四川宜賓地區(qū)S波分裂特征

吳朋 蘇金蓉 黃春梅 黃東劍 段云歌

1）四川省地震局，成都市人民南路三段29號(hào) 610041

2）四川省宜賓市防震減災(zāi)局，四川宜賓 644000

0 引言

地殼介質(zhì)中存在的大量充滿液體的微裂隙會(huì)在應(yīng)力作用下呈定向排列，這是地殼介質(zhì)呈各向異性的主要原因。當(dāng)S波穿過(guò)各向異性介質(zhì)時(shí)，會(huì)分裂為速度不同、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相互垂直的快、慢S波（Crampin，1978；Crampin et al，1985；高原等，1996；吳晶等，2007；太齡雪等，2009；劉莎等，2014）?？觳ㄆ駜?yōu)勢(shì)方向與微裂隙的排列方向一致，即與原地主壓應(yīng)力方向一致；慢波到時(shí)受到介質(zhì)中裂隙的物理特性和流體特性的變化影響，對(duì)地殼應(yīng)力變化敏感（Crampin，1981；Booth et al，1990；劉莎等，2015）；因此利用S分裂方法可以直觀地監(jiān)測(cè)地殼應(yīng)力的變化。研究表明，位于活動(dòng)斷裂帶上臺(tái)站快波偏振優(yōu)勢(shì)方向在斷裂活動(dòng)期間往往與該斷裂帶走向一致（Gao et al，2003；吳晶等，2007；石玉濤等，2013；常利軍等，2015），復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造可能造成多個(gè)優(yōu)勢(shì)快波偏振方向（吳晶等，2007；張永久等，2008；石玉濤等，2013）。

研究表明，由于受鹽礦產(chǎn)區(qū)進(jìn)行的注水-抽水影響，四川長(zhǎng)寧地區(qū)自2006年以來(lái)地震活動(dòng)突然大幅度增加（阮祥等，2008）。本文選出自2000年四川地震臺(tái)網(wǎng)有數(shù)字記錄以來(lái)至2015年12月31日的長(zhǎng)寧地區(qū)ML≥3.0的地震，其地震活動(dòng)分析如圖1所示。從圖1可以看出，2006年起長(zhǎng)寧地區(qū)3級(jí)以上地震頻次開始明顯增加，其中ML4.0～4.9有27次，ML5.0～5.9有1次，2013年4月25日ML5.2地震是該區(qū)域有記錄以來(lái)最大地震。對(duì)該區(qū)地殼應(yīng)力場(chǎng)的研究是了解其地震活動(dòng)增強(qiáng)的重要方面，基于剪切波分裂獲取研究區(qū)域中上地殼各向異性是直觀方法之一（Crampin，1985；吳晶等，2010）。

圖1 2000～2015年長(zhǎng)寧地區(qū)3級(jí)以上地震M-t圖

本文利用宜賓地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)站以及周邊區(qū)域臺(tái)站在2013年4月25日～2015年12月31日記錄到的地震波形資料，測(cè)定S波分裂參數(shù)，并分析隨時(shí)間和空間的變化特征，尤其是在2次MS≥4.0地震前后的變化，從而對(duì)震源區(qū)地殼應(yīng)力在地震前后的變化特征進(jìn)行討論。

2013年4月25日ML5.2地震位于四川盆地東南緣的長(zhǎng)寧縣雙河鎮(zhèn)，鄰近華鎣山斷裂帶東側(cè)，構(gòu)造上為長(zhǎng)寧背斜西段的核部附近。長(zhǎng)寧北背斜為復(fù)式背斜，主軸總體走向NW-SE，西段轉(zhuǎn)為近EW，北西翼陡，傾角約40°～60°，南東翼緩，傾角約17°～32°。該背斜構(gòu)造發(fā)育有諸多規(guī)模不大的斷層，主要斷裂往往與褶皺伴生，多呈高角度逆斷性質(zhì)。地震密集分區(qū)處的地表斷裂比較集中，主要有大地灣斷層、瓦房頭斷層和大佛崖斷層等，均呈逆斷性質(zhì)（圖2）。大地灣斷層總體呈NEE走向，地表見其發(fā)育于古生界之中，傾向NW，傾角79°，被NW向大佛崖斷層橫切；瓦房頭斷層走向?yàn)镹EE向，傾向SE，傾角近于直立；大佛崖斷層則為NW走向，傾向NE，傾角約60°。

