山西带中北部地区中小地震震源机制解特征

孙贵成，郭祥云，马利军

（1.河北省地震局承德中心台，河北 承德 067000；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；3.河北省地震局张家口中心台，河北 张家口 075000）

0 引言

地震是地壳岩层在区域应力场作用下，当岩层所受的累积应变能达到一定程度时，岩层发生破裂和错动而产生的。由中小地震矩张量反演得到的地震矩、震源机制解、震源深度等能够快速地刻画发震断层，从而为地震灾害评估、震后地震应急服务［1］。Lund和Slunga［2］提出震源机制解能够有效地控制地壳应力方向。由于中小地震发生的频率高，对于描绘区域构造和控制区域应力方向起着很重要的作用，为我们研究活动构造和构造应力场提供了重要的信息。通过对震源机制解特征的研究，可以更高的分辨率监视构造应力场的时、空变化图像。

近年来山西带中北部中小地震活动较为频繁，不但反映山西带中北部的断层及应力场信息，同时还携带着这个具有特殊构造背景地区的区域构造应力场的信息。为了认识这些中小地震的震源机制，以便进一步研究应力场时空分布状态。本文利用宽频带记录的数字地震波形，基于HASH 方法［3］反演了2008年10月－2013年4月期间发生的ML2.0以上地震的震源机制解。同时为验证结果的可靠性，把几个地震的反演结果与Cut and Paste（CAP）方法［4］反演的震源机制解进行了对比，表明反演结果是可靠的。

1 方法及资料

科学可靠地获得中小地震震源机制解一直是地震学中的研究热点和难点。热点是中小地震震源机制解是构造应力场反演、地震危险性分析、震源物理等研究中的重要素材，难点是波形反演中理论地震图、震源模型以及初动极性计算中台站数目和分布的局限等因素制约了反演结果的稳定性和可靠性。

20 世纪80年代以来，人们开始应用网格搜索法计算P 波初动震源机制解。许忠淮等［5］最早提出了利用P 波初动极性求震源机制解的格点尝试法，得到解区（可选解的集合）及平均解。Resenberg and Oppenheimer［6］编写了一套求解P 波初动震源机制解的程序FPFIT，求最佳解及解的置信区间，并对解进行质量评价。Hardebeck 和Shearer［3］改进了FPFIT 程序，并讨论了P 波初动极性、震源位置以及速度模型的不确定性对震源机制解的影响。Li等人［7］提出联合使用P波初动、振幅比与波形拟合联合反演中小地震震源机制解的方法。

本研究采用目前国际上较为流行和普遍接受的基于P 波初动极性和S／P 振幅比（HASH）方法计算震源机制解。其原理是：选取不同方位、不同震中距的台站记录的中小地震波形，利用从震源向上出射的直达P（Pg）波和直达S（Sg）波引起的地动位移振幅比求解震源机制，辐射花样的比值来求解震源机制参数［3］。地震目录来自中国地震台网中心“全国地震编目系统”（http：／／10.5.202.22／bianmu／index.jsp）在线提供的2008年10月以来正式地震目录，收集整理国家数字测震台网数据备份中心［8］提供的山西带中北部地区2008年10月－2013年4月的ML2.0以上中小地震的波形资料。

图1 台站和震中分布图

本文选取震中距小于180km，P波初动清晰的至少4个台站的地震波形资料，台站和震中分布如图1。P波初动振幅量取原则是初动半振幅，S波振幅量取S波到时2s之内的最大振幅。反演过程中考虑初动和SH／P振幅比错误数目，以5°为搜索间隔，小于预设容错范围内的解被自动挑出；在可接受的解中，以振幅比之均方根误差最小者为此次地震事件的最优解。

2 震源机制解分析

利用从震源向上射出的直达P（Pg）波和直达S（Sg）波引起的地动位移振幅比反演了研究区域内ML2.0以上559 个中小地震的震源机制解。依据HASH 方法给出的质量评价，559个震源机制解中A 类405个，占总数的72%；B 类90 个，占总数的16%；C类44个，占总数的8%；D 类20个，占总数的4%。从解的质量分布来看，结果较为可靠。根据Zoback［9］研究全球应力场时的分类标准（表1），对震源机制解进行分类（图2）。由图2可见山西带中北部中小地震震源机制断层类型较多，分布散乱，以走滑型和正断型为主，兼一定数量的逆断层类型。小地震的发生具有随机性且具有一定的分段性，断层类型的分布与活动断裂有一定的关系。在山西带的北部区域以拉张作用为主，地震活动断层类型以正断、走滑为主；中部地区以剪切作用为主，地震活动断层类型以走滑为主。震源机制的类型与地震所处的位置有关，在阳曲附近地震活动断层类型复杂多样；南部地区交城断裂、太古断裂以挤压逆断层和拉张正断层活动类型为主。

