高 見(jiàn) 楊宜海 李翠平 傅 卓

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號(hào)，401147 2 陜西省地震局，西安市水文巷4號(hào)，710068 3 陜西西安地球深部構(gòu)造野外科學(xué)觀測(cè)研究站，西安市水文巷4號(hào)，710068

地殼介質(zhì)普遍存在各向異性，其中大量定向排列的微裂隙(EDA)是造成上地殼介質(zhì)各向異性的主要原因[1]，而下地殼的各向異性主要由云母及角閃石等礦物晶格的定向排列所致。剪切波穿過(guò)各向異性介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象，產(chǎn)生快剪切波和慢剪切波。研究表明，快剪切波偏振優(yōu)勢(shì)方向與裂隙走向和原地最大主壓應(yīng)力方向一致[2]；慢剪切波的時(shí)間延遲可反映介質(zhì)各向異性強(qiáng)度，與地下裂隙發(fā)育及孔隙含水量等密切相關(guān)，對(duì)地殼應(yīng)力場(chǎng)變化較敏感[3-4]。因此，通過(guò)計(jì)算剪切波分裂參數(shù)(快波偏振方向和慢波時(shí)間延遲)可有效獲取地殼各向異性特征，并進(jìn)一步研究局部構(gòu)造和應(yīng)力場(chǎng)變化。同時(shí)，剪切波分裂方法也可用于地震預(yù)測(cè)研究[5-6]。

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(CENC)測(cè)定，2017-11-23 17:43重慶市武隆區(qū)發(fā)生5.0級(jí)地震(簡(jiǎn)稱武隆地震)，震中位于107.94°E、29.40°N，震源深度10 km。重慶地區(qū)位于四川盆地東部邊緣的川東褶皺帶，屬于相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，地震活動(dòng)以小震活動(dòng)較頻繁、強(qiáng)震活動(dòng)較弱為主要特征[7]。武隆地震發(fā)生在渝中央皺褶區(qū)向渝東南斷褶區(qū)的過(guò)渡地帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，表現(xiàn)為整體間歇性微弱隆升，發(fā)育有一系列NE向以及NNE向斷裂帶。周邊歷史地震活動(dòng)較弱，較為顯著的僅有1854年南川5級(jí)、1855年彭水4級(jí)、1856年黔江小南海6級(jí)地震。武隆5.0級(jí)地震是重慶地區(qū)近20年來(lái)震級(jí)最高的地震，也是發(fā)生在少震弱震區(qū)的一次“意外”地震。

武隆地震發(fā)生在重慶地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力相對(duì)較強(qiáng)的區(qū)域，震后18 h內(nèi)重慶市地震局在震區(qū)又增設(shè)L5541、L5550、L5551三個(gè)流動(dòng)臺(tái)(圖1)，震區(qū)監(jiān)測(cè)能力達(dá)到ML0.5。截至2018-02-28，重慶市地震臺(tái)網(wǎng)共記錄到武隆地震序列ML≥0.5地震231次，其中，ML0.5～0.9地震113次，ML1.0～1.9地震97次，ML2.0～2.9地震19次，ML3.0～3.9地震1次，最大余震為2017-11-29 ML3.1地震。此外，主震西北方向的L5539臺(tái)和XNS臺(tái)在余震后期(2017-11-27～2018-02-25)也記錄到部分地震活動(dòng)。武隆地震較為豐富的波形資料可為后續(xù)開(kāi)展震源區(qū)剪切波分裂特征分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文利用新架設(shè)的流動(dòng)臺(tái)及原有固定臺(tái)的數(shù)字波形資料，在地震序列精定位基礎(chǔ)上[8]，采用剪切波分裂SAM分析方法[9]計(jì)算武隆震區(qū)多個(gè)臺(tái)站的剪切波分裂參數(shù)(快波偏振方向和慢波時(shí)間延遲)，并結(jié)合武隆震區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造背景，對(duì)武隆地震序列的剪切波分裂參數(shù)的變化特征進(jìn)行初步研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

