黃春梅，吳 朋，蘇金蓉，王宇航，魏婭玲，李大虎，顏利君

（四川省地震局，成都 610041）

0 引言

在中上地殼介質(zhì)中，普遍分布著因應(yīng)力作用定向排列且充有流體的裂隙（EDA裂隙），其走向平行或大致平行于最大水平應(yīng)力[1]，導(dǎo)致地殼介質(zhì)存在各向異性特征。大量的觀測(cè)事實(shí)表明，S波在地殼各向異性介質(zhì)中傳播能觀測(cè)到S波分裂現(xiàn)象，即S波分裂成2組速度不同、方向接近垂直的快S波、慢S波[1-3]。快S波偏振方向一般與區(qū)域最大主應(yīng)力場(chǎng)或區(qū)域局部地質(zhì)構(gòu)造（斷層）走向一致[4-7]，慢S波延遲時(shí)間則受到介質(zhì)中裂隙的物理特性和流體特性變化的影響，一定程度上反映了區(qū)域應(yīng)力的變化特征，在大震前后其變化特征更明顯[8-9]。因此，快S波偏振方向和慢S波延遲時(shí)間是分析地殼各向異性特征的2個(gè)基本參數(shù)。

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定結(jié)果，2017年8月8日21時(shí)19分四川省阿壩州九寨溝縣（33.2°N，103.82°E）發(fā)生MS7.0地震（以下簡(jiǎn)稱(chēng)九寨溝地震），震源深度20 km。該地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體北部，位于東昆侖斷裂、塔藏?cái)嗔雅c東部龍門(mén)山斷裂的交匯處，為印度板塊向歐亞板塊的俯沖導(dǎo)致青藏高原向北東推移，次級(jí)巴顏喀拉塊體向南東推擠背景下發(fā)生的一次強(qiáng)震。此次地震的震中位于岷江斷裂、塔藏?cái)嗔押突⒀罃嗔迅浇?。近NS向的岷江斷裂為岷江隆起西邊界的主控?cái)嗔?，以逆沖為主兼走滑特征；近NW向的塔藏?cái)嗔盐挥跂|昆侖斷裂東段和NNW向的虎牙斷裂為岷山隆起東邊界的主控?cái)嗔?，均為左旋走滑斷裂[10-12]。此區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，晚第四紀(jì)活動(dòng)強(qiáng)烈，歷史地震頻發(fā)，在地震震中周邊200 km范圍內(nèi)，近百年共發(fā)生5級(jí)以上地震49次，距離最近的為1976年8月16日至8月23日，四川松潘-平武地區(qū)先后發(fā)生的7.2級(jí)、6.7級(jí)、7.2級(jí)3次強(qiáng)震[13]。這幾次地震震源區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻麰W向[14-15],與GPS數(shù)據(jù)研究顯示的該地區(qū)的水平速度場(chǎng)方向一致[16]；震源機(jī)制結(jié)果表明：該地震為走滑型地震[17-19]；雙差定位結(jié)果顯示，余震呈NWW向的條帶狀分布，北臨塔藏?cái)嗔眩辖踊⒀罃嗔驯倍?，主震位于余震中央[20]。根據(jù)余震震中分布、主震及余震震源機(jī)制解等，推測(cè)本次九寨溝地震及其余震的發(fā)震構(gòu)造為位于岷江斷裂與塔藏?cái)嗔阎g的一條隱伏斷裂上，斷裂為左旋走滑屬于東昆侖斷裂東端的分支斷裂之一或是虎牙斷裂向北的延伸[14,18,21]（圖1）。

楊溢等[22]和劉莎等[23]分別利用九寨溝地震后3個(gè)月和1個(gè)月的數(shù)據(jù)研究了震源區(qū)臺(tái)站S波分裂參數(shù)特征，分析了震源地殼應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化。本文擬延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，采用九寨溝震源區(qū)的1個(gè)固定臺(tái)站（2013年至2018年6月30日）和6個(gè)流動(dòng)臺(tái)站（截至2018年6月30日）記錄到的近萬(wàn)余條地震波形數(shù)據(jù)，采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判別法和偏振分析法測(cè)定各個(gè)臺(tái)站的S波分裂參數(shù)（快波偏振方向、慢波延遲時(shí)間），分析其隨時(shí)空的變化，以更好地反映震源區(qū)地震各向異性及應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征。

