CAP方法反演乳山震群3.0级以上地震震源机制解

李　铂， 崔　鑫， 苗庆杰， 穆　娟

(山东省地震局，济南　250014)



CAP方法反演乳山震群3.0级以上地震震源机制解

李铂， 崔鑫， 苗庆杰， 穆娟

(山东省地震局，济南250014)

利用CAP方法(Cut and Paste Method)，反演了2013年10月1日以来发生在山东乳山的地震序列中M≥3.0的9次地震震源机制解。结果显示，这9次地震的震源机制解基本一致，在震源深度分布和震中空间分布上略有差异；拟合的最佳震源深度在3.8～8.6 km的范围内，主要分布在近地表的上地壳；乳山震群的断层走向是NW向分布、倾角是NE向分布。因距已知主要断层有一定距离，故可以推断乳山地震序列区域有一条或者多条隐伏断裂。

CAP方法；震源机制解；乳山

0　引言

在1046年和1939年1月山东乳山分别发生M5.5地震和M5.2地震，1997年也发生过M3.5地震。自2013年10月发生3.2级地震以来，之后发生了一系列的地震序列活动，是山东地震台网数字化记录以来发生过的频次最高、持续时间最长的地震序列活动。截止到2015年10月，山东数字台网共记录到了乳山地震1万余次。其中，M1.0～1.9地震252次，M2.0～2.9地震35次，M3.0～3.9地震6次，M4.0以上地震3次，最大震级为2015年5月22日的M4.6地震(图1)。

地震震源机制与其他震源参数的获取是基于对地震台站的地震记录信息的分析，对研究中小地震包括中小震群也有极为重要的意义。不但可以了解震群的孕震机理和地震后应力分布情况，还可以反映区域应力状态。震源机制的相关参数也可以反映断层面走向，在地震发生时能够提供相应的参数对地震强度进行估计。在震源机制的研究中，Zhao等[1]和Helmberger等[2]提出了CAP(Cut and Paste)方法来获取震源机制解，把波形记录分为Pnl和长周期的低频面波2个独立的部分，对这2部分给定不同的比重进行反演，通常设置其比重系数为2∶1，这样模型中的速度结构只会影响与之相对应的体波和面波部分的到时；然后分别对这些截取的震相进行相关性的拟合，通常默认的震源机制解的格点搜索范围是10°到2°之间。由于乳山地区的台阵和台站分布比较密集，当我们通过对格点进行搜索时，可以选择更小的搜索范围，搜索半径为5 km，对其进行近震震源机制解反演,来获得更加精确、误差更小的震源机制和震源深度。

图1　乳山地震序列M-t图

1　理论和方法

CAP方法原理[1-2]：设u(t)为去除仪器响应后观测到的地震波形位移，s(t)为相应的理论计算出的波形位移，一个双力偶震源的理论合成位移s(t)为：

(1)

其中：0≤θ≤2π，0≤δ≤π/2，0≤λ≤2π；i=1,2,3分别代表3种断层类型，分别是垂直走滑断层(vertical strike-slip)、垂直倾滑断层(vertical dip-slip)和45°倾向滑动断层(45°dip-slip)3种最基本的断层类型[3]；Gi(t)为格林函数，M0为标量地震矩，Ai为震源的辐射花样，θ为台站方位角；φ,δ,λ分别代表地震的断层走向、断层倾角和滑动角[4]。

震源机制解和深度可以通过等式(2)得到：

(2)

其中：u(t)和s(t)分别代表实际的地震记录图和理论地震图。

(3)

C(t)表示的是正的最大值对应的互相关系数，当u(t)和s(t)拟合得比较好的时候，对应的t表示u(t)相对于s(t)的时间偏移量。

在对u(t)和s(t)进行拟合残差分析时，引进L1和L2，分别代表不同的拟合部分[5]。其中L1代表Pnl波部分，L2代表面波部分。考虑到距离不同而产生的振幅衰减，在拟合误差函数中又引入了p(距离影响因子)，这可以将台站看作是与震源一样距离的基准点去做震源参数的估算。

(4)

