劉庚, 吳晶, 周聰, 倪泰山, 魏夢怡, 王松

1 中國地震局第二監(jiān)測中心, 西安 710054 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 3 云南省紅河州地震局, 云南蒙自 661199 4 四川省地震局成都地震監(jiān)測中心站, 成都 611730

0 引言

地震波傳播速度隨著偏振方向的不同而存在差異的現(xiàn)象被稱為地震各向異性.各向異性現(xiàn)象普遍存在于地球各個圈層(Anderson,1961;Hess,1964;Crampin,1984;Poirier and Price,1999).中上地殼各向異性的物理機制主要是區(qū)域應(yīng)力作用下定向排列的充液微裂隙EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy,Crampin,1978).由于剪切波對各向異性介質(zhì)敏感,因此近震直達(dá)剪切波分裂是研究中上地殼各向異性的常用方法(Crampin,1984;高原等,2018).

當(dāng)剪切波穿過各向異性介質(zhì)時,會分裂成為速度不同、偏振方向正交的兩列波.先到達(dá)的剪切波的偏振方向稱為快波偏振方向,后到達(dá)的剪切波與先到達(dá)的剪切波的時間差稱為慢波時間延遲.快波偏振方向與地殼中廣泛存在定向排列的微裂隙走向一致,通常反映了臺站下方地殼的原地主壓應(yīng)力方向(Crampin and Peacock,2005).近年研究表明:位于斷裂帶附近的臺站快波偏振方向通常與斷裂走向一致,這一現(xiàn)象被稱為構(gòu)造各向異性或結(jié)構(gòu)各向異性(吳晶等,2007;劉莎等,2014;Gao et al.,2019).當(dāng)臺站位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域,如多條地震帶交匯處,其快波偏振方向可能具有一定的離散性(Boness and Zoback,2006;劉庚等,2017;Zhang et al.,2020).因此快波偏振方向可以有效反映區(qū)域構(gòu)造、應(yīng)力場局部信息(高原和吳晶,2008;劉庚等,2015;鄭拓等,2021).慢波時間延遲反映了原地應(yīng)力和地球內(nèi)部介質(zhì)各向異性程度的大小.時間延遲的變化對應(yīng)區(qū)域應(yīng)力環(huán)境的變化,為研究地震發(fā)生前后應(yīng)力場變化提供了有效途徑(Gao and Crampin,2004;Crampin and Peacock,2005;鄭秀芬等,2008).因此開展地殼各向異性研究,不僅可以分析區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和局部構(gòu)造特征等問題,還可以通過剪切波分裂參數(shù)的變化,了解地震前后區(qū)域地殼應(yīng)力場的變化特征.

在印度板塊與歐亞板塊相互碰撞擠壓作用下,青藏高原深部物質(zhì)向東遷移,受到四川盆地堅硬塊體的阻擋,使得青藏高原東南緣的川滇菱形塊體向南南東方向整體運動和順時針旋轉(zhuǎn)(徐錫偉等,2003;張培震,2008).安寧河—則木河斷裂帶是川滇菱形塊體東邊界的重要組成部分,表現(xiàn)出高速的左旋走滑特征(5～8 mm·a-1,徐錫偉等,2003;魏文薪等,2012),該區(qū)是青藏高原殼幔物質(zhì)由東轉(zhuǎn)向東南方向運移的重要通道,殼幔介質(zhì)變形可能存在垂直連貫變形特征(常利軍等,2008).研究區(qū)構(gòu)造運動劇烈,強震頻發(fā),自公元814年以來記載到6級以上地震8次,其中MS≥7地震3次(韓渭賓和蔣國芳,2005).然而,自1970年至今(2023年1月),安寧河—則木河地區(qū)出現(xiàn)了長期的MS≥5地震平靜(如圖1),未來有強震的中-長期危險性(M7專項工作組,2012).

圖1 安寧河—則木河斷裂帶及鄰區(qū)構(gòu)造環(huán)境和臺站分布圖F1:鮮水河斷裂; F2:汶川—茂汶斷裂; F3:麗江—小金河斷裂; F4:安寧河斷裂; F5:大涼山斷裂; F6:則木河斷裂.藍(lán)色和橘色線段分別代表1級和2級板塊邊界.圖中地震為中國大陸有史料記載(公元前780年到2022年6月)MS5以上事件.紅色和藍(lán)色三角形分別代表固定和流動地震臺.綠圈和黃圈分別代表1970年前和1970年后的地震.標(biāo)識了研究區(qū)MS7以上地震的發(fā)震時間與震級.白色箭頭代表背景主壓應(yīng)力場方向,灰色箭頭代表區(qū)域主壓應(yīng)力場方向(徐杰,1977;闞榮舉等,1997;阮祥等,2010;李君等,2019).Fig.1 Tectonic and station distribution in Anninghe-Zemuhe fault zone and its adjacent areasF1:Xianshuihe fault; F2:Wenchuan-Maowen fault; F3:Lijiang-Xiaojinhe fault; F4:Anninghe fault; F5:Daliangshan fault; F6:Zemuhe fault. The blue and orange lines represent the 1st and 2nd order plate boundaries respectively. The earthquakes are historical earthquakes (from 780 BC to June 2022) with MS≥5 in Chinese mainland. The red and blue triangles represent fixed seismic stations and mobile seismic stations respectively. The green and yellow circles represent earthquakes occurred before and after 1970 respectively. The magnitude and time of earthquakes with MS≥7 are marked. The white arrow represents the direction of the background principal compressive stress field, the gray arrow represents the direction of the regional principal compressive stress field (Xu, 1977; Kan et al., 1997; Ruan et al., 2010; Li et al., 2019).

