震源機(jī)制解綜述

1、震源機(jī)制解綜述1、引言地震學(xué)是一門以觀測資料為基礎(chǔ)的研究地震的成因及其規(guī)律已成為地震預(yù)報(bào)的一種重要手段，它的發(fā)展奠定了地震預(yù)報(bào)的物理基礎(chǔ)。地震震源和地震波傳播介質(zhì)的各種參數(shù)在強(qiáng)震前的變化早就被當(dāng)作地震預(yù)測的地震學(xué)前兆指標(biāo)，隨著地震預(yù)測的深入研究，以及我國“十五”臺(tái)站數(shù)字化改造的完成，我們?cè)谶M(jìn)一步研究地震時(shí)空強(qiáng)分布特征的同時(shí),加強(qiáng)對(duì)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的研究,從中提取震源，我們意識(shí)到加強(qiáng)對(duì)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，從中提取震源信息，對(duì)增強(qiáng)地震預(yù)測的物理基礎(chǔ)，提高地震預(yù)測的水平是十分必要的。地震是地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，這種運(yùn)動(dòng)反映在地殼上，使得地殼產(chǎn)生破裂，促成了斷層的生成、發(fā)育和活動(dòng)

2、。地震前后的地形變測量和地震波的觀測研究等結(jié)果確認(rèn)，天然構(gòu)造地震是地下巖層的突然錯(cuò)動(dòng)引起的。發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的巖層可稱為地震斷層。斷層活動(dòng)誘發(fā)了地震，地震發(fā)生又促成了斷層的生成與發(fā)育，因此地震與斷層有密切聯(lián)系。地殼中的斷層密如織網(wǎng)。實(shí)際地震斷層的幾何形狀可能很復(fù)雜，但對(duì)多數(shù)地震，特別是小地震，作為初級(jí)近似，總體上可將地震看成是沿一個(gè)平面斷層發(fā)生的突然錯(cuò)動(dòng)引起的。2、前人對(duì)震源機(jī)制解的研究歷程地震震源處地球介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式。通常所說的震源機(jī)制是狹義的，即專指研究構(gòu)造地震的機(jī)制而言。構(gòu)造地震的機(jī)制是震源處介質(zhì)的破裂和錯(cuò)動(dòng)。震源機(jī)制研究的內(nèi)容包括，確定地震斷層面的方位和巖體的錯(cuò)動(dòng)方向，研究震源處巖體的破裂和運(yùn)

3、動(dòng)特征，以及這些特征和震源所輻射的地震波之間的關(guān)系。對(duì)地震震源的研究開始于20世紀(jì)初葉。1910年提出的彈性回跳理論，首次明確表述了地震斷層成因的概念。在地震學(xué)的早期研究中，人們就已注意到P波到達(dá)時(shí)地面的初始振動(dòng)有時(shí)是向上的,有時(shí)是向下的。20世紀(jì)的1020年代，許多地震學(xué)者在日本和歐洲的部分地區(qū)幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一次地震在不同地點(diǎn)的臺(tái)站記錄,所得的P波初動(dòng)方向具有四象限分布。日本的中野廣最早提出了震源的單力偶力系，第一次把斷層的彈性回跳理論和P波初動(dòng)的四象限分布聯(lián)系起來。此后，本多弘吉又提出雙力偶力系，事實(shí)證明它比單力偶力系更接近實(shí)際。美國的拜爾利(P.Byerly)發(fā)展了最初的震源機(jī)制求解法

4、,1938年第一次利用P波初動(dòng)求出完整的地震斷層面解。3、斷層及斷層面參數(shù)3.1、斷層參數(shù)及分類地震斷層通常用斷層的走向S、傾角和滑動(dòng)角三個(gè)參數(shù)來描述（圖2.1）。按目前國際上常用的描述方法，這些參數(shù)的定義是：走向S：斷層面與水平面交線的方向，但此交線有兩個(gè)方向，為唯一確定起見，按以下原則確定其中之一為斷層的走向：人沿走向看去，斷層上盤在右。走向用從正北順時(shí)針量至走向方向的角度S來表示，0ºS<360°。 傾角：斷層面與水平面的夾角。0º<90°?；瑒?dòng)角：在斷層面上量度，從走向方向逆時(shí)針量至滑動(dòng)方向的角度為正，順時(shí)針量至滑動(dòng)方向的角度為負(fù)?；?/p>

