震源機制

震源機制（earthquake mechanism）是指震源區在地震發生時的力學過程。利用這種方法，對世界上不少大地震作出了比較合理的解釋。採用斷層錯動的點源雙力偶發震構 造模型工作時首先彙集各台站記錄到的某個地震的資料，將初至波的質點振動方向和振幅等，分別標在震源參考球的烏爾夫網圖上（對於區域台網的資料，可用平面圖代替震源參考球）求出兩個節斷層錯動構造的點源雙力偶模型面的走向、傾向及傾角，以及震源附近主壓應力、主張應力的方向等參數。再進一步利用其他模式（如一維破裂源、位錯模型等）和資料，求得斷層的破裂方向、破裂速度與應力降等參數。研究震源機制，對於由前震報主震，或由主震資料預報強餘震的分佈，以及由地震資料研究構造帶的應力分佈狀況，都是很有意義的。

地震震源處地球介質的運動方式。通常所說的震源機制是狹義的，即專指研究構造地震的機制而言。構造地震的機制是震源處介質的破裂和錯動。震源機制研究的內容包括，確定地震斷層 面的方位和岩體的錯動方向，研究震源處岩體的破裂和運動特徵，以及這些特徵和震源所輻射的地震波之間的關係。

對地震震源的研究開始於20世紀初葉。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（見地震成因）。在地震學的早期研究中，人們就已注意到P波到達時地面的初始振動有時是向上的，有時是向下的。20世紀的10～20年代，許多地震學者在日本和歐洲的部分地區幾乎同時發現，同一次地震在不同地點的台站記錄，所得的P波初動方向具有四象限分佈。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波初動的四象限分佈聯繫起來。此後，本多弘吉又提出雙力偶力系，事實證明它比單力偶力系更接近實際。美國的拜爾利(P.Byerly)發展了最初的震源機制求解法,1938年第一次利用P波初動求出完整的地震斷層面解。

地表垂直向地震儀記錄P震相的初始振動方向。向上的，記為正號；向下的，記為負號。正號P波是壓縮波，因為這種波的到達使台站受到來自地下的一個突然擠壓，台基介質體積發生一 微量的縮小。負號P波是膨脹波，因為它使台站受到一個突然拉伸，介質體積發生一微量膨脹。每個台站記錄的某一特定 P波震相都可同震源處發出的一根地震射線相對應。圖1右部給出假定地殼均勻時一些地震射線的例子。今以震源F為球心，作一足夠小的球面S，小到球內射線彎曲可忽略不計。這個小球面稱為震源球面。從每個台站Si沿地震射線回溯到震源，都可在震源球面上找到一個對應點S媴。在考慮到射線經過反射或折射界面時 P波壓縮、膨脹特性所可能受到的變換並作了適當校正之後，將每個台站記錄的 P波初動方向標到震源球面上去。人們發現，只要記錄足夠多，且台站對應點S媴在震源球面上的分佈範圍足夠廣，則總可找到兩個互相垂直的大圓面將震源球面上的正、負號分成四個部分，即四象限，如圖1左部所示。這兩個互相垂直的大圓面稱為 P波初動的節面，節面與地面的交線稱為節線，節面上P波初動位移為零。二節面之一 (AA′)與地震的斷層面一致，而另一個方面(BB′)稱為輔助面。

地震學家曾用作用於震源處的一些集中力系來解釋震源輻射地震波的特徵（圖3）。理論計算證明，圖3的c和d的力系輻射的遠場地震波是相同的。而a和b的單力偶力系輻射的P波，其振幅和初動方向隨方位的分佈有相同的特點。50年代前後曾有一場爭論，即單力偶和雙力偶哪一種能反映真實的震源過程。深入研究的結果否定了單力偶模型而接受了雙力偶模型。這主要是因為儘管二者 P波的輻射圖像一樣，但二者S波的輻射圖像則不同，而S波的觀測結果是支持雙力偶模型的。若以到原點的距離長短來表示震源球面上地震波振幅的強弱，則可構成地震波的輻射玫瑰圖。圖4給出單力偶和雙力偶在相應於圖3中的x、y面（作用力矢量所在平面）內P波和S波的輻射花樣圖。

