利用震源机制判别山西地区地震事件类型

殷伟伟 张 蕙

1 山西省地震局，太原市旧晋祠路二段69号，030021 2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋祠镇，030025

山西地区因矿产开采诱发的非天然地震活动较多。由于非天然地震事件与天然地震事件具有诸多相似之处，仅通过地震波的波形特征难以准确判别，会对地震定位的精度、震源性质的判断及地震应急等造成一定影响。

震源机制解作为地震学研究的基本参数，可以直观反映发震断层的运动学和空间几何特征，是研究区域构造应力的基础[1]，也可以用来判断震源的破坏类型[2]和破裂样式[3]。研究表明，天然地震大多由各向同性介质沿断层面的剪切运动所引起[4]，震源模型可以用Ⅳ象限分布的双力偶机制表示；非天然地震事件多为采矿诱发，破裂的类型和机理与天然地震存在较大区别，震源模型明显偏离双力偶机制，在全矩张量中非双力偶源占比较大[5-7]。求解震源机制的方法通常包括P波初动法、P波和S波振幅比法及矩张量反演等。P波初动法要求能够记录到地震信号的台站数量多，且方位角分布良好[8]，但对于震级较小的地震事件，此方法难以确定震源机制。利用P波和S波振幅比法求解震源机制可以在很大程度上减小断层面参数的不确定性[9]，但仍受地震台站方位角分布的制约。而地震矩张量模型能客观、完整地表示一般类型地震的震源等效力系[10]，在弹性动力学上等效于剪切错动模型，还可表示非剪切运动产生的地震。

本文采用gCAP方法[11]反演山西地区不同类型地震事件的震源机制，并计算全矩张量解中各分量所占比例，为判别地震事件类型及分析震源区应力场变化提供技术支持。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据资料

选取山西省测震台网记录到的2010-01-01～2019-12-31发生在山西及邻区(109°～116°E，34°～42°N)的175次ML>3.0地震事件，其中天然地震110次，最大为2010-06-05山西阳曲ML5.1地震；爆破38次，最大为2014-03-22山西左云ML3.4地震；塌陷27次，最大为2013-07-22陕西神木ML4.1地震。图1为地震和台站分布，从图中可以看出，天然地震主要集中在山西断陷带各断陷盆地内，两侧隆起区较少；而非天然地震主要集中在山西大同、山西平鲁、陕西神木及内蒙古准格尔旗等矿区。

图1 地震及台站分布

1.2 研究方法

gCAP方法是在CAP波形[12]反演最佳双力偶(DC)震源机制的基础上，在主轴坐标系中将震源机制进行分解，其反演原理与CAP方法类似，将宽频带数字地震台站所记录的南北向(N)、东西向(E)和垂直向(Z)波形分为Pnl波(P波及其后续震相)和S波(或面波)，并赋予不同的权重和滤波范围。经格林函数计算得到各台站的理论地震波形，并与实际观测的地震波形进行拟合，当两者的互相关系数最高时拟合效果最好，从而得到最优解[13]。

矩张量反演前，首先对原始地震波形进行去仪器响应，然后将台站记录的N向和E向水平分量根据反方位角(θ)利用式(1)和式(2)分别旋转为径向(R)和切向(T)，Pnl波和S波设置不同的带通滤波以压制干扰因素，频带范围分别为0.05～0.2 Hz和0.03～0.1 Hz。在进行网格搜索时，设定断层面的走向、倾角和滑动角的搜索间隔均为1°，震源深度搜索间隔为1 km，采用频率-波数(F-K)法计算生成理论地震波形记录的格林函数[14]，采样间隔设为0.1 s，采样点个数为1 024个：

R=Ncos(θ)+Esin(θ)

(1)

T=-Nsin(θ)+Ecos(θ)

(2)

gCAP方法中通常引入参数ζ(全矩张量中ISO部分所占大小)和χ(偏张量中CLVD 部分所占大小)来定量表示Mij中非双力偶成分的强度。为更好地表征全矩张量解中3个部分的相对强度，各参数通常用平方值表示：

ΛISO=sgn(ζ)ζ2

(3)

ΛDC=(1-ζ2)(1-χ2)

(4)

ΛCLVD=sgn(χ)(1-ζ2)χ2

(5)

式中，|ΛDC|+|ΛCLVD|+|ΛISO|=1。

1.3 速度模型

山西地区位于鄂尔多斯块体和华北盆地2个构造差异巨大的地质体之间，属于华北克拉通破坏的过渡带[15]，地表沉积层、地壳速度结构及莫霍面埋深等存在显著的横向不均匀性[16]。gCAP方法受地壳速度结构影响较小，但较为精确的速度结构能提高反演结果的精度，因此本文根据山西地区地质构造及山西断陷盆地的分布等将研究区划分为北部、中部和南部3个区域。其中，北部和中部区域以太原盆地和忻定盆地之间的石岭关隆起(38.5°N)为界，中部和南部区域以临汾盆地和太原盆地之间的灵石隆起(36.5°N)为界。利用山西省测震台网记录的高质量地震资料，采用一维速度模型的计算方法[17]，结合Crust1.0模型[18]得出各区域相应的速度模型，结果见表1。在计算全矩张量解时，针对不同区域的事件采用相应的分区速度模型。