5、動(dòng)方向指斷層上盤相對(duì)于下盤的運(yùn)動(dòng)方向。-180<180°。（仰角：力軸與水平面的夾角（小于90度）方位角：力軸在水平面上的投影線與北方向之間的夾角傾向：節(jié)面的上表面的法線在水平面上的投影線與北方向之間的夾角，順時(shí)針量取。）走向S和傾角是斷層的幾何參數(shù)，二者規(guī)定了斷層的產(chǎn)狀；滑動(dòng)角是斷層的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，由這一參數(shù)的具體數(shù)值，即可描述斷層的各種運(yùn)動(dòng)類型（圖2.2）。有人用斷層的傾向代替走向，傾向指下盤斷層面向上的法線之水平投影的方向，傾向恒等于走向加90°。在地震學(xué)中，通常已較少用傾向描述地震斷層。按斷層節(jié)面滑動(dòng)角判定圖2.2滑動(dòng)角取不同數(shù)值所描述的斷層類型3.2、斷層面上的

6、錯(cuò)動(dòng)斷層滑動(dòng)是時(shí)間和空間的函數(shù)，斷層面上的錯(cuò)動(dòng)主要是平行于斷層面的剪切位錯(cuò)，描述這些錯(cuò)動(dòng)的參數(shù)如下：（1）地震矩：將地震看成斷層面上的突然位錯(cuò)，則形成地震力矩，定義0M如下（2）地震能量：TE （3）應(yīng)力降：（4）破裂速度：v3.3、震源模型震源機(jī)制解（又稱地震機(jī)理）是指震源區(qū)地震發(fā)生時(shí)的力學(xué)過程。鑒于地震機(jī)理的研究尚處于探索階段，目前還屬于推斷性認(rèn)識(shí)，一般采用各種震源模型進(jìn)行解析，一種是點(diǎn)源模型，另一種是非點(diǎn)源模型。前者根據(jù)點(diǎn)源作用力的不同，又進(jìn)一步劃分為單力偶震源模型和雙力偶震源模型；非點(diǎn)源模型也劃分為有限移動(dòng)震源模型和位錯(cuò)震源模型兩種。以上震源模型，在分析求解后，提供兩組力學(xué)參數(shù)，一組為

7、斷層面走向、傾向和傾角；另一組為最大主應(yīng)力軸、最小主應(yīng)力軸和中等主應(yīng)力軸的方位和產(chǎn)狀。根據(jù)我國境內(nèi)150次地震震源機(jī)制解，P波初動(dòng)符號(hào)資料確定結(jié)果表明，大多數(shù)主壓應(yīng)力軸（P軸）和主張應(yīng)力軸都近水平（T軸），中等應(yīng)力軸近于直立。地震學(xué)的震源理論證明，在均勻彈性介質(zhì)中，若在一個(gè)小的平面斷層上發(fā)生一個(gè)突然的純剪切錯(cuò)動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生地震波輻射，這樣的剪切錯(cuò)動(dòng)震源產(chǎn)生的遠(yuǎn)場地震波與在震源處突然有一個(gè)雙力偶的作用產(chǎn)生的地震波相同。即剪切元位錯(cuò)震源與雙力偶點(diǎn)源在產(chǎn)生遠(yuǎn)場地震波的意義上是等價(jià)的。因此，當(dāng)可將震源近似看成點(diǎn)源時(shí)，雙力偶點(diǎn)源模型就成為描述發(fā)生了剪切錯(cuò)動(dòng)震源的常用模型。雙力偶由一對(duì)大小相等、方向相反的力

8、偶組成，（圖2.3）是一種合力和合力矩都等于零的集中力系。這樣的力系作用于剛體時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生任何運(yùn)動(dòng)效果，但在彈性體內(nèi)部作用，則會(huì)使震源區(qū)介質(zhì)產(chǎn)生突然的變形，從而向外輻射地震波。4、震源機(jī)制解的測定利用雙力偶點(diǎn)源模型，根據(jù)地震波觀測（或地震前后的地形變測量資料等）求震源模型參數(shù)的結(jié)果，通常稱為震源機(jī)制解答，有人稱作地震的斷層面解。所根據(jù)的觀測資料可以是P波的初動(dòng)方向、S波位移的偏振方向、直達(dá)P波和直達(dá)S波振幅的比值大小，以及P波和S波的波形資料等。雙力偶點(diǎn)源模型的獨(dú)立模型參數(shù)只有3個(gè)，例如可以是斷層面（P波兩個(gè)節(jié)面中的一個(gè)）的走向、傾角和滑動(dòng)角（圖2.1），也可以是為確定“震源坐標(biāo)架”x-y-z