武隆5.0級(jí)地震余震序列較為豐富，本文收集余震區(qū)附近30 km范圍內(nèi)所有臺(tái)站的波形資料，其中流動(dòng)臺(tái)資料時(shí)段為2017-11-24～2018-02-28，固定臺(tái)資料時(shí)段為2017-11-15～2018-02-28。本文采用精確重定位后的定位結(jié)果[8]，其中主震重定位震中為107.983°E、29.416°N。在精定位基礎(chǔ)上，選取信噪比高且位于剪切波窗口內(nèi)的波形資料。剪切波入射到地表，當(dāng)入射角達(dá)到或超過(guò)臨界角時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，因此在求取近場(chǎng)地震的剪切波分裂參數(shù)時(shí)，要求地震記錄在剪切波窗口內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于泊松介質(zhì)(泊松比為0.25)，剪切波的入射角窗口約為35°，而在實(shí)際分析中，由于波前彎曲和低速的地表沉積，可將剪切波的窗口入射角擴(kuò)展至45°～50°[1]。根據(jù)以上原理，本研究將剪切波窗口進(jìn)行適當(dāng)增大，初步設(shè)定剪切波窗口為45°，即震中距不大于震源深度。最終共獲得127條滿足剪切波窗口條件的波形記錄，其震級(jí)在 ML0.6～3.1之間。

1.2 方法

本文使用“剪切波分裂系統(tǒng)分析法”(systematic analysis method of shear-wave splitting，簡(jiǎn)稱SAM方法)[9]，該方法是在相關(guān)函數(shù)分析法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，綜合相關(guān)函數(shù)計(jì)算、時(shí)間延遲校正和偏振分析檢驗(yàn)功能，具有界面可視化和自我檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。研究表明[10-11]，SAM方法計(jì)算得到的剪切波分裂參數(shù)穩(wěn)定可靠。

圖2為數(shù)據(jù)分析實(shí)例(L5541臺(tái)觀測(cè)到的2017-11-28 06:33 ML1.4地震事件，震源深度8.7 km，震中距8.0 km)。圖2(a)為經(jīng)過(guò)濾波預(yù)處理的三分向剪切波波形；選取NS和EW兩個(gè)水平分量的波形進(jìn)行偏振分析(圖2(b1)、2(b2))，圖2(b3)為剪切波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，S1、S2分別為快、慢剪切波的起始位置，S1與S2之間的質(zhì)點(diǎn)軌跡大致為直線，與正北方向的夾角θ即為快剪切波偏振方向(本例中夾角θ為135°)。慢剪切波與快剪切波疊加后，其線性運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，通過(guò)旋轉(zhuǎn)θ分離出快、慢剪切波(圖2(c1)、2(c2))。對(duì)慢剪切波進(jìn)行時(shí)間延遲校正(本例中時(shí)間延遲校正為0.03 s)，使慢剪切波起始位置提前到與快剪切波一致，經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲校正后的剪切波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡接近線性(圖2(c3))，說(shuō)明該計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2 計(jì)算結(jié)果

由于剪切波分裂計(jì)算對(duì)臺(tái)站位置、波形質(zhì)量要求較高，只有位于剪切波窗口內(nèi)且波形清晰的地震事件可用來(lái)進(jìn)行剪切波分裂分析。為保證分析結(jié)果的可靠性，本文僅選取3條以上有效記錄的臺(tái)站進(jìn)行分析，最終獲得L5541臺(tái)等5個(gè)臺(tái)站共94對(duì)剪切波分裂參數(shù)(表1)。武隆余震主要分布在主震SW側(cè)，其中僅L5541臺(tái)位于余震密集覆蓋區(qū)，因此L5541臺(tái)的有效記錄樣本數(shù)最多，為76條，其余各臺(tái)在3～6條之間。

表1 各臺(tái)站基本參數(shù)和剪切波分裂參數(shù)

3 討論分析

3.1 快波偏振方向時(shí)空分布特征

圖3為武隆震區(qū)5個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向空間分布。武隆地震發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的武隆凹陷束，處于渝中央和渝東南兩個(gè)構(gòu)造區(qū)的過(guò)渡地帶，附近區(qū)域發(fā)育有多條NE向和NNE向高陡背斜褶皺帶及斷裂帶。其中，震中西側(cè)斷裂以發(fā)育在背斜兩翼的壓性或壓扭性逆斷層為主，如方斗山斷裂、三會(huì)沖斷層、老場(chǎng)斷裂等[12]；震中東側(cè)斷裂以發(fā)育在背斜軸部的正斷層為主，如馬武斷層、郁山斷層、黔江斷裂等。

紅色三角形為有效事件記錄≥3條的臺(tái)站，紅色箭頭為區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)方向

