同的地殼速度模型,如表2所示.其中東部、南部、北部的臺(tái)站采用表2給出的模型,沉積層厚度在2km,中地殼存在一個(gè)14.5km的低速層;西部區(qū)域臺(tái)站采用表2給出的速度模型,沉積層厚度為1km,中地殼低速體厚度為7km.通過頻率-波數(shù)域(F-K)的方法,計(jì)算了基于上述模型、在不同震中距臺(tái)站的理論格林函數(shù).并將實(shí)際數(shù)據(jù)截?cái)酁镻nl部分和Sur部分,為了去除噪聲的影響,采用了對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后比較的方法.濾波范圍分別為:對(duì)于Pnl,保留5～15s的波形信號(hào),對(duì)于Sur部分則保留10s以上的信號(hào).對(duì)于理論計(jì)算得到的波形,采用相同的濾波范圍,利用格點(diǎn)搜索及互相關(guān)的方法,計(jì)算二者的互相關(guān)系數(shù)、振幅和到時(shí)差.利用近震CAP反演得到的地震震源機(jī)制解、理論波形和實(shí)際觀測對(duì)比、誤差值、臺(tái)站投影到震源球上的位置如圖2所示.圖中灰色波形為計(jì)算出的理論波形,黑色波形為實(shí)際觀測的波形.基于表2中的地殼速度模型,利用F-K方法計(jì)算得到的理論波形,在不同方位角臺(tái)站上都能較好地與實(shí)際記錄到的波形匹配,且其絕對(duì)振幅大小也較為相似.互相關(guān)系數(shù)多數(shù)都在60%以上,且波形的三分量及Pnl和Sur部分都有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.同時(shí)也應(yīng)該看到,二者在到時(shí)上存在一些差距,造成這些偏差的原因,可能是由于我們在選擇模型時(shí),P、S波的速度值與真實(shí)值之間存在差別,同時(shí)一維模型不能考慮到北京地區(qū)地殼和上地幔的橫向不均勻性和存在的各向異性.由近震波形反演得到的震源機(jī)制為:方位角210°、傾角80°、滑移角-150°,地震為典型的走滑型.我們進(jìn)一步比較了誤差隨不同地震試驗(yàn)深度變化的關(guān)系,圖3給出了在計(jì)算不同震源深度,利用網(wǎng)格搜索得到的震源機(jī)制最優(yōu)解的結(jié)果,其中橫軸為不同的地震深度,縱軸為該深度計(jì)算理論波形和實(shí)際觀測的最小二乘誤差值.可以看出:(1)反演得到的震源機(jī)制較為穩(wěn)定,隨震源深度的變化不是很明顯.(2)最佳的震源深度出現(xiàn)在14.0km左右,但是深度范圍在11.5km至15.5km的偏差值較小.為此,本文引入了遠(yuǎn)震波形尤其是深度震相(pP)進(jìn)行震源機(jī)制的反演,該方法首先可以進(jìn)一步驗(yàn)證本文近震波形反演的震源機(jī)制的結(jié)果,更為重要的是提高地震震源深度的分辨率.3.3遠(yuǎn)震臺(tái)定位特征分析本文基于近震波形,利用CAP方法反演得到了地震的震源機(jī)制如圖3.為了驗(yàn)證所得震源機(jī)制的可靠性,利用該機(jī)制計(jì)算在遠(yuǎn)震臺(tái)站上的理論波形,與對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)震臺(tái)站上的波形進(jìn)行了比較.當(dāng)震中距小于30°時(shí),會(huì)出現(xiàn)P波的三重值現(xiàn)象,不利于波形的比較和識(shí)別;當(dāng)震中距大于90°時(shí),來自CMB的繞射波及其前驅(qū)波(precussor)也會(huì)對(duì)我們需要的直達(dá)P波、sP、pP波帶來影響.為此,本文用到的遠(yuǎn)震波形的臺(tái)站震中距在30°～90°之間,分布如圖4所示.