2006年3月31日吉林乾安M5.0余震序列S波分裂研究

遲天峰，張新東，鄭國棟，樸 杰，張 宇

(1.吉林省地震局，吉林 長春 130022；2.延邊地震臺，吉林 延吉 133003；3.河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲 056006)

2006年3月31日吉林乾安M5.0余震序列S波分裂研究

遲天峰1，張新東3，鄭國棟1，樸 杰2，張 宇1

(1.吉林省地震局，吉林 長春 130022；2.延邊地震臺，吉林 延吉 133003；3.河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲 056006)

2006年03月31日20時23分，松原市乾安縣與前郭縣交界處的查干花鄉(xiāng)附近(44°36′ N，124°03′E)發(fā)生5.0級地震，是吉林省近40年來最大一次地震。利用流動臺記錄到的地震波形資料對乾安地震余震序列進(jìn)行S波分裂研究。結(jié)果表明，S波快波偏振方向的優(yōu)勢取向?yàn)镹NE，與乾安地震主震的最大主壓應(yīng)力方向偏差較大，與該區(qū)區(qū)域應(yīng)力場方向不一致，表明這次地震與區(qū)域的構(gòu)造變化和應(yīng)力場調(diào)整有關(guān)。S波分裂時間延時大小受多種因素影響，與S波傳播時經(jīng)過的介質(zhì)性質(zhì)關(guān)系密切，慢波延遲時間在0.02～0.38 s之間變化。

乾安地震； S波分裂；延遲時間

0 引言

自地震學(xué)家Crampin提出S波分裂理論以來[1]，S波分裂方法開始被廣泛應(yīng)用于世界許多地區(qū)地殼各向異性研究，S波分裂對區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和構(gòu)造特征有一定的反映。國內(nèi)外不少學(xué)者對S波分裂也做過很多研究，對我們研究區(qū)域地殼介質(zhì)性質(zhì)和地殼應(yīng)力狀態(tài)，尤其是探討S波分裂參數(shù)在地震前后的時間變化和分析區(qū)域應(yīng)力場變化提供有益參考[2-8]。目前隨著我國數(shù)字地震臺網(wǎng)的建成，對數(shù)字地震波的研究也取得一些新成果，對S波分裂的計(jì)算推廣到單個地震臺站資料。有關(guān)研究結(jié)果表明，S波偏振方向與震源機(jī)制解的主壓應(yīng)力方向一致[2-4]；也有研究結(jié)果表明，S波快波偏振優(yōu)勢方向與地震震源的主壓應(yīng)力方向相差甚大[5]；多數(shù)研究結(jié)果認(rèn)為，快波偏振優(yōu)勢方向與斷裂走向一致或相近[5-6]。

2006年3月31日20點(diǎn)23分，在吉林省松原市前郭和乾安縣之間發(fā)生5.0級地震，地震宏觀震中在松原市前郭縣查干花鄉(xiāng)腰英臺、老英臺一帶。地震發(fā)生后在主震區(qū)周邊布設(shè)流動地震觀測點(diǎn)(圖1)，記錄到大量余震波形資料[9]。本文利用布設(shè)的老英流動臺波形資料，計(jì)算S波快波偏振方向和慢波延遲時間，并結(jié)合松遼盆地的應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造等性質(zhì)，對5.0級地震后余震的S波分裂時間延遲和偏振方向變化特征進(jìn)行初步研究。

圖1 地震現(xiàn)場應(yīng)急流動觀測臺分布圖

1 資料選取

4月1日開始在主震區(qū)周邊陸續(xù)布設(shè)6個流動地震觀測點(diǎn)(乾安臺、二龍山臺、腰英臺、后英臺、老英臺、長嶺臺)。但由于各種因素影響，以老英臺記錄到波形資料效果最好、最完整，且震中距最近。故選取2006年4月1-15日老英臺記錄到的110多個波形事件，選擇高信噪比的資料40個，采樣率50 Hz(圖2)，震級范圍ML0.3～3.7。用于S波分裂研究的波形數(shù)據(jù)需滿足以下條件：① 震中距小于震源深度，即S波理論入射角小于35°，一般選擇波形時入射角小于45°即可；② 選擇S波與P波到時差小于1.2 s的波形記錄是為了滿足波形可以落在S波窗內(nèi)；③ 對近震波形采用6階2～20 Hz的巴特沃茲(Butterworth)帶通濾波器對原始波形進(jìn)行濾波，以抑制噪聲，獲得較高質(zhì)量的波形。