根據地震波觀測按雙力偶點源模式求解震源的基本參數時，除了給出二節面（或其法線矢量）的空間方位外，還常給出所謂P、B、T軸的空間方位。B軸即是二節面的交線，又稱零軸，因為該軸線上質點位移為零，也有記為N軸的。P軸和T軸都位於同B軸垂直的平面內，且各與二節面的夾角相等，P軸位於膨脹波象限，而T軸位於壓縮波象限。P軸和T軸可分別看成是同雙力偶等效的雙偶極力系的壓力軸和張力軸。

常常需要將觀測符號在震源球面上的分佈、節面或各力軸與震源球面的交線或交點用圖表示出來。由於不好直接在球面上作圖，需用平面作圖來代替，於是出現了多種將球面上的點同平面上的點一一對應起來的投影方法。最常用的是伍爾夫網和施密特網。二者所取的投影平面都是某個過球心的大圓面。伍爾夫網又叫等角投影網或赤平極射投影網，球面上的正交曲線族投影到平面上后仍保持正交。施密特網又叫等面積投影網，球面上面積相等的區域在平面上的投影面積仍相等。圖5中兩個圖網的左右兩部分分別是球面上不同正交曲線族在平面上的投影。圖6是1976年7月28日中國唐山大地震的P波初動符號和震源機制解答參數用伍爾夫網表示的結果。

點源輻射的遠場S波位移矢量是在垂直於地震射線的平面內偏振的。根據S波觀測研究震源機制時常常利用S波的偏振角ε，其定義為：

ε=arctg(uH/uV),這裡uH和uV分別是入射S波的SH和SV分量。將實際地震圖上的 S波記錄經過儀器和地表影響的校正後，可求出觀測的偏振角。再由不同的點源模型計算出理論的偏振角，根據二者符合的程度即可檢驗哪種模型符合實際，並求出模型的參數。

按照點源模型，根據遠場P波和S波的觀測只能定出地震的兩個節面，而不能判定其中哪一個是實際的斷層面。為鑒別哪個是斷層面，還需要補充其他有關震源的信息，如地表破裂 資料、餘震空間分佈特徵、極震區等震線的形狀等。一般只有對較大的地震才能獲得這類資料。

由地震波觀測鑒別斷層面時，需要考慮破裂傳播的效應，斷層面的破裂是從一個很小的區域首先開始的，並以有限的破裂傳播速度（小於橫波傳播速度）擴展到整個斷層面。根據地震波初至到時測定的震源位置就是破裂起始點的位置。

破裂傳播效應對輻射地震波的振幅和周期都有影響。對振幅的影響是使P波和S波的輻射玫瑰圖不再像圖4中雙力偶那樣具有對稱性，而是如圖8所示。圖8是矩形斷層單側破裂（即破裂從斷層一端開始后朝一個方向擴展）震源的遠場 P波和 S波的輻射圖案。由圖可見，S波更容易反映出破裂傳播的效應，即在破裂前進的方向上,S波的振幅大大增強了。破裂傳播對地震波周期的影響是地震波的記錄上反映出多普勒效應：即在破裂前進的方向上，波的高頻成分增強，使地動脈衝的時間寬度變窄；而在相反的方向上，波的頻率變得較低，地動脈衝時間寬度變寬。

有時能從實際地震波記錄中分辨出上述振幅和周期（或頻譜）隨方位變化的不對稱性，由此可鑒別出哪個節面是斷層面，並求出破裂傳播長度和傳播速度等參數。

歷史上對震源的研究是沿兩條途徑發展起來的。一條途徑是企圖用在震源處作 用的體力系來描述震源，另一條途徑是用震源處某個面的兩側發生位移或應變的間斷來描述震源。1958年，加拿大的斯特凱蒂(J.A.Steketee)在前人工作的基礎上提出了震源的三維彈性位錯理論，將這兩種描述方法統一了起來。以後，許多地震學家發展和應用了這一理論。