由于在反演過程中,需要P、sP、pP波的波形的信噪比高,震相清晰,我們從78個(gè)遠(yuǎn)震臺(tái)站中,僅僅找到8個(gè)信噪比高、震相清晰的臺(tái)站,臺(tái)站分布如圖4所示.黑色三角代表臺(tái)站的分布,右邊為對(duì)應(yīng)的臺(tái)站的名稱,黑色五角星為文安地震的震中分布.通過兩步格點(diǎn)搜索的方法,即搜索過程分兩次完成.第一步,對(duì)參數(shù)化的方位角、傾角、滑移角進(jìn)行全值搜索,給定較大的搜索步長,可以在不影響結(jié)果的情況下,節(jié)約時(shí)間.全值搜索的方位角的范圍為0°到360°,傾角范圍為0°到90°,滑移角范圍為-180°到180°,步長為10°;第二步,在第一步最小值附近,變化參數(shù)范圍,選擇較小的搜索步長,從而得到更加準(zhǔn)確的震源機(jī)制解.實(shí)際觀測波形中存在較強(qiáng)的背景噪聲干擾,本文通過頻譜分析發(fā)現(xiàn),噪聲的主要頻率范圍6～10s之間.為此我們在比較遠(yuǎn)震波形的時(shí)候,采用了濾波比較的方法,本文采用的濾波范圍為:帶通濾波0.8～3Hz.如圖5所示,本文將搜索得到的最佳的震源機(jī)制解,所對(duì)應(yīng)的理論波形與實(shí)際的波形數(shù)據(jù)濾波,并按照絕對(duì)時(shí)間對(duì)齊,可見對(duì)于我們找到的8個(gè)臺(tái)站,直達(dá)P波、sP、pP在到時(shí)、極性、振幅大小各個(gè)方面都較為一致.其中灰色的波形為計(jì)算得到的理論波形,黑色的波形為實(shí)際觀測的數(shù)據(jù)波形.由于加入了遠(yuǎn)震波形,可以使我們反演得到的地震深度的分辨率大大提高.為了顯示不同深度的地震波形在遠(yuǎn)震記錄上的差別,我們進(jìn)行了深度分辨率測試,如圖6所示.本文計(jì)算了以文安地震為震中,以搜索出的最佳震源機(jī)制解為震源機(jī)制的地震,在臺(tái)站COLA上記錄到的理論波形.測試的地震深度從10～18km.通過理論和實(shí)際波形的比較,可以看出地震深度在14.0km時(shí),直達(dá)P、sP、pP三個(gè)波形最為一致,而地震深度在13.0km或者15.0km時(shí),上述三波形就存在較為明顯的提前和延后性.可見遠(yuǎn)震波形中的深度震相對(duì)于地震的深度具有較高分辨率.4文安地震國內(nèi)及周邊區(qū)域地震采集對(duì)比我們比較了本文綜合近震和遠(yuǎn)震波形反演的震源機(jī)制、Harvard的CMT、CCDSN的結(jié)果,如圖7所示,可以看出我們的結(jié)果與Harvard提供的結(jié)果較為接近,都是接近純走滑型震源機(jī)制,與CCDSN的震源機(jī)制存在一定的差別,但是地震的大體類型走滑型地震還是一致的,河北省地震局通過實(shí)地調(diào)查及震后形變、地震災(zāi)害分布等情況也得到了地震為沿北東向走滑的地震類型.與此同時(shí),本文還分析了國家地震局臺(tái)網(wǎng)中心提供的文安地震發(fā)生后文安及周邊區(qū)域(經(jīng)度114°～118°,緯度38°～41°)2個(gè)月內(nèi)的余震目錄,如圖7所示.同時(shí),可以看到本文通過波形反演得到的地震的震級(jí)為5.1,與當(dāng)?shù)貙?shí)地地震調(diào)查的結(jié)果5.1級(jí)一致.需要強(qiáng)調(diào)的是,本文采用了直達(dá)P波和源區(qū)地表反射的P波(pP)進(jìn)行震源機(jī)制解的反演,能夠?qū)Φ卣鹕疃冗M(jìn)行較好的限制.對(duì)于遠(yuǎn)震地震覆蓋(方位角)分布良好時(shí),本文采用的利用P、sP、pP波形反演的方法是一種較為獨(dú)立、可靠的確定地震震源深度的方法.