南北带震源机制解的聚类分析-毕业论文

中国南北带震源机制解的聚类分析 摘要 震源机制解是地震学和地球动力学研究的基础资料，随着地震观测台网的加密，震源机制解资料非常丰富，对于大量震源机制解的科学分类是至关重要的。故为讨论南北地震带震源机制解的分类情况，并探讨该区域应力场环境，本论文根据震源参数利用系统聚类法来对南北带地区震级 5.0 以上的 374 个震源机制解进行分类，分类方法分别采用最短距离法和最长距离法，分别分三类和四类进行分类，得出不同类型地震的分布结果，结果显示中国南北地震带北段以逆断层型地震为主，但也伴有部分走滑型地震，中段主要为正断层型，南段则以走滑为主，纵观整个南北地震带，走滑型地震贯穿整个南北，是主要地震类型。关键词:南北地震带;震源机制解;聚类分析Cluster analysis the focal mechanism solutions of Chinese north-south seismic beltAbstract：Focal mechanism solution is biography seismology and geodynamics, seismic observation network with encryption, focal mechanism solution data is very rich, a large number of focal mechanism solutions for scientific classification is essential. Therefore, to discuss the classification South Seismic Belt focal mechanism solutions, and explore the regional stress field of the environment, according to this thesis, the source parameters using the system clustering method to the north and south of the region with a magnitude of 5.0 or more 374 focal mechanism classification, classification solutions were respectively shortest distance method and the longest distance method, points III and IV, respectively, the distribution of the results obtained in different types of earthquakes, showed China South seismic belt in the northern section of the main thrust fault earthquakes, but also to go with section slip earthquakes, normal fault type predominantly middle, the southern section of the main places slip, look at the entire north-south seismic belt, strike-slip earthquakes throughout the north and south, are the main types of earthquakes.Key words:North-South Belt;Focal mechanism solutions;Cluster analysis目录1引言.12南北地震带及其地质构造.22.1贺兰山-六盘山地震带地质构造.22.2天水-武都-文县-川西北地震带.32.3安宁河-滇东地震带.33聚类方法.43.1系统聚类法.43.2最短距离法.53.3最长距离法.54震源机制解资料.55聚类分析及结果.66总结.10致谢.11参考文献.12防灾科技学院毕业论文1 引言前人使用震源机制解的系统聚类方法做过很多研究。