1 資料及分析方法

本文采用了研究區(qū)11個(gè)數(shù)字臺(tái)站（（CNI、GXA、XWE、PSA、GYN、JAN、ZDU、NXI、JLI、HWS、YAJ）在2013年4月25日～2015年12月31日記錄到的地震數(shù)據(jù)。這些臺(tái)站均采用3分量地震計(jì)，采樣率為100采樣點(diǎn)／秒。

S波入射到地表時(shí)，如果入射角大于臨界角就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。用在S波分裂分析的地震波形記錄要求在S波窗內(nèi)。理論上，對(duì)于泊松介質(zhì)（泊松比為0.25），S波的入射窗口約為35°（Booth et al，1985）。由于低速沉積盆地的存在以及入射到地表時(shí)波前是曲面，這樣使得“S波窗”可能擴(kuò)大。根據(jù)四川盆地速度結(jié)構(gòu)特征（趙珠等，1987），四川盆地地殼分層厚度依次為1.48、16.28、22.33、12.71、1.95km，對(duì)應(yīng)P波速度分別為5.81、5.82、6.47、8.21、8.62 km／s。假設(shè)一個(gè)地震的震源深度為5km，震中距為5km，按照單層均勻模型簡(jiǎn)單計(jì)算得出S波入射角為37.8°，但是按照分層模型計(jì)算地表入射角為45.0°，實(shí)際工作中選用S波入射角≤45°的波形資料進(jìn)行分析。

圖2 研究區(qū)主要斷裂、地震及地震臺(tái)站分布圖

本文采用縱橫比法測(cè)定快波偏振方向，再用偏振法測(cè)定慢波到時(shí)。具體步驟為：

（1）挑選S波到時(shí)清晰可靠的地震波形事件數(shù)據(jù)，重新拾取S波到時(shí)。

（2）選取S波到時(shí)前20個(gè)采樣點(diǎn)和到時(shí)后15個(gè)采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，給出這段波形的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡（一般取S波到時(shí)后15個(gè)采樣點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要增減采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)），從軌跡圖中挑選出快S波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)為線性或近于線性（圖3）的數(shù)據(jù)；根據(jù)縱橫比法計(jì)算出快波偏振方向，利用偏振圖法來(lái)檢驗(yàn)利用縱橫比法計(jì)算出的快波偏振方向。

（3）將2個(gè)水平分量的地震圖旋轉(zhuǎn)到快波偏振方向和慢波方向，可看到2個(gè)不同到時(shí)的S波震相，便可以從地震圖上測(cè)定慢波延遲時(shí)間（圖3）。

圖3 S波分裂分析示例

2 結(jié)果及討論

本文采用縱橫比與偏振分析法相結(jié)合測(cè)定了研究區(qū)域內(nèi)11個(gè)臺(tái)站S波分裂參數(shù)，其中有10個(gè)臺(tái)站得到結(jié)果。表1給出了這10個(gè)臺(tái)站的S波分裂參數(shù)，測(cè)定結(jié)果中有效記錄5條的以上共計(jì)8個(gè)臺(tái)站，其中CNI、GXA這2個(gè)臺(tái)站S波分裂結(jié)果在150條以上，CNI臺(tái)得到S波分裂結(jié)果最多達(dá)188條。

表1 10個(gè)臺(tái)站S波分裂結(jié)果

10個(gè)臺(tái)站快波偏振方向及位于臺(tái)站“S波窗口”內(nèi)地震方位分布見圖4。其中有9個(gè)臺(tái)站呈現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢(shì)方向，僅GXA臺(tái)沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)方向。結(jié)果表明，該區(qū)域臺(tái)站快波優(yōu)勢(shì)偏振主要呈3個(gè)方向：NE、NW以及NS。位于研究區(qū)南端的JLI、YAJ、XWE等3個(gè)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)偏振方向主要為NS；ZDU臺(tái)的優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹W；HWS、JAN、CNI等3個(gè)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)偏振方向表現(xiàn)為NE向；PSA臺(tái)有2個(gè)突出的快波偏振方向分別為NW、NE。