圖2給出了2009年到2019年該區(qū)地震分布.多種觀測結(jié)果,如地震空區(qū)與活動性分析(易桂喜等,2008;江在森等,2005;聞學(xué)澤等,2008;劉靜偉和呂悅軍,2016;李玉江等,2020;李姜一等,2020)、強震地震矩計算(李煜航等,2014)、應(yīng)力降計算(吳微微等,2017)、地表破裂型地震的離逝率(徐錫偉等,2017),以及庫侖應(yīng)力演化結(jié)果(徐晶等,2019)等,均表明安寧河—則木河應(yīng)變積累強、應(yīng)力水平強、地震危險性大.因此,開展區(qū)域應(yīng)力場研究對了解區(qū)域構(gòu)造的復(fù)雜性具有重要意義.

數(shù)值模擬(祝愛玉等,2015)和地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(Hu et al.,2017)結(jié)果均表明安寧河—則木河斷裂帶附近主壓應(yīng)力場為NW-SE向.震源機制解的相關(guān)研究表明:鮮水河—小江斷裂帶由北向南,主壓應(yīng)力水平方向由WNW向逐漸轉(zhuǎn)為NW向(鐘繼茂和程萬正,2006;Wan,2010;李君等,2019).近場直達(dá)剪切波偏振分析結(jié)果表明:川滇地區(qū)快波優(yōu)勢偏振方向主要為NW-SE向,與青藏高原物質(zhì)東南逃逸的運動方向一致(石玉濤等,2013;張藝和高原,2017).上述研究主要圍繞川滇菱形塊體等大的構(gòu)造單元開展應(yīng)力場特征研究,均涉及了川滇塊體東部安寧河—則木河區(qū)域應(yīng)力狀態(tài).然而,由于研究方法、臺站分布、數(shù)據(jù)密集程度等條件的限制,對安寧河—則木河及其鄰區(qū)應(yīng)力場研究的分辨率有限.

與以往研究不同,本文具有數(shù)據(jù)時間跨度長、臺站分布密度較高的優(yōu)勢,采用剪切波分裂方法研究該區(qū)域中上地殼各向異性時,能夠獲得研究區(qū)較為詳盡的各向異性時空參數(shù).眾多的研究已經(jīng)證實剪切波推演的區(qū)域主壓應(yīng)力方向,與其他地震學(xué)方法(如應(yīng)力反演、地應(yīng)力測量和GPS地表測量等)結(jié)果有很好的一致性(邵玉平等,2017;高原等,2020;鄭拓等,2021).因此本研究能夠為獲取該區(qū)更精細(xì)的應(yīng)力場特征和動力學(xué)過程提供重要參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

經(jīng)過數(shù)據(jù)的預(yù)篩選,我們共獲得47個臺站的數(shù)據(jù).其中,固定臺14個,流動臺33個.固定臺主要采用CMG-3ESPC型地震計,頻帶范圍為60 s～50 Hz,其中MLI、PGE臺為BBVS-60型地震計,頻帶范圍為60 s～50 Hz,采樣頻率均為100 Hz.流動臺均采用Guralp CMG-3T型地震計,頻帶范圍為120 s～50 Hz,采樣頻率為100 Hz,臺間距16 km(王松等,2017).

本文利用近場直達(dá)剪切波研究中上地殼各向異性,為了防止震相全反射和Ps轉(zhuǎn)換震相的干擾,進(jìn)行剪切波偏振分析前,需要篩選數(shù)據(jù).對于泊松介質(zhì),根據(jù)i=arcsin(VS/VP),剪切波窗口約為35°(即入射角小于35°).考慮到地表沉積層的影響,剪切波窗口可以擴大到45°(Crampin and Peacock,2005).例如,對于川西地區(qū),邵玉平等(2017)指出單層均勻模型計算得到的52.1°入射角,對應(yīng)于川西高原速度結(jié)構(gòu)分層模型計算得到的37.1°入射角,因此在研究川西地區(qū)中上地殼各向異性時,剪切波窗口可以擴展到52°.

