祁連山—六盤山地震帶地殼各向異性特征初步研究

潘宇航+程建武+鮑子文+蒲舉

摘要：利用2010年1月至2015年12月甘肅省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的地震波形資料，使用SAM方法，獲得了祁連山—六盤山地震帶地區(qū)21個(gè)臺(tái)站的快剪切波偏振方向和慢剪切波的時(shí)間延遲，分析討論了該地震帶地殼介質(zhì)各向異性空間分布特征。結(jié)果表明：大部分臺(tái)站的快波偏振優(yōu)勢(shì)方向明顯與區(qū)域內(nèi)的主壓應(yīng)力方向一致，呈近NE-NEE方向，表明來自印度板塊和歐亞板塊的NNE或NE向的水平擠壓應(yīng)力控制了祁連山—六盤山地震帶的中上地殼應(yīng)力場(chǎng)。但局部區(qū)域的快剪切波偏振方向與斷裂走向一致，表明該區(qū)各向異性具有差異性，主要是由復(fù)雜的活動(dòng)構(gòu)造所造成。

關(guān)鍵詞：地殼各向異性；剪切波分裂；偏振；主壓應(yīng)力

中圖分類號(hào)：P3153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）01-0122-07

0引言

祁連山—六盤山地震帶處于印度和歐亞板塊碰撞擠壓的轉(zhuǎn)折過渡區(qū)域，位于阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊與青藏塊體的交匯地帶。該地區(qū)屬于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍的區(qū)域，主要受到NE向的現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，使之產(chǎn)生強(qiáng)烈的地殼變形和斷裂活動(dòng)，地震活動(dòng)強(qiáng)烈，地震災(zāi)害較為嚴(yán)重（鄧起東等，2002）。因此對(duì)祁連山—六盤山地震帶地區(qū)開展剪切波分裂的研究有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造特征和地震活動(dòng)性。

一般來說，地殼和上地幔介質(zhì)普遍存在地震各向異性。在應(yīng)力作用下，引起地殼各向異性的主要原因是由于地殼中充滿了大量定向排列的微裂隙，簡(jiǎn)稱EDA（Extensive—dilatancy Anistropy）（Crampin 1981；Crampin，Booth，1985）。剪切波分裂是研究地殼介質(zhì)各向異性和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的有效手段之一（Crampin et al，2002；高原等，2008a，b；吳晶等，2010）。通常來說，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诟飨虍愋越橘|(zhì)傳播時(shí)，剪切波會(huì)分裂成2個(gè)近似相互垂直的子波，即快剪切波和慢剪切波?？旒羟胁ǖ膬?yōu)勢(shì)方向與裂隙走向一致，即與原地主壓應(yīng)力方向一致（Crampin，1984），因此快剪切波的偏振方向可以較好地反映出研究區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力的方位（李金等，2015）；慢剪切波的時(shí)間延遲不僅能反映介質(zhì)各向異性的強(qiáng)度，更能夠描述區(qū)域應(yīng)力環(huán)境的動(dòng)態(tài)特征（Gao et al，1998，2004；Crampin et al，1999；丁志峰等，2008）。

目前，很多學(xué)者使用各種地震學(xué)方法對(duì)該地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)、變形模式以及各向異性進(jìn)行了大量研究（常利軍等，2008；張輝等，2012；王瓊等，2013；Xu et al，2014；Wu et al，2015；姜永濤等，2015）。但利用“十五”項(xiàng)目的密集臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，針對(duì)祁連山—六盤山地震帶及鄰區(qū)更大范圍內(nèi)開展區(qū)域地殼各向異性的研究還有待進(jìn)一步深入探討。本文利用2010年1月至2015年12月甘肅省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)“十五”寬頻帶數(shù)字地震波形資料，基于剪切波分裂原理，計(jì)算了祁連山—六盤山地震帶地區(qū)21個(gè)臺(tái)站下方的地殼各向異性參數(shù)，分析了該區(qū)地殼各向異性的分布特征，討論了地殼各向異性與地殼內(nèi)部構(gòu)造特征和區(qū)域應(yīng)力分布關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系。