圖 1 九寨溝地震震源區(qū)主要斷裂、地震及臺(tái)站分布圖

1 資料和分析方法

九寨溝地震發(fā)生后，甘肅省地震局和四川省地震局在震源區(qū)分別架設(shè)了2個(gè)（L6201、L6202）和4個(gè)（L5110、L5111、L5112、L5113）短周期流動(dòng)臺(tái)站，其頻帶范圍為2 s～50 Hz，采樣率為100 sps。其中，L5110、L5111和L5112臺(tái)采用CMG-40TDE地震儀，L6201、L6202和L5113臺(tái)采用GL-PS2地震儀。所有流動(dòng)臺(tái)站數(shù)據(jù)于2017年8月12日起，實(shí)時(shí)傳輸至四川地震臺(tái)網(wǎng)中心。四川臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站JZG為寬頻帶地震臺(tái)站，其頻帶范圍為60 s～50 Hz，采樣率為100 sps，采用BBVS-60地震儀。本文收集到的1個(gè)固定臺(tái)站2011年至2018年6月30日和6個(gè)流動(dòng)臺(tái)站截至2018年6月30日共記錄的近萬(wàn)條余震數(shù)據(jù)，為本次S波分裂分析提供了充分的數(shù)據(jù)資料。

用于S波分裂分析的地震波形數(shù)據(jù)須滿足在“S波窗”內(nèi)，在該窗內(nèi)的地震計(jì)記錄到的S波和入射波的類(lèi)型相似，否則觀測(cè)到的S波相位和振幅將嚴(yán)重畸變，難以重建入射S波[24]。大量研究結(jié)果表明，對(duì)于泊松介質(zhì)(泊松比為0.25)，S波的入射角窗口約為35°[25]，由于地表存在低速沉積層及地震波在地表入射時(shí)彎曲的波前面可能導(dǎo)致有效臨界角擴(kuò)大到45°～50°，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，有效分裂事件震源深度主要分布在5～14 km（圖2）。根據(jù)四川西部的分層速度模型[26]進(jìn)行了計(jì)算，本文選擇S波的入射角≤47°的地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖 2 有效S波分裂事件震源深度分布直方圖

S波分裂分析的常用方法有偏振圖分析法、相關(guān)分析法、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判別法、地震圖旋轉(zhuǎn)分析法等，它們各具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)偏振圖分析法能夠直觀、全面地展示S波分裂現(xiàn)象，對(duì)S波分裂參數(shù)進(jìn)行直觀地檢驗(yàn)[27]。本文通過(guò)偏振圖分析法和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判別法相結(jié)合測(cè)定S波分裂參數(shù)。S波到時(shí)讀取精度對(duì)S波分裂分析結(jié)果影響較大，為了保證S波分裂結(jié)果的可靠性，計(jì)算S波參數(shù)時(shí)首先需挑選出“S波窗”內(nèi)且到時(shí)清晰的地震數(shù)據(jù)，并重新讀取S波的到時(shí)；然后，截取S波到時(shí)前20和后15共35個(gè)采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)并畫(huà)出該段波形的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖（時(shí)間長(zhǎng)度0.35 s），逐一挑選出線性或近線性的質(zhì)點(diǎn)偏振圖（圖3），在此基礎(chǔ)上，分別利用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判別法與偏振圖分析法測(cè)定S波分裂參數(shù)；最后，利用偏振圖分析法對(duì)測(cè)定的S波分裂參數(shù)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[9]。

