一个地震序列中,各次地震的震源机制解与震源位置分布共同反映了地震的破裂过程,是研究地震发生条件和发生环境的重要依据。传统的震源机制一般用初动方法求解。如果地震比较小,台站密度低,中小地震的震源机制就难以确定。在求解震源机制的时候,为了约束地震波节平面的空间位置,最好要有紧靠节面位置的初动观测数据。由于P波辐射花样的固有特征,愈靠近节面,P波越弱,初动方向越不易辨认。而SH波辐射花样与此相反,在节面附近最强。因此,与仅用P波初动相比,充分利用三分量地震波资料能够得到更好的震源机制解。

随着我国数字地震台网建设逐步完成,获取高质量的三分量地震记录已经成为可能。与SV波相比,SH波不存在出射角大于临界角时在自由表面的反射P波产生的虚部震相所引起的问题,因此SH波的初动和振幅更易精确获得。Kisslinger等(1981)提出利用短周期P、S波振幅比确定震源机制的方法; Snoke等(1984; 1989)发展了利用P波、SV波、SH波和振幅比联合求解震源机制的方法; 刘杰等(2004)运用Snoke的震源机制解求解方法,利用区域数字地震台网资料计算了中小地震的震源机制解,并与利用P波初动求得的结果进行了对比。

本文中,我们运用Snoke开发的震源机制解程序,利用云南区域数字地震台网和2000年姚安地震后布设的小孔径流动数字地震台网记录的数字地震波形资料,计算了2000年姚安6.5级地震序列中14次M≥3.0地震的震源机制解,分析了强震发生后震源机制及应力场的变化特征。

在r-θ-Φ坐标系中,双力偶震源辐射的远场地震波位移在观测点P(r,θ,Φ)处的分量为

u_r=1/(4πρ)1/(V³_P)1/rM^(t-r/(V_P))sin²θ·sin2φ,

u_θ=1/(4πρ)1/(V³_S)1/rM^(t-r/(V_S))sinθ·cosθ·sin2φ,

u_φ=1/(4πρ)1/(V³_S)1/rM^(t-r/(V_S))sinθ·cos2φ.

其中ρ是岩石密度,V_P和V_S分别是P波和S波传播速度; r是表达记录位移的点至震源的距离; t是时间,t=0是力矩开始作用的时间(即断层开始错动的时间); M^是双力偶中一个力偶强度随时间的微商。u_r是P波的表达式,u_θ和u_φ分别是SV和SH波的表达式。Snoke计算程序所用参量为3个初动(P,SV,SH)和3个振幅比(SV/P,SH/P,SV/SH),这样每个台站记录所用的独立量就从传统的1个P波的初动增加到5个(振幅比仅有2个独立分量),使震源机制解的稳定性和准确性大大提高。

本文中,我们通过比较理论计算和实际观测所得的P波、SV 波、SH 波的初动和振幅比,求解震源的辐射花样(即震源机制解)。首先,根据台站和震中位置,确定台站在震源球上的方位角,采用的震源球是下半球投影,离源角垂直向下为0°。在从地震震中到台站的方向上,将记录波形在两个水平方向上旋转,得到径向和切向分量。从垂向上测量P波初动和振幅,初动向上为正; 从径向上测量SV波初动和振幅,远离震源方向为正; 从切向上测量SH波初动和振幅,由地震震中向台站方向看,初动向右为正。由于SV波在30°～40°发生全反射,此时,它在径向上是不稳定的,而且振幅较小。为解决这个问题,当出射角小于全反射角时,我们在径向上读SV波的初动和振幅,当出射角大于全反射角时,在垂向上读SV波的初动和振幅,再将其转换成相应的径向上的振幅值,并根据台站记录的P波、SV波、SH波在震源球上的初动方向和振幅比,确定震源机制解。Snoke程序采用网格搜索法,通过比较理论计算与实际观测得到的初动符号的矛盾比和振幅比最小方式,将节面Ⅰ和节面Ⅱ相交的B 轴(也称为零轴)的走向(0°～360°)、倾角(0°～90°)和节面Ⅱ的法线方向A轴(该轴在节面Ⅰ内,并与B轴夹角为90°)的倾角(0°～90°)作为3个独立变量,在乌尔夫网上每隔5°全方位滑动,求出残差最小的几组解,由N 轴和A轴的倾角、走向,即可确定节面的解(刘杰等,2004)。

Snoke震源机制计算方法要求采集每个记录的P波、SV波、SH波初动及其振幅。我们利用Seisgram程序,通过旋转,分别计算得到每一个地震事件的每一条记录的P波、SV波、SH波初动及其振幅。在计算震源机制解时,采用了国际地震学与地球内部物理学协会于1991年推荐使用的IASPEI91地球速度结构模型,最后利用Snoke程序求得各次地震事件的节面解。

云南区域数字地震台网由22个子台组成,1999年6月正式投入使用。2000年1月15日云南姚安M_S6.5地震后,云南省地震局又布设了由6套数字地震仪组成的姚安小孔径流动数字地震台网。我们利用云南区域数字地震台网和小孔径流动数字地震台网记录到的P波、SV波、SH波在震源球上的初动方向和振幅比计算震源机制解。以2000 年1月16日姚安M_L3.4地震作为实例,计算过程如下:

图1给出了2000年1月16日姚安M_L3.4地震的位置、云南区域数字地震台网子台和姚安主震后布设的数字流动地震台站的分布情况。其中资料可用的子台有16个,由这16个子台可得到25个P波初动(包括直达波和首波)、8个SV波初动、8个SH波初动和5个SH/P或SV/P的振幅比。利用这46个数据,分别对P波、SV波和SH波的初动以及振幅比设定一个矛盾数上限,在乌尔夫网上以5°步长进行空间扫描,给出所有满足这些条件的机制解。为了保证解的客观性,矛盾数的上限可以适当大一些,这里给出的矛盾数的计算结果上限分别为6 、4 、4 、2,所得的震源机制解见图2。由图2可见这几组解是比较接近的。综合比较解的各种矛盾数,认为矛盾数为6 、1 、4和2的解为最佳解(表1)。

图1 2000 年1月16日姚安ML3.4地震的位置、云南区域数字地震台网子台和姚安流动数字地震台站分布

图2 2000年1月16日姚安ML3.4地震震源机制解图(点表示P波初动向上,

图3 2000年姚安6.5级地震序列14个地震震源机制解分布图

表1 2000年1月15日姚安6.5级地震序列余震震源机制解

(1)姚安6.5级地震的主要发震断裂走向为NW向,高倾角,在NNW向水平主压应力作用下,具有以右旋走滑为主的断层错动性质。

(2)姚安地震序列中的14个地震,走滑型占86%,斜滑型占14%,节面倾角主要为大于60°的接近直立高倾角; 构造应力场为NNW向,呈现出水平或近水平主压应力作用下右旋走滑错动的构造运动方式,与川滇菱形块体的构造应力场特征一致; 大多数余震构造应力场与主震发震应力场一致。

(3)姚安6.5级地震序列节面倾角和滑动角随时间的变化表明,主震后1～3天断层错动以走滑型为主,兼有个别斜滑型,主震发生后3～30天M≥3.0地震的断层错动为走滑型。

(4)姚安6.5级地震序列P轴和T轴的方位总是按与构造应力场走向一致到不一致再到一致的规律反复变化。在强余震明显活动期间,地震以水平或近水平向主压应力作用下的断层错动方式为主,有一定的斜向作用,然后为接近水平的主压应力作用方式。