S波分裂分析方法可分為自動分析方法和可視化測量兩類.近場直達(dá)剪切波具有周期小、干擾因素多等特征,自動化分析對于S波波段長短以及起始位置的選擇十分敏感,得到的結(jié)果往往不夠穩(wěn)定.可視化測量雖然工作量大,但是分析結(jié)果更加精確(吳晶等,2010;錢旗偉等,2017),本文采用的SAM方法屬于可視化測量方法(高原等,2008).該方法包含相關(guān)函數(shù)計算、時間延遲矯正和偏振分析檢驗,能夠客觀的得到快波偏振方向和慢波時間延遲.

我們選用的數(shù)據(jù)震中距小于震源深度,對應(yīng)于單層速度模型入射角小于45°的地震事件.在進(jìn)行剪切波偏振分析前,需要對波形進(jìn)行1～10 Hz帶通濾波處理.圖3給出了SMI(石棉)臺數(shù)據(jù)分析實例.此次研究中流動臺站XC34與固定臺站SCH相距不足50 m,從圖4、5和表1可以看出,二者之間平均偏振方向、臺站快波偏振方向和時間延遲幾乎一致.

表1 臺站與剪切波分裂參數(shù)Table 1 Parameters of stations and shear-wave splitting

圖3 SMI(石棉)臺記錄波形數(shù)據(jù)的剪切波分裂分析示例發(fā)震時間為2014年1月21日,SMI記錄到的ML1.6地震波形,震源深度9.6 km,震中距8.92 km,采樣率100 Hz. (a) 東西、南北和垂直向的波形. (b) 南北(NS)和東西(EW)方向分量的質(zhì)點運動軌跡圖與剪切波波形,圖中S1和S2分別表示快波和慢波到時. (c) 已消除時間延遲影響后的快(F)和慢(S)剪切波的質(zhì)點運動軌跡圖與快、慢波波形以及慢波時間延遲(delay time),其中橫坐標(biāo)表示采樣點個數(shù),縱坐標(biāo)表示振幅.兩條豎線標(biāo)識出繪制偏振圖的剪切波部分.本次事件的快波偏振方向為155°,慢波時間延遲為0.04 s.Fig.3 Shear-wave splitting analysis at station SMI This event occurred on Jan.21, 2014, recorded by station SMI, with a magnitude (ML) 1.6, the focal depth 9.6 km, the epicenter distance 8.92 km, the sampling rate 100 Hz. (a) The original three components waveforms. (b) The particle motion (Upper) and waveforms (Lower) in north-south and east-west directions. The S1 and S2 indicate the start position of fast and slow shear-waves. (c) The particle motion of fast and slow shear-waves with corrected delay-time (Upper) and waveforms of fast/slow shear-waves (Lower). The ordinate is the count value of amplitude. The abscissa is the number of sampling points. Two vertical lines mean the time-window used in particle motion diagram. The polarization of fast shear-wave and time delay of slow shear-wave are 155° and 0.04 s respectively.

2 研究結(jié)果與分析

本文分析了安寧河—則木河及鄰區(qū)2013年1月到2019年12月的小震波形數(shù)據(jù),共獲得42個臺的1832條有效數(shù)據(jù),每個臺站得到的有效數(shù)據(jù)均不少于3條,其中10個臺站記錄到的有效波形記錄大于80條(表1).我們將從3個方面展示研究結(jié)果:(1)安寧河—則木河及其鄰區(qū)快波偏振方向空間分布特征;(2)研究區(qū)域慢波時間延遲空間分布特征;(3)康定地震(2014年11月22日)和石棉地震(2018年5月16日)前后快波偏振方向的變化特征.

2.1 安寧河—則木河及其鄰區(qū)快波偏振方向空間分布特征

圖4給出了各個臺站平均偏振方向空間分布.按照中更新世以來升降構(gòu)造運動強度和性質(zhì)的差異,安寧河斷裂帶以冕寧為界可以劃分為南北兩段(何宏林和池田安隆,2007;冉勇康等,2008a,b).快波優(yōu)勢偏振得到的結(jié)果與研究人員給出安寧河的分段特征非常一致.結(jié)合安寧河斷裂帶自然分段特征和快波偏振特征,本文將研究區(qū)分為3個區(qū)域(圖4):A區(qū)(A1為安寧河北段及其鄰區(qū);A2為鮮水河和龍門山斷裂交匯區(qū)),B區(qū)(B1為安寧河南段及其鄰區(qū);B2為大涼山斷裂中段區(qū)域)和C區(qū)(C1為則木河北段及其鄰區(qū);C2為麗江—小金河斷裂帶木里分段地區(qū);C3為則木河斷裂帶普格分段處),分別討論三個區(qū)域內(nèi)臺站快波偏振特征.