9、（圖2.3）相對(duì)于“地平坐標(biāo)架”（例如可分別選為北、東、下三個(gè)方向）的空間方位所需要的三zyx個(gè)角度值。求解的基本方法是先假定震源模型參數(shù)，計(jì)算出在給定地球地震波速度結(jié)構(gòu)時(shí)，該震源模型在各觀測臺(tái)站所產(chǎn)生的地震波特征，然后與各個(gè)臺(tái)站的實(shí)際觀測地震波資料進(jìn)行對(duì)比，二者擬合最好的模型參數(shù)就作為震源機(jī)制的解答。求解過程可以運(yùn)用反演的數(shù)學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)，即選定一種使各個(gè)臺(tái)站的計(jì)算結(jié)果與觀測結(jié)果互相擬合的準(zhǔn)則，然后使隨模型參數(shù)變化而變化的準(zhǔn)則函數(shù)(或目標(biāo)函數(shù))最優(yōu)化，即使其最小或最大，而解出模型參數(shù)來。4.1P波初動(dòng)方向法求震源機(jī)制解答最簡單的方法是根據(jù)P波初動(dòng)方向的觀測資料來求解。地表垂直向地震儀記錄的初至

10、P波的振動(dòng)方向，有的向上，即壓縮波，記為正號(hào)，有的向下，即拉伸波，記為負(fù)號(hào)。由于介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的影響，從震源發(fā)出的P波一般不是沿直線到達(dá)每個(gè)臺(tái)站Si(i=1,2,)的，如圖3.1所示意表達(dá)的。求震源機(jī)制解時(shí)，需根據(jù)已知的速度結(jié)構(gòu)推算出到達(dá)每個(gè)臺(tái)站Si的P波從震源處是沿什么方位Si發(fā)出的，即需要將臺(tái)站Si的記錄標(biāo)在震源球面的相應(yīng)位置Si上去。震源球面是包圍震源的一個(gè)球面S，要求球面內(nèi)的射線不再發(fā)生任何彎曲。若將每個(gè)臺(tái)站Si所記錄到的P波初動(dòng)方向都標(biāo)在震源球面上的相應(yīng)位置Si上去后，人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天然構(gòu)造地震，只要記錄足夠多，并且Si在球面上的分布范圍足夠廣，則可以找到過球面中心的兩個(gè)互相垂直的平面

11、，將震源球面上的正、負(fù)號(hào)分成4個(gè)象限，這兩個(gè)平面就是上述的雙力偶震源的兩個(gè)節(jié)平面。找到兩個(gè)節(jié)平面的空間位置后，震源坐標(biāo)架的x、y、z軸和P、T軸的空間方位也就知道了。上述求解過程可以通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)節(jié)面中有一個(gè)是斷層面，但僅根據(jù)P波初動(dòng)方向記錄無法確定哪一個(gè)是斷層面，還必須根據(jù)其他資料，例如現(xiàn)場地質(zhì)考察資料、余震的空間分布、地震波輻射輻射花樣的不對(duì)稱性（圖3.2）和地震波輻射的多普勒效應(yīng)等，來從兩個(gè)節(jié)面中分析判定實(shí)際的斷層面，這種判定一般只對(duì)大地震才能實(shí)現(xiàn)。4.2P波和波振幅比方法利用波初動(dòng)方向記錄反演震源機(jī)制解雖簡單易行，但也有缺陷。為能將地震波節(jié)平面的空間位置約束住，最好要有緊靠節(jié)面

12、位置的初動(dòng)符號(hào)觀測數(shù)據(jù)，然而，由于波輻射花樣的固有特征，愈靠近節(jié)面，波愈弱，初動(dòng)方向愈不易辨認(rèn)。再有，由于地表臺(tái)站布局的限制，觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)在震源球面上的覆蓋范圍經(jīng)常難以令人滿意，當(dāng)在震源球面上某位置有零散的初動(dòng)方向數(shù)據(jù)時(shí)，它只能告訴你該點(diǎn)應(yīng)處在波的正象限或負(fù)象限，但不能獲得節(jié)面與此觀測點(diǎn)間的角距離有多大的信息（震源球面上某點(diǎn)觀測到的波的振幅大小或波形資料，則含有節(jié)面離該點(diǎn)角距離有多遠(yuǎn)的信息），因而零散分布的初動(dòng)方向數(shù)據(jù)對(duì)解答起不了多大的約束作用。此外，經(jīng)常有矛盾的波初動(dòng)方向讀數(shù)。上述這些因素常引起解答的不確定性。為解決這些問題，對(duì)于較大的遠(yuǎn)地震，目前多利用在不同方位且具有不同震中距的臺(tái)站上獲得的