其中：r为震中距，r0为参考震中距，p为指数因子，也就是上述引论中出现的比率系数。

2　观测台站和地壳模型选取

我们对研究区进行了区域划分，在近场区内发育的主要有NE-NNE向和近SN向5组断裂，主要有乳山断裂、海阳断裂、米山断裂和朱吴断裂，在震群南部近海还有千里岩断裂北段。为了更好地图示震群的走向，选择较小的研究区范围，主要在三十多公里的范围内，几个主要的近场断裂带不在震群活动图示中展现(图2b)。

本文所有的台站资料都来自＂十五＂数字地震台网，为了得到可靠的震源机制解，选取了乳山及周边19个台站进行对比分析。由于CAP方法对台站的信噪比要求较高,在台站选取时主要考虑初至波初动方向比较明显的台站。乳山震群分布比较集中，我们对研究区进行了划分(121.55°～121.75°E， 36.70°～36.95°N)，参与震源机制反演的台站和震群活动范围如图2a所示。

a　乳山震群震中分布及乳山台阵位置图b　乳山震群附近主要断层分布图注：图2b中，蓝色三角为参与震源机制解反演的台站；F1：米山断裂；F2：乳山断裂；F3：海阳断裂；F4：朱吴断裂；F5：千里岩断裂北段图2　乳山震群震中、乳山台阵及附近主要断层分布图

张岭[5]等利用MessyGA方法反演了渤海湾盆地及其地壳P波速度模型，李霞[6]等利用层析成像技术得到了胶东半岛的地壳速度模型，并利用模型数据进行重新精定位，经过验证得到了接近真实的速度模型。参考上述文献，确定乳山震群所在的乳山及附近地区的速度结构模型为6层(表1)。

表1　地壳速度模型

3　结果与讨论

我们通常设置波形记录的权重系数为2∶1，所以在反演乳山震群波形记录时，对Pnl波和长周期的面波分别选取0.05～0.15Hz[7]和0.03～0.07Hz频段[8]。本文用CAP方法反演了自2013年10月1日以来9次M≥3.0的乳山地震的震源机制解(表2,图3)。

表2　乳山序列9次地震震源机制解

注：3个较大的蓝色填充的沙滩球为4级以上地震震源机制解；6个红色填充的沙滩球为3～4级地震的震源机制解；白色区域的蓝点代表压缩轴P轴，红色和蓝色区域的黄点代表拉张轴T轴。图3　乳山序列较大地震震源机制解

本文采用CAP方法对乳山震群几次较大地震的震源机制解进行反演。结果显示，几次地震的主压应力轴方向一致[9]，节面走向基本相同，应该对应着震群所在断层的走向，该走向也与乳山震群的震中NW向分布一致[10]；另一方面，该节面的走向应该对应断层面的走向，而当前已经发现的断层多为NE走向，故该地区可能存在尚未发现的隐伏断层分布[11]。

选取了 2015年5月22日乳山M4.6地震作为演示震例，得到了节面I走向为295°，倾角85°，滑动角为-19°；节面Ⅱ走向为27°，倾角71°，滑动角为-175°，震源深度为8.6km。为了验证这次地震的震源参数质量，利用P波初动极性方法进行对比，得到了节面I走向为277°，倾角76°，滑动角为22°；节面Ⅱ走向为11°，倾角76°，滑动角为-141°，和利用CAP方法得到的震源参数基本一致(图4)，这也部分验证了该方法的可靠性。

注：a　红色代表压缩轴P轴，黄色代表拉张轴T轴；b　白色区域的蓝点代表压缩轴P轴，蓝色区域的黄点代表拉张轴T轴图4　乳山M4.6地震 P波初动极性方法及CAP方法做出的震源球

图5给出了乳山震群最大的M4.6地震的反演深度和波形拟合结果，图5a给出了M4.6地震的拟合残差和震源机制解随着不同深度值的变化范围，可以看出震源深度在8.6km的时候震源机制解的拟合残差达到最小值。所以确定该地震的震源深度在8.6km附近，与山东地震台网地震编目测定的震源深度结果完全一致。图5b显示了理论地震波形与观测波形拟合效果。每个台站的三分量有体

