山西大同—阳高4.5级地震的数字化波形记录特征及地震矩张量解

孟小琴，梁向军，吴叔坤，刘林飞，范　瑾

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.广东省地震局，广东　广州　510070；

3.山西省地震局太原基准地震台，山西　太原　030025；

4.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西　太原　030025)

山西大同—阳高4.5级地震的数字化波形记录特征及地震矩张量解

孟小琴1，4，梁向军1，4，吴叔坤2，刘林飞3，4，范瑾1，4

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.广东省地震局，广东广州510070；

3.山西省地震局太原基准地震台，山西太原030025；

4.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025)

摘要：对2010年4月4日发生在山西大同-阳高的4.5级地震进行重新定位，分析了其波形特征，对精度进行探讨，并应用其波形进行反演，得到该地震的地震矩张量解。这一研究对发生在该地区的地震速报参数产出提高了效率，用波形反演得到的地震矩张量解为判定断层的发震构造提供一定的参考价值。

关键词：大同—阳高地震；波形特征；地震矩张量解

0引言

地震波震相特征总的来说分为两方面，一是运动学特征，即震相的走时(或到时)，它依赖于传播路径结构和不同路段的传播速度；二是动力学特征，即震相的振动方向、振幅、周期、相位等，它与震源性质、传播介质特性、地震仪性能等有关。它的获取依赖于地震仪器对地震动的拾取和记录，现代宽频带数字地震仪以最小的失真度来记录地震动(速度、加速度)，具有记录频带宽、分辨率高、动态范围大等特点。它的使用不仅大大提高了地震观测质量，还可借助计算机对地震波进行合成或分解，对弹性波场做坐标旋转等矢量分析和定量处理，提升地震科学工作者对地震波的分析和认知，提高以前所未有的效率获取和分析来自地震本身、弹性波场及整个地球内部所蕴涵的丰富信息[1]。

山西地震带是一条深切地壳的右旋剪切—拉张的张扭性、断裂性地震带，北端经怀来、延庆盆地后和燕山横向隆起构造带复合，南端经渭河盆地后和秦岭横向构造带复合。巨大的横向隆起产生牵制作用，使得南北两端的断陷盆地走向变为北北东，整个断陷带呈“S”型展布，属于典型的张扭性构造带。在青藏高原、蒙古和华北板块构造力的联合作用下，山西带的地壳上地幔构造活动非常活跃，并使得该区域地震活动强度大、频度高、破坏严重。尤其是山西北部至晋冀蒙交界地区，被确定为5~6级的地震危险区(大同—阳高为老震区)，因此，有必要对山西大同—阳高地区的地震波形特征进行探讨，为监测预报研究提供可靠的震相。目前，山西地震台网共有71个台站接入省台网中心。其中，省属台站56个，共享河北、河南、陕西和内蒙古4个邻省的15个台站，大量的数字地震资料为震相特征分析提供条件。

1大同—阳高地区的区域构造概述

在鄂尔多斯地块东侧山西地堑系各个断陷盆地的边缘，历史上曾发生过多次强烈地震，大同—阳高地震就发生在山西地堑系东北端的大同断陷盆地的东南部，邻近山西地震带、燕山东西向构造带和张渤北西向构造交汇部位。区内规模最大的地表断裂为北东东向的六棱山断裂，是大同断陷盆地东南边界断裂，大同—阳高地震的震中位于该断裂带中段的北侧，断裂走向北东东到近东西，倾向北,多处错断晚更新世地层，在地形地貌上表现清楚。沿六棱山前在震中区附近多处可见北东东到近东西向的第四纪断层[2]。大同—阳高震区最明显的上地壳低速体位于大同—阳原附近，其南界存在地壳深断裂，大同—阳高地震与该低速异常体和深断裂有关[3]。

2研究内容

选用山西数字测震台网记录的2010年4月4日山西大同—阳高M4.5的地震波形，基于一些研究学者总结的经验[4-5]，采用山西台网现用的速度模型，对此次地震进行重新定位，分析波形的震相特征及其震相参数的精确度，利用清晰的数字波形反演其地震矩张量解。

3大同—阳高4.5级地震的波形特征

图1为震中距在100 km范围内记录到的台站波形记录图，也是离震中最近的4个台站，其对应的方位角分别为28.2°、35.0°、19.3°和18.3°，由于方位角都相差不大，所以波形特征也较相似，尤其是镇川台和上皇庄台，方位角接近，记录到的波形特征更加相似。这些台站只记录到清晰的直达纵波Pg与直达横波Sg，其纵横波的到时差小于13 s，直达波Pg的周期一般为0.05~0.5 s，往往初至周期最大，直达波Sg的周期一般为0.1~0.6 s。

图1　2010年4月震中距在100 km范围内的部分台站记录波形Fig.1　Waveform of earthquakes recorded in some stations with epicentral distance within 100 km

此次地震当震中距达到132 km时，出现明显的反射纵波PmP和反射横波SmS(见第8页图2)，由雁门关台清晰记录到。此震相对于山西南部的地震而言，出现较晚，山西南部的地震一般在震中距80 km之后便出现反射波震相。这种波的周期大、能量强、通常只有2～3个周期。

从第8页图3可以看出，此次地震在震中距达到192 km时，开始出现清晰的首波震相Pn和Sn。理论上，当震中距大于120 km之后，会出现Pn和Sn震相，这是因为在Pn、Sn波刚出现的时候，由于首波能量极其微弱，并且比直达波传播时间长，很容易混杂在直达波的续至区内，无法看到，理论上是存在的。