圖 3 S波分裂分析圖例

2 結(jié)果以及討論

使用1個(gè)固定臺(tái)站（JZG）及6個(gè)流動(dòng)臺(tái)站（L5110、L5111、L5112、L5113、L6201、L6202）截至2018年6月30日記錄到的大量余震事件中篩選出S波信噪比高且到時(shí)清晰的地震事件測(cè)定S波分裂參數(shù)，并利用偏振圖分析法對(duì)每條結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，排除不合適事件，為保證S波分裂參數(shù)計(jì)算的可靠性，最后6個(gè)臺(tái)站得到5條以上S波分裂結(jié)果。L6201臺(tái)距余震區(qū)較遠(yuǎn)，無(wú)有效的S波分裂結(jié)果，L6202臺(tái)S波分裂結(jié)果最多，為336條，L5112臺(tái)S波分裂結(jié)果為53條，JZG臺(tái)S波分裂結(jié)果為47條，L5113臺(tái)S波分裂結(jié)果為31條，L5111臺(tái)S波分裂結(jié)果為28條，L5110臺(tái)S波分裂結(jié)果僅為5條。表1列出了各臺(tái)站的S波分裂參數(shù)結(jié)果，包括快波偏振方向和歸一化的慢波延遲時(shí)間。由于事件選取和S波分裂參數(shù)的計(jì)算方法不同，楊溢等[22]得到的有效分裂事件更多，但是研究結(jié)果與其基本相符。

表 1 6個(gè)臺(tái)站的S波分裂結(jié)果

6個(gè)臺(tái)站快波偏振方向以及位于臺(tái)站“S波窗”內(nèi)的地震方位分布見(jiàn)圖4。其中，4個(gè)臺(tái)站有1個(gè)明顯的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向，L6202臺(tái)有2個(gè)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向，L5111臺(tái)未表現(xiàn)出明顯的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向；位于余震密集區(qū)內(nèi)有3個(gè)臺(tái)站（L6202、L5111、L5112），L6202臺(tái)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NE向、近EW向，L5112臺(tái)的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向只有一個(gè)為NNE向，而L5111臺(tái)沒(méi)有明顯的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向；位于余震密集區(qū)南側(cè)的L5113臺(tái)和東南側(cè)的L5110臺(tái)的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向均為近EW向；位于余震密集區(qū)東側(cè)較遠(yuǎn)位置的JZG臺(tái)僅有一個(gè)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向即NW向。

圖 4 6個(gè)臺(tái)站的快S波偏振方向等面積投影玫瑰圖

慢波延遲時(shí)間除受到地震波傳播路徑中地殼介質(zhì)的各向異性程度影響外，還受其在地殼中傳播距離的影響。因此，為了消除由于地震波傳播距離而產(chǎn)生的影響，采用歸一化的處理方法計(jì)算出單位距離的慢波延遲時(shí)間，即以ms/km來(lái)表示每千米的時(shí)間延遲大小。通過(guò)歸一化處理后的延遲時(shí)間結(jié)果表明，6個(gè)臺(tái)站的延遲值均大于1.0 ms/km，最大是L5112臺(tái)，為5.0 ms/km。

2.1 快波偏振方向的空間分布特征及隨時(shí)間的變化

快波偏振優(yōu)勢(shì)方向與地殼介質(zhì)中定向排列的微裂隙的走向一致，能夠反映出當(dāng)?shù)刂鲏簯?yīng)力的方向[28]。九寨溝地震發(fā)生在NS走向、逆沖為主的岷江斷裂，近NW向、左旋走滑為主的塔藏?cái)嗔押蚇NW走向、左旋走滑為主的虎牙斷裂的交匯地帶[29]。將6個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向分布于構(gòu)造背景中，呈現(xiàn)出空間分布特征（圖5），并選取S波分裂結(jié)果在50條以上的L6202、L5112臺(tái)以及跨越主震前后的JZG臺(tái),分析其快波偏振優(yōu)勢(shì)方向隨時(shí)間的變化特征（圖6）。位于余震密集區(qū)內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站L6202、L5112和L5111中，L5112臺(tái)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向突出為NNE向，與其靠近的岷江斷裂的走向大致相同；L6202臺(tái)有2個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)偏振方向，近EW向和NNE向；L5111臺(tái)沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)偏振方向，但從圖4清楚地看出，位于該臺(tái)站第3象限地震的偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NE向，第4象限的地震優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹WW向，這些表明L6202臺(tái)和L5111臺(tái)的快波偏振受到區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)和斷層的共同影響。JZG、L5110、L5113臺(tái)是位于余震密集區(qū)外的3個(gè)臺(tái)站，位于余震密集區(qū)東側(cè)的JZG臺(tái)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W向，該方向與塔藏?cái)嗔训淖呦蛞恢?；L5113、L5110臺(tái)其快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麰W向，該方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，體現(xiàn)出受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)控制各向異性的特征。除L5111臺(tái)無(wú)明顯的快波優(yōu)勢(shì)偏振方向以外，其余5個(gè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向與楊溢等[22]的研究結(jié)果基本一致。

