利用連續(xù)重力觀測約束2014智利Iquique地震的震源機制解

江穎，李輝，劉子維，申重陽，張曉彤

1 中國地震局地震研究所(中國地震局地震大地測量重點實驗室)，武漢　430071　2　中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢　430077

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利用連續(xù)重力觀測約束2014智利Iquique地震的震源機制解

江穎1,2，李輝1，劉子維1，申重陽1，張曉彤1

1 中國地震局地震研究所(中國地震局地震大地測量重點實驗室)，武漢4300712中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢430077

摘要2014年4月1日，智利北部Iquique地區(qū)近海發(fā)生MW8.1地震，地震發(fā)生之后，國際上一些著名的地震科研機構和學者采用不同的數(shù)據(jù)和方法計算得到此次地震的震源機制解，但這些結果存在較大差異.地球長周期自由振蕩的振幅主要依賴于地震矩的大小及地震斷層的破裂方式，可以很好地約束地震震源機制.因此，本文根據(jù)2014年Iquique地震現(xiàn)有的6個不同震源機制解模擬計算了該地震激發(fā)的自由振蕩信號，并與全國連續(xù)重力臺網中16個彈簧重力儀的觀測結果進行比對，基于1.5～5.3 mHz的球型簡正模分析和約束了Iquique地震的震源機制解.研究發(fā)現(xiàn)，基于美國地質調查局WPhase Moment Tensor Solution反演的震源機制解的自由振蕩模擬值與實際觀測符合最好，其相應的震級能較好反映Iquique地震釋放的總能量，而利用海嘯數(shù)據(jù)反演的標量地震矩偏小，聯(lián)合遠場和近場長周期觀測數(shù)據(jù)反演可顯著改善震源機制解.另外，還基于格爾木重力臺站的模擬值與觀測值定量分析了不同震源機制解參數(shù)對自由振蕩振幅的影響.結果表明地震的標量地震矩M0對自由振蕩振幅的影響最大，而斷層走向、傾角、滑動方向角和震源深度對自由振蕩的振幅影響相對較小.

關鍵詞Iquique地震； 震源機制解； 地球自由振蕩； 重力觀測

1引言

智利西部沿海處于納斯卡板塊和南美板塊之間，由于納斯卡板塊以約8 cm·a-1的收斂速度向南美板塊俯沖(Angermann et al.,1999)，該地區(qū)大地震頻發(fā).2014年4月1日23∶46 (UTC)在智利西北部Iquique近海地區(qū)發(fā)生了震級為MW8.1的地震，震中位為19.642°S，70.817°W(圖1，紅色五角星位置)，震源深度25 km (USGS National Earthquake Information Center-NEIC: http:∥earthquake.usgs.gov/regional/neic/).地震發(fā)生后，Iquique地震的震源性質和發(fā)震構造吸引了許多學者的關注和研究(An et al.，2014；Lay et al.，2014；Ruiz et al.，2014；Schurr et al.，2014；Kato et al.，2014；Yagi et al.，2014；Bürgmann et al.，2014；Hayes et al.，2014；Liu et al.，2015).國際上一些著名的地震科研機構和學者采用不同的數(shù)據(jù)和方法計算得到Iquique地震的震源機制解，見表1.其中震源機制解1是GCMT(The Global Centroid-Moment-Tensor Project)通過計算單位矩張量元的格林函數(shù)，將格林函數(shù)與震源時間函數(shù)做卷積，運用最小二乘求得最優(yōu)矩張量解.GCMT采用體波(截斷周期為50 s)，長周期面波(截斷周期為50 s)和地幔波(截斷周期為200 s)計算了Iquique地震的震源機制解.震源機制解2、3是美國地質調查局(USGS)的結果，USGSCMT(USGS Centroid Moment Tensor Solution)采用體波和長周期面波反演震源機制，USGSWPHASE(USGS WPhase Moment Tensor Solution)采用W-phase(100～1000 s)的波形資料反演震源機制.對于中級地震，USGSBODY(USGS Body-Wave Moment Tensor Solution)采用遠場臺站記錄的體波數(shù)據(jù)反演震源機制，比如2013年的蘆山地震.單純用體波數(shù)據(jù)反演的標量地震矩偏小(Jiang et al.,2014a).通常情況下USGSBODY不提供大地震的震源機制解結果，如2011年日本Tohoku MW9.1地震等，包括此次Iquique MW8.1地震.Yagi 等(2014)利用48個臺站的遠震P波數(shù)據(jù)，考慮了格林函數(shù)的不確定性反演了Iquique地震的震源機制解.Lay等(2014)利用遠程P波、SH波及海嘯數(shù)據(jù)進行有限斷層反演，得到的標量地震矩為1.7×1021N·m.An等(2014)利用3個深海評估和海嘯臺站的海嘯數(shù) 據(jù)，反演得到了Iquique地震的滑動分布，并得到該地震的標量地震矩為1.22×1021N·m.從上述研究結果來看，不同的研究機構和學者給出的Iquique地震的震源機制解相差較大，特別是標量地震矩M0之間的差異顯著，最大值約為最小值的2倍，而這種差異不容忽視.