1構(gòu)造背景概況

祁連山—六盤山地震帶西起甘肅昌馬，東至陜西寶雞，長(zhǎng)約1 200 km，在青藏塊體東北部的邊緣呈北西向展布，是青藏高原最年輕的構(gòu)造帶之一。由于長(zhǎng)期受到印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓作用，該地震帶不斷遭受構(gòu)造隆升并逐漸成為高原的一部分（Tapponnier et al，2001；鄧起東等，2002；柴熾章等，2003；袁道陽(yáng)等，2004）。第四紀(jì)以來，祁連山—六盤山地震帶的構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈，是中上地殼介質(zhì)最易形變和流動(dòng)的地區(qū)，其內(nèi)部發(fā)育著多條NWW、NW、NNW向的斷層（圖1）。區(qū)域內(nèi)不同走向的斷裂銜接相交，構(gòu)成了該區(qū)域復(fù)雜的孕震環(huán)境和構(gòu)造背景。本區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)頻度高、震級(jí)大、地震災(zāi)害嚴(yán)重。自1900年以來，區(qū)內(nèi)發(fā)生了1920年海原85級(jí)、1927年古浪80級(jí)、1932年昌馬76級(jí)、1954年山丹73級(jí)等地震。最近的一次是2016年1月21日門源64級(jí)地震。

根據(jù)震源機(jī)制解資料（許忠淮，2001；張輝，2007），得到祁連山—六盤山地震帶現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹E至NEE向，區(qū)域內(nèi)地震震源機(jī)制類型主要是走滑型和逆斷型（崔效鋒等，2005）。水壓致裂地應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果也顯示祁連山—六盤山地震帶現(xiàn)今地殼應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E至NEE向（王學(xué)潮等，2000）。

本文采用剪切波分裂系統(tǒng)分析（SAM）方法（高原等，2004），研究祁連山—六盤山地震帶地殼介質(zhì)的各向異性特征。該方法是在相關(guān)函數(shù)的基礎(chǔ)上提出的一種用于剪切波分裂分析的系統(tǒng)分析方法，具有自我檢驗(yàn)的特點(diǎn)，可提高分析結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，其具體原理和方法可參考高原和鄭斯華（1994），高原等（2008a，b），石玉濤等（2008）等。

本文使用了甘肅省測(cè)震臺(tái)網(wǎng)21個(gè)臺(tái)站所記錄的2010—2015年祁連山—六盤山地震帶區(qū)域內(nèi)的27 855次近場(chǎng)小震的波形數(shù)據(jù)。在泊松比為025的情況下，剪切波窗口一般為約35°的入射角（Crampin，Pacock，2005），但是由于地殼頂部低速沉積層的存在，有效的剪切波窗口一般能拓寬到45°～50°（Gao et al，1998；Crampin，Pacock，2005），在此基礎(chǔ)上挑選出波形質(zhì)量好、可用于近震剪切波分裂分析的波形數(shù)據(jù)。另外，剪切波分裂計(jì)算還要求選取的數(shù)據(jù)具有較高的信噪比，因此先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了帶通濾波處理，濾波范圍為1～15 Hz。圖2為采用Butterworth濾波器濾波后的地震三分向記錄，2012年9月2日9時(shí)46分ML19地震的震源深度為6 km，震中距為625 km。從圖中可以看到，該地震剪切波清晰可見，波形信噪比較高。同時(shí)，為了保證截取Sg波段數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和計(jì)算結(jié)果的可靠性，避免自動(dòng)拾取震相時(shí)對(duì)結(jié)果的影響，文中所有的Sg波震相都是人工拾取，同時(shí)刪除震相不清晰的事件。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)地震事件的震源深度在5～20 km之間（圖3）。

圖4分別給出剪切波偏振圖和偏振分析檢驗(yàn)圖的實(shí)例。從圖4a中可以看出2列剪切波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡并不是線性的，在經(jīng)過波形旋轉(zhuǎn)和時(shí)間延遲校正之后，2列剪切波的偏振圖表現(xiàn)為接近線性的特征（圖4b），這表明計(jì)算結(jié)果是比較可靠的。