慢波延遲時(shí)間不僅與介質(zhì)各向異性程度有關(guān)，還與在各向異性介質(zhì)中傳播路徑長(zhǎng)度有關(guān)。為了消除傳播路徑對(duì)慢波延遲時(shí)間的影響，將慢波延遲時(shí)間除以震源距進(jìn)行歸一化處理，即將每千米的時(shí)間延遲大小表示為ms／km。歸一化延遲時(shí)間的結(jié)果顯示，這10個(gè)臺(tái)站的慢波延遲時(shí)間均大于3.0ms／km；慢波延遲時(shí)間最大者為距ML5.2地震最近的CNI臺(tái)，為11.95ms／km。

2.1 快波偏振方向空間分布

快波偏振優(yōu)勢(shì)方向與地殼中定向排列的裂隙走向一致，通常能反映當(dāng)?shù)刂鲏簯?yīng)力的方向（高原，1999）。本文將前文得出的結(jié)果結(jié)合宜賓地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)特征和斷裂分布情況，進(jìn)一步分析宜賓地區(qū)的各向異性空間分布特征。宜賓地區(qū)是華鎣山斷裂的起始端（秦萬(wàn)成，1980；徐世榮，1986），由GPS測(cè)量得到的主壓應(yīng)變方向?yàn)镹W向（Gan et al，2007；Wang et al，2001）。地震密集分布區(qū)域主要構(gòu)造為長(zhǎng)寧背斜，總體走向?yàn)镹W向，西段轉(zhuǎn)為近EW向；主要斷層有大地灣斷層、瓦房頭斷層和大佛崖斷層，均呈逆斷層性質(zhì)。大地灣斷層總體呈NEE走向，被NW向大佛崖斷層橫切；瓦房頭斷層走向?yàn)镹EE向；大佛崖斷層則為NW走向。我們將這10臺(tái)站的快波偏振方向置于構(gòu)造背景中，便可呈現(xiàn)出空間分布特征（圖5）。

CNI臺(tái)站位于地震密集區(qū)域內(nèi)，處于大地灣斷層附近，該臺(tái)站有2個(gè)突出的快波偏振方向：NEE向和NW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE向且與大地灣斷裂走向一致。研究結(jié)果表明，位于活動(dòng)斷裂附近臺(tái)站的快波優(yōu)勢(shì)方向與活動(dòng)斷裂的走向有關(guān)（Crampinet al，1999；常利軍，2015）。四川地震臺(tái)網(wǎng)編目結(jié)果顯示，2013年4月25日ML5.2地震和2015年2月7日ML4.8地震震中位置均位于大地灣斷層附近，表明采鹽注水使得大地灣斷裂趨于活躍。JAN和HWS這兩個(gè)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹E向，與臺(tái)站附近的華鎣山斷裂走向基本一致。GXA臺(tái)位于地震密集分布區(qū)的邊緣，快波偏振方向較為離散，沒有明顯的優(yōu)勢(shì)取向。YAJ、JLI、XWE等3個(gè)臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)榻麼S向。

圖4 10個(gè)臺(tái)站S波偏振方向等面積極射投影與等面積投影玫瑰圖

華鎣山斷裂西側(cè)的ZDU臺(tái)的優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹W向，與GPS測(cè)量區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致（Wang et al，2001；Gan et al，2007）。PSA臺(tái)有2個(gè)彼此近似垂直的優(yōu)勢(shì)偏振方向，一個(gè)為NE向，與華鎣山斷裂走向一致，另一個(gè)為NW向，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向相同。GYN臺(tái)因只有1條記錄，數(shù)據(jù)被舍棄。

