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小震震源機(jī)制與應(yīng)力場(chǎng)反演方法及其應(yīng)用研究

嚴(yán)川

(中國(guó)地震局地球物理究所，北京100081)

眾所周知，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析與研究在地球科學(xué)研究以及生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中都具有相當(dāng)重要的地位。 同樣，我們也知道，天然地震的震源機(jī)制在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析和研究中也具有相當(dāng)重要的地位。 地震矩張量的引入使地震產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)位移與描述震源機(jī)制的地震矩張量之間成為線性關(guān)系。 如果地震產(chǎn)生的位移與描述地震波傳播路徑效應(yīng)的格林函數(shù)已知，則很容易通過(guò)波形反演得到地震矩張量，即震源機(jī)制。 然而，波形反演技術(shù)只適用于遠(yuǎn)場(chǎng)記錄或較大的地震，最多也只能應(yīng)用到區(qū)域地震記錄或中等大小的地震。 由于近場(chǎng)合成格林函數(shù)很難近似于實(shí)際的介質(zhì)響應(yīng)，所以，波形反演方法不再適合于近場(chǎng)記錄或小震。 在應(yīng)用近場(chǎng)記錄確定小震的震源機(jī)制方面，一直以來(lái)都沒(méi)有像波形反演技術(shù)那樣被廣泛認(rèn)可且較為統(tǒng)一的方法和技術(shù)。 因此，學(xué)習(xí)和吸收已有的研究成果，探索確定小震震源機(jī)制的新方法就成為本研究的第一項(xiàng)任務(wù)。 利用震源機(jī)制解反演構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方法主要有兩種： 一種假設(shè)應(yīng)力場(chǎng)最大切應(yīng)力的方向與斷層滑動(dòng)方向一致，并由此求解構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)； 另一種假設(shè)眾多的震源機(jī)制解應(yīng)力軸的平均方向即為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向，并由此求解構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，探索利用震源機(jī)制解求解構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方法就成為本研究的第二項(xiàng)任務(wù)。

基于數(shù)十年來(lái)已有的研究進(jìn)展，我們提出了一種地方和區(qū)域地震震源機(jī)制反演技術(shù)----廣義極性振幅技術(shù)(generalized polarity and amplitude technique，GPAT)，并通過(guò)一系列數(shù)值實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這種技術(shù)的可行性和抗干擾能力。 首先，我們從地震波場(chǎng)概念出發(fā)，利用P波初動(dòng)極性與廣義震相振幅構(gòu)建矢量，建立反演系統(tǒng)，并給出求解技術(shù)； 其次，考慮影響反演結(jié)果的各種因素，包括臺(tái)站布局、 臺(tái)站數(shù)目、 隨機(jī)噪聲、 震中位置誤差、 震源深度誤差和速度模型誤差，分別進(jìn)行了單一因素影響測(cè)試； 再次，同時(shí)考慮各種因素進(jìn)行了綜合測(cè)試。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GPAT是可行的，具有良好的抗干擾能力。

為了檢驗(yàn)GPAT的實(shí)用性，我們利用GPAT反演確定了49次實(shí)際地震的震源機(jī)制、 矩震級(jí)和震源深度。 為了檢驗(yàn)GPAT對(duì)地方地震、 區(qū)域地震以及遠(yuǎn)震的適用性，我們選用了震級(jí)約為ML0.2～MS7.0的地震與震中距范圍約在5～8000 km之間的觀測(cè)資料。 對(duì)反演結(jié)果的分析表明，利用GPAT獲取的震源機(jī)制結(jié)果在合理誤差范圍內(nèi)是正確的，利用GPAT獲取的矩震級(jí)結(jié)果是可靠的，而利用GPAT獲取的震源深度總體上似乎比常規(guī)定位深度深約0.6 km。 總體而言，GPAT在震源機(jī)制、 矩震級(jí)和震源深度的反演方面表現(xiàn)出良好的實(shí)用性。 對(duì)GPAT進(jìn)行充分的檢驗(yàn)之后，我們將這種方法應(yīng)用于云南巧家臺(tái)陣記錄的1671次地震，獲得了這些地震的震源機(jī)制解。 這些地震的最小震級(jí)為ML-0.7，最大震級(jí)ML4.7。