3結(jié)果與分析

由研究區(qū)域內(nèi)各臺(tái)站快剪切波偏振方向的等面積投影玫瑰圖（圖5）可以看出，祁連山—六盤山地震帶的中部以及東西兩側(cè)的各向異性存在明顯的分區(qū)特征。因此，可將研究區(qū)域粗略地劃分為4個(gè)區(qū)域：西緣、中西段、中東段和東緣。從整體上來說，大部分臺(tái)站的快剪切波偏振方向主要顯示為近NE方向，與前人研究結(jié)果（張輝等，2012；郭桂紅等，2015）大體一致。

祁連山—六盤山地震帶的西緣是阿爾金活動(dòng)斷裂切截祁連山諸構(gòu)造的交匯區(qū)，中強(qiáng)震比較頻繁，尤以1932年昌馬地震著名。該區(qū)域平均快波偏振方向?yàn)镹E（355°±1088°），平均快慢波時(shí)間延遲為（079±052）ms/km。SBC、CHM臺(tái)快剪切波偏振方向表現(xiàn)出較好的近NE向，研究結(jié)果顯示該區(qū)域地殼介質(zhì)主要受到區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)和阿爾金斷裂走滑剪切的雙重作用。

中西段地處河西走廊，是青藏塊體向阿拉善地塊應(yīng)力傳遞的過渡區(qū)域，包括QTS、JFS、SNT、QIL、MEY、GTA、ZHY、SDT、HXP臺(tái)。該區(qū)域發(fā)育多組近平行的斷裂：龍首山南緣斷裂、榆木山斷裂、昌馬斷裂、祁連山北緣斷裂等。根據(jù)剪切波分裂分析結(jié)果，該區(qū)域的快剪切波偏振方向?yàn)榻麼E向，平均偏振方向?yàn)?6°±1120°。但本區(qū)域內(nèi)，位于冷龍嶺斷裂帶北西方向的MEY臺(tái)快波偏振方向?yàn)镹W向，與斷裂的走向斜交，因此可以推測(cè)MEY臺(tái)下方快波偏振方向可能是受到局部構(gòu)造和主壓應(yīng)力場(chǎng)的雙重制約。整體上，該區(qū)域臺(tái)站下方的快剪切波偏振方向一致性較高，表現(xiàn)與河西走廊的主壓應(yīng)力狀態(tài)一致，受斷層的影響較小。本研究認(rèn)為，可能由于臺(tái)站附近的斷層對(duì)該地區(qū)地殼各向異性的影響較弱，區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)起主導(dǎo)作用，也從另一個(gè)側(cè)面暗示了該區(qū)域在深部構(gòu)造變形達(dá)到一定均衡性，說明該研究區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)分布具有一定的均勻性和一致性。

中東段處于青藏塊體、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯區(qū)域，位于隴中盆地西北緣，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，多條斷層發(fā)育，包括NW走向的海原斷裂、NNW走向的莊浪河斷裂和皇城—雙塔斷裂、EW走向的武威—天祝斷裂等。其中，SGT、GLT、JTA、YDT臺(tái)的快剪切波平均偏振方向顯示出2個(gè)優(yōu)勢(shì)方向：NE向和NW向?？旒羟胁ㄆ穹较虻牡谝粌?yōu)勢(shì)取向反映了該區(qū)域的水平主壓應(yīng)力方向，快剪切波偏振方向的第二優(yōu)勢(shì)取向揭示了NWW的局部構(gòu)造意義，表明快波偏振方向受本區(qū) NW向斷裂帶的影響。例如，武威—天祝斷裂和皇城—雙塔斷裂交匯部分的SGT臺(tái)，其快剪切波偏振方向出現(xiàn)NE和NW兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，SGT臺(tái)的第一優(yōu)勢(shì)方向NE向與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力背景一致（謝富仁等，2004），而NW向的優(yōu)勢(shì)方向則受到了皇城—雙塔斷裂和武威—天祝斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。