13、地震波形記錄來反演震源機(jī)制解。對(duì)地方性的中小地震，有人提出利用從震源向上射出的直達(dá)波（Pg）和直達(dá)波(Sg)引起的地動(dòng)位移振幅比求解震源機(jī)制的方法5-7。由(2.1)(2.3)式可見，利用直達(dá)波（）和SV波（）或SH()的振幅ruuu比，實(shí)際是利用它們的輻射花樣的比值來求解震源機(jī)制參數(shù)。振幅比的輻射花樣隨空間方位的變化比單種波的輻射花樣要強(qiáng)烈得多。在力偶平面內(nèi)（圖3.2）振幅比的輻射花樣呈瓣分布。從此意義來說，只要有正確的直達(dá)波的觀測振幅比，且觀測值歸算到震源球面上后的位置是正確的話，振幅比觀測對(duì)震源機(jī)制參數(shù)有較強(qiáng)的約束能力。（但是，振幅比的測量誤差和射線在震源球面上出頭點(diǎn)位置的誤差也容易引起

14、地震節(jié)面解的大誤差。）此外，對(duì)于近震，可近似認(rèn)為儀器對(duì)直達(dá)波和波的頻率響應(yīng)是相同的，求振幅比時(shí)可以消去儀器影響。但在實(shí)用中，也存在一些困難。主要困難是直達(dá)波的識(shí)別和結(jié)構(gòu)影響的校正。求震源機(jī)制解的理論模型分析的皆是直達(dá)波和直達(dá)S波的振幅比，對(duì)于近震，確定初至波振幅常常比較困難，特別要使用垂直向的SV波初動(dòng)振幅時(shí)5,6，測量更困難些。觀測量是地動(dòng)位移，為求震源機(jī)制解需要將地動(dòng)位移的振幅比校正為入射波位移的振幅比。例如，Kisslinger等(1981)的程序5，用的是地方地震的波和SV波垂直向地動(dòng)位移的振幅比(USV/UP)Z，由于地震較近，用的是上行直達(dá)波引起的地動(dòng)位移，回避了地殼內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)波的影

15、響，只考慮了自由表面的作用。若令垂直向地動(dòng)位移振幅比(USV/UP)Z與入射波垂直向位移振幅比(uSV/uP)Z的比值為，圖(2.7) 給出了隨入射波入射角的變化曲線。觀測的振幅比需除以后才能得到入射波的振幅比。由圖(2.7)可見，當(dāng)入射波的入射角為30多度時(shí)，值變化劇烈，很難從觀測的振幅比求出穩(wěn)定的入射波振幅比。因?yàn)榇蠹s35°多的角度是SV波入射的臨界角(大于此角度后，入射SV在自由面上反射的波出射角變?yōu)?0°，質(zhì)點(diǎn)呈橢圓振動(dòng)，振幅隨深度衰減)，反射波有相移，由入射SV、反射SV和反射P波三者合成的地表位移振動(dòng)變得比較復(fù)雜。梁尚鴻等(1984)6的程序用的觀測量也是垂直向

16、直達(dá)SV和P波地動(dòng)位移振幅比，他們用計(jì)算層狀介質(zhì)理論地震圖的辦法來考慮介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，其中也包含自由表面的影響。需要選擇符合實(shí)際的層狀結(jié)構(gòu)才能有效消除結(jié)構(gòu)的影響，否則模型結(jié)構(gòu)的誤差會(huì)影響機(jī)制參數(shù)的正確測定。當(dāng)只用振幅比的大?。ㄕ穹鹊慕^對(duì)值）測定震源機(jī)制解時(shí)5,6，只能求出兩個(gè)地震節(jié)面的空間位置，而不能確定可能斷層面的運(yùn)動(dòng)特性（旋性），或不能確定波的壓縮和膨脹的象限，也即不能確定、軸的具體方位。為確定后者，還必須至少要知道一個(gè)波初動(dòng)方向的可靠讀數(shù)。如果程序中考慮了觀測波和波的初動(dòng)方向?qū)φ穹热≌?fù)值的影響了，則可以求出完整的震源機(jī)制參數(shù)來。圖4.3自由面對(duì)垂直向地動(dòng)位移振幅比的影響因子隨直達(dá)波