圖2 2006年4月5日 ML2.0余震波形

2 S波分裂的原理方法

選取震中距較近的波形，即出射角小于S波的全反射角sin-1(Vs/Vp)，截取S 波開始一段波形進(jìn)行計(jì)算。以EW向?yàn)槠鹗挤较颍槙r針在180 ° 內(nèi)旋轉(zhuǎn)，延遲時間從0到某個時間進(jìn)行選擇(由于EW和NS方向數(shù)據(jù)在旋轉(zhuǎn)90° 時，數(shù)據(jù)發(fā)生交換，并且不區(qū)分正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，所以，不需要360° 和正負(fù)延遲時間內(nèi)進(jìn)行選擇。如果角度小于90°，表示EW向比NS向慢，否則相反)。

旋轉(zhuǎn)投影的公式為[8]

X(t,θ)=E(t)cosθ-N(t)sinθ

Y(t,θ)=E(t)sinθ-N(t)cosθ

(1)

式中，X(t,θ)和Y(t,θ)分別為旋轉(zhuǎn)后S波水平分量的振幅；E(t)、N(t)分別為東西向和南北向S波分量的振幅；θ為旋轉(zhuǎn)角度。

設(shè)定X方向有一個延遲時間Δt，計(jì)算X(t+Δt)與Y(t)的相關(guān)系數(shù)

(2)

式中，t，t0，Δt，tw分別是波形到時、S波的到時及快慢波到時差和時間窗長度。

3 震源區(qū)應(yīng)力場特征及S波分裂結(jié)果分析

3.1 震源區(qū)應(yīng)力場特征

用CAP(Cut and Paste)方法[10]反演得到的震源機(jī)制解(圖3)與Global CMT[11]結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)果比較接近(表1)，此次地震為逆沖地震兼有走滑成分。通過對3個臺以上記錄到的余震事件進(jìn)行雙差定位[12]，結(jié)果顯示余震分布(圖5)更加集中于極震區(qū)，優(yōu)勢走向北偏東，與NE向雙山-前郭斷裂、大安-德都斷裂走向基本一致。

表1 2006年乾安地震震源機(jī)制解

東北地區(qū)最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹EE-SWW，在主震近水平方向的最大主壓應(yīng)力和近南北向最小主壓應(yīng)力作用下，NNE和NWW 兩個方向上斷層最容易發(fā)生錯動，引起巖石破裂而引發(fā)地震。地震宏觀烈度考察結(jié)果也表明(圖4)：發(fā)震構(gòu)造與NE向及NW向斷裂構(gòu)造有關(guān)[13]。

圖3 用CAP方法反演波形擬合圖

圖4 吉林乾安地震烈度分布圖[16]

圖5 震中區(qū)基底次級斷層及余震震中分布圖[16]

3.2 S波分裂結(jié)果分析

乾安地震序列記錄到的余震數(shù)目不多，且能夠用于S波分裂計(jì)算的事件數(shù)目更少，但該地震序列的S波分裂現(xiàn)象卻很明顯。表2為老英臺記錄的乾安地震序列的S波分裂結(jié)果。由于地震計(jì)采樣率是50 Hz，因此剔除慢波延遲時間小于0.02 s的結(jié)果，得到余震序列的快波偏振方向比較集中，平均最大偏振方向即最大平均主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NE，和雙差定位后的余震分布方向基本一致[12]。圖6為S波分裂平均快波偏振方向優(yōu)勢分布的等面積玫瑰花圖(5°為間隔)。由于同一臺站接收到的不同事件的快S波偏振方向不完全一致，為進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算了平均快波偏振方向和R值(相關(guān)系數(shù))。R值在0～1.0之間，反映了快波偏振方向集中的程度，越接近1.0說明平均快S波偏振方向越集中。選取相關(guān)系數(shù)大于0.84的S波分裂結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，快波偏振方向比較集中為NNE，與區(qū)域應(yīng)力場近東西方向不一致，與余震分布方向較為一致[15]。余震分布方向及余震的S波偏振方向與極震區(qū)烈度長軸走向不一致，烈度長軸走向?yàn)镹W方向(圖4)，余震震中分布呈近NS向(或NNE向)及NWW向排列，S波偏振方向呈NNE方向，可由此判斷發(fā)震斷層為隱伏的NW向斷裂，而余震分布與組成區(qū)域主干斷裂(NW向和NE向斷裂)的次級NNW向或NWW向斷層有關(guān)[13](圖5)。乾安5.0級地震余震序列的平均快波偏振方向與NNE向斷層方向一致性較好，而與主震的主壓應(yīng)力方向接近垂直，與區(qū)域應(yīng)力場方向相差較大。圖7為慢波延時隨地震事件變化圖。慢波延遲時間在0.02～0.38 s之間，主震過后時間延時下降很快，可能和主震過后震源區(qū)巖石裂隙密度、裂隙縱橫比及空隙內(nèi)所含液體等發(fā)生變化有關(guān)，是震后應(yīng)力快速釋放的一個過程。主震前震源區(qū)附近沒有臺站， 沒有可利用的用于S波分裂研究的地震數(shù)據(jù)， 因此震前S波分裂延遲時間大小不清楚。但是主震過后記錄到余震的延遲時間快速衰減，可能與震源區(qū)震前分裂現(xiàn)象變大、應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)，主震過后由于應(yīng)力的釋放，延遲時間減小，分裂現(xiàn)象也隨之減小。由于所記錄到的地震事件時間間隔短時間上分布不均勻，圖7中的橫坐標(biāo)為地震事件序號。