圖 5 余震分布及6個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向等面積投影玫瑰圖空間展布

L6202臺(tái)和L5112臺(tái)位于余震密集分布區(qū)域內(nèi)，更加靠近發(fā)震斷層，L5112臺(tái)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向突出為28°，而L6202臺(tái)有2個(gè)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向，分別為近EW向和NNE向。圖6給出了L6202、L5112臺(tái)站快波偏振方向隨時(shí)間的變化，明顯觀測(cè)到快波偏振方向在主震發(fā)生后的一個(gè)月內(nèi)呈現(xiàn)出較凌亂狀態(tài)。為了進(jìn)一步分析L6202臺(tái)快波偏振方向隨時(shí)間的變化，繪制了分時(shí)段等面積玫瑰圖（圖7），2017年8月12日至9月7日快波優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)榻麰W向，而20117年9月8日—2018年6月7日時(shí)間段內(nèi)快波偏振方向變?yōu)镹NE，由于主震及余震的發(fā)生導(dǎo)致應(yīng)力的釋放和調(diào)整，該臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向逐漸調(diào)整為NNE向，在主震后的30天前后趨于集中并與岷江斷裂的走向一致。楊溢等[22]也在主震后的第27天左右觀測(cè)到L6202臺(tái)的快波偏振方向發(fā)生變化，與本文的L6202臺(tái)的結(jié)果一致。L5112臺(tái)的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向僅為NNE向而無(wú)EW向，這可能反映了九寨溝地震孕育過(guò)程中應(yīng)力在發(fā)震斷層積累同時(shí)受控于發(fā)震斷層，導(dǎo)致斷層?xùn)|部的應(yīng)力積累效應(yīng)小于西部[22]。從圖6還是能夠看出L5112臺(tái)的快波偏振方向在地震發(fā)生初期稍顯離散，但隨著時(shí)間的推移很快又趨于集中。

2.2 慢波延遲時(shí)間變化特征

慢波延遲時(shí)間不僅對(duì)地殼中的微裂隙密度，還對(duì)其幾何形態(tài)都較為敏感，所以它能一定程度地反映出地殼介質(zhì)中應(yīng)力分布特征[24,30]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1），位于余震密集區(qū)的L6202、L5112兩個(gè)臺(tái)站慢波延遲時(shí)間平均值為4.1 ms/km、5.0 ms/km，L5111臺(tái)慢波延遲時(shí)間平均值為2.5 ms/km，其余3個(gè)臺(tái)站L5113、JZG、L5110的慢波延遲時(shí)間平均值分別是3.8 ms/km、2.3 ms/km和1.2 ms/km。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，L6202、L5112臺(tái)的慢波延遲時(shí)間的平均值明顯大于遠(yuǎn)離余震區(qū)的JZG臺(tái)和L5110臺(tái)。由于慢波延遲時(shí)間能反映區(qū)域應(yīng)力的變化特征，從而反映出不同區(qū)域應(yīng)力積累的強(qiáng)弱，這與楊溢等[22]觀測(cè)到的慢波延遲時(shí)間結(jié)論相同。