如刁桂苓1等首次提出震源机制解的聚类分析方法，并以海城地震序列为例，得出其平均解具有正断层性质的结论，验证了该方法的可靠性；之后又有马尔曼2等人把震源机制解的系统聚类分析方法应用于地震场地小区划中应力的分类；2006 年龙海英3等人对伽师 1997 年 1 月至 1998 年 12 月之间强震群进行了震源机制解的聚类分析，并得出了 1997-1998 年小地震主要以走滑和正断层为主，与该时段伽师 8 次 6 级强震结果较为一致的结论，对震源机制解的聚类分析法进行了再次的验证；云南地震局王绍晋4等人对永胜 1992 年 12 月 18 日 5.4 级地震序列的 51个震源机制解做了最短距离法的聚类分析，得出主震和之后的强余震震源机制解非常接近，所得到的全部解的主要部分的平均结果也和主震震源机制解非常一致的结论，再次验证了震源机制解的系统聚类分析法的可靠性；苏燕5等人对山西地区中小地震震源机制解系统聚类分析，对山西地区小震主要错动方式和其他错动方式给出了建议、并且给出地震错动方式除拉张型走向滑动最多之外，其他类型的地震所占比例也比较高的建议。孙世瑞6等人对东昆仑断裂带玛沁段周围小震震源机制解系统聚类分析等研究，同样给出了东昆仑断裂带玛沁段小震错动方式的建议，并对该区域平均应力场给出了较为可靠的结论。诸如此类还有莘海亮等7将震源机制解的聚类分析方法应用在豫北地区中小地震震源机制解的应力场反演中；闫俊岗等8将震源机制解的聚类分析应用在晋冀鲁豫相邻地区中小地震震源机制特征分析中等，均得到了较好的结果，对研究对象有较为清楚的验证，对震源机制解的系统聚类分析方法的可靠性有较好的验证。综合上述可知，震源机制解的系统聚类分析法在应力场反演和震源机制特征分析中有着较为广泛的应用，并且取得了较好的结果。南北地震带为中国地震多发的地带，集中了中国有历史记录以来一半的 8 级以上的巨大地震，此区域人口密集，地震造成的损失也较大（见图 1.1），因此本文将震源机制解的系统聚类分析使用在中国南北地震带之中，探讨该区域震源机制解的分类情况，并以此探讨该区域构造应力场环境。1防灾科技学院毕业论文图 1.1 我国有记载以来造成人员死亡的地震灾害事件分布2 南北地震带及其地质构造雍幼子在中国南北地震带的划分及其意义9一文中指出，早期，南北地震带由周光等人首先提出，其范围为东经 103至 104，南至云南东部，中部经过四川西北部的岷江，北到甘肃民乐东侧。后经争论，中国科学院地质研究所在中国地震地质概论10一书中指出，北起贺兰山，南经六盘山，穿越横亘东西的秦岭山地，后转而南下，直趋川西、滇东地区。地跨宁、甘、川、滇四省，延伸长达 2000 多公里，总观大致呈南北走向。并对其分为三段详述，北段指贺兰山-六盘山地震带，中段指天水-武都-文县-川西北地震带，南段指安宁河-滇东地震带。后者的观点被大多数人们公认，因此本文选用中国科学院地质研究所所定的区域为研究目的区域。由于南北地震带大致分为三段即北段贺兰山-六盘山地震带，中段天水-武都-文县-川西北地震带，南段安宁河-滇东地震带。因此，研究区域地震地质构造分为三段详述。2.1 贺兰山-六盘山地震带地质构造贺兰山-六盘山地震带地理位置位于宁夏北部的银川、平罗至宁夏南部的固原、西吉、海原。银川北部的平罗一带地势沉降较深，周围抬升，地壳上部地层呈现勺状形态。由资料可知，到现在为止，银川北部平罗一带的沉降带还有垂直和水平方向的运动，说明它尚在2防灾科技学院毕业论文活动。银川至平罗一带存在北北东向的上地慢高导层顶面隆起，造成地壳变薄。由资料可知，银川地堑西海固地区上地幔高导层顶面等深线呈北西走向，该顶面由海原、固原向西吉呈现南西倾斜，倾角约 33，与古浪海原断裂带中的南西华山大断裂的南西倾斜的断裂面方向一致。2.2 天水-武都-文县-川西北地震带天水-武都地区从地表到地下 17 公里主要是东西向构造，而 27 公里以下变成近南北向构造。通过浅、深部构造的比较，北段即银川地堑、西海固地区浅部构造和深部构造一致，中段天水-武都地区浅部构造和深部构造不一致。因此南北带北段和中段可能通过此两段的深部近南北向构造连通在一起，如图 2.1。