川滇應(yīng)力區(qū)東邊界(應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶)基本上與川滇菱形塊體的東邊界相吻合,安寧河—則木河斷裂帶位于川滇菱形塊體東邊界帶上(崔效鋒等,2006),因此決定了安寧河—則木河斷裂帶復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境.震源機制結(jié)果表明以麗江—小金河斷裂為界,川滇菱形塊體北部的區(qū)域主壓應(yīng)力為WNW-ESE到近EW向,川滇菱形塊體南部的區(qū)域主壓應(yīng)力由北向南從近EW到NW-SE、NNW-SSE(徐杰,1977;闞榮舉等,1977).基于接收函數(shù)方法反映的全地殼各向異性表明沿安寧河—則木河斷裂帶的快波方向分布復(fù)雜(Huang et al.,2022).華南地塊平均主壓應(yīng)力方向為NW-SE向(徐錫偉等,2003;劉平江等,2007).A1區(qū)為安寧河北段及其鄰區(qū)(圖4、圖5),臺站所在區(qū)域分布的斷層從西到東分別為NNE-SSW向的麗江—小金河斷裂北段、近乎N-S向的安寧河斷裂帶北段和NNW-SSE向的大涼山斷裂帶北段.A1區(qū)大部分臺站快波偏振方向為NW-SE和WNW-ESE(圖4,圖5),與川滇塊體南部以及華南地塊主壓應(yīng)力方向一致,表明區(qū)域應(yīng)力場對中上地殼各向異性起主要約束作用.A1區(qū)中部相鄰的XC06和XC09臺除了較強的NW-SE向偏振方向外,同時表現(xiàn)出近E-W向的偏振方向,圖4中震源機制得到的壓應(yīng)力方向同樣表明XC06和XC09臺附近壓應(yīng)力方向不同于周邊,反映出XC06和XC09臺站所在地各向異性和應(yīng)力環(huán)境相較于周邊地區(qū)存在差異.XGP臺擁有129條有效數(shù)據(jù),事件主要集中在臺站西南側(cè),快剪切波優(yōu)勢偏振方向較為復(fù)雜,以NW-SE向為主,同時又可以看出明顯的近N-S向和近E-W向,反映出該區(qū)既受到區(qū)域應(yīng)力場的約束,同時受到區(qū)域復(fù)雜構(gòu)造影響.XC08和XC11臺相鄰,均表現(xiàn)出了NE-SW向的快波偏振方向,不同于A1區(qū)大部分臺站快波偏振方向,反映出該區(qū)具有差異性的局部構(gòu)造特征和應(yīng)力環(huán)境.XC11臺快波優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向,同時具有較強的NE-SW向快波偏振方向,反映出XC11臺各向異性主要受控于區(qū)域主壓應(yīng)力,同時受到與XC08臺相似的局部構(gòu)造影響.石玉濤等(2013)得到SMI(石棉)臺快波偏振方向為WNW-ESE向,近E-W向,本文SMI臺快波優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向.本文數(shù)據(jù)篩選條件要求震中距小于震源深度(即入射角小于45°),獲得窗口內(nèi)數(shù)據(jù)有93個.石玉濤等(2013)根據(jù)地震目錄和研究區(qū)域速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選(結(jié)合邵玉平等(2017)川西速度模型得到的結(jié)果,其選擇的入射角小于52°),窗口內(nèi)數(shù)據(jù)有32個.從本文SMI快波偏振方向圖中(圖5),可以看到該臺除具備第一優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向,同時具備第二優(yōu)勢偏振方向E-W到WNW-ESE,其中第二優(yōu)勢偏振方向與石玉濤等(2013)結(jié)論相符.所以二者研究結(jié)果不矛盾,只是本文受益于有效記錄更多、篩選條件更嚴(yán)格、揭示了更多的信息.此外,李君等(2019)應(yīng)用震源機制反演了區(qū)域應(yīng)力場,SMI臺附近的壓應(yīng)力則更接近于NW-SE向(圖4),這一結(jié)果與本文SMI臺揭示的第一優(yōu)勢偏振方向一致.

圖5 A區(qū)及其鄰區(qū)臺站快波偏振方向空間分布圖等面積投影玫瑰圖展示出快波偏振方向. 玫瑰圖上為臺站名及臺站所記錄到的有效波形個數(shù). 其他同圖1.Fig.5 Spatial distribution of fast shear-wave polarizations beneath the stations in A subzone and its adjacent area Equal-area projection rose diagram shows the polarization of fast shear-wave. The name of the station and the number of effective recordings are shown on the rose diagram. Others are same as Fig.1.

A2區(qū)為鮮水河和龍門山斷裂交匯區(qū),存在AJWA、HCP和XC01三個臺站.AJWA臺快波偏振方向為NNE-SSW近N-S向,HCP臺快波偏振方向復(fù)雜、以NE-SW和NW-SE向為主,XC01臺快波偏振方向為WNW-ESE向近E-W向.高原等(2018)推斷鮮水河?xùn)|南端、龍門山西南端和安寧河斷裂帶形成的“Y”字型典型構(gòu)造的主壓應(yīng)力方向為近EW向,震源機制同樣表明該區(qū)主壓應(yīng)力方向為近EW向(李君等,2019).XC01臺的快波偏振方向與該區(qū)主壓應(yīng)力場方向一致,反映出區(qū)域應(yīng)力場控制的中上地殼各向異性.AJWA臺位于龍門山西南段NNE-SSW向斷裂上,快波偏振方向與斷裂走向一致,反映出其中上地殼各向異性主要受控于斷裂結(jié)構(gòu).HCP臺位于鮮水河?xùn)|南段NNW-SSE向斷裂和龍門山斷裂帶西南段NNE-SSW向斷裂的交匯處,快波偏振方向較為復(fù)雜.尹迪等(2022)通過地震危險性數(shù)值分析指出,龍門山斷裂帶西南段與鮮水河斷裂交匯處是本文研究區(qū)發(fā)震概率最大區(qū)域,對應(yīng)于HCP臺所在位置.