東緣位于鄂爾多斯西南緣，是海原斷裂和六盤山斷裂的銜接區(qū)域，包括JTA、HYU、XJI、GYU臺(tái)。根據(jù)區(qū)內(nèi)各臺(tái)站獲得的剪切波分裂結(jié)果，得到研究區(qū)內(nèi)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)榻麼W向。區(qū)域內(nèi)XJI臺(tái)的快剪切波的偏振方向與緊鄰臺(tái)站的快剪切波偏振方向差異較大，顯示出明顯NE向，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能與XJI臺(tái)所處的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境有關(guān)。統(tǒng)計(jì)得到，除XJI臺(tái)之外，研究區(qū)IV區(qū)的快剪切波的平均偏振方向?yàn)?35°±896°，平均慢剪切波時(shí)間延遲為（110±081）ms/km。

4結(jié)論

通過對(duì)祁連山—六盤山地震帶地區(qū)21個(gè)臺(tái)站的剪切波分裂的研究，得到如下結(jié)論：

大部分臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)方向明顯與區(qū)域內(nèi)的主壓應(yīng)力的方向一致，呈近NE-NEE向，表明來自印度板塊和歐亞板塊的NNE或NE向的水平擠壓應(yīng)力控制了祁連山—六盤山地震帶的中上地殼應(yīng)力場(chǎng)。但局部區(qū)域的快剪切波偏振方向與斷裂走向一致，表明該區(qū)各向異性具有差異性，主要是由活動(dòng)構(gòu)造影響造成的。研究區(qū)域快剪切波偏振方向由西至東表現(xiàn)為：西緣地區(qū)快剪切波偏振方向?yàn)榻麼E向，產(chǎn)生各向異性的原因可能是區(qū)域主壓應(yīng)力場(chǎng)和阿爾金斷裂走滑剪切的共同作用；中西段快剪切波偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致性較好，受斷層的影響較小，推測(cè)該區(qū)域深部構(gòu)造變形達(dá)到一定的均衡性，進(jìn)而使該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)具有均勻性和一致性特征；中東段快剪切波偏振方向則顯示出復(fù)雜的分布，對(duì)應(yīng)了該地區(qū)受到多個(gè)地塊互相作用、山區(qū)盆地交錯(cuò)出現(xiàn)、多條斷裂相交的多重因素的制約，使快剪切偏振方向具有一定的離散性；東緣區(qū)域快波偏振方向?yàn)榻麼W向，在空間上具有明顯的沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的特征。

本研究使用的波形資料和地震目錄由甘肅省地震局提供，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SAM軟件，北京大學(xué)冀戰(zhàn)波博士、新疆維吾爾自治區(qū)地震局蘇金波和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)崔輝輝博士對(duì)本文給予了悉心指導(dǎo)與幫助，在此一并表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

柴熾章，馬禾青，金春華2003祁連山—六盤山地震帶中強(qiáng)地震活動(dòng)特點(diǎn)及震前異常特征[J].西北地震學(xué)報(bào)，25（4）：354-358

常利軍，王椿鏞，丁志峰，等2008青藏高原東北緣上地幔各向異性研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，51（2）：431-438

崔效鋒，謝富仁，趙建濤2005中國(guó)及鄰區(qū)震源機(jī)制解的分區(qū)特征[J].地震地質(zhì)，27（2）：298-307

鄧起東，張培震，冉勇康，等2002中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造基本特征[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，32（12）：1020-1030

丁志峰，武巖，王輝，等20082008年汶川地震震源區(qū)橫波分裂的變化特征[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，53（12）：1600-1604

高原，劉希強(qiáng)，梁維，等2004剪切波分裂系統(tǒng)分析方法（SAM）軟件系統(tǒng)[J].中國(guó)地震，20（1）：101-107

高原，石玉濤，梁維，等2008a剪切波分裂分析系統(tǒng)SAM（2007） ——軟件系統(tǒng)[J].中國(guó)地震，24（4）：345-353

高原，吳晶2008b利用剪切波各向異性推斷地殼主壓應(yīng)力場(chǎng)：以首都圈地區(qū)為例[J].科學(xué)通報(bào)，53（23）：2933-2939