表1 震源机制分类标准

图2 2008年10月1日－2013年4月24日山西带中北部及邻区ML2.0级以上地震震源机制解

把P轴的方位角和倾角绘在图3、图4上，线段的长短表示倾角大小，越短表示越直立，越长表示越水平。由图3可见，ML3.0级以下地震震源机制各参数有一定的离散性和随机性，尤其在山西带中部地区，有一定数量的震源机制解与背景构造应力场相比，产生偏转、反向或者是倾向滑动。这表明华北构造应力场对研究区域的中小地震控制作用较弱，局部活动断裂对地震具有一定的控制作用。从图4可以看出，ML3.0级以上地震主压应力轴优势方向为NNE－SSW，与由华北强震的震源机制得到的构造应力场具有良好的一致性［10］，这表明ML3.0 级以上地震的发生受到大区域动力因素的制约，取向与背景区域应力场一致。

图3 2008年10月1日—2013年4月24日山西带中北部及邻区ML3.0级以下中小地震主压应力轴方向。图中线段表示主压应力方向，线段的长短表示倾角的大小

图4 2008年10月1日－2013年4月24日山西带中北部及邻区ML3.0级以上中小地震主压应力轴方向。图中线段表示主压应力方向，线段的长短表示倾角的大小

综上所述，山西断陷带地壳应力场具有一定的复杂性，不像其它地区表现出很好的一致性。华北地区主体应力场存在均匀性的同时，也强调了其不均匀性的存在，并认为统一和均匀是相对的［5，10－11］。山西带中北部地区主张应力轴虽然都接近水平，但主应力轴的方位角、倾角都比华北地区大，其应力特点根本不同于华北地区。

3 结果校验

为进一步检验反演结果的可靠性，选取发生在山西断陷带上的ML4.0级以上、3种不同破裂方式的地震，采用CAP 方法计算的结果与HASH 方法的结果进行对比（表2）。可以看出，通过2种方法反演的震源机制解结果基本一致，其中2次的结果完全一致。2011年8月2日山西古县ML4.2级地震震源机制结果略有差别，但震源错动性质一致。经分析，认为震源机制解参数的差异可能由震源位置的差异引起。CAP 方法给出的震源深度27km（图5），比台网中心的给出的结果深8km。

图5 2011年8月2日山西古县ML4.2级地震CAP方法结果

表2 不同的方法得到的山西带ML4.0级以上地震震源机制解

4 结论与讨论

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方法难以使用［12］。因此，本研究选用国际上较为流行和普遍接受的基于初动符号和振幅比的HASH 方法对山西带中北部地区的中小地震震源机制解进行反演。反演结果显示，研究区中小地震震源机制解种类较多，分布散乱。震源机制解除走滑型外，还有一定数量的正断层和逆断层类型，表明小地震的发生具有一定的随机性，华北构造应力场对研究区域ML3.0级以下地震的控制作用较弱，局部活动断裂对地震具有一定的控制作用。在山西带北部以拉张作用为主，中部地区以剪切作用为主，这与小震综合机制解所做的结果相一致［13－14］。由于本研究所选取的地震震级小，震源体积小，所释放的能量也少，较多地受局部因素的作用，携带的局部因素的信息较丰富，致使局域性特征更加显著。活动断裂基本上继承了新生代以来的主要活动特征，并以断裂及其控制的断块活动为主，即具有继承性和不均匀性等活动特征。

通过分析山西地区中小地震震源机制解的特征，进一步对整个华北地区的基于中小地震震源机制解的应力场进行分析与研究，深入了解本地区构造应力场的复杂性及其地球动力学机制，从而对该地区实现较可靠的地震预测提供有效途径。

致谢：中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供了地震波形数据；文中采用了韩立波博士CAP方法反演的机制解结果；图件采用GMT 绘制；审稿专家对本文的修改提出了中肯的意见和建议。在此一并致以诚挚的谢意。

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