圖6 S波分裂快波偏振方向玫瑰花圖

圖7 S波慢波延時與地震事件曲線圖

表2 乾安地震余震序列S波分裂計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論與討論

通過對2006年3月31日乾安5.0級地震主震震源機(jī)制解和余震序列S波分裂結(jié)果分析表明：

(1)乾安5.0級地震序列的平均快波偏振方向同震源區(qū)NE向斷層走向基本一致，平均最大主壓應(yīng)力方向近NS向，S波偏振優(yōu)勢方向與主震的最大主壓應(yīng)力方向相差甚大。

(2) S波分裂時間延遲對孕震應(yīng)力場反映敏感，慢波延時時間在0.02～0.38 s之間，主震過后時間延時下降很快，可能與震后應(yīng)力快速釋放及分裂現(xiàn)象減小有關(guān)。余震序列的S波分裂延遲時間與震級大小無明顯相關(guān)，尤其是延遲時間快速下降并處于較低狀態(tài)，可能與在很短時間內(nèi)應(yīng)力調(diào)整快、介質(zhì)中的微裂隙遭受不斷改變有關(guān)；由于震前在震源區(qū)附近沒有臺站，沒有記錄到震前S波分裂的延遲時間變化。

(3)由于臺站方位角覆蓋不均勻、數(shù)量少、距離遠(yuǎn)，初動清晰的震相少，用P波初動符號方法獲得的震源機(jī)制解結(jié)果無法確定可靠性，故用CAP方法反演乾安地震主震的震源機(jī)制，并與Global CMT結(jié)果對比，結(jié)果比較接近。

(4)此次地震為逆沖兼走滑型，在東北地區(qū)最大主壓應(yīng)力近EW向作用下，NNE和NWW 兩個方向上斷層最容易發(fā)生錯動引發(fā)地震，此次地震的發(fā)震構(gòu)造與NE向及NW向斷裂構(gòu)造有關(guān)。

(5)此次地震極震區(qū)烈度長軸走向和余震震中分布方向判斷發(fā)震斷層可能為隱伏的NW向斷裂，而余震分布與組成區(qū)域主干斷裂(NW向和NE向斷裂)的次級NNW向或NWW向斷層有關(guān)。

致謝：感謝中國臺網(wǎng)中心劉杰研究員提供的S波分裂程序，并對匿名審稿人提出的寶貴建議表示感謝。

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ShearWaveSplittingAnalysisofthe31March2006Qian’anM5.0EarthquakeSequence

CHI Tian-feng1, ZHANG Xin-dong3, ZHENG Guo-dong1, PIAO Jie2, Zhang Yu1

(1.Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130022, China;2.Yan Bian Seismic Station, Yanji 133003, China;3.Handan Central Seismic Station, Handan 056006, China)

The Qian’anM5.0 earthquake occurred on March 31, 2006 in the center of Songliao basin is the largest earthquake in the last 40 years in Jilin province.This paper analyzes shear-wave splitting using waveform data of Qian’anM5.0 earthquake sequence recorded by Lao-Yingtai station of Jilin Digital Seismic Network.The results show that the dominant polarization of fast shear wave is in NNE direction and does not consist with the maximum principal compression stress direction, which indicate that the earthquake is related with the region stress field adjustment.The time delay of shear wave splitting is 0.02 s-0.38 s.After main shock, the time delay of shear wave splitting dropped apparently which may reflects the release of the principal compression stress.

Qian’an earthquake; S-wave splitting; delay time

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.01.005

2014-03-29

河北省地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“利用爆破和近震來校正井下短周期地震計(jì)方位角”(項(xiàng)目編號：2013310)

遲天峰 (1962-)，男(漢族)，吉林長春人，工程師，主要從事地震執(zhí)法工作.E-mail: 13944824193@139.com.

P315.3

A

1003-1375(2014)01-0022-05