B1區(qū)為安寧河南段及其鄰區(qū)(圖4、圖6),區(qū)域內(nèi)的臺站整體表現(xiàn)出了NE-SW向的優(yōu)勢偏振方向.區(qū)域內(nèi)臺站的偏振方向與川滇菱形塊體以及華南地塊的背景主壓應(yīng)力方向垂直,表現(xiàn)出差異性的局部優(yōu)勢偏振方向,揭示了塊體之間相互作用產(chǎn)生局部復(fù)雜構(gòu)造特征和應(yīng)力分布特點,可能反映了該區(qū)受局部NE-SW向擠壓作用影響.XC17臺位于斷裂上,快波偏振方向與斷裂走向一致,表現(xiàn)出構(gòu)造各向異性特征.B2區(qū)的XC16和XC36臺分別表現(xiàn)出NW-SE向和NE-SW向快波偏振方向.XC16臺遠(yuǎn)離安寧河南段,快波偏振方向與周邊大涼山斷裂走向一致,反映出斷裂構(gòu)造控制的中上地殼各向異性.XC36臺NE-SW向的偏振方向與B1區(qū)臺站的優(yōu)勢偏振方向一致,反映出受局部應(yīng)力控制的各向異性.

圖6 B區(qū)及其鄰區(qū)臺站快波偏振方向空間分布圖 等面積投影玫瑰圖展示了快波偏振方向. 玫瑰圖上為臺站名及臺站所記錄到的有效波形個數(shù).其他同圖1.Fig.6 Spatial distribution of fast shear-wave polarizations beneath the stations in the B subzone and its adjacent area Equal-area projection rose diagram shows the polarization of fast shear-wave. The name of the station and the number of effective recordings are shown on the rose diagram. Others are same as Fig.1.

C1區(qū)為則木河北段及其鄰區(qū)(圖4、圖7),臺站所在區(qū)域分布的斷層主要以近NS向和NW-SE向為主.剪切波偏振分析得到的C1區(qū)大部分臺站快波偏振方向為NW-SE和WNW-ESE(圖7),與川滇菱形塊體南段和華南地塊主壓應(yīng)力方向一致,反映了區(qū)域主壓應(yīng)力方向.與此同時,我們注意到C1區(qū)中的YYC和XC32臺位于NW-SE走向的則木河斷裂帶附近,快波偏振方向與斷裂帶走向一致,或許表明這些臺站偏振方向既反映了區(qū)域主壓應(yīng)力方向,又受到了斷裂帶產(chǎn)生的微裂隙影響.C2為麗江—小金河斷裂帶木里分段地區(qū),MLI臺和YYU臺分別表現(xiàn)出NNW-SSE和ENE-WSW向的快波偏振方向.邵玉平等(2017)得到MLI臺快波偏振方向為NNW-SSE向,與本文的研究結(jié)果一致.MLI臺的快波偏振方向與川滇菱形塊體南部背景主壓應(yīng)力方向一致,反映了區(qū)域主壓應(yīng)力方向.YYU臺位于近EW向斷裂附近,表現(xiàn)出來的ENE-WSW向的偏振方向,與背景主壓應(yīng)力方向垂直,其各向異性主要受到附近斷裂影響.C3為則木河斷裂帶普格分段處,PGE臺表現(xiàn)出NW-SE和NE-SW向兩個偏振方向.快波偏振方向復(fù)雜,反映出區(qū)域構(gòu)造的復(fù)雜.