同樣，在學(xué)習(xí)和參考已有研究的基礎(chǔ)上，尤其是吸收已有的綜合斷層面方法的精髓，基于地震矩張量為應(yīng)力過(guò)量的物理解釋，提出了利用震源機(jī)制反演應(yīng)力場(chǎng)的方法----地震矩張量平均方法(tensor-averaging method，TAM)。 這種方法承認(rèn)大量的震源機(jī)制應(yīng)力主軸的平均方向即為應(yīng)力場(chǎng)的方向，因此，無(wú)須區(qū)分真實(shí)的滑動(dòng)面，計(jì)算效率極高。

為了檢驗(yàn)TAM方法的可行性和抗干擾能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。 首先，檢驗(yàn)震源機(jī)制的不確定性對(duì)反演結(jié)果的影響，為此，我們假設(shè)震源機(jī)制的不確定性程度或噪聲水平分別為5%，10%，20%，30%和50%，地震事件類型分別為垂直走滑事件、 正斷層事件、 逆斷層事件和垂直傾滑事件4種典型類型，震源機(jī)制的數(shù)目分別為1000，100和20三種。 結(jié)果表明： ①不確定性水平對(duì)不同類型應(yīng)力場(chǎng)的影響差別不大； ②隨著不確定性水平的增加，結(jié)果的受影響程度呈增大趨勢(shì)； ③隨著觀測(cè)資料數(shù)目的減少，結(jié)果的受影響程度呈增大趨勢(shì)。 然后，檢驗(yàn)局部應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)總體應(yīng)力場(chǎng)的偏離程度或應(yīng)力場(chǎng)非均勻性水平對(duì)反演結(jié)果的影響，為此，我們假設(shè)偏離水平分別為10%，20%，30%和50%，采用與上面同樣的事件數(shù)目和震源機(jī)制類型。 結(jié)果表明： ①應(yīng)力場(chǎng)的非均勻性對(duì)不同類型應(yīng)力場(chǎng)的影響差別不大； ②隨著非均勻性水平的增加，結(jié)果的受影響程度呈增大趨勢(shì)； ③隨著觀測(cè)資料數(shù)目的減少，結(jié)果的受影響程度呈增大趨勢(shì)。 上述實(shí)驗(yàn)表明，在合適的干擾水平條件和足夠的觀測(cè)資料情況下，利用TAM可以得到正確的結(jié)果，因此，TAM方法是可行的，也具有良好的抗干擾能力。

為了檢驗(yàn)TAM方法的實(shí)用性，我們利用已經(jīng)得到的巧家臺(tái)陣內(nèi)部1671次小震的震源機(jī)制解反演了這一區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)方向。 反演結(jié)果表明，應(yīng)力場(chǎng)方向與當(dāng)?shù)氐腉PS速度場(chǎng)具有很好的一致性，也與其他已有的研究結(jié)果比較一致。 這說(shuō)明利用TAM方法得到的結(jié)果具有實(shí)際意義，因此，TAM方法是實(shí)用的。

利用TAM方法得到的應(yīng)力場(chǎng)具有實(shí)際意義，不但是對(duì)TAM方法的有力支持，也是對(duì)GPAT方法的有力支持。

關(guān)鍵詞震源機(jī)制反演方法； 應(yīng)力場(chǎng)反演方法； 數(shù)值試驗(yàn)； 小江斷裂巧家段

(作者電子信箱，嚴(yán)川： yanc@cea-igp.ac.cn)

中圖分類號(hào)：P315.3+3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.016