图 2.1南北地震带北段、中段主要断裂带2.3 安宁河-滇东地震带南段地震构造以 NW-NNW 向和近 SN 为主，NE 向构造亦有发育。NW 向和 NE 向以活动断层为主，大部分有拉张性质，而 SN 向的张性断裂为主，并且本段断裂大多数为继承性活动断裂，构造活动异常强烈（见图 2.2）。3防灾科技学院毕业论文图 2.2 南北地震带南段主要断裂带3 聚类方法3.1 系统聚类法聚类分析法是一种分类的多元统计分析方法。按照个体或样品的特征将它们分类，使同一类别内的个体具有尽可能高的同质性而类别之间则应具有尽可能高的异质性。为了得到比较合理的分类，首先要采用适当的指标来定量地描述研究对象之间的联系的紧密程度。常用的指标为“距离”和“相似系数”。在聚类分析中，需要一组表示个体性质或特征的变量，称之为聚类变量。根据个体或样本之间联系的紧密程度进行分类。一般来说分类变量的组合都是由研究者规定的，不是像其它多元分析方法那样估计推导出来的。因此聚类分析更像是一种建立假设的方法，而对假设的检验还需要借助其它统计方法。设有 n 个样本，每个样本由 m 个参量表示。若将样本 X1，X2，X3.Xn 作为 m 维空间的 n 个点，从几何学的角度看，可以定义这些点之间的距离。用 dij 表示 Xi 和 Xj 之间的距离，一般要求符合以下 4 个条件：（1）dij=0，Xi 和 Xj 相等；（2）dij0，对一切 i，j；（3）dij=dji，对一切 i，j；（4）三角不等式：dijdik+djk，对于一切 i，j，k。要衡量两个震源机制解之间的差异，可由 P，T 两个轴相应的夹角，表示。为了好理解和计算，定义两个震源机制解之间的距离：4防灾科技学院毕业论文d(1)这种距离满足上述 4 个条件。3.2 最短距离法最短距离法是把两个类之间的距离定义为一个类中的所有样本与另一个类中所有样本之间的距离最小者。该方法实现过程如下：（1）计算各个样本之间的距离，则可以列成距离矩阵 D（0），初始时，各样本自为一类，则有 Dpq=dpq，且 dqp=dpq，故，D（0）为一个对称矩阵，聚类时，取下三角的矩阵即可；（2）在 D（0）中找出不是对角的元素，设为 Dpq，则可以把分类对象 Gp 和 Gq 归并为一新类 Gr，Gr=Gp、Gq；（3）求 Gr 和其他样本之间的距离，所形成矩阵记为 D（1）；（4）重复步骤（2）、（3）这样一直下去，直至各分类对象被归为一类为止。3.3 最长距离法最长距离聚类法与最短距离聚类法的区别在于计算原来的类与新类距离时采用的公式不同。最长距离聚类法所用的是最长距离来衡量样本之间的距离。在本文中使用 Matlab 程序编制了最短距离法和最长距离法的程序，并对 374 个震源机制解分三类和分四类进行聚类。4 震源机制解资料在本文的研究中，通过阅读文献及查找，得到由南北地震带震源机制解与构造应力场特征11一文通讯作者吕坚共提供 1970 年 1 月至 2014 年 12 月震级大于 4.0 以上的震源机制解 873 个，空间分布见图 4.1。研究较大区域的震源机制解分类及其与地质构造的关系，因此本论文仅选择中强震（ML5.0 级及以上）的震源机制解进行研究。选取了 ML5.0级及以上中强震共 374 个作为研究对象，其经纬度分布范围均在南北地震带范围之内（东经 95-110，北纬 20-45），本论文选择的 374 个地震震级分布如图 4.2 所示，可见中强震最多，7 级及以上较少。文中提供的震源机制解包括 2008 年汶川 8.0 级地震、1970年通海 7.8 级地震、1973 年炉霍 7.7 级地震等较有代表性的大地震，也包括 40 年间的各个小地震活动性周期内的小地震，因此从某种意义上来讲，选取的 40 年间的地震具有较好的代表性。使用 GMT 软件绘得所有震源机制解分布情况，由此图看出南北地震带南段地震分布较北段和中段密集，且以走滑型地震为主。南北带中地震类型也以走滑型为主，少部分为正断层型地震和逆断层型地震。但由于地震数目较多，无法排除主观因素影响，因此仅凭5防灾科技学院毕业论文图 4.1 难能得出南北带各个区域的具体地震类型分布情况。图 4.1 震源机制解分布图图 4.2 地震数目与震级分布柱状图5 聚类分析及结果基于上述的方法和数据，本文首先是尝试对 374 个震源机制解分三类，分别按最短距6防灾科技学院毕业论文离法和最长距离法进行分类。