2014年5月30日盈江6.1級地震序列剪切波分裂研究

李金 高原 徐甫坤 向陽 向元 劉庚

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學二街338號 830011

2)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

3)云南省地震局，昆明 650224

0 引言

在地殼中產(chǎn)生各向異性的主要因素是大量充滿液體的定向排列的微裂隙，當剪切波穿過這種各向異性介質(zhì)傳播時會分裂為快剪切波和慢剪切波(Crampin，1978)?？旒羟胁ǖ膬?yōu)勢偏振方向與裂隙走向一致，即與原地主壓應力方向一致;慢剪切波的時間延遲與介質(zhì)的各向異性程度有關。地殼的各向異性特征受構造、巖相、斷裂分布和應力環(huán)境等因素的影響，并與地殼運動特征密切相關，區(qū)域性很強(高原等，1995)。由于快剪切波偏振方向反映了地震臺站下方地殼的主壓應力的方向，因而可以用來研究地殼應力狀態(tài)及應力場的變化。Gao等(2004)的研究表明，剪切波分裂參數(shù)可以反映震前的應力積累和臨震前的應力釋放過程，并可應用于地震預測研究。Crampin等(1999)基于冰島地區(qū)的波形資料利用剪切波分裂方法對冰島西南部發(fā)生的M5.0地震作出了成功預測。最新的研究結果表明，慢剪切波的時間延遲對裂隙的孔隙壓變化具有很好的反映(Tang et al，2005)。Mizuno等(2005)在日本Atotsugawa斷層附近進行的剪切波分裂研究表明，原地最大水平主壓應力方向與斷層走向之間的夾角隨著斷層與臺站之間距離的增加而增加，即隨著與斷層距離的增加，臺站下面的原地主壓應力受到的斷層影響逐漸減小，而更加趨向于區(qū)域應力場方向。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，2014年5月24日04時49分云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣發(fā)生5.6級地震，隨后30日09時20分再次發(fā)生6.1級地震。截至2014年6月30日，盈江地震序列共發(fā)生ML≥1.0地震5786次(圖1)，其中ML1.0～1.9的4388次，ML2.0～2.9的1160次，ML≥3.0地震240次。而自5.6級前震至6.1級主震發(fā)生約6天的時間內(nèi)共發(fā)生ML≥1.0余震1165次，其中ML1.0～2.0的931次，ML2.0～2.9的181次。豐富的波形資料為后續(xù)開展數(shù)字地震研究提供了數(shù)據(jù)基礎。此外，云南省地震局在盈江5.6級地震后迅速在震中附近架設流動臺以獲取更多資料，其中距5.6級地震震中最近的流動臺為卡場臺(KAC)，震中距約10km，卡場臺的波形數(shù)據(jù)在2014年5月26日11時并入?yún)^(qū)域地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。

圖1 2014年5月24日～6月30日盈江6.1級地震序列震中分布圖

盈江地震未發(fā)生在主要斷裂上，距震中最近的大盈江斷裂在其東南方向約40km。大盈江斷裂北起騰沖以西，南止西帕河，全長140km，走向 N40°～75°E，主體傾向 NW，局部傾向SE，傾角較陡，彼此呈左階羽列分布。總體而言，斷裂以水平左旋運動為主，NE段滑動速率為1.5～2.5mm/a，SW段為1.2～1.6mm/a(安曉文等，2009;常祖峰等，2011)。近些年，該地區(qū)曾發(fā)生過多次震級與此相當?shù)牡卣穑?008年3月21日5.0級及8月20、21日5.0級、5.8級，2009年9月6日5.8級，2011年3月10日5.9級及6月20日、8月9日5.3級、5.2級地震。

1 方法

本研究采用“剪切波分裂系統(tǒng)分析法”——即 SAM方法(高原等，2004b)，它是在相關函數(shù)的基礎上提出的一種分析方法。SAM方法包括相關函數(shù)計算、時間延遲校正和偏振分析檢驗等3個部分，具有自我檢驗的特點。新的SAM方法軟件系統(tǒng)已升級為SAM(2007版)(高原等，2008)，具體的計算原理和分析方法見相關文獻(高原等，1994、1995、1996;石玉濤等，2008)。