表1　智利Iquique地震震源機制解一覽表

注：文獻來源震源機制解1為Global-CMT Project的結果；震源機制解2和3分別為USGS提供2個不同的結果：USGSCMT、USGSWPHASE；4為Yagi et al.(2014)的結果；5為Lay et al.(2014)的結果；6為An et al.(2014)的結果.

地震在瞬時釋放巨大能量、產生大面積地表破裂的同時，激發(fā)大量的地震波，并且導致地球整體的震動.地球的自由振蕩一旦被激發(fā)，將以駐波形式穿過地球的內部介質.由于自由振蕩能量的大小與震源的破裂方式和破裂程度密切相關(Geller and Stein，1979；Stein et al.，2005)，因此地震后的自由振蕩信號可用于約束地震震級和檢驗地震的震源機制解，它也是目前可對震源機制解進行總體檢驗和約束的非常有效的方法.利用自由振蕩信號約束MW9.0級以上大地震的震源機制解已經得到了不錯的效果，比如2004-12-26蘇門答臘大地震后，利用應變儀、長周期地震儀及超導重力儀記錄到的球型低頻模態(tài)0S0、0S2、0S3、0S4等，徑向模0S0、1S0等與理論模擬結果對比，發(fā)現(xiàn)相應的標量地震矩是GCMT結果的2.5～2.67倍，并且得出斷層的破裂長度、持續(xù)時間及破裂速度(Stein et al.，2005；Park et al.，2005；Lambotte et al.，2006).2011-03-11Tohoku大地震后，薛秀秀等(2012)利用0S0振型對Tohoku大地震的多個震源機制解進行分析和約束.對于中級地震來講低頻態(tài)的信號不易提取，Jiang等(2014)根據(jù)2013-04-20蘆山地震的4種不同震源機制解計算了蘆山地震頻段為2.3～5 mHz的自由振蕩信號，發(fā)現(xiàn)利用遠場體波反演的地震矩偏小.Hu等(2014)為了評估蘆山地震標量地震矩的正確性，對比了17個臺站和5個矩張量解的觀測值與模擬值，也得到了同樣的結論.目前，利用自由振蕩信號約束震源機制解所用到的觀測數(shù)據(jù)均來自超導重力儀(SG)和寬頻帶地震儀，當震級較大時，SG會發(fā)生限幅情況，因此在計算過程中必須去掉同震時的觀測段，對于MW8.1 Iquique地震來說，中國大陸的幾臺超導重力儀均出現(xiàn)了限幅情況，而寬頻帶地震儀主要用于記錄高頻信息.

