不会沙滩排球的地震学家不是一个好的科研人

寂寂的盛夏即将结束，

还记得那次的沙滩排球吗？

是否还是意犹未尽。那金黄的沙滩，五颜六色的排球，是不是还跃跃欲试？别担心，我们这里有各色各样的排球。

在地震学中，我们把震源机制球叫作beach ball。

来来来，我们来看一下震源球到底是什么样的。

在地震学的早期研究中，人们就已经注意到P波到达时地面的初始震动有时是向上的，有时是向下的。20世纪10~20年代，许多地震学者在日本和欧洲的部分地区几乎同时发现，同一次地震在不同地点的台站记录所得的P波初动方向具有四象限分布特征。

图1 某一地震P波初动方向的统计

地表垂直向地震仪记录P震相的初始震动方向：向上的，记为正号；向下的，记为负号。正号P波是压缩波，因为这种波的到达使台站受到来自地下的一个突然挤压，台基介质体积发生一个微量的缩小。负号P波是膨胀波，因为它使台站受到一个突然拉伸，介质体积发生一个微量膨胀。

图2 P波初动方向

震源球

由于地球介质不均匀而使得地震射线发生弯曲，射线与地面交点为观测点，这就使得测到初动方向的观测点所测到初动符号的分布与真正震源产生的不符，为消除射线弯曲造成的影响，引入震源球。

以震源F为球心，作一足够小的球面，小到球内射线弯曲可以忽略不计（即此小球内的介质是均匀的），这个小球面称为震源球。

每个台站记录的P波震相都可同震源处发出的一根地震射线相对应。从每一个台站沿地震射线回溯到震源，都可在震源球上面找到一个对应点。将每个台站记录的P波可能受到的变换作了适当校正之后，将初动方向标到震源球面上去。

图 3 震源球的绘制

只要记录足够多，且台站对应点在震源球面上的分布范围足够广，则总可以找到两个相互垂直的大圆面将震源球面上的正、负号分成四个部分，即四象限，这两个相互垂直的大圆面称为P波初动节面。节面与地面的交线为节线，节面上P波初动位移为零。二节面之一（AA）与地震断层面一致，而另一个面（BB）称为辅助面。

图4 二节面示意图

根据地震波观测按照双力偶点源模型求解震源的基本参数时，除了给出二节面的空间方位外，还常给出所谓P、B、T轴的空间方位。P为压力轴，T为张力轴，B轴即是二节面的交线，又称为零轴，因为该轴线上质点位移为零，也有记为N轴的。P轴和T轴都位于同B轴垂直的平面内，P轴位于膨胀象限，而T 轴位于压缩波象限。P轴和T轴可分别看成是同双力等级的双偶极为系的压力轴和张力轴。

图 5 T轴、P轴、B轴示意图

震源球绘制的具体操作如下：

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首先我们查询每个台站垂直向分量记录的地震波形，我们来判定在预期的时刻每个台站记录到的初动是“向上”运动、“向下”运动，还是无明显信号。

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然后我们使用三个符号之一来表示来自每个地震台的数据：圆圈（代表Ｐ波初动向下）、黑点（代表初动向上）或叉号（代表初动太弱无法分辨）。对每个台站，符号放在从图形圆心朝向台站相对震源的方位角伸展出来的直线上，且离源角确定了从图形圆心到符号的角度距离。

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其次，在绘制完所有的初动数据后（如图6a所示），我们在赤平面投影网上识别出代表两个相互垂直平面的两个大圆弧，大圆弧把圆圈和黑点分开，可以从叉号附近通过或穿过（图6b）。它们就是节面，其中一个节面就是产生地震的断层。

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最后，我们按惯例填充这种象限（图6ｃ）。

图6 震源机制解沙滩球绘制步骤

那么，震源机制解沙滩球代表的是什么意思呢？

在常温下，如果应力足够高的话，岩石将发生脆性破裂。在地球表面的岩石中，可以看到许多类型的破裂。

图7 岩石破裂

如果沿着破裂面上发生了侧向位移，那么这个破裂就叫做断层。

图8 断层

刚性板块的相对运动通过大断层得到调整。在海沟，海洋岩石层板块沿下倾的断层面俯冲到邻接的海洋或大陆岩石层板块下，两大板块的汇聚导致了俯冲作用以及世界上频繁发生的绝大多数地震。

图9 地震发生示意图

为了简明描述一个断层，需要走向、倾向、滑动角三个物理量。

走向(strike)：断层的走向是断层面和水平面的交线。它有两个方向，相差180°，为了明确起见，规定选取站在上盘面对下盘向右看的方向为断层面走向，记作Φ。

倾向(dip)：断层面与水平面所成交角，记作δ。

滑动角(rake)：滑动矢量与断层面的走向的夹角，记作λ。

图10 断层示意图

如图11所示，震源球图形是下半球赤平面投影，显示由两个互相垂直的大圆弧分成的两个黑色象限和两个白色象限。大圆弧代表节面，其中一个对应产生地震的断层面。将对应断层的大圆弧与海滩球图形外边缘的两个交点之间连一条直线来表示断层的走向。用虚线表示断层大圆与基圆的交线。与走向差90°为倾向，用从震源球圆心画向大圆弧中点的黑粗箭头来表示倾向。

图11 震源球

走滑断层作用产生的震源机制解海滩球为独特的十字图案。如图12所示，震源球有南北走向和西东走向的垂直辅助面。在地震发生的瞬间，Ｐ波穿过震源周围物质的运动，使得黑色象限中的质点远离震源移动，而白色象限中的质点向震源方向运动（图12b）。这或许为沿东西走向断层的右旋滑动（图12c）所致，也或许为沿南北走向断层的左旋滑动（图12d）所致。这需要结合野外资料来区分这两个选项。

图12 断层方向判断示意图

那么，

普通人怎样记住如何去解释震源机制解海滩球图中表示的沿特定断层面滑动的方向呢？

使用图13的走滑机制，假如我们知道活动断层的走向为北东东（沿灰色直线），想象一下，我把自己放在其中一个白色象限上，朝辅助面的另一侧与断层平行的黑色象限看去。从白色象限向黑色象限就指示沿断层滑动的方向。

图13 断层滑动方向

倾滑断层包括正断层和逆断层。倾滑断层的海滩球只能观察到四个区域中的三个。正断层的海滩球中间为白色代表正断层机制（图14a），海滩球中间为黑色表示逆断层机制（图14b）。逆断层的震源机制解图看起来像猫眼。

图14 正断层、逆断层

斜滑断层既有走滑分量，又有倾滑分量。斜滑地震的震源机制解海滩球包含所有４个象限。如果海滩球的中心在白色象限中（图15a），那么断层有正滑动分量，不用考虑两个节面中哪个是断层；如果海滩球的中心在黑色象限中（图15b），那么断层有逆向滑动分量。

图15 斜滑断层

图16 部分剪切滑动断层示意图

图17 几种震源机制解投影图

参考文献

1. 1. Cronin V S. A primer on focal mechanism solutions for geologists[J]. 2004.

2. 2. 震源理论基础.陈运泰 顾浩鼎 2011