2.2 安寧河—則木河及其鄰區(qū)慢波時延空間分布特征

研究表明,鮮水河—小江斷裂帶的左旋走滑由NW向轉(zhuǎn)變?yōu)榻黃N向,斷裂強烈轉(zhuǎn)折區(qū)吸收了部分走滑分量并轉(zhuǎn)化為應(yīng)變積累,呈高應(yīng)力分布特征(萬永魁等,2021).圖8給出了各臺站慢波時間延遲分布特征,可以看出XC27臺(西昌附近)和HCP(XC02)臺位于鮮水河—小江斷裂帶中走向不同斷裂帶的轉(zhuǎn)折區(qū),各向異性程度較強,與萬永魁等(2021)研究結(jié)論有很好的對應(yīng)關(guān)系.本文計算了各個區(qū)的歸一化時間延遲.A1區(qū)時間延遲平均值為1.4 ms·km-1;B1區(qū)時間延遲平均值為1.5 ms·km-1;C1區(qū)(除XC27、YYC、XSB臺外)時間延遲平均值為1.5 ms·km-1;C1區(qū)北部的安寧河和則木河交匯處西昌附近(XC27、YYC、XSB臺)時間延遲平均值為3.5 ms·km-1;A2區(qū)的XC01、AJWA、HCP臺時間延遲平均值為2.9 ms·km-1;B2區(qū)的XC36臺時間延遲平均值為3.19 ms·km-1;C2區(qū)的MLI臺時間延遲平均值為3.93 ms·km-1;C3區(qū)的PGE臺時間延遲平均值為3.26 ms·km-1;時間延遲較大區(qū)域主要位于斷裂交匯區(qū)(XC27、YYC、XSB、XC01、AJWA、HCP臺)和斷裂帶不連續(xù)處(MLI、PGE、XC36臺),反映出中上地殼各向異性程度與區(qū)域構(gòu)造密切相關(guān).

圖8 慢波時間延遲分布特征及康定地震、石棉地震空間位置分布 紅色圓圈和藍(lán)色圓圈分別代表固定臺和流動臺的時間延遲,圓的大小表示時間延遲的大小.圖中的地震分別為康定MS6.4、 瀘定MS6.8、石棉MS4.5、石棉MS4.3.其他同圖1.Fig.8 Spatial distribution of delay time of slow shear-wave and Kangding, Shimian mainshocks The red and blue circles represent the delay time of slow shear-wave at permanent and temporary stations, and the size of the circle is proportional to delay-time. The earthquakes in green stars are Kangding MS6.4, Luding MS6.8, Shimian MS4.5 and Shimian MS4.3 respectively. Others are same as Fig.1.

2.3 康定地震和石棉地震前后快波偏振方向的時間變化

圖8中標(biāo)示了石棉地震、康定地震和臺站位置的空間分布.石棉地區(qū)處于巴顏喀拉塊體、川滇塊體和華南地塊3個塊體交匯處,發(fā)育著安寧河斷裂和大涼山斷裂2條近NS向的斷裂(如圖1,徐錫偉等,2017).2018年5月16日,石棉地區(qū)連續(xù)發(fā)生的MS4.3、MS4.5是本文研究區(qū)域兩次較大地震.研究區(qū)最近的一次強震為2014年11月22日康定MS6.4地震,解朝娣等(2021)通過研究康定地震的應(yīng)力觸發(fā),指出鮮水河斷裂帶南段和安寧河斷裂帶受到了一定的應(yīng)力加載作用,未來地震活動的趨勢可能會加強.為探索地震發(fā)生前后區(qū)域應(yīng)力特征變化,本文以康定地震和石棉地震為界,分析了位于石棉縣附近的XC04、XC05、SMI、XMI、XGP、XC06、XC07、XC09共8個臺站2013年1月到2019年12月的快波偏振方向變化特征.文中所指2018年5月16日石棉地震以MS4.5為代表.表2給出了臺站與兩次地震之間的距離,石棉周邊臺站到石棉MS4.5地震的距離為3.9～25.2 km,到康定MS6.4地震的距離為128.8～155.6 km.

表2 相關(guān)臺站與兩次主震的距離Table 2 Epicenter distance between the stations and two major mainshocks

圖9給出了石棉附近8個臺站的快波偏振方向的時間分段與時間變化圖,可看到所選地震的深度分布和偏振方向隨時間的變化情況.為了分析地震前后快波偏振方向的變化,表3統(tǒng)計了兩次地震前后8個臺站快波偏振方向的平均值,并把相應(yīng)的平均值繪制在圖9中.可看出XC04、XC05、XC06、XC09臺的快波偏振方向平均值在兩次地震前后出現(xiàn)了先逆時針變化后順時針變化的趨勢;XC07臺為不斷順時針變化的趨勢;SMI、XMI臺為先順時針后逆時針變化的趨勢;XGP臺為不斷逆時針變化的趨勢.通過平均值獲得的這種變化趨勢在不同階段的快波偏振方向中也有顯示(圖9),以展現(xiàn)出相同變化趨勢的XC04、XC05、XC06、XC09臺的快波偏振方向為例:XC04臺在石棉地震前的優(yōu)勢偏振方向以NW-SE為主,同時顯現(xiàn)出較為明顯的WNW-ESE向,石棉地震后則主要顯現(xiàn)出NW-SE向的優(yōu)勢偏振方向,可以看出石棉地震前后從WNW-ESE向到NW-SE向順時針變化的趨勢;XC05臺在康定地震前后快波優(yōu)勢偏振方向分別為NNW-SSE向和從NW-SE到NNW-SSE向,可以看出明顯的逆時針變化趨勢,石棉地震后N-S方向的偏振方向明顯增強,表現(xiàn)出明顯的順時針變化趨勢.XC06臺在康定地震前快波優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向,近E-W向也有較強分布,康定地震后(石棉地震前)快波優(yōu)勢偏振方向為E-W向,可以看出明顯的逆時針變化趨勢,石棉地震后NW-SE向偏振方向明顯增強,表現(xiàn)出明顯的順時針變化趨勢.XC09臺在康定地震前快波優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向和近E-W向,康定地震后(石棉地震前)快波優(yōu)勢偏振方向以E-W向為主,表現(xiàn)出逆時針變化趨勢,石棉地震后NW-SE向偏振方向增強,表現(xiàn)出順時針變化趨勢.從臺站分布圖(圖4)上可以看出XC04、XC05、XC06、XC09臺總體位于所分析的8個臺站的西側(cè),更靠近安寧河斷裂帶北段的石棉—冕寧段斷裂帶.SMI臺和XMI臺位于石棉縣的東西兩側(cè),更靠近大涼山斷裂帶的北部.XC07臺同樣位于大涼山斷裂帶的北部,只不過比SMI臺和XMI臺偏南一些.XGP臺相較于其他7個臺站,距離斷裂帶更遠(yuǎn),快波偏振方向更為復(fù)雜.從上面8個臺站快波偏振方向的時間分段與時間變化圖(圖9)可以看出,具有相同偏振方向變化特征的臺站在位置上具有一定的規(guī)律,如靠近安寧河斷裂帶北段的石棉—冕寧段斷裂帶的臺站變化趨勢一致,位于石棉左右兩側(cè)的SMI臺和XMI臺的變化趨勢一致.