通過數(shù)字地震觀測網絡、中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡、中國地震背景場等國家重大科學工程項目，在中國大陸建成了一個集數(shù)據(jù)的自動匯集與數(shù)據(jù)庫式管理，儀器的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的圖形化分析處理為一體的連續(xù)重力觀測臺網，其平均空間分辨率約400 km.觀測儀器包括PET/gPhone、DZW、GS15、TRG-1和GWR超導等，除了SG以外，這些彈簧重力儀也可以觀測到微小的重力變化，分布廣泛且連續(xù)的彈簧重力儀觀測數(shù)據(jù)為檢測地球自由振蕩信號及利用自由振蕩信號約束震源機制解提供了很好的數(shù)據(jù)基礎.本文選取連續(xù)重力觀測臺網中分布廣泛的16個彈簧重力儀觀測數(shù)據(jù)(如圖1)，利用自由振蕩信號觀測約束Iquique地震的震源機制解，并有效的評估哪一個震源機制解最符合地震實際釋放的能量，基于符合較好的重力站觀測資料，定量研究和分析影響自由振蕩振幅的因素.

圖1　震中位置和16個連續(xù)重力觀測臺站的位置

2數(shù)據(jù)和方法

地球自由振蕩中的球型振蕩不僅有橫向分量，還有徑向分量，因此會引起地球的體積變化，從而導致重力發(fā)生變化.中國連續(xù)重力觀測臺網提供采樣率為1 Hz的重力觀測數(shù)據(jù)用于地球動力學研究.Iquique地震發(fā)生后，連續(xù)重力觀測臺網的重力儀清晰的記錄了重力變化.提取自由振蕩信號之前，首先對各臺站的觀測資料進行預處理，利用Tsoft(Vauterin，1998)重力潮汐數(shù)據(jù)預處理程序，去掉尖峰、突跳、間斷等.采用Eterna調和分析軟件，計算大氣導納因子，并在重力觀測中扣除大氣的影響(Wenzel，1996).

r0處的點源地震激發(fā)臺站的簡正模位移可以利用雙力偶地震矩心矩張量理論和各項同性的地球模型模擬計算.在r處的位移u(r,t)為(Gilbert，1973)：

×(M(r0):εn(r0)),

(1)

其中，Sn(r)為在某站點的標準化的n階模本征位移，ωn為本征頻率，Qn為質量因子，εn(r0)為應變張量，M(r0)為點源矩張量.二階6分量Mi(i=1，…，6)，均勻地震矩張量M和εni組成εn(r0).則公式(1)可轉化為

(2)

(3)

ai(r,t)為轉換函數(shù)，Mi由標量地震矩M0、走向、傾角、滑動角組成(Aidetal.，1980).

地球自由振蕩計算值的振幅主要取決于地震發(fā)生的位置和地震的震源機制解.模擬計算臺站自由振蕩需要的參數(shù)有：地震發(fā)生的時間、位置、走向、傾角、滑動角、標量地震矩、臺站的位置等.在參考的震源機制解中，地震的震源機制模型將震源等效為雙力偶點源，根據(jù)雙力偶地震矩心矩張量理論，由地球格林函數(shù)對矩張量加權求和，可計算矩張量源激發(fā)產生的地球自由振蕩位移(江穎等，2014b,2015).

3結果分析

3.1觀測值與模擬值比較

將地震激發(fā)的地球自由振蕩信號的模擬值與相應的觀測值相比對，可評估震源機制解是否能正確反映地震的實際破裂情況.由于不同的地球模型對自由振蕩振幅的影響小于0.7%(薛秀秀等，2012)，幾乎可以忽略.基于PREM地球模型(Dziewonski et al.,1981)，結合震源機制解，將格林函數(shù)對矩張量加權求和，可以得到接收臺站的合成地震圖(Geller and Stein，1979).