17、入射角的變化。代表地表位移，u代表入射波位移。有人發(fā)展只用垂直向SV和P的振幅比測定震源機(jī)制的方法5,6，最初是因?yàn)閱畏窒虻拇怪毕蛴涗涀钜椎玫?。如果能獲得三分向記錄，使用直達(dá)SH和P波的振幅比求解震源機(jī)制7將會(huì)減少結(jié)構(gòu)和自由面對(duì)結(jié)果的影響，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)界面對(duì)SH波的影響簡單，而SH入射到自由面時(shí)，不產(chǎn)生其它轉(zhuǎn)換波，地動(dòng)位移振幅就簡單地是入射波位移振幅的倍。如果使用地動(dòng)速度的數(shù)字記錄，而理論分析是用地動(dòng)位移的振幅比，最好要將速度記錄積分成地動(dòng)位移再求地動(dòng)位移振幅比，因?yàn)橐话闱闆r下，地動(dòng)速度振幅比不一定等于地動(dòng)位移振幅比。4.3其他方法震源輻射地震波的許多特征都可以用來測定震源機(jī)制，例如，利用直達(dá)P波

18、或S波振幅的大小8，或在頻率域分析直達(dá)P波或S波振幅譜的低頻幅值9。利用數(shù)字地震記錄，這些量可以觀測得比用筆繪記錄更準(zhǔn)確些。對(duì)于中小地震，利用近距離臺(tái)站時(shí)，對(duì)觀測振幅或振幅譜一般只需作相對(duì)簡單的自由面、幾何擴(kuò)散和衰減的校正，而不別作復(fù)雜的理論地震圖的計(jì)算。4.4震源機(jī)制參數(shù)的表達(dá)震源機(jī)制解答通常是通過給出震源參數(shù)和用圖示來表達(dá)。作為一例，表3.1給出2001年11月14日中國昆侖山MS8.1地震的震源機(jī)制解的參數(shù)表達(dá)（哈佛大學(xué)測定）。力軸的方位（Az）從正北順時(shí)針量度，傾角（PL）為力軸從水平面向下傾的角度。表中的12個(gè)參數(shù)中，只有3個(gè)是獨(dú)立的，根據(jù)其中的任意3個(gè)，例如節(jié)面或節(jié)面的3個(gè)參數(shù)，或

19、是P軸的2個(gè)參數(shù)加T軸的一個(gè)參數(shù)等，可以計(jì)算出其他參數(shù)來。5個(gè)力軸的空間位置用方位角和仰角兩個(gè)參數(shù)來表示：仰角：力軸與水平面的夾角（小于90度）方位角：力軸在水平面上的投影線與北方向之間的夾角將震源球面上表示的數(shù)據(jù)和震源機(jī)制解結(jié)果用圖示法表達(dá)出來時(shí)，需要借助于某種將球面上的點(diǎn)與平面上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)起來的投影法。常用的有烏爾夫網(wǎng)投影和施密特網(wǎng)投影法。二方法的投影平面通常皆是震源球面過球心的水平大圓面（也可以是其它過球心的某個(gè)大圓面）（圖3.4a），投影點(diǎn)為與大圓面相對(duì)的極點(diǎn)。一般只用半個(gè)球面的投影，震源機(jī)制解通常用下半震源球面的投影，這時(shí)投影點(diǎn)為震源球面的上極點(diǎn)z。若某射線穿過下半震源球面的點(diǎn)到達(dá)

20、臺(tái)站，則其在投影圖上的投影點(diǎn)為。如果某射線從震源向上發(fā)出，穿過震源球面上的點(diǎn)到達(dá)臺(tái)站St（圖3.4a），可將射線經(jīng)震源O向反方向延伸至震源球面上R的對(duì)庶點(diǎn)R1，用R1在投影平面上的投影R1來代R的投影。從雙力偶點(diǎn)源地震波輻射的空間對(duì)稱性考慮，這樣做是可以的。圖4.4震源球面及其投影網(wǎng)。球面上的Q點(diǎn)的空間方位是由過該點(diǎn)矢徑的方位角Az和離源角ih確定的，Q在投影網(wǎng)上的投影點(diǎn)Q的位置也是通過這兩個(gè)角度來確定的（圖2.8b），Az從網(wǎng)的正北標(biāo)記順時(shí)針量（0360°），與ih對(duì)應(yīng)的線段OQ的長度d根據(jù)投影規(guī)則定。對(duì)烏爾夫投影，如圖2.8c所示，將大圓的半徑長度看成為1，dtan(ih/2)3；對(duì)施密特投影，該長度應(yīng)為d=Sin(ih/2)4。烏爾夫投影是一種等角投影，球面上曲2線的交角投影到平面上后保持不變，球面上的圓投影到平面上后仍是一個(gè)圓。該投影關(guān)系簡單，但在表示球面上的圖形時(shí)，網(wǎng)心部