圖4為5個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向疊加等面積玫瑰圖，從圖中可以看出，武隆震區(qū)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW向，NW向?yàn)榈诙?yōu)勢(shì)方向。研究區(qū)具有兩個(gè)快波偏振優(yōu)勢(shì)方向的現(xiàn)象反映研究區(qū)上地殼各向異性的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性可能是區(qū)域主壓應(yīng)力和局部斷裂共同作用的結(jié)果。已有研究表明，斷裂、區(qū)域應(yīng)力和局部構(gòu)造均會(huì)影響快波偏振方向[13]。5個(gè)臺(tái)站總體優(yōu)勢(shì)偏振方向與李翠平等[8]采用CAP反演的武隆主震震源機(jī)制解中P軸方向(140°)和區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)NW向[7,14]基本一致。研究區(qū)快剪切波偏振方向總體呈NW向，受區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的控制作用較為明顯，而第一優(yōu)勢(shì)偏振方向由NW向轉(zhuǎn)為NNW向可能是受到該區(qū)域多條NE向斷裂復(fù)雜構(gòu)造的綜合影響。

圖4 5個(gè)臺(tái)站快剪切波偏振方向疊加等面積玫瑰圖

從圖3可以看出，各臺(tái)站快波偏振優(yōu)勢(shì)方向呈現(xiàn)一定的空間分布特征：L5541臺(tái)位于震中西側(cè)、三會(huì)沖斷層北端，且距離震中最近，其快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW向；L5539、XNS臺(tái)也位于震中西側(cè)，其中，L5539臺(tái)靠近方斗山斷裂西側(cè)，XNS臺(tái)位于七曜山-金佛山斷裂中段(涪陵-石柱段具有逆沖力學(xué)性質(zhì))，兩個(gè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向均為NW向；L5541、L5539、XNS三個(gè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向與附近斷裂帶的走向正交或近似正交，且與區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)NW向基本一致。已有研究表明，起控制作用的走滑斷裂的走向與快波偏振方向具有密切聯(lián)系[15]，而逆沖斷裂對(duì)剪切波分裂具有不同影響[16]。分析認(rèn)為，武隆震區(qū)西側(cè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向受到區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的主導(dǎo)作用，可反映局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)信息。

L5551、XIT臺(tái)位于震中東側(cè)，兩個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向差異較大。前者位于馬武斷層附近，快波優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E向，與斷層走向基本一致，快波偏振方向可能主要受斷裂構(gòu)造影響，與前人研究結(jié)果[17-18]類似；后者位于彭水?dāng)嗔押颓瓟嗔?南段)所夾持區(qū)域的中部，由于彭水?dāng)嗔研再|(zhì)相對(duì)復(fù)雜(如地表表現(xiàn)為正斷而實(shí)質(zhì)為逆沖性質(zhì))，而黔江斷裂南段為正斷性質(zhì)，且地表斷裂構(gòu)造形跡與褶皺構(gòu)造伴生，造成XIT臺(tái)所在局部區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，其快波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)榻麰W向，與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向和斷層走向均不同。

為進(jìn)一步分析武隆地震序列剪切波分裂參數(shù)的變化特征，本文對(duì)L5541臺(tái)快剪切波偏振方向隨時(shí)間的變化特征進(jìn)行分析(圖5)，其余臺(tái)站由于有效數(shù)據(jù)較少，不作該項(xiàng)分析。圖5(a)為震后3個(gè)月快剪切波偏振方向隨時(shí)間的變化，由于震后余震序列主要發(fā)生在震后8 d，圖5(b)為對(duì)圖5(a)中前8 d數(shù)據(jù)進(jìn)行放大。從圖中可以看出，主震發(fā)生后前期快波偏振方向較為離散，后期隨著余震持續(xù)，其離散度逐漸變小，快波偏振方向?yàn)镹W向，類似現(xiàn)象在2017年九寨溝地震余震序列中也被觀測(cè)到[19]。偏振方向的變化趨勢(shì)可能反映出武隆地震后局部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整的過(guò)程：主震發(fā)生后，震源區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力釋放和較為劇烈的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整，導(dǎo)致前期余震序列快波偏振方向的離散度較大；而隨著后期持續(xù)的余震活動(dòng)，應(yīng)力進(jìn)一步得到釋放，應(yīng)力場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，快波偏振方向也逐步收斂并趨于一致。

圖5 快剪切波偏振方向隨時(shí)間變化(L5541臺(tái))