本文選取分布廣泛的16個彈簧重力儀觀測數(shù)據(jù)進行分析，臺站包括：北京(BJ)、福州(FZ)、高臺(GT)、格爾木(GEM)、海拉爾(HLE)、拉薩(LS)、蘭州(LZ)、牡丹江(MDJ)、憑祥(PX)、瓊中(QZ)、獅泉河(SQH)、炭山(TS)、烏加河(WJH)、烏什(WS)、西安(XA)、漳州(ZZ)，見圖1.為了避免環(huán)境噪聲在簡正模振幅上的影響，選取16個臺站采樣間隔為1 s，時間長度為16h的重力觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)在經過漢寧窗處理后進行離散傅里葉變換獲取線性振幅譜.連續(xù)觀測的彈簧重力儀會存在較大的零漂，選取的數(shù)據(jù)長度為16 h，零漂的影響較小，在數(shù)據(jù)處理過程中已經將該影響去掉.圖2顯示了16個重力臺站重力儀的自由振蕩觀測值和基于6個震源機制解計算的模擬值在1.5～5.3 mHz頻段的結果.在選取的頻段內，彈簧重力儀測得的自由振蕩信號有較高的信噪比.從圖2可以明顯看出基于震源機制解6的模擬值明顯偏小，而基于GCMT和USGS的震源機制解模擬計算的自由振蕩信號和觀測值符合的較好.

3.2震源機制解整體評估

為了更詳細的反映比較結果，基于16個重力儀臺站選用1.5～5.3 mHz頻段中所有的球型自由振蕩的模擬值和觀測值進行比較，利用殘余方差F(不符合度)和比例因子S(符合度)作為判斷標準：

(4)

(5)

這里Oi和Si是觀測模的振幅和模擬值的振幅，n是所有振型的數(shù)量.當比例因子接近1的時候，其 震源機制解對應的M0是可靠的，可以描述震源的大小和強度.

圖2　在1.5～5.3 mHz頻段內16個彈簧重力儀觀測數(shù)據(jù)與基于6個震源機制解算的模擬值

另外，計算了基于各震源機制解結果的F和S的平均值及標準偏差，如表2.由表2可知，基于震源機制解3的自由振蕩模擬結果與實測結果最接近，其不符合度F的平均值為0.090，比例因子S為0.992，最接近1，F(xiàn)和S的標準偏差也最小，分別為0.055和0.065，最能反映地震釋放能量的大小.基于震源機制解1和2的模擬值與觀測值的殘余方差也較小，分別為0.098和0.091，顯示了較高的符合度.但是，基于震源機制解6的模擬值與觀測值相差較大，其不符合度F的平均值為0.214，比例因子S達到1.610.震源機制解中各個參數(shù)對地球自由振蕩信號振幅的影響需要進行進一步的計算與分析.

表2　基于6個震源機制解的F與S的平均值和標準差

3.3震源機制解影響定量分析

分別計算震源機制解(標量地震矩、走向、傾角、滑動角和深度)對自由振蕩振幅的影響.基于USGSWPHASE的震源機制解計算的模擬值與觀測值最符合，由圖3的結果發(fā)現(xiàn)，16個臺站中格爾木臺站觀測到的自由振蕩信號較接近模擬值，其對應的F為0.047，S為0.996.因此，基于格爾木臺站接收到的1.5～5.3 mHz頻段的自由振蕩信號平均振幅做定量分析.

