GMT5 Tutorial

GMT5 教程 | 編者: Po-Chin Tseng

地震活動性與機制解


目錄

  1. 總覽
  2. GMT介紹及安裝
  3. 網路資源及配套軟體
  4. 第零章: 基本概念及默認值
  5. 第一章: 製作地圖(地理投影法)
  6. 第二章: XY散佈圖(其他投影法)
  7. 第三章: 等高線圖及剖面
  8. 第四章: 地形圖與色階
  9. 第五章: 地震活動性與機制解
  10. 第六章: 向量與速度場
  11. 第七章: 台灣地理資訊
  12. 第八章: 直方、圓餅、三元圖
  13. 第九章: 三維空間視圖
  14. 第十章: 地質圖

9. 地震活動性與機制解

地震活動性是描述一段時間內,地震的空間分佈特性,包含其位置及深度,也紀錄地震強度的變化。 震源機制解是描述地震發震機制的一種方式,地震的發生,是由於斷層發生錯動,而透過對地震訊號進行分析, 從不同的測站得到地震波的方位角、入射角及初動的類型,把這些紀錄投影在大圓上,匯集資料得出震源機制解。

9.1 目的

  1. 地震活動性(Seismicity)
  2. 震源機制解(Focal Mechanism)
  3. 地震剖面(Seismicity Profile)

9.2 學習的指令與概念

9.3 地震活動性

地球物理資料庫下載2017台灣地區的地震目錄(catalog),資料共4欄, 分別是震央經度、震央緯度、深度、芮氏規模,透過GMT繪製地震活動性的地圖, 來更加了解台灣的地震分佈與地體構造活動。

使用的資料檔:

成果圖

批次檔

set ps=9_3_seismicity.ps
set data=D:\GMT_data\
set cpt=seis.cpt

# 1. seismicity basemap
gmt gmtinfo 2017_catalog.gmt -i2 -T20 > tmp
set /p cr=<tmp
gmt makecpt -C%cpt% %cr% > tmp.cpt
gmt psbasemap -R119/123/21/26 -JM15 -BwESn -Bxa -Bya -P -K > %ps%
gmt pscoast -R -JM -Df -W1 -S203/211/235 -G230 -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,exp($4)*0.002}" 2017_catalog.gmt | ^
gmt psxy -R -JM -Ctmp.cpt -Sc -K -O >> %ps%

# 2. magnitude calculation
echo 1 > tmp
for /l %%i in (2, 1, 6) do (echo %%i >> tmp)
setlocal ENABLEDELAYEDEXPANSION
set vidx=0
for /f %%i in ('awk "{print exp($1)*0.002}" tmp') do (
    set /A vidx=!vidx! + 1
    set var!vidx!=%%i
)
set var

# 3. boundary of four seismic zones
echo 119.0 22.8 > tmp
echo 120.8 22.8 >> tmp
echo ^> >> tmp
echo 120.8 21.0 >> tmp
echo 120.8 22.8 >> tmp
echo ^> >> tmp
echo 120.8 22.8 >> tmp
echo 121.5 24.2 >> tmp
echo ^> >> tmp
echo 121.5 26.0 >> tmp
echo 121.5 24.2 >> tmp
echo ^> >> tmp
echo 123.0 23.3 >> tmp
echo 121.5 24.2 >> tmp
echo ^> >> tmp
gmt psxy tmp -R -JM -W1 -K -O >> %ps%
echo 119.8 23.8 A | gmt pstext -R -JM -F+f40p,2 -K -O >> %ps%
echo 119.8 22.1 B | gmt pstext -R -JM -F+f40p,2 -K -O >> %ps%
echo 122.3 25.3 C | gmt pstext -R -JM -F+f40p,2 -K -O >> %ps%
echo 122.3 22.1 D | gmt pstext -R -JM -F+f40p,2 -K -O >> %ps%