表1 分区模型参数

2 反演结果及验证

2.1 反演结果

采用gCAP方法对所选地震事件进行不同深度的地震全矩张量反演，选择方位角分布均匀、信噪比较高的台站波形数据，计算相应的震源机制解。在175次地震事件中，有61次事件的震源机制因震级偏小或震中位于山西台网边缘导致反演效果不佳，在得到震源机制解的114次地震事件中，包括87次天然地震、18次塌陷及9次爆破。根据ζ和χ计算Mij中双力偶和非双力偶成分所占的比例，统计结果见表2。由表2可知，使用gCAP方法反演山西地区震源机制的效果较好，天然地震的震源模型主要以双力偶机制为主，双力偶分量在Mij中约占90.57%～99.88%，而爆破及塌陷的双力偶分量在Mij中约占1.92%～19.12%，低于天然地震双力偶所占的比例。不同类型非天然地震的全矩张量解也存在明显差别，爆破事件的ζ值均为正数，显示震源类型为外向爆炸源；塌陷事件的ζ值均为负数，表明震源类型为内向闭合源。

表2 选用的地震事件全矩张量解中各分量占比统计

2.2 结果验证

针对天然地震和非天然地震，分别采用不同的方法验证本文的反演结果。对于天然地震，将本文结果与已有的研究成果进行对比；由于对山西地区非天然地震震源机制的研究较少，本文将非天然地震反演结果与有现场核实内容的事件进行对比。限于篇幅，本文仅列举典型事件。

据中国地震台网测定，2016-03-12山西省运城市盐湖区(35.00°N，110.88°E)发生ML4.8地震，地震的发震断裂为中条山山前断裂[19]，地质资料显示该断层走向为NE-NEE，倾向NW，倾角为60°～80°，属于高角度正断层[20]。本文采用gCAP方法反演山西盐湖ML4.8地震的震源机制解，得出最佳质心深度为12 km(图2)。图3为震源深度在12 km处的震源机制解及理论波形与实际波形的拟合图像，参与反演的48个波形段中相关系数大于65%的有41个，占比85%以上，说明本文反演的震源参数结果比较可靠。表3为本文得出的震源机制解及前人采用传统CAP方法反演的详细结果，2种方法反演的断层面和震源深度比较接近，但CAP方法得出的发震断层错动方式为走滑兼逆冲，与发震断层的性质(高角度正断层)及区域应力场方向矛盾；本文结果显示，断层错动方式为走滑兼正断，符合发震断层的特征。此外，本文还揭示该地震的破裂过程比较复杂，属于体积缩小的内向闭合型破裂，全矩张量解中包含4.65%的非双力偶成分，ζ值为-0.21，χ值为-0.05。这种复杂的破裂方式可能与震中所处的构造环境有关，共轭断裂交会处断层破裂面通常不是平面结构[21]，易产生该现象，这也可能是造成此次地震破坏程度较同震级事件更严重的原因。

图2 山西盐湖地震不同深度处震源机制解及反演方差

图3 山西盐湖地震全矩张量解及理论波形(红色)和实际波形(黑色)对比

表3 山西盐湖地震不同方法反演震源机制解结果对比

据山西省测震台网测定，2017-04-10 19:44山西繁峙县发生ML3.3塌陷事件。使用gCAP方法反演该事件不同深度的全矩张量解，结果显示，震源深度拟合误差的最小值在0.2 km处(图4)，与单纯形法测定结果(0 km)存在一定差距。这可能是由于2种方法测定的震源深度含义不同，单纯形法测定的震源深度反映的是震源初始破裂位置，而gCAP方法反演的深度则是破裂处的质心深度。图5为该地震矩张量解和理论波形与实测波形的拟合结果。从图中可以看出，两者拟合效果较好，41个波形段中相关系数大于65%的有29个，占比71%。测定的矩震级为MW3.03，最佳断层面解为180°/61°/56°，ζ值为-0.90，χ值为0.13，非双力偶分量占比81.32%，其中ISO分量占80%。ISO值为负数，显示震源为内向闭合源，推测是由于本次事件发生在铁矿区，塌陷体向下方采空区冲击，形成压缩性冲击，这与杨慧等[2]测定的山东石膏矿塌陷地震的震源机制解相似。据报道，2017-04-10 19:44山西繁峙县滦兴铁矿2号平硐上部发生塌陷，证实了本文反演结果的正确性。

图4 山西繁峙县塌陷不同深度处震源机制解及反演方差

图5 山西繁峙县塌陷地震全矩张量解及理论波形(红色)和实际波形(黑色)对比

3 结 语

1)使用gCAP方法反演山西地区震源机制具有较好的效果，天然地震事件的全矩张量解中双力偶分量占比通常大于90%，而爆破、塌陷等非天然地震事件的全矩张量解中双力偶分量占比小于20%。

2)可将山西地区地震事件的全矩张量解中双力偶分量占比是否大于80%作为判别天然地震事件与非天然地震事件的依据。

3)对于全矩张量解中双力偶分量占比小于20%的非天然地震事件，可使用参数ζ(全矩张量解中ISO部分占比)作进一步判别，当ζ>0时，震源为外向爆炸源，反之则为内向闭合源。

4)2016-03-12山西盐湖ML4.8地震的破裂过程比较复杂，断层错动方式为走滑兼正断，全矩张量解中包含一定成分的非双力偶机制，属于体积缩小的内向闭合型破裂，与已有的地质资料相符。

致谢：感谢山西、内蒙古、河北、河南及陕西地震台网为本文提供地震数据。