基于USGSWPHASE的震源機制解結果，分別給定標量地震矩、走向、傾角、滑動角和深度一個變化范圍，計算不同的震源機制解因素對自由振蕩振幅的影響.根據(jù)表1，標量地震矩的變化范圍為1.22×1021～2.35×1021N·m，保證走向、傾角、滑動角和深度不變，分別計算不同的標量地震矩對應的自由振蕩信號平均振幅，結果如圖4a，隨著標量地震矩的不斷增加，自由振蕩的平均振幅也在明顯增大，增量達到3.33×103nms-2/Hz；走向的變化范圍為240°～358°，保證M0、傾角、滑動角和深度不變，分別計算不同的走向對應的自由振蕩平均振幅，結果如圖4b，隨著走向增大，自由振蕩平均振幅也在慢慢增大，增加了2.25×103nms-2/Hz；傾角的變化范圍為12°～18°，保證M0、走向、滑動角和深度不變，分別計算不同的傾角對應的自由振蕩平均振幅，結果如圖4c，隨著傾角的不斷增加，振幅在慢慢減小，減小了3.08×103nms-2/Hz；滑動角變化范圍為74°～109°，保證M0、走向、傾角和深度不變，分別計算不同的滑動角對自由振蕩平均振幅的影響，結果如圖4d，隨著滑動角的不斷增加，振幅也在慢慢增大，增量達到2.13×103nms-2/Hz；深度變化范圍為20～33 km，保證M0、走向、傾角和滑動角不變，分別計算不同的深度對應的內核平動振蕩振幅的最大值，結果如圖4e，在20～33 km的范圍內，振幅有小范圍波動，差異僅為0.51×103nms-2/Hz.通過以上數(shù)值實驗說明M0對自由振蕩振幅的影響最大，而走向、傾角、滑動角和深度對內核平動振蕩振幅也有一定影響，但是影響相對較小.因此，將6個震源機制解中的M0均設置為相同的數(shù)值2.35×1021N·m，模擬計算格爾木臺站接收到的自由振蕩 信號，結果如圖5，當M0為2.35×1021N·m時，基于6個震源機制解得到的自由振蕩信號相差不大，且和觀測值均符合的較好.進一步證明了，M0是影響自由振蕩振幅的最大因素.An 等(2014)僅利用海嘯數(shù)據(jù)反演得到的震源機制解中M0偏小是造成模擬值和觀測值偏差較大的主要原因.

圖4　震源機制解對自由振蕩振幅的影響

圖5　格爾木臺重力觀測數(shù)據(jù)與基于改進的6個震源機制解解算的模擬值(其中，M0均為2.35×1021 N·m)

4結論與討論

通過比較分析Iquique地震激發(fā)的自由振蕩信號的實測值與模擬值，結果表明An 等(2014)等僅利用海嘯數(shù)據(jù)反演得到的震源機制解中M0偏小是造成模擬值和觀測值偏差較大的主要原因，說明對于本次的Iquique地震僅用海嘯數(shù)據(jù)做反演，有一定的局限性，這是由于海嘯數(shù)據(jù)對淺層地震的分辨率較高，而對于相對較深的逆沖型地震做數(shù)據(jù)分析的時候，并不一定能得到最佳解.利用海嘯數(shù)據(jù)反演震源機制主要是快速的得到破裂面如何破裂，在哪個方向上會有更大的破壞，而對于標量地震矩的估算會有一定偏差.另外，Lay 等(2014)從112個全球地震臺站選取200～1000 s的周期范圍的160個地面運動記錄的W-phase數(shù)據(jù)反演了Iquique地震，得到的標量地震矩為1.99×1021N·m，而另外的一組結合海嘯數(shù)據(jù)得到的震源機制解M0的為1.7×1021N·m，海嘯數(shù)據(jù)的加入造成了反演的標量地震矩結果偏小.Yagi等(2014)僅采用了遠震P波數(shù)據(jù)，反演結果同樣偏小，可能是由于遠場體波記錄不到一些緩慢破裂的過程，且遠場體波容易受到其他震相的污染，特別是在主震后發(fā)生大量余震的情況下.對于大地震，USGS的地震檔案中一般不提供利用體波反演的震源機制解.USGSWPHASE選取長周期(周期為100～1000 s)方位角為5°～20°的近場數(shù)據(jù)和30°～90°的遠場數(shù)據(jù)聯(lián)合反演得到的震源機制解最佳.因此，利用長周期面波信號可以較好的約束Iquique地震的標量地震矩.