# 4. legend set
echo H 18 1 Legend > tmp
echo D 0.4 1p >> tmp
echo G .7 >> tmp
echo B tmp.cpt 0.2 0.3+ml -Ba40f20+l"Depth (km)" >> tmp
echo G .3 >> tmp
echo M 121 23.5 100+u +f >> tmp
echo G .1 >> tmp
echo D 0.6 1p,0,- >> tmp
echo G .2 >> tmp
echo L 14 0 C Magnitude >> tmp
echo N 3 >> tmp
echo G .2 >> tmp
echo S .5 c %var1% 0 0 1 1 >> tmp
echo S .5 c %var2% 0 0 1 2 >> tmp
echo S .5 c %var3% 0 0 1 3 >> tmp
echo G .4 >> tmp
echo S .5 c %var4% 0 0 1 4 >> tmp
echo S .5 c %var5% 0 0 1 5 >> tmp
echo S .5 c %var6% 0 0 1 6 >> tmp
echo G .3 >> tmp
gmt pslegend tmp -R -JM -C.1/.1 -Dx.1/14+w5 -F+g245+p1+s4p/-4p/gray50 ^
--FONT_ANNOT_PRIMARY=10p --FONT_LABEL=14p -K -O >> %ps%

gmt psxy -R -JM -T -O >> %ps%
gmt psconvert %ps% -Tg -A -P
del tmp*

學習到的指令:

1繪製地震活動性底圖

2利用迴圈設定1~7規模轉換數值後的變數

3繪製地震分區邊界

4製作圖例說明

之前在畫地形圖的時後有提到如何在二維的平面上表現三維的資料, 有提到顏色可以做為第三維度的呈現方式,這邊示範了利用圖案的大小,來呈現第四維度的變化, 所以當psxy在給定-C-S時後,會分別對應到資料檔的第三及第四欄, 依照數值的大小去做變化。

從圖中來看,台灣的地震主要分佈分成四塊(Wu and Chen, 20071), A表示西部地震帶,位在歐亞大陸版塊上,多數發生在此地區的地震,是受到活動斷層影響; B是西南部地震帶,本區大部份位在南中國海板塊上,是四個區塊中,地震活動性最少的; C代表東北部地震帶,包含了琉球隱沒帶及沖繩海溝,許多規模較大、 深度較深的隱沒帶地震發生於此區,並有一些火山活動;D是東南部地震帶, 受到歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞,造成大量的地震發生,不乏一些規模大於5的地震。

9.4 震源機制解

本節將示範如何將震源機制解運用海灘球(beach ball)圖示,來表示不同的斷層形態, 並將台灣幾個較著名的災害性地震的機制解繪製出來,首先提供可以下載機制解的網頁,如下:

成果圖

在繪製震源機制解時,有幾種檔案格式會被提到,-Sa用Aki and Richards制訂的震源機制格式, -ScHarvard CMT定義的格式等等,會在接下來詳細介紹,而上圖是利用-Sa完成的, 會需要斷層的三個參數,走向(strike)、傾角(dip)、滑移角(rake), 而各形態的斷層分類是依據滑移角的角度,其參考表格(Cronin, 20042)如下:

Rake of Slip (degree) Fault Type
0 or 180 pure strike-slip
90 pure dip-slip reverse
-90 pure dip-slip normal
-20 to 20 left-lateral strike-slip
20 to 70 reverse left-lateral oblique
70 to 110 reverse
110 to 160 reverse right-lateral oblique
-160 to 160 right-lateral strike-slip
-110 to -160 normal right-lateral oblique
-70 to -110 normal
-20 to -70 normal left-lateral oblique

接下來,將利用上述分類模式,將走向滑移斷層(圖中第一列)用黃色表示; 逆斷層(圖中第二列)用紅色表示;正斷層(圖中第三列)用藍色表示,繪製由BATS提供 1996~2017台灣地區規模大於5的震源機制解,並將幾個著名災害性地震標示出來。

使用的資料檔:

成果圖

批次檔

set ps=9_4_taiwan_focal.ps
set data=D:\GMT_data\

# 1. focal meca basemap
gmt psbasemap -R119/123/21/26 -JM15 -BWeSn -Bxa -Bya -P -K > %ps%
gmt grdimage %data%ETOPO1_Bed_g_gmt5.grd -R -JM -Cgebco.cpt ^
-I%data%ETOPO1_Bed_g_gmt5_shad.grd -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JM -Df -W1 -G230 -K -O >> %ps%
# left-lateral strike-slip
awk "{if ($6>=-20 && $6<20) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_mechanism.gmt | ^
gmt psmeca -R -JM -Sa.5 -Gyellow -K -O >> %ps%
# right-lateral strike-slip
awk "{if ($$6>=160 || 6<-160) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_mechanism.gmt | ^
gmt psmeca -R -JM -Sa.5 -Gyellow -K -O >> %ps%
# reverse fault
awk "{if ($6>=20 && $6<160) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_mechanism.gmt | ^
gmt psmeca -R -JM -Sa.5 -Gred -K -O >> %ps%
# normal fault
awk "{if ($6>=-160 && $6<-20) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_mechanism.gmt | ^
gmt psmeca -R -JM -Sa.5 -Gblue -K -O >> %ps%

# 2. earthquake event
echo 120.54 22.93 16 288.36 51.02 19.79 6.11 119.2 26.5 Meinong > tmp
echo 120.56 21.89 41 118.64 50.07 -128.06 6.7 119.9 26.5 Hengchun >> tmp
echo 120.73 23 18 318.05 41.39 67.64 5.66 120.6 26.5 Jiashian >> tmp
echo 121.75 23.78 41 237.95 37.03 120.73 6.26 121.3 26.5 Hualien >> tmp
echo 120.797500 23.861667 8.140 320.06 57.39 66.04 7.30 122.0 26.5 Chi-Chi >> tmp
echo 121.3982 23.0667 18 8.82 42.16 72.8 6.58 122.7 26.5 Chengkung >> tmp
gmt psmeca tmp -R -JM -Sa1/14p/6 -Gblack -C1 -N -K -O >> %ps%

# 3. legend set
echo 119 26 > tmp
echo 119 25.05 >> tmp
echo 120.5 25.05 >> tmp
echo 120.5 26 >> tmp
gmt psxy tmp -R -JM -G255 -W.5 -D.1/-.1 -K -O >> %ps%
echo 119.2 25.8 0 0 90 0 5 | gmt psmeca -JM -R -Sa1 -Gyellow -K -O >> %ps%
echo 119.4 25.8 Strike-Slip Fault | gmt pstext -JM -R -F+f14p+jML -K -O >> %ps%
echo 119.2 25.5 0 0 45 90 5 | gmt psmeca -JM -R -Sa1 -Gred -K -O >> %ps%
echo 119.4 25.5 Thrust Fault | gmt pstext -JM -R -F+f14p+jML -K -O >> %ps%
echo 119.2 25.2 0 0 45 -90 5 | gmt psmeca -JM -R -Sa1 -Gblue -K -O >> %ps%
echo 119.4 25.2 Normal Fault | gmt pstext -JM -R -F+f14p+jML -K -O >> %ps%

gmt psxy -R -JM -T -O >> %ps%
gmt psconvert %ps% -Tg -A -P
del tmp*

學習到的指令:

1繪製機制解底圖

2將幾個災害性地震的機制解放大後,放置在最上方。

3繪製三種斷層形態的圖例。

一般來說上,聚合型版塊邊界,以逆斷層地震為主,所以在菲律賓海板塊隱沒至歐亞大陸板塊的地區, 以及琉球隱沒帶,有一大群逆斷層型態的地震。而在宜蘭外海附近,由於弧後張裂的作用, 可以觀察到一系列正斷層型態的地震。