表3 兩次地震前后快波平均偏振方向(°)Table 3 The average polarizations of fast shear-wave in two mainshocks (°)

3 討論

3.1 安寧河—則木河斷裂帶中上地殼各向異性的分段性

安寧河北段和南段形變閉鎖深度分別為6.2±3.6 km和16.8±2.0 km,南段閉鎖深度大于北段,南段的應(yīng)力積累強于北段(易桂喜等,2004;李姜一等,2020).GPS水平速度場結(jié)果(Li et al.,2023)表明:安寧河北段與安寧河南段水平運動方向存在差異,安寧河北段及其鄰區(qū)為由NW向SE方向運動,而安寧河南段及其鄰區(qū)為由NNW向SSE運動.圖1和圖2表明:歷史強震主要發(fā)生在安寧河南段,而近期地震則主要分布在安寧河北段.上述前人研究表明:安寧河北段與南段在地震分布、應(yīng)力狀態(tài)、運動方向及閉鎖狀態(tài)存在明顯差異.快波偏振結(jié)果(圖4、圖5、圖6、圖7)表明:安寧河斷裂帶以冕寧為界,安寧河北段快波優(yōu)勢偏振方向為NW-SE向,與區(qū)域主壓應(yīng)力場方向一致,南段快波優(yōu)勢偏振方向為NE-SW向,與區(qū)域主壓應(yīng)力場方向近乎垂直,因此安寧河北段和南段各向異性結(jié)果存在明顯差異.由于安寧河南北兩段閉鎖深度差異較大,近期地震主要發(fā)生在安寧河北段,因此震源機制得到的最大主壓應(yīng)力P軸方向結(jié)果也主要分布于安寧河北段,很難獲得安寧河南段震源機制結(jié)果(圖1).各向異性的結(jié)果揭示了安寧河南段差異性局部構(gòu)造特征和應(yīng)力環(huán)境,可能反映了該區(qū)主要受局部NE-SW向擠壓作用影響.安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶地震各向異性研究結(jié)果有很強的相似性:龍門山斷裂帶北東段上多數(shù)臺站快波偏振方向為北東向,與斷裂帶走向以及壓應(yīng)力方向平行;龍門山西南段上大多數(shù)臺站的快波偏振方向為北西向,與斷裂帶走向以及壓應(yīng)力方向垂直(石玉濤等,2013).則木河斷裂帶北段表現(xiàn)出和安寧河北段一致的快波優(yōu)勢偏振方向(NW-SE向),同樣反映了區(qū)域應(yīng)力場控制的中上地殼各向異性.大部分臺站的偏振方向具有區(qū)域一致性,HCP、XGP和PGE臺站偏振方向較為復(fù)雜,我們發(fā)現(xiàn)HCP臺位于WNW-ESE向鮮水河斷裂帶和NE-SW向龍門山斷裂帶交匯處,PGE臺位于則木河斷裂帶的分段處,XGP臺地震事件主要集中在西南側(cè),而西南側(cè)區(qū)域存在明顯的地形差異.剪切波分裂的研究表明,復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造和區(qū)域斷裂的影響都會引起剪切波偏振方向的復(fù)雜(高原等,2013),說明這三個臺站可能受到復(fù)雜環(huán)境的影響.AJWA、XC16臺位于斷裂帶附近,快波偏振方向與斷裂走向一致,反映了偏振方向主要受附近構(gòu)造的影響,不受區(qū)域應(yīng)力場控制.YYU臺位于近E-W向斷裂附近,快波偏振方向不同于周邊臺站,為ENE-WSW向.