圖5 研究區(qū)域內(nèi)各觀測(cè)臺(tái)站快波偏振方向等面積投影玫瑰圖分布以及地震分布

2.2 慢波延遲時(shí)間的變化

慢波延遲時(shí)間對(duì)地殼中微裂隙的幾何形態(tài)以及密度較為敏感，因此它在一定程度上反映了地殼中應(yīng)力的分布特征（Crampin，1981；Booth et al，1990）。根據(jù)地殼中微裂隙不同參數(shù)對(duì)慢波延遲時(shí)間的影響，將地震射線與裂隙面夾角范圍在15°～45°之間的地震定義為區(qū)域1（band-1），地震射線與裂隙面夾角＜15°的地震定義為區(qū)域2（band-2）。區(qū)域1的慢波延遲時(shí)間對(duì)地殼應(yīng)力作用下的微裂隙幾何形態(tài)較為敏感；而區(qū)域2的慢波延遲時(shí)間對(duì)地殼中裂隙的密度較為敏感，但裂紋密度在低于破裂臨界狀態(tài)和破裂水平之下時(shí)，不受應(yīng)力微小變化的影響（Crampin，1999；Gao et al，2008；李金等，2014）。

考慮慢波延遲時(shí)間的離散性，本文采用9點(diǎn)滑動(dòng)平均來(lái)表示慢波延遲時(shí)間在時(shí)間域上的變化。本文重點(diǎn)選取了地震分布密集區(qū)域內(nèi)的CNI臺(tái)進(jìn)行分析，由該臺(tái)得到的188條剪切波分裂結(jié)果見圖6。從圖6可看出，CNI臺(tái)的慢波延遲時(shí)間分布在2.29～32.05ms／km范圍，均值為11.95ms／km，2013年4月25日發(fā)生ML5.2地震到2013年8月期間，滑動(dòng)平均值紊亂。2015年2月7日ML4.8地震前3個(gè)月（2014年10月～2015年1月6日）的延遲時(shí)間范圍為在4.1～6.3ms／km，直到2015年1月13日觀測(cè)到慢波延遲時(shí)間突然增加到24.1ms／km。Gao等（2008）對(duì)15個(gè)震例中的S波分裂參數(shù)延遲時(shí)間變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，大地震發(fā)生前觀測(cè)到的S波分裂延遲時(shí)間會(huì)明顯增加，而臨震前的短時(shí)間內(nèi)時(shí)間延遲時(shí)間會(huì)突然下降。2015年2月7日ML4.8地震前，由于得到的S波分裂參數(shù)太少，故未發(fā)現(xiàn)觀測(cè)延遲時(shí)間的下降過(guò)程。

圖6 CNI臺(tái)站慢波時(shí)間隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

本文測(cè)定了2013年4月25日～2015年12月31日期間宜賓地區(qū)地震波觀測(cè)臺(tái)站的S波分裂參數(shù)，總結(jié)分析出這10個(gè)臺(tái)站的S波分裂參數(shù)的特征為：

（1）華鎣山斷裂兩側(cè)臺(tái)站快波優(yōu)勢(shì)方向有所不同，位于華鎣山斷裂以西臺(tái)站（ZDU、PSA臺(tái)）優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹W向，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向一致；位于華鎣山斷裂以東臺(tái)站（HWS、JAN臺(tái)）優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹E向，與華鎣山斷裂走向方向一致；位于地震密集分布區(qū)域內(nèi)的CNI臺(tái)優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹E向，與臺(tái)站附近的斷裂帶走向基本一致；研究區(qū)域南段的3個(gè)臺(tái)站（JLI、YAJ、XWE）優(yōu)勢(shì)偏振方向近NS向。

（2）CNI臺(tái)站的慢波延遲時(shí)間顯示：2次MS4.0地震后的時(shí)間段內(nèi)慢波延遲時(shí)間較為紊亂；在2015年2月7日ML4.8地震前觀測(cè)到慢波延遲時(shí)間有明顯的上升趨勢(shì)。

致謝：宜賓市防震減災(zāi)局為本文提供了寶貴的波形資料；四川省地震監(jiān)測(cè)中心編目全體人員提供了觀測(cè)報(bào)告和地震目錄；中國(guó)地震地球物理研究所劉莎博士、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所吳晶副研究員以及審稿專家為本文提出了寶貴的意見和建議，作者在此一并表示感謝。