9.5 地震剖面

當學會了繪製地震震央及機制解在二維平面上後,震源還有一個重要的資訊是深度,這時後需要利用剖面圖來表示, 和第三章學到的高度剖面類似,但新增了一些語法上的介紹。

成果圖

批次檔

set ps=9_5_focal_profile.ps
set data=D:\GMT_data\
set cpt=seis.cpt
set lon1=122.3
set lat1=25.3
set lon2=121.1
set lat2=21.6
set width=20
set depth=100
set /a wid=%width%*2

# 1. focal meca and seismicity basemap
gmt psbasemap -R119/123/21/26 -JM10 -BWeSN -Bxa -Bya -K > %ps%
gmt grdimage %data%ETOPO1_Bed_g_gmt5.grd -R -JM -Cetopo1.cpt ^
-I%data%ETOPO1_Bed_g_gmt5_shad.grd -M -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JM -Df -W1 -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JM -Df -Gc -K -O >> %ps%
gmt grdimage %data%tw_40.grd -R -JM -Cetopo1.cpt ^
-I%data%tw_40shad.grd -M -K -O >> %ps%
gmt pscoast -R -JM -Df -Q -K -O >> %ps%
gmt gmtinfo 2017_catalog.gmt -i2 -T20 > tmp
set /p cr=<tmp
gmt makecpt -C%cpt% %cr% -Z > tmp.cpt
awk "{print $1,$2,$3,exp($4)*0.002}" 2017_catalog.gmt | ^
gmt psxy -R -JM -Ctmp.cpt -Sc -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_mechanism.gmt | ^
gmt psmeca -R -JM -Sa.5 -Ggray -K -O >> %ps%

# 2. cross area
gmt project 2017_catalog.gmt -C%lon1%/%lat1% -E%lon2%/%lat2% ^
-W-%width%/%width% -Q > catalog_profile.gmt
gmt project focal_mechanism.gmt -C%lon1%/%lat1% -E%lon2%/%lat2% ^
-W-%width%/%width% -Q > focal_profile.gmt
# left-lateral strike-slip
awk "{if ($6>=-20 && $6<20) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_profile.gmt > tmp.ls
gmt psmeca tmp.ls -R -JM -Sa.5 -Gyellow -K -O >> %ps%
# right-lateral strike-slip
awk "{if ($6>=160 || $6<-160) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_profile.gmt > tmp.rs
gmt psmeca tmp.rs -R -JM -Sa.5 -Gyellow -K -O >> %ps%
# reverse fault
awk "{if ($6>=20 && $6<160) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_profile.gmt > tmp.rf
gmt psmeca tmp.rf -R -JM -Sa.5 -Gred -K -O >> %ps%
# normal fault
awk "{if ($6>=-160 && $6<-20) print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" focal_profile.gmt > tmp.nf
gmt psmeca tmp.nf -R -JM -Sa.5 -Gblue -K -O >> %ps%
echo %lon1% %lat1% > tmp
echo %lon2% %lat2% >> tmp
gmt psxy tmp -R -JM -W3 -K -O >> %ps%
echo %lon1% %lat1% A | gmt pstext -R -JM -F+f16p,1,darkgreen -G230 -K -O >> %ps%
echo %lon2% %lat2% A'| gmt pstext -R -JM -F+f16p,1,darkgreen -G230 -K -O >> %ps%

echo 120.4 25.6 Profile Width: %width%/%width% km | ^
gmt pstext -R -JM -F+f14p,1+jML -K -O >> %ps%

# 3. seismicity profile
gmt gmtinfo catalog_profile.gmt -i4 -C -o1 > tmp1
set /p mdis=<tmp1
gmt psbasemap -R0/%mdis%/0/%depth% -JX13.56/-8 -BwESn -Bxa+l"Distance (km)" ^
-Bya+l"Depth (km)" -X11 -K -O >> %ps%
awk "{print $5,$3,$3,exp($4)*0.002}" catalog_profile.gmt | ^
gmt psxy -R -JX -Ctmp.cpt -Sc -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" tmp.ls | ^
gmt pscoupe -R -JX -Sa.5 -Gyellow -Aa%lon1%/%lat1%/%lon2%/%lat2%/90/%wid%/0/%depth% -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" tmp.rs | ^
gmt pscoupe -R -JX -Sa.5 -Gyellow -Aa%lon1%/%lat1%/%lon2%/%lat2%/90/%wid%/0/%depth% -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" tmp.rf | ^
gmt pscoupe -R -JX -Sa.5 -Gred -Aa%lon1%/%lat1%/%lon2%/%lat2%/90/%wid%/0/%depth% -K -O >> %ps%
awk "{print $1,$2,$3,$4,$5,$6,$7,$8,$9}" tmp.nf | ^
gmt pscoupe -R -JX -Sa.5 -Gblue -Aa%lon1%/%lat1%/%lon2%/%lat2%/90/%wid%/0/%depth% -K -O >> %ps%