本文基于地球自由振蕩分析了Iquique地震的震源機制解.結果表明利用彈簧重力儀記錄的1.5～5.3 mHz球型簡正模觀測可以有效地對Iquique地震的震源機制解進行總體評估.從研究結果來看，地震的斷層走向、傾角、滑動方向角和震源深度對自由振蕩的振幅有一定影響，但是影響較小，M0對自由振蕩振幅的影響最大.另外，基于USGSWPHASE反演得到的震源機制解的自由振蕩模擬值與觀測值符合最好，其反演的標量地震矩可以較好地反映Iquique地震釋放的能量，而僅利用海嘯數(shù)據(jù)反演的標量地震矩偏小，聯(lián)合近遠場觀測數(shù)據(jù)反演可顯著改善震源機制解.因此，利用自由振蕩的方法可以較好地判斷地震震源機制和有效約束地震的震級.

另外，地球自由振蕩觀測只能對震源機制解進行總體綜合評估，而不能單獨對各個參數(shù)的影響單獨評估.如果能利用其他大地測量手段，如近場GPS觀測約束震源傾角、滑動方向角，結合地球自由振蕩的觀測和模擬可更細致地評估震源機制解.

致謝感謝國家重力臺網中心提供的全國廣泛分布的連續(xù)重力觀測數(shù)據(jù).

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(本文編輯汪海英)

基金項目科研院所基本科研業(yè)務費(中國地震局地震研究所所長基金)(IS201526225)，大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金(SKLGED2015-1-2-EZ)，國家自然科學基金(41404064，41374088)資助.

作者簡介江穎，女，1986年生，現(xiàn)主要從事地球自由振蕩、重力數(shù)據(jù)分析及其應用研究.E-mail：jiangyingchen@126.com

doi:10.6038/cjg20160316 中圖分類號P315

收稿日期2015-04-08，2016-01-11收修定稿

Constraining the focal mechanism of the Iquique earthquake with observations of the continuous gravity stations

JIANG Ying1，2,LI Hui1,LIU Zi-Wei1,SHEN Chong-Yang1,ZHANG Xiao-Tong1

1KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China2StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth′sDynamics,InstituteofGeodesyandGeophysics,CAS,Wuhan430077,China

AbstractOn 1 April 2014,a magnitude MW8.1 interplate thrust earthquake ruptured a densely instrumented region of Iquique seismic gap in northern Chile.After Earthquake,the focal mechanism solutions of Iquique earthquake were provided by well-respected international earthquake research institutions and scholars based on different data and methods,which were quite different.The amplitudes of the Earth′s free oscillations have a close relationship to earthquake focal mechanisms.Focal mechanisms of large earthquakes can be well analyzed and constrained with observations of long period free oscillations.We compared free oscillations observed by 16 spring gravimeters of continuous gravity stations with synthetic normal modes corresponding to six different focal mechanisms for the Iquique earthquake,and the focal mechanisms solutions of Iquique earthquake were analyzed and constrained by spherical normal modes in a 1.5 to 5.3 mHz frequency band.It′s found that the synthetic modes corresponding to the focal mechanism determined by the United States Geological Survey WPhase Moment Tensor Solution show agreement to the observed modes,suggesting that earthquake magnitudes predicted in this way can reflect the total energy released by the earthquake.The scalar seismic moment obtained by tsunami data inversion is significantly underestimated.Focal mechanism solutions can be improved by joint inversion of far- and near-field data.In addition,based on the synthetic and observed normal modes at Golmud station,quantitative analysis was carried out to research the influences of free oscillation′s amplitudes caused by different focal mechanism parameters.The results show that scalar seismic moment M0 has a major influence on the amplitudes of free oscillations,and the strike,dip,rake and depth of the hypocenter have minor influences.

KeywordsIquique earthquake； Focal mechanism solutions； Earth′s free oscillations； Gravimeter observations

江穎，李輝，劉子維等.2016.利用連續(xù)重力觀測約束2014智利Iquique地震的震源機制解.地球物理學報，59(3):941-951,doi:10.6038/cjg20160316.

Jiang Y,Li H,Liu Z W,et al.2016.Constraining the focal mechanism of the Iquique earthquake with observations of the continuous gravity stations.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):941-951,doi:10.6038/cjg20160316.