使用地表臺站記錄波形分析剪切波時要求地震射線滿足剪切波窗口的約束條件。剪切波入射到地表時，若入射角大于臨界角會發(fā)生全反射現(xiàn)象。為了避免發(fā)生全反射現(xiàn)象，在挑選數(shù)據(jù)時應選擇剪切波窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)。在理論上，對于泊松介質(zhì)(泊松比為0.25)臨界角約為35°。根據(jù)對大量實際資料的分析可知，如果使用近似單層介質(zhì)計算入射角，則選擇入射角≤45°的波形資料即可滿足剪切波窗口的約束條件(Crampin，2005)。圖2顯示了對卡場臺(KAC)記錄到的1次地震事件使用SAM方法進行剪切波分裂的實例。該地震為2014年5月31日發(fā)生的2.7級地震，震中距為7.98km，震源深度為8.6km。由于剪切波已經(jīng)發(fā)生了分裂，在水平方向上2個分量的剪切波的質(zhì)點運動軌跡并不是線性的。如果快剪切波的偏振方向為α，將剪切波按α角進行順時針旋轉(zhuǎn)得到快、慢剪切波;再進行時間延遲校正，將慢剪切波提前以扣除時間延遲的影響，最終得到偏振圖，此時的2列剪切波的偏振圖應該表現(xiàn)為更接近線性的偏振。若快剪切波偏振方向的計算結果不正確，由于快、慢剪切波相互混在一起，則得不到分離的快、慢剪切波。若時間延遲的計算結果不正確，則扣除時間延遲影響的剪切波偏振圖是非線性的。如果發(fā)現(xiàn)結果有偏差，則需要根據(jù)波形和偏振特征進行修正，這也正是SAM方法的優(yōu)勢所在(高原等，1995、1996、2004a)。

2 研究結果

通過對距盈江6.1級地震震中最近的卡場臺(KAC)波形資料的分析，得到了盈江地震序列中86個地震的快波偏振方向?？▓雠_(KAC)的等面積投影玫瑰圖(圖3(a))顯示，盈江地震序列快波偏振的優(yōu)勢方向為近SN向，而崔效鋒等(1999)運用逐次收斂法對中國西南及鄰區(qū)進行的應力場反演結果表明，該地區(qū)最大主應力方位為200°，另崔效鋒等(2006)給出的滇西南地區(qū)最大主應力方位為201°，均與本研究中盈江地震序列快波偏振方向較為接近。

為了進一步分析盈江6.1級地震序列的剪切波分裂特征，本文以6.1級地震為時間節(jié)點分別研究6.1級地震的前震序列、余震序列的剪切波分裂特征。前震序列在剪切波窗口內(nèi)共有18個地震的波形較為清晰，適合進行剪切波分裂研究。由6.1級地震前卡場臺快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖(3(b))可以看出，優(yōu)勢方向為200°且更加集中，18個地震中有14個地震的快波偏振方向為200°±5°。此結果與崔效鋒等(1999)給出的該區(qū)最大主應力方位完全一致。對6.1級地震后的68個地震進行分析處理后，得到卡場臺6.1級地震后快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖(3(c))，其優(yōu)勢方向為175°。所有的68個地震中，50個地震的快波偏振方向為175°±10°。由圖3(b)、3(c)可明顯看出，盈江6.1級地震前后卡場臺的快剪切波偏振方向發(fā)生了較為明顯的變化，由主震前的200°偏轉(zhuǎn)為主震后的175°。此外，對盈江地震序列快剪切波偏振方向隨時間的變化進行了研究，將前震序列18個地震分為2組做快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖(圖4(a)、4(b))，2組中快剪切波優(yōu)勢偏振方向均為200°，與圖3(b)中整個前震序列的結果一致。將余震序列68個地震按發(fā)震時間先后順序分為7組，前6組每組10個地震，最后1組8個地震。由其快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖(圖4(c)～4(i))可以看出，其優(yōu)勢方向仍較為明顯，均以近NS向為主，但部分時段快波偏振的優(yōu)勢方向出現(xiàn)NNE向(圖4(e)、4(g))，也有部分時段出現(xiàn)NNW向(圖4(h)、4(i))?？傮w來看6.1級地震后卡場臺快波偏振方向較震前紊亂，這表明6.1級地震對震源區(qū)附近應力場產(chǎn)生了一定程度的擾動。

圖3 盈江地震序列卡場臺(KAC)的快剪切波偏振方向等面積極射投影圖與等面積投影玫瑰圖

圖4 盈江地震序列快剪切波偏振方向隨時間的變化

已有研究表明，在研究剪切波分裂特性時，需要把地震事件按照特別分區(qū)進行分組。射線方向與裂隙面相交在15°～45°之間的區(qū)間定義為1角區(qū)，而射線與裂隙面相交的角度＜15°的兩側方向上的區(qū)間定義為2角區(qū)(Crampin et al，1999)。圖5顯示了1角區(qū)和2角區(qū)的射線路徑。通過圖5可以清楚地看到，1角區(qū)實質(zhì)上有2個區(qū)，在地震臺站兩側各有1個，在1角區(qū)中的分裂剪切波時間延遲對裂隙縱橫比的變化較敏感，在2角區(qū)中的分裂剪切波時間延遲主要對裂隙密度的變化較敏感(高原等，2004a)，但在低于破裂臨界狀態(tài)或破裂水平之下時，裂隙密度將不受應力微小變化的影響(Crampin et al，1999)。在小地震不斷發(fā)生的情況下，微小應力變化更多地受到裂隙縱橫比的控制，因此可以由1角區(qū)射線路徑的平均時間延遲變化來監(jiān)測微小應力的變化。