波垂向(PV)、体波径向(PR)、面波垂向(Surf.V)、面波径向(Surf.R)、面波切向(SH)5个波形参与反演，黑线是实际的观测波形，红色是理论地震波形，理论波形和实际观测波形都根据震级的不同确定反演参数和带通滤波来压制噪声[10]。波形下方第1行为拟合时各个部分理论波形相对观测波形的时间差(s)，第2行为两者的拟合相关系数(%)。波形左侧为台站名，台站名下方是该台站震中距和其理论P波初至与观测值之间的差值。进行理论波形和实际波形对比时，允许在适当的范围内对其进行相对浮动以达到最佳的拟合值，浮动的幅度可以通过互相关系数来确定；也可以通过相关的系数来反映波形拟合的效果，总体可以看出RCH、CHD、LOK和LZH台的波形拟合效果相对较好，各台站5个部分的波形拟合系数都达到了90%以上。

图6为2015年7月1日M3.0级地震的反演深度和波形拟合图。由图6a看出该地震反演的最佳深度为6.3km。图6b为此次M3.0地震理论波形和观测波形拟合效果图。

图5　乳山M4.6地震最佳拟合深度和波形拟合图

图6　乳山M3.0地震最佳拟合深度和波形拟合图

从2个地震的反演拟合情况来看,M3.0地震的部分台站在拟合系数上也略小于M4.6级地震的拟合系数。

4　结论与讨论

1)项目选用了山东地震台网中心记录到的数字波形数据，利用CAP方法通过近震波形拟合反演了9次乳山地区M≥3.0地震的震源机制解。对比后发现，乳山9次M≥3.0地震的震源机制解结果有较好的一致性，拟合的最佳震源深度范围在3.8～8.6km。

2)选取了2015年5月22日乳山M4.6地震作为演示震例，得到了节面I：走向为295°，倾角85°，滑动角为-19°；节面Ⅱ：走向为27°，倾角71°，滑动角为-175°。通过对乳山震群的最大的地震(2015年5月22日M4.6)和一次较小的地震(2015年7月1日M3.0)做图示分析，利用P波初动极性方法(节面Ⅰ走向为277°，倾角76°，滑动角为22°；节面Ⅱ走向为11°，倾角76°，滑动角为-141°)对M4.6地震进行了震源机制解的验证，结果比较理想，部分证明了CAP方法的可靠性。

3)从反演结果可以看出台站波形拟合结果也比较理想。通过用CAP方法对乳山震群较大地震进行震源机制解反演，确定震群的震源深度分布比较浅，主要是在近地表的上地壳。从乳山地区震群的分布来看，整个地震序列呈NW向分布，这与本文得出的节面Ⅰ的走向比较吻合。基本可以推断出乳山震群的断层走向为NW向分布、倾角为NE向分布。

由于乳山震群离附近的几条主断裂带都有一定距离，而且断裂与地震序列的走向不太一致，可以推断出这几条主要断裂都不是乳山地震序列的发震断层，而是该区有一条或者多条隐伏断裂存在。

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Focal Mechanism Solution of the Rushan Earthquake Swarm Sequences overM3.0 with CAP Method

LI Bo, CUI Xin, MIAO Qing-jie, MU Juan

(Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China)

Using the CAP (Cut and Paste Method) method, this article retrieved nine focal mechanism solutions of the earthquake swarm sequences overM3 in Rushan. The results show that these focal mechanism solutions are nearly consistent with each other, with slight differences in the distribution of focal depths and epicenters; the optimal fitting focal depths range from 3.8 kilometers to 8.6 kilometers, mainly locate in upper crust near the surface; the fault strike of Rushan earthquake swarm sequences is from north to west with the dip from north to east. Due to the distance away from the known main strikes, it is also assumed that there are one or several buried faults in Rushan earthquake area.

Rushan; Cut and Paste Method; focal mechanism

2015-12-16

中国地震局监测、预测、科研三结合课题“山东乳山地区震群特征及发震背景研究”(161501)

李铂(1983—)，男(汉族)，山东定陶人，工程师，主要从事地震监测预报工作．E-mail：lbjjwgaj@163.com

P315.332

A

1003-1375(2016)03-0014-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.003

李铂，崔鑫，苗庆杰，等．CAP方法反演乳山震群3.0级以上地震震源机制解[J]．华北地震科学，2016，34(3):14-19.