# 4. legend set
echo 5 -5 AA' Profile | gmt pstext -R -JX -F+f16p,1+jML -N -K -O >> %ps%
gmt psscale -R -JX -Ctmp.cpt -Dx3.5/9+w10/.5+ml+h -Bxa+l"Depth (km)" -K -O >> %ps%
echo 1 2 2 > tmp.m
echo 2 2 3 >> tmp.m
echo 3 2 4 >> tmp.m
echo 4 2 5 >> tmp.m
echo 5 2 6 >> tmp.m
echo 6.5 2 7 >> tmp.m
awk "{print $1,$2,exp($3)*0.002}" tmp.m | ^
gmt psxy -R0/8/0/10 -JX -Sc -W2 -Y5 -K -O >> %ps%
gmt pstext tmp.m -R -JX -F+f14p -D0/.7 -K -O >> %ps%
echo 0 0 Magnitude: | gmt pstext -R -JX -F+f16p,1+jML -N -K -O >> %ps%

gmt psxy -R -J -T -O >> %ps%
gmt psconvert %ps% -Tg -A -P
del tmp*

學習到的指令:

1繪製地震活動性及機制解底圖,利用前兩節與地形圖學到的方法, 製作底圖。

2假設起始點、結束點及寬度,繪製橫截面區域。

3深度剖面。製作距離/深度的底圖,利用awk讀取篩選後的數據,繪製在剖面圖上。

4設置圖例說明。

從剖面圖中可以清楚地觀察到,菲律賓海板塊隱沒至歐亞大陸板塊所造成的一系列地震, 以及弧後張裂作用所發生的深度及正斷層型態的地震。psmeca繪製震源機制解是透過下半球投影到 水平面上,而pscoupe則可以將機制解投影到任一平面上,一般的情況下, 是設定投影到垂直剖面上(傾角為90),從平面及剖面上可以看到同一個機制解,因為視角的不同, 造成繪製出來有差異,但本質上是同一組解。

9.6 習題

2016年2月6日上午3點57分26秒(UTC+8)發生芮氏規模6.6的美濃地震,造成117人死亡、551人受傷, 此次習題將繪製出美濃地震發生後半年的餘震分佈以及地震剖面圖, 並畫出CWB、BATS、GCMT 三個不同的資料庫所提供的震源機制解。另外複習一下如何繪製高度剖面。

範圍在119.8/121.1/22.3/23.6,剖面線經度為120.0至121.05,緯度定在22.93, 寬度往北30km,往南20km。

使用的資料檔:

完成圖如下:

9.7 參考批次檔

列出本章節使用的批次檔,供讀者參考使用,檔案路經可能會有些許不同,再自行修改。

Batch Csh
9_3_seismicity 9_3_seismicity
9_4_focal_mechanism 9_4_focal_mechanism
9_4_taiwan_focal 9_4_taiwan_focal
9_5_focal_profile 9_5_focal_profile
9_6_after6m_meinong 9_6_after6m_meinong

上一章下一章


註腳

  1. Seismic reversal pattern for the 1999 Chi-Chi, Taiwan, Mw 7.6 earthquake (Y.M. Wu and C.C. Chen, 2007) 

  2. A draft primer on focal mechanism solutions for geologists (V. Cronin, 2004)