根據(jù)上述分區(qū)結果，利用通過SAM分析得到的快剪切波偏振優(yōu)勢方向，將位于卡場臺剪切波窗口內(nèi)的地震事件按照特別分區(qū)進行分組，得到64個位于1角區(qū)內(nèi)的地震事件的剪切波分裂時間延遲。由盈江地震序列剪切波分裂時間延遲(Δt)及其M-t圖可以清楚地看出Δt的時間變化特征(圖 6)，即 Δt分布在 0.69～4.84ms/km范圍內(nèi)，均值為1.788ms/km。以6.1級地震前、后為界，2014年5月24日5.6級地震之后，從有數(shù)據(jù)記錄開始到5月30日6.1級地震之前，Δt總體上呈現(xiàn)較低的水平，均值為1.73 ms/km。隨后5月30日盈江6.1級地震發(fā)生，而震后Δt值相對較高，均值為2.83 ms/km。Gao等(2004)通過總結已有的有關剪切波分裂時間變化特征的觀測研究和相關實驗結果，以及對冰島2002年3月底小震群的新資料的分析，獲得ML1.7～MS6.0共5個震例和2個巖石實驗例子，得到震前應力釋放的結論，這意味著，在震前Δt值會出現(xiàn)下降的過程。以往相關研究結果也表明，強震前幾十分鐘至幾個月應力開始釋放，微裂紋的合并與聚合形成觸發(fā)巖石破壞水平的破裂。這種破裂的合并減小了裂紋密度(因為合并使裂紋的數(shù)目減少)和平均縱橫比，從而導致了1角區(qū)中時間延遲的減小(Gao et al，2008)。2000年6月17日冰島6.6級地震前，該地區(qū) SAU臺站的剪切波分裂時間延遲變化也呈現(xiàn)出臨震的下降過程;在2001年6月8日云南施甸5.3級強余震前Δt同樣呈現(xiàn)下降過程(高原等，2004a)。此外，冰島Bianco等(2006)對2001年 Etna火山爆發(fā)前后發(fā)生的134個小震事件所進行的剪切波分裂研究顯示，火山爆發(fā)前70天觀測到了持續(xù)的慢剪切波時間延遲增加的過程，而火山爆發(fā)前2～3天慢剪切波時間延遲開始下降。

圖5 剪切波窗口內(nèi)地震波射線分區(qū)的幾何示意圖(據(jù)Gao等(2008))

圖6 卡場臺記錄的剪切波分裂時間延遲的變化特征

3 結論與討論

本文采用 SAM分析方法，利用2014年5月24日盈江5.6級地震后架設的卡場臺(KAC)記錄到的數(shù)字地震波形資料，對盈江6.1級地震序列進行剪切波分裂特征的研究，得到了卡場臺附近地殼各向異性的初步結果。

盈江6.1級地震序列的快剪切波偏振的優(yōu)勢方向為近NS向，與該地區(qū)最大主應力的方位基本一致。即快剪切波的偏振方向可以反映該區(qū)的構造應力的方位。前震序列快剪切波的優(yōu)勢偏振方向為200°，與震源區(qū)附近最大主應力方位吻合，6.1級主震后的余震序列快剪切波的優(yōu)勢偏振方向為175°，較前震序列及該區(qū)的最大主應力方位產(chǎn)生了25°的偏轉(zhuǎn)。但一個明顯的現(xiàn)象是，6.1級地震之前的快剪切波偏振方向一致性更好，偏振方向的離散度(標準誤差)更小，6.1級地震之后的快剪切波偏振方向一致性略低，偏振方向的離散度(標準誤差)更大一些。此外，對盈江地震序列快剪切波偏振方向隨時間變化的研究結果也表明，前震序列的快波優(yōu)勢偏振方向與震源區(qū)附近最大主應力方位完全一致，而余震序列的快波優(yōu)勢偏振方向雖與震源區(qū)附近最大主應力方位仍較為接近，均以近NS向為主，但部分時段快波偏振的優(yōu)勢方向為NNE或NNW向。總體來看，6.1級地震后卡場臺快波偏振方向較震前紊亂，這表明6.1級地震對震源區(qū)附近應力場產(chǎn)生了一定程度的擾動。

對卡場臺記錄的波形資料的分析結果顯示，前震序列Δt呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，隨后發(fā)生了2014年5月30日盈江6.1級地震，而震后Δt值恢復至相對較高的水平。

本研究利用卡場臺記錄到的2014年5月30日盈江6.1級地震序列波形資料進行剪切波分裂研究，得到了主震前序列剪切波分裂參數(shù)的一些變化信息。但由于卡場臺為2014年5月24日盈江5.6級地震后架設的應急流動臺站，故未能記錄到震前更長時間的波形資料。若能獲得更長時段的波形資料，將對此類前震的識別研究有更大的幫助。

致謝:云南省地震局和中國地震局監(jiān)測預報司為本研究提供了波形資料，感謝測震分析預報技術管理組對本研究的支持。