4大同—阳高4.5级地震的定位精度分析

此次地震，绝大多数台站都有清楚的记录，将地震三要素与中国地震台网中心的结果相比较，定位结果接近[6]。下面从震级和到时的残差两方面来探讨。

由第9页表1看出，参加定位的台站的ML震级和MS震级比较接近，ML震级略小于MS震级。震级随残差的变化曲线表明，震级的残差很小，均在走时均方根误差的3倍范围内(见第9页图4)。

图2　2010年4月震中距在140 km范围内的部分台站记录波形Fig.2　Waveform of earthquakes recorded in some stations with epicentral distance within 140 km

图3　2010年4月震中距在190～300 km范围内的部分台站记录波形Fig.3　Waveform of earthquakes recorded in some station with epicentral distance between 190 and 300 km

台站名称ML震级MS震级ML与MS震级差山自皂4.604.600.00恒山4.604.600.00镇川4.604.64-0.04上皇庄4.404.400.00灵丘4.504.52-0.02雁门关4.804.84-0.04代县4.704.74-0.04集宁5.505.51-0.01右玉5.105.15-0.05凉城5.205.190.01清水河5.005.01-0.01定襄4.704.73-0.03宁武5.205.21-0.01东山5.505.460.04平均值4.894.90-0.01

图4　台站记录到ML震级的残差Fig.4　Magnitude residual of earthquakes recorded in stations

图5是随震中距变化的走时残差，图6是随方位角变化的走时残差。从图中可以看出，在震中距1.05°附近的台站，其到时残差超过了走时均方根误差的3倍，可靠性较差一些，如果去掉这些台站，对定位结果的影响不是很大，但在速报地震时，尽量避免使用这些台站，以提高定位精度。图6同理，在速报地震时，把方位角超过走时均方根误差3倍的台站去掉。

5大同—阳高4.5级地震的地震矩张量解

在运用数字化波形来反演此次地震的矩张量解时，选取波形记录好，包围震中，信噪比高(均大于5)和震中距在100～300 km的台站波形，进行反演得到其地震矩张量解(见第10页图7)。从图中可以看出，计算结果精度高，稳定性好，突破以前的初动计算方法，直接用波形进行反演。将反演结果与用SNOKE初动+振幅比方法计算的结果(见第10页图8、表2)比较，具有很好的一致性。

图5　台站记录到的到时随震中距的残差Fig.5　Residual of arrival time with epicentral distance recorded in stations

图6　台站记录到的到时随方位角的残差Fig.6　Residual of arrival time with azimuth recorded in stations

6结论

(1) 从2010年4月4日大同—阳高4.5级地震的波形可以发现，该区域的地震波形很典型，台站记录的波形震相明显，在震中距132 km时开始出现明显的反射纵波PmP和反射横波SmS，在震中距达到192 km时出现清晰的首波震相Pn和Sn，比理论上在震中距70 km时出现反射波和震中距达到120 km出现首波震相要晚些。

(2) 从定位的残差来看，震级的残差很小，且ML震级略小于MS震级。在定位时，尤其是速报，为提高定位精度，把震中距和方位角超过走时均方根误差3倍值的台站去掉。

图7　反演得到的地震矩张量解Fig.7　Seismic moment tensor solution got by inversion

图8　SNOKE方法得到的震源机制解Fig.8　Focal mechanism solution by using SNOKE method

节面Ⅰ节面ⅡP轴T轴B轴走向(°)倾角(°)滑动角(°)走向(°)倾角(°)滑动角(°)走向(°)倾角(°)走向(°)倾角(°)走向(°)倾角(°)10448-3922262-1318154340824435

(3) 从波形反演地震矩张量解表明，此方法直观，能够得到精度高、稳定性好的计算结果，对判定断层的发震构造有一定的参考价值。

参考文献：

[1]中国地震局监测预报司.实用数字地震分析[M].北京：地震出版社,2009:8.

[2]马瑾.对大同—阳高地震构造的讨论[J].地震地质,1992,14(1):10-11.

[3]张成科，张先康，张建狮.大同—阳高震区深部构造背景[J].华北地震科学，1999，17(1)：2-9.

[4]朱元清，佟玉霞，于海英，等.数字化台网的近震震相自动识别[J].西北地震学报,2002，24(1)：5-12.

[5]王海军，靳平，刘贵忠，等.区域震相初至估计[J].西北地震学报,2003,25(4):299-303.

[6]孟晓琴，刘林飞，吕睿.山西河津大同阳曲地震与速报技术探讨[J].山西地震，2012(3):13-16.

Recording Characteristics of Digitized Waveform of Datong-Yanggao

M4.5 Earthquake And Its Seismic Moment Tensor Solution

MENG Xiao-qin1,4, LIANG Xiang-jun1,4, WU Shu-kun2, LIU Lin-fei3,4, FAN Jin1,4

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;

2.Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou, Guangdong, 510071, China;

3.Taiyuan Referential Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030025, China;

4.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:Datong-Yanggao M4.5 Earthquake on Apr.4th, 2010 is relocated by using the current velocity model of Shanxi. Phases feature and parameter accuracy of waveform are analyzed. Its seismic moment tensor solution is figured out by inversion using the good digital waveforms, which is helpful for quick output of rapid report parameters and judgment of seismogenic structure of earthquakes in this region in the future.

Key words:Datong-Yanggao M4.5 earthquake; Digitized waveform; Seismic moment tensor solution

作者简介：第一孟小琴(1965—)，女，山西省太原人。2001年毕业于中央党校函授学院，工程师。

基金项目：中国地震局青年骨干项目(20140305)。

收稿日期：2015-01-07

中图分类号：P315.3

文献标志码：A

文章编号：1000-6265(2015)02-0006-06