3.2 慢剪切波時(shí)間延遲

從表1可以看出，慢剪切波時(shí)間延遲的變化范圍在2.9～7.9 ms/km之間，L5539、L5541、XNS臺(tái)平均時(shí)間延遲較大。根據(jù)EDA理論模型可知[1]，上地殼介質(zhì)中分布著近似平行排列的微裂隙，在水平應(yīng)力場(chǎng)作用下，這些微裂隙將閉合或開(kāi)啟：與最大水平壓應(yīng)力垂直的裂隙將趨于閉合，與最大水平壓應(yīng)力平行的裂隙將進(jìn)一步開(kāi)啟。慢剪切波時(shí)間延遲對(duì)微裂隙的物理特性變化較為敏感，因此裂隙幾何形態(tài)的變化可以由慢剪切波的時(shí)間延遲隨時(shí)間的變化來(lái)體現(xiàn)，從而進(jìn)一步反映地殼應(yīng)力變化的動(dòng)態(tài)特征。

圖6為L(zhǎng)5541臺(tái)慢剪切波時(shí)間延遲隨時(shí)間的變化特征。由于時(shí)間延遲的離散度普遍較高，通常采用慢剪切波時(shí)間延遲的滑動(dòng)平均曲線展示其變化特征(圖6紫色實(shí)線)。圖6(b)為對(duì)圖6(a)中前8 d數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，并且已對(duì)震后8 d內(nèi)震級(jí)大于ML2.5的較強(qiáng)余震進(jìn)行標(biāo)注。在這些較強(qiáng)余震發(fā)生前，時(shí)間延遲具有升高的趨勢(shì)，其中11-26 ML2.5、11-28 ML2.5兩次較強(qiáng)余震前的短時(shí)間內(nèi)還觀測(cè)到時(shí)間延遲下降的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在一定程度上反映出震前應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)和臨震應(yīng)力釋放的動(dòng)態(tài)過(guò)程。時(shí)間延遲在強(qiáng)余震前出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，在地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域具有一定的指示意義[20-21]。圖6(c)為L(zhǎng)5541臺(tái)慢波時(shí)間延遲與震源深度的變化關(guān)系，從圖中可以看出，慢波時(shí)間延遲與震源深度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性，這與前人的研究結(jié)果[22-25]較為一致。

黑點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化的慢波時(shí)間延遲，紫色實(shí)線為數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用2017-11-23武隆5.0級(jí)地震后架設(shè)的流動(dòng)臺(tái)及原有固定臺(tái)記錄的數(shù)字波形資料，采用SAM分析方法對(duì)武隆5.0級(jí)地震序列進(jìn)行剪切波分裂特征研究，得到震區(qū)5個(gè)臺(tái)站共94對(duì)震源區(qū)上地殼的剪切波分裂參數(shù)。

分析結(jié)果表明，武隆震區(qū)快剪切波偏振方向總體呈NW向，受區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)控制作用較為明顯，第一優(yōu)勢(shì)偏振方向由NW向轉(zhuǎn)為NNW向可能是受到該區(qū)域多條NE向斷裂及復(fù)雜構(gòu)造的綜合影響。震區(qū)東、西兩側(cè)臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向呈現(xiàn)一定的空間分布變化：震中西側(cè)臺(tái)站均位于逆沖斷層附近，受到區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)的主導(dǎo)作用，快波偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向較為一致，且與斷層走向正交或近似正交；震區(qū)東側(cè)臺(tái)站位于正斷層或復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，受斷層或復(fù)雜構(gòu)造影響，快波偏振方向差異較大。

剪切波分裂參數(shù)隨時(shí)間變化的分析結(jié)果表明，快波偏振方向在震后早期較為離散，后期呈現(xiàn)逐步收斂的趨勢(shì)，顯示震后應(yīng)力場(chǎng)逐步趨于穩(wěn)定；在較強(qiáng)余震發(fā)生前，慢波時(shí)間延遲具有上升趨勢(shì)，其中部分較強(qiáng)余震前的短時(shí)間內(nèi)還觀測(cè)到時(shí)間延遲減小的現(xiàn)象，這可能反映震前應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)和臨震應(yīng)力釋放的過(guò)程；慢波時(shí)間延遲與震源深度的關(guān)系不明顯。

由于本研究獲得剪切波分裂參數(shù)最多的L5541臺(tái)為震后架設(shè)的應(yīng)急流動(dòng)臺(tái)站，觀測(cè)時(shí)間有限，并且武隆震區(qū)為少震弱震區(qū)，原有固定臺(tái)站未能記錄到震前有效的波形資料。若能獲得更多時(shí)段的波形資料，將對(duì)研究此類地震具有更大幫助。

致謝：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所高原研究員課題組提供軟件支持，重慶市地震臺(tái)網(wǎng)中心提供波形資料，文中部分圖件采用GMT繪制，在此一并表示感謝。