本文反演得到的地震深度,與中國國家臺(tái)網(wǎng)中心得到的較為一致,與哈佛大學(xué)給出的地震深度存在較大的差距.究其原因可能是,哈佛大學(xué)在求解地震震源機(jī)制解時(shí),主要利用的是直達(dá)P波波形數(shù)據(jù)信息,沒有利用近源地表反射的深度震相(pP、sP)信息.同時(shí)從本文給出的不同遠(yuǎn)震深度給出的理論波形與實(shí)際波形的比較圖(圖6)可以看出,地震的深度在14～15km之間,哈佛大學(xué)給出的22.7km,計(jì)算得到理論的pP、sP波的到時(shí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的pP、sP波的到時(shí).根據(jù)本文由波形方法反演出的震源深度可以看出,此次文安地震發(fā)生在中地殼的上部,該區(qū)域巖石層為花崗巖,在該溫度和壓力情況下會(huì)出現(xiàn)部分熔融和蠕變活動(dòng),造成中地殼上部應(yīng)力的積累和大地震的發(fā)生.同時(shí)還可以看到,本文利用波形反演方法得到的地震震源機(jī)制與利用P波初到等方法得到的震源機(jī)制較為吻合,且具有對(duì)于地震深度更高的分辨率.5基于速度模型的地震采集本文通過國家臺(tái)網(wǎng)、首都圈臺(tái)網(wǎng)提供的近震波形數(shù)據(jù),及IRIS提供的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù),反演得到了2006/07/04文安地震的震級(jí)為Mw=5.1,震源機(jī)制:走向角為210°、傾角為80°、滑移角為-150°,地震深度為14.0～15.0km.華北地區(qū)為非均勻多層地殼結(jié)構(gòu),上地殼主要為中、新生代沉積層,電阻率較低,而中地殼主要是花崗巖層,受溫度和壓力的影響會(huì)出現(xiàn)部分熔融和蠕變活動(dòng),造成應(yīng)力的積累和大地震的發(fā)生,這可能是此次文安地震發(fā)生的機(jī)制之一.同時(shí)考慮近震及遠(yuǎn)震波形進(jìn)行波形反演,為研究中等震級(jí)的地震研究提供了更為準(zhǔn)確的方法,尤其是地震深度的確定.從圖3也可以看出,當(dāng)近震臺(tái)站分布情況較為理想時(shí),利用CAP方法得到的震源機(jī)制較為穩(wěn)定,隨深度的變化影響較小;而采用遠(yuǎn)震波形的sP、pP波,與直達(dá)P波的出射方向在深度方向相反,通過它們之間的到時(shí)差,可以很好地確定地震的深度.二者結(jié)合,可以得到較為理想的地震的震源機(jī)制和地震深度.與此同時(shí),我們在計(jì)算過程中,采用的波形的絕對(duì)大小、振幅與地震釋放的能量相關(guān),所以能夠同時(shí)得到較為準(zhǔn)確的地震震級(jí).本文在計(jì)算格林函數(shù)的時(shí)候,考慮到格林函數(shù)與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān),對(duì)于不同方位角上的臺(tái)站,根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造背景,給出了兩種不同的速度模型,這樣有助于得到更為真實(shí)的臺(tái)站和震中之間的格林函數(shù).速度模型對(duì)于震源機(jī)制反演結(jié)果的影響視情況而定,其中關(guān)鍵因素為反演時(shí)關(guān)注的波形的頻率范圍:(1)利用較低頻的地震信號(hào)反演震源機(jī)制的時(shí)候,地震記錄初動(dòng)極性(polarity)的正負(fù),決定著反演的震源機(jī)制的結(jié)果,對(duì)于小的速度結(jié)構(gòu)的變化不是很敏感,此時(shí)震源機(jī)制對(duì)地球模型的依賴較小.(2)利用較高頻的地