慢波時間延遲與裂隙的密度有關(guān),用來描述介質(zhì)各向異性的強弱.研究區(qū)內(nèi)時間延遲較大的地區(qū)有5個(圖8),從大到小分別是:XC27>MLI>HCP>PGE>XC36.慢波時間延遲較大,揭示出這些區(qū)域具有較大的各向異性程度.5個地區(qū)均位于斷裂帶交匯處和斷裂帶分段處,或許暗示著這些斷裂活動性較強.

XC27臺(西昌地區(qū))所在地區(qū)是安寧河斷裂和則木河斷裂的轉(zhuǎn)折區(qū)域,也是快波偏振方向的轉(zhuǎn)折區(qū)域,同時還是區(qū)域各向異性程度最大的地區(qū),因此是各向異性研究中值得關(guān)注的地區(qū).HCP、PGE臺既是快波偏振方向復(fù)雜區(qū)又是慢波時間延遲較大區(qū)域,同樣值得關(guān)注.近年,針對該區(qū)的地震危險性研究不鮮見,如地震危險性數(shù)值分析(尹迪等,2022)指出龍門山斷裂帶西南段與鮮水河斷裂帶交匯處是本文研究區(qū)發(fā)震概率最大區(qū)域,對應(yīng)于HCP臺所在位置.萬永革等(2009)的研究表明,汶川地震后,普格附近的閉鎖程度明顯加強,則木河斷裂中段應(yīng)變積累能力得到加強.2022年9月5日四川瀘定發(fā)生MS6.8地震,該地震就位于HCP臺附近(如圖8).MLI、XC36臺同樣具有較大的時間延遲,偏振方向不同于周邊臺站,同樣是值得關(guān)注的地區(qū).

3.2 地震前后各向異性參數(shù)的變化特征

安寧河北部石棉—冕寧段附近的臺站(XC04、XC05、XC06、XC09臺)快波偏振方向平均值在兩次地震(康定地震和石棉地震)前后有先逆時針變化后順時針變化的趨勢;大涼山斷裂帶的北部的SMI和XMI臺為先順時針后逆時針變化的趨勢;同樣位于大涼山斷裂帶的北部,比SMI和XMI臺偏南一些的XC07臺為不斷順時針變化的趨勢;XGP臺相較于其他7個臺站,距離石棉地震和周邊斷裂帶的空間距離更遠(yuǎn),其快波偏振方向復(fù)雜,為不斷逆時針變化的趨勢.相似偏振方向變化的臺站在空間分布上具有一定的一致性,表明快波偏振方向變化特征與臺站所在位置密切相關(guān),通過平均值獲得的這種變化趨勢在不同階段的快波偏振方向中也可以反映出來(見2.3節(jié)).反映了地震對不同區(qū)域的影響不同,與臺站周邊構(gòu)造密切相關(guān).考慮到康定地震和石棉地震深度、發(fā)震位置存在差異,分析地震前后偏振方向的變化時,空間尺度不均同樣值得重點考慮.

4 結(jié)論

本文獲取了安寧河—則木河斷裂及鄰區(qū)各向異性時空分布特征.結(jié)果表明:以冕寧為界,安寧河斷裂北段區(qū)域應(yīng)力場對中上地殼各向異性起主要約束作用;安寧河斷裂南段的各向異性結(jié)果揭示了安寧河南段受局部構(gòu)造和應(yīng)力影響,可能反映了該區(qū)受局部NE-SW向擠壓作用;則木河北段地震各向異性與區(qū)域最大主應(yīng)力方向一致.

研究區(qū)存在時間延遲較大的5個區(qū)域,從大到小為:XC27>MLI>HCP>PGE>XC36.這5個臺站均表現(xiàn)出快波偏振方向的差異,表現(xiàn)出較強的各向異性特征,其中2022年9月5日四川瀘定發(fā)生MS6.8地震,就位于HCP臺附近.安寧河北部石棉—冕寧段附近的臺站的地震各向異性參數(shù)在兩次地震(康定地震和石棉地震)前后呈現(xiàn)變化趨勢,暗示中上地殼各向異性特征受到地震應(yīng)力積累與釋放過程的影響.由于康定地震和石棉地震深度、發(fā)震位置存在差異,因此不排除空間位置差異引起這種變化.

則木河斷裂的西昌到普格段有較好的臺站分布,普格到巧家段幾乎沒有臺站,因此本文無法給出普格到巧家段中上地殼各向異性特征.此外,剪切波分裂參數(shù)(慢波時間延遲)隨時間的變化也是各向異性研究較為主要的一個研究方向,限于本文的篇幅,我們將另文做更為詳盡的分析與討論.

致謝感謝中國地震局地球物理研究所“中國地震科學(xué)探測臺陣數(shù)據(jù)中心”為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)(doi:10.12001/ChinArray.Data),本研究使用了中國地震局地震預(yù)測研究所高原研究員團(tuán)隊研發(fā)的剪切波分裂SAM軟件,特此致謝.感謝審稿專家對論文提出的寶貴修改意見和建議.