該理論的重要結果之一是：證明了在產生位移或應變場方面位移位錯和雙力偶力系的等價性，從而肯定了震源的雙力偶點源模型的合理性，並最後結束了前述關於單力偶與雙力偶點源模型的爭論。設在均勻各向同性彈性介質中有某一小面元d∑,在其兩側的介質分別發生了u+和u-的位移，則穿過該面發生的位移躍變(即位錯)為： Δu=u+-u- 。

彈性位錯理論證明，該位錯在引起周圍介質的位移場方面同在小面元處作用著一個雙力偶力系的效果等價，而雙力偶中一個力偶的力偶矩為： dM0=μΔud∑ ，

式中μ是彈性介質的剪切模量。對於實際地震，斷層面有一個有限的尺度。設斷層面總面積為A,若引入斷層面上的平均位錯，則可得出一個描述地震大小的物理量──地震矩M0,其表達式為：

當觀測點離震源很遠時，可將震源近似地看成為點源，這時地震矩的大小就表示同此點源等價的雙力偶中一個力偶的力偶矩的大小。

隨著對震源力學過程研究的深入，描述震源模型所需用的參數也逐漸增多。基於地震震源的斷層模型，常用的主要參數如表所示。有時，為考慮震源的細結構，需把某些震源參數（如位錯矢量、應力降等）看成是隨時間和空間而變化的函數，這時也可取這些參數對整個斷層面的平均值作為描述震源總體的參數。

有人不用上表中的走向這個參數，而改用傾向，即斷層面向上的法線之水平投影的方向。位錯矢量與走向一致的斷層稱為走滑斷層；位錯矢量與傾向一致的斷層稱為傾滑斷層。傾滑斷層又分為逆斷層（上盤向上運動）和正斷層（上盤向下運動）。有些斷層介於走滑與傾滑之間，但以一種方式為主。當人站在斷層一側，而另一側是向右運動時，稱斷層運動是右旋的；若另一側是向左運動，則稱斷層運動是左旋的。

從地震波記錄測定或估計震源參數時，除利用體波記錄外，也可利用面波記錄。一般採用波譜分析或理論地震圖方法進行分析。用波譜分析法時，一般是先求出震源參數同理論震源波譜的某些特徵量之間的聯繫，然後用傅里葉分析法從地震記錄求出觀測的震源波譜和相應的特徵量，再根據上述聯繫推算震源參數。用理論地震圖方法時，可用嘗試法先假定一些震源參數，並選定地球結構參數，然後計算出觀測點的理論地震圖，再同該點的觀測地震圖對比，根據二者是否符合再確定實際的震源參數。也可利用適當的最優化的反演方法，直接求出與觀測量擬合最好的震源參數，而不要反覆嘗試了。

震源機制解的可靠性越來越受到人們的重視，已有的檢驗工作證實中國早期或者手工作圖測定的震源機制解可靠性極差。經比較，由遠震波形反演的矩張量解，同一地震不同作者的結果之間差異甚小，可靠性較高；而基於P波初動方向測定震源機制解的格點嘗試法所給出的解空間比其他方法要好。對2003年4月發生在首都圈數字化地震台網範圍內的2次4級地震進行了分析。取用不同的資料，由格點嘗試法和P-，S-垂直向振幅比方法分別測定了震源機制解，二者基本一致，並且和過去當地發生的5級以上地震的哈佛大學CMT解接近。這既說明了地震活動的繼承性，也證實了震源機制解並非隨機分佈。由於中小地震發生的隨機性，用統計的方法對用振幅比資料測定的震源機制解進行分析，結果是客觀、恰當的。