高原，鄭斯華1994唐山地區(qū)剪切波分裂研究（Ⅱ）—相關(guān)函數(shù)分析法[J].中國(guó)地震，（增刊1）：11-21

郭桂紅，張智，程建武，等2015青藏高原東北緣地殼各向異性的構(gòu)造含義[J].地球物理學(xué)報(bào)，58（11）：4092-4105

姜永濤，張永志，吳然，等2015青藏高原東緣地應(yīng)變演化特征[J].地震工程學(xué)報(bào)，37（1）：152-158

李金，高原，徐甫坤，等20152014年5月30日盈江61級(jí)地震序列剪切波分裂研究[J].中國(guó)地震，31（2）：245-252

石玉濤，高原，吳晶，等2008剪切波分裂分析系統(tǒng)SAM（2007） ——區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)資料應(yīng)用實(shí)例[J]中國(guó)地震，24（4）：354-361

王瓊，高原，石玉濤，等2013青藏高原東北緣上地幔地震各向異性：來自SKS、PKS和SKKS震相分裂的證據(jù)[J].地球物理學(xué)報(bào)，56（3）：892-905

王學(xué)潮，郭啟良，張輝，等2000青藏高原東北緣水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，6（2）：64-70

吳晶，高原，石玉濤，等2010基于地殼介質(zhì)各向異性分析江蘇及鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，53（7）：1622-1630

謝富仁，崔效鋒，趙建濤，等2004中國(guó)大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分區(qū)[J].地球物理學(xué)報(bào)，47（4）：654-662

許忠淮2001東亞地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力圖的編制[J].地震學(xué)報(bào)，23（5）：492-501

袁道陽(yáng)，張培震，劉百篪，等2004青藏高原東北緣晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造的幾何圖像與構(gòu)造轉(zhuǎn)換[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，78（2）：270-278

張輝，高原，石玉濤，等2012基于地殼介質(zhì)各向異性分析青藏高原東北緣構(gòu)造應(yīng)力特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，55（1）：95-104

張輝2007青藏高原東北緣基于小震震源機(jī)制解的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征研究[D].蘭州：中國(guó)地震局蘭州地震研究所

CRAMPIN S，BOOTH D C1985Shear-wave polarizations near the North Anatolian Fault – IIInterpretation in terms of crack-induced anisotropy[J].Geophysical Journal International，83（1）：75-92

CRAMPIN S，PACOCK S2005A review of shear-wave splitting in the compliant crack-critical anisotropic Earth[J].Wave Motion，41（1）：59-77

CRAMPIN S，VOLTI T，STEFANSSON R1999A successfully stress-forecast earthquake[J].Geophysical Journal International，138（1）：1-5

CRAMPIN S，VOLYI T，CHASTIN S，et al2002Indication of high pore-fluid pressures in a seismically-active fault zone[J].Geophysical Journal International，151（2）：1-5

CRAMPIN S1981Review of wave motion in anisotropic and cracked media[J].Wave Motion，3（4）：343-391

CRAMPIN S1984Effective anisotropic elastic constants for wave propagation through cracked solids[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society，76（1）：135-145

GAO Y，CRAMPIN S2004Observations of stress relaxation before earthquakes[J].Geophysical Journal International，157（2）：578-582

GAO Y，WANG P，ZHENG S，et al1998Temporal changes in shear-wave splitting at an isolated swarm of small earthquakes in 1992 near Dongfang，Hainan Island，southern China[J].Geophysical Journal International，135（1）：102–112

TAPPONNIER P，ZHIQIN X，ROGER F，et al2001Oblique stepwise rise and growth of the Tibet plateau[J].Science，294（5547）：1671-1677

WU J，ZHANG Z，KONG F，et al2015Complex seismic anisotropy beneath western Tibet and its geodynamic implications[J].Earth and Planetary Science Letters，413：167-175

XU T，WU Z，ZHANG Z，et al2014Crustal structure across the Kunlun fault from passive source seismic profiling in East Tibet[J].Tectonophysics，627：98-107