圖 7 L6202臺(tái)快波偏振方向分時(shí)間段等面積投影玫瑰圖

選取慢波延遲時(shí)間結(jié)果在50條以上的L6202、L5112臺(tái)以及所選地震數(shù)據(jù)跨越主震前后的JZG臺(tái)進(jìn)行分析。從圖8中可以看出，位于余震密集區(qū)的L6202、L5112臺(tái)的歸一化慢波延遲時(shí)間在主震發(fā)生后的一段時(shí)間里相對(duì)較大，最大值達(dá)到11.1 ms/km和12.3 ms/km，隨著時(shí)間的推移余震不斷發(fā)生，應(yīng)力得到釋放和調(diào)整，其值逐步減小并穩(wěn)定在6.0 ms/km左右；JZG臺(tái)是震區(qū)附近跨越主震的固定臺(tái)，根據(jù)記錄到的地震波形數(shù)據(jù)，計(jì)算S波分裂參數(shù)共得到47條結(jié)果，但是主震后的S波分裂參數(shù)有效結(jié)果僅為3條，其慢波延遲時(shí)間隨時(shí)間并無(wú)明顯變化，其值基本在4.0 ms/km以下，表明由于距震源區(qū)較遠(yuǎn)，受九寨溝地震應(yīng)力積累和調(diào)整作用影響較小。

圖 8 臺(tái)站L6202、L5112、JZG慢波延遲時(shí)間隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

本文利用九寨溝地震震源區(qū)的1個(gè)固定臺(tái)（JZG臺(tái)）和6個(gè)流動(dòng)臺(tái)站記錄的地震波形數(shù)據(jù)，采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判別法與偏振分析法相結(jié)合計(jì)算S波分裂參數(shù)，最終得到6個(gè)臺(tái)站的S波分裂參數(shù)結(jié)果大于5條。該結(jié)果反映了震源區(qū)S波分裂的時(shí)空變化特征，得到以下結(jié)論。

1）位于余震密集區(qū)內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站L6202、L5112和L5111，在L6202臺(tái)觀測(cè)到快波偏振優(yōu)勢(shì)方向發(fā)生了明顯的變化，主震后短時(shí)段內(nèi)觀測(cè)到快波偏振方向出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，1個(gè)月后趨于平穩(wěn)；主震后1個(gè)月內(nèi)的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麰W向，而2017年9月8日至2018年6月7日時(shí)間段內(nèi)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向變?yōu)镹NE。這表明了主震后震源區(qū)的應(yīng)力發(fā)生了紊亂，隨著余震的不斷發(fā)生應(yīng)力快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一現(xiàn)象在L5112和L5111臺(tái)沒(méi)有觀測(cè)到。

2）快波偏振優(yōu)勢(shì)方向出現(xiàn)了明顯的空間變化，JZG、L5110、L5113臺(tái)是位于余震密集區(qū)外的3個(gè)臺(tái)站。位于余震密集區(qū)東側(cè)的JZG臺(tái)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W向，與塔藏?cái)嗔训淖呦蛞恢?，體現(xiàn)出受斷裂結(jié)構(gòu)控制各向異性的特征；位于余震密集區(qū)南側(cè)和東南側(cè)的臺(tái)站L5113、L5110，其快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麰W向，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，體現(xiàn)出受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)控制各向異性的特征。

3）位于余震密集區(qū)的L6202、L5112兩個(gè)臺(tái)站慢波延遲時(shí)間平均值為4.1ms/km、5.0 ms/km，L5111臺(tái)慢波延遲時(shí)間平均值為2.5 ms/km，其余3個(gè)臺(tái)站L5113、JZG、L5110的慢波延遲時(shí)間平均值分別是3.8 ms/km、2.3 ms/km和1.2 ms/km。L6202、L5112的慢波延遲時(shí)間的平均值明顯大于遠(yuǎn)離余震區(qū)的JZG臺(tái)和L5110臺(tái)，由于慢波延遲時(shí)間能反映區(qū)域應(yīng)力的變化特征，這也反映出不同區(qū)域應(yīng)力積累的強(qiáng)弱。

致謝 甘肅省地震局、四川省地震局參與地震流動(dòng)應(yīng)急觀測(cè)成員為本文提供了寶貴的波形資料；四川省地震監(jiān)測(cè)中心編目全體人員提供了觀測(cè)報(bào)告和地震目錄；四川省地震局陳天長(zhǎng)研究員和審稿專(zhuān)家為本文提出了寶貴的意見(jiàn)和建議，作者在此一并表示感謝。