利用数字波形资料研究区域中小地震震源机制
摘要
应用矩张量概念对震源物理的研究是当代地震学的一个重要的前沿课题。近20年来,随着宽频带数字地震仪的广泛应用,地震波形记录的质量明显提高,极大地推动了对震源物理过程研究的进展。对于区域性中、小地震,由于区域性地震的波形记录包含了有关震源和区域地壳的丰富的信息,利用波形资料研究区域性中、小地震的震源机制,其结果有助于了解震源区和区域性应力状态以及断层的构造特性,是理解地震孕育过程的重要途径。近年来,随着计算合成理论地震图的理论和方法的进步,使用矩张量反演方法确定中小地震的点源机制解以及有限破裂参数等研究领域取得了显著进展。本论文在前人研究的基础上,发展了两种针对区域中、小地震震源参数反演的求解方法,通过数值试验讨论了震源机制反演结果的稳定性,并结合实际地震观测资料进行了检验。本文的主要研究内容及结论如下:作者首先引入了双力偶震源机制的最小空间旋转角,即Kagan角,来衡量稀疏台网反演区域偏量矩张量解的稳定性。论文基于Langston(1981)的剪切位错源的位移表示理论,在C J Ammon的方法基础上发展了区域纯偏矩张量的反演方法,使用基于Hilbert变换的波形包络函数作为增强约束,采用迭代方法计算最佳时间平移,利用共轭梯度法和粒子群算法(PSO,Particle Swarm Op-timization algorithm)在时间域内进行全波形偏矩张量的反演。通过不同水平的噪声干扰、震相到时误差、定位误差以及不同速度结构模型和台站布局情况下的检验和测试,表明本文给出的方法有较好的稳健性和可靠性。使用该方法对2010年10月24日河南周口太康M4.7地震的震源机制进行了反演计算,得到的结果与用初动符号求得的断层面解比较一致。论文另外对Jiri Zahradník(2001)的ASPO(Amplitude Spectrum and Polarities,振幅谱与初动符号)方法进行了改进,在约束震源为纯双力偶模型的情况下,通过理论谱与观测谱的相关拟合搜寻断层面参数。作者使用粒子群算法进行震源机制解的非线性优化搜索,为了避免反演过程收敛到局部极小值,作者对算法进行了修改,采用断层的走向、倾角、滑动角的10°×10°×10°步长,对震源机制参数的解空间进行网格搜索得到的结果作为初始解,这样就保证了搜索过程可以稳定地收敛到全局最优解。数值试验表明,使用该算法进行搜索,可以在较短的时间内得到相对稳定可靠的结果。使用该方法对2010年5月17日渤海ML4.0地震的震源机制进行了检验计算,计算结果显示,此次地震的最佳深度为9km,标量地震矩M0=3.049×1014Nm,相当于矩震级MW3.7;不同频段的反演结果相对稳定,反演结果的合成波形与观测波形拟合程度较好,震源机制与P波初动解较为一致。此外,研究还表明,在反演过程中增加相对高频的成分,可以提高深度的分辨能力,但受一维速度结构模型的限制,可能会减弱合成波形的拟合程度。最后,使用该方法对山东半岛及近海地区2003—2010年14次ML≥4.0地震的震源机制进行了估计,给出了最佳的双力偶震源机制解。论文最后以博山震群事件为例,探讨了区域小震矩张量解中非双力偶机制的可能来源及其物理成因。
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