小震震源机制与应力场反演方法及其应用研究



小震震源机制与应力场反演方法及其应用研究

严川

(中国地震局地球物理究所，北京100081)

众所周知，构造应力场的分析与研究在地球科学研究以及生产实践应用中都具有相当重要的地位。 同样，我们也知道，天然地震的震源机制在构造应力场的分析和研究中也具有相当重要的地位。 地震矩张量的引入使地震产生的远场位移与描述震源机制的地震矩张量之间成为线性关系。 如果地震产生的位移与描述地震波传播路径效应的格林函数已知，则很容易通过波形反演得到地震矩张量，即震源机制。 然而，波形反演技术只适用于远场记录或较大的地震，最多也只能应用到区域地震记录或中等大小的地震。 由于近场合成格林函数很难近似于实际的介质响应，所以，波形反演方法不再适合于近场记录或小震。 在应用近场记录确定小震的震源机制方面，一直以来都没有像波形反演技术那样被广泛认可且较为统一的方法和技术。 因此，学习和吸收已有的研究成果，探索确定小震震源机制的新方法就成为本研究的第一项任务。 利用震源机制解反演构造应力场方法主要有两种： 一种假设应力场最大切应力的方向与断层滑动方向一致，并由此求解构造应力场； 另一种假设众多的震源机制解应力轴的平均方向即为构造应力场的方向，并由此求解构造应力场。 两种方法各有优缺点，因此，探索利用震源机制解求解构造应力场的方法就成为本研究的第二项任务。

基于数十年来已有的研究进展，我们提出了一种地方和区域地震震源机制反演技术----广义极性振幅技术(generalized polarity and amplitude technique，GPAT)，并通过一系列数值实验检验了这种技术的可行性和抗干扰能力。 首先，我们从地震波场概念出发，利用P波初动极性与广义震相振幅构建矢量，建立反演系统，并给出求解技术； 其次，考虑影响反演结果的各种因素，包括台站布局、 台站数目、 随机噪声、 震中位置误差、 震源深度误差和速度模型误差，分别进行了单一因素影响测试； 再次，同时考虑各种因素进行了综合测试。 实验结果表明，GPAT是可行的，具有良好的抗干扰能力。

为了检验GPAT的实用性，我们利用GPAT反演确定了49次实际地震的震源机制、 矩震级和震源深度。 为了检验GPAT对地方地震、 区域地震以及远震的适用性，我们选用了震级约为ML0.2～MS7.0的地震与震中距范围约在5～8000 km之间的观测资料。 对反演结果的分析表明，利用GPAT获取的震源机制结果在合理误差范围内是正确的，利用GPAT获取的矩震级结果是可靠的，而利用GPAT获取的震源深度总体上似乎比常规定位深度深约0.6 km。 总体而言，GPAT在震源机制、 矩震级和震源深度的反演方面表现出良好的实用性。 对GPAT进行充分的检验之后，我们将这种方法应用于云南巧家台阵记录的1671次地震，获得了这些地震的震源机制解。 这些地震的最小震级为ML-0.7，最大震级ML4.7。

同样，在学习和参考已有研究的基础上，尤其是吸收已有的综合断层面方法的精髓，基于地震矩张量为应力过量的物理解释，提出了利用震源机制反演应力场的方法----地震矩张量平均方法(tensor-averaging method，TAM)。 这种方法承认大量的震源机制应力主轴的平均方向即为应力场的方向，因此，无须区分真实的滑动面，计算效率极高。

为了检验TAM方法的可行性和抗干扰能力，我们设计了相关的数值实验。 首先，检验震源机制的不确定性对反演结果的影响，为此，我们假设震源机制的不确定性程度或噪声水平分别为5%，10%，20%，30%和50%，地震事件类型分别为垂直走滑事件、 正断层事件、 逆断层事件和垂直倾滑事件4种典型类型，震源机制的数目分别为1000，100和20三种。 结果表明： ①不确定性水平对不同类型应力场的影响差别不大； ②随着不确定性水平的增加，结果的受影响程度呈增大趋势； ③随着观测资料数目的减少，结果的受影响程度呈增大趋势。 然后，检验局部应力场相对总体应力场的偏离程度或应力场非均匀性水平对反演结果的影响，为此，我们假设偏离水平分别为10%，20%，30%和50%，采用与上面同样的事件数目和震源机制类型。 结果表明： ①应力场的非均匀性对不同类型应力场的影响差别不大； ②随着非均匀性水平的增加，结果的受影响程度呈增大趋势； ③随着观测资料数目的减少，结果的受影响程度呈增大趋势。 上述实验表明，在合适的干扰水平条件和足够的观测资料情况下，利用TAM可以得到正确的结果，因此，TAM方法是可行的，也具有良好的抗干扰能力。

为了检验TAM方法的实用性，我们利用已经得到的巧家台阵内部1671次小震的震源机制解反演了这一区域的应力场方向。 反演结果表明，应力场方向与当地的GPS速度场具有很好的一致性，也与其他已有的研究结果比较一致。 这说明利用TAM方法得到的结果具有实际意义，因此，TAM方法是实用的。

利用TAM方法得到的应力场具有实际意义，不但是对TAM方法的有力支持，也是对GPAT方法的有力支持。

关键词震源机制反演方法； 应力场反演方法； 数值试验； 小江断裂巧家段

(作者电子信箱，严川： yanc@cea-igp.ac.cn)

中图分类号：P315.3+3；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.016