最长距离法分类结果较为理想（见表 5.3），数据分布较为均匀，得出震源机制解分布图也较为直观、准确。但最短距离法分类结果不太理想，数据分布较为不均匀（见表 5.1）。故又尝试对样本进行了按四类最长距离法和最短距离法的分类，分类结果仍然呈现出最短距离法分布不均匀的结果（见表 5.2），但最长距离法分类结果却较好（见表 5.4），各种类型震源机制解的空间分布图如图 5.1、图 5.2、图 5.3 和图 5.4 所示。表 5.1 按三类最短距离聚类分析法所得结果统计表类别最短距离 1 类最短距离 2 类最短距离 3 类震源机制解个数37211图 5.1分三类最短距离法聚类分析震源机制解分布图7防灾科技学院毕业论文表 5.2 按四类最短距离聚类分析法所得结果统计表类别最短距离法 1 类最短距离法 2 类最短距离法 3 类最短距离法 4 类震源机制解个数368141图 5.2 分四类最短距离法聚类分析震源机制解分布图表 5.3 按三类最长距离聚类分析法所得结果统计表类别最短距离 1 类最短距离 2 类最短距离 3 类震源机制解个数162148648防灾科技学院毕业论文图 5.3 分三类最长距离法聚类分析震源机制解分布图表 5.4 按四类最长距离聚类分析法所得结果统计表类别最短距离法 1 类最短距离法 2 类最短距离法 3 类最短距离法 4 类震源机制解个数11214864509防灾科技学院毕业论文图 5.4 分四类最长距离法聚类分析震源机制解分布图6 总结由三类最长分类法的结果和四类最长分类法的结果可得以下结论：(1)分类结果显示，北段、中段、南段主要震源类型和各段构造基本契合。贺兰山-六盘山发育多个叠瓦状前展式逆冲席呈现明显逆掩推覆构造12，本文中研究结果显示北段亦以逆断层型地震为主，再次验证了该段主要地震类型。中段以正断层型地震为主，南段为走滑地震为主，与图一所示断裂带有较好的契合度。(2)在四类最长分类法结果中，走滑型地震贯穿了整个南北带的北段、中段和南段，这与南北地震带各大断裂带较为符合11。(3)分三类最短距离法和四类最短距离法均表现出了样本分布严重不均匀的现象，对此有这样的解释13：最短距离法的主要缺点是它有链接聚合的趋势，因为类与类之间的距离为所有距离中的最短者，两类合并之后它与其他类之间的距离缩小了，这样容易形成一个比较大的类，大部分样本被聚在一类中，看到一个延伸的链状结构，在实际中并不常用，且不提倡使用。10防灾科技学院毕业论文致谢本文是在盛书中了老师的悉心指导之下完成的，论文的每一部分均凝聚着盛老师心血、智慧和汗水。从论文的开题、收集震源机制解、程序算法的修改，到中期答辩，文稿的修改到最终的定稿，都离不开老师在背后的支持和帮助。另外，在课题研究和论文写作过程中，老师缜密的工作态度、脚踏实地的工作作风，对我都有很大的影响，是我今后工作和学习生活中的榜样和风向标。在课题的研究过程中，在盛老师的影响下，我对思考问题的深度、对 Matlab、GMT 等软件的使用熟练程度均有了新的提高；在论文的写作过程中，盛老师一丝不苟的精神对我也有很大的影响。在此，谨向我的指导老师盛老师致以由衷的谢意和崇高的敬意。在本课题的研究过程中，黄骥超老师对我的 GMT 软件学习方面给予了很大的帮助，王晓山老师和吕坚老师对本文的数据提供了支持，在此也由衷感谢以上三位老师对我的帮助和鼓励，你们一丝不苟的求知态度和工作，对我都有很大的影响，在以后的学习生活中，我将会以盛老师、黄老师等为目标，努力学习，认真工作。另外，在课题研究和论文写作的过程中，对无私帮助过我的其他老师、同学表示最诚挚的谢意，谢谢大家！11防灾科技学院毕业论文参考文献1 刁桂苓. 于利民. 震源机制解的系统聚类分析- 以海城地震序列为例 J. 中国地震.1992,9(3):86-92.2 马 尔 曼 . 刘 若 琪 . 聚 类 分 析 在 地 震 场 地 小 区 划 中 的 应 用 J. 内 陆 地震,1993,37:264-270.3 龙海英.高国英.聂晓红.1997-1998 年伽师强震群小地震震源机制解系统聚类分析J.内陆地震.2006,12(4):330-335.4 王绍晋.龙晓帆.永胜地震序列震源机制解的聚类