利用主動源研究賓川地區(qū)地殼各向異性

葉泵+楊軍+李孝賓

摘要：通過剪切波分裂法研究2015年11—12月賓川主動源實驗數(shù)據(jù)，對各個臺站的分裂參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：（1）賓川地區(qū)平均剪切波分裂參數(shù)的快波偏振方向為25.1°，上地殼平均慢波延遲為0.006 s/km；（2）賓川地區(qū)的快波方向在區(qū)域內(nèi)變化很大，分布在-9°～66°之間，這種劇烈變化可能與程海斷裂與紅河斷裂在此區(qū)域交匯，造成該區(qū)域塊體結(jié)構(gòu)破碎有關(guān)；（3）研究時間段內(nèi)發(fā)生3次ML≥1.0小震，在地震發(fā)生前后沒有觀測到快波方向和快慢到時差的顯著變化。

關(guān)鍵詞：主動源；各向異性；剪切波分裂

中圖分類號：P315.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0565-07

0引言

云南地區(qū)位于青藏高原、印支地塊和揚(yáng)子地臺相互作用的交匯部分，區(qū)域內(nèi)地震活動性較高，賓川地區(qū)位于云南西部。該地區(qū)位于川滇菱形塊體的西北部，麗江—小金河斷裂帶與金沙江—紅河斷裂在此處匯集，塊內(nèi)活動斷裂發(fā)育，地震活動強(qiáng)烈，無論是橫向還是縱向的地殼各向異性明顯（皇甫崗等，2007；羅睿潔等，2015；王雙緒等，2013），是探討地震活動性與地殼各向異性的理想地區(qū)。

地球介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力積累是地震孕育和發(fā)生過程的重要因素，通過研究地殼內(nèi)各向異性可監(jiān)測地球內(nèi)部微弱的變化，從而為分析地震發(fā)生過程甚至尋找地震的前兆提供了可能（Aggarwal et al，1973）。相對于地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，目前對地球介質(zhì)變化的研究還處于初步階段，由于很難直接深入地球內(nèi)部進(jìn)行測量，只能通過分析地震波來研究地球內(nèi)部的變化（王寶善等，2011）。近年來，利用主動源激發(fā)的地震波來研究地下各向異性，并試圖找出其與地震活動相關(guān)性的研究一直在進(jìn)行。結(jié)合氣槍主動源數(shù)據(jù)和前人的研究成果，本文擬采用剪切波分裂的參數(shù)快波方向和快慢波到時差來描述地殼各向異性的時空變化。

Crampin等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪切波在各向異性介質(zhì)中傳播時，會分裂成兩個波，速度較快的為快剪切波，速度較慢的為慢剪切波，兩列剪切波的偏振方向相互垂直（吳晶，2007）。自這個現(xiàn)象得到土耳其擴(kuò)容計劃項目研究結(jié)果的確認(rèn)以來，地震波各向異性的研究已成為理論地震學(xué)、勘探地震學(xué)、地球動力學(xué)研究以及地震災(zāi)害預(yù)測中的熱點（常利軍等，2008）。剪切波分裂參數(shù)的變化主要受區(qū)域內(nèi)的壓應(yīng)力和斷裂活動控制，地震活動性與其相關(guān)性較高，因此可以通過研究地震前后剪切波分裂參數(shù)的變化來預(yù)報地震。國際上，計算剪切波分裂參數(shù)用的是PS轉(zhuǎn)換波震相，隨著觀測技術(shù)的提升，SKS、SKKS和PKS等震相也被用于剪切波分裂研究，從而將剪切波研究范圍從地殼推向了上地幔。在應(yīng)用領(lǐng)域，由于剪切波分裂特性對地殼應(yīng)力場的微小變化敏感，Crampin等（2004）將其應(yīng)用于臨震預(yù)報，其中最為成功的一次是對冰島6.6級地震的臨震觀測。在國內(nèi)，剪切波分裂應(yīng)用最早是研究華北地區(qū)地殼各向異性，采用的是固定臺站的數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)來源和質(zhì)量的提高，剪切波分裂研究地下介質(zhì)各向異性在中國大陸都有進(jìn)行。具體到本研究區(qū)域，孫長青等（2013）使用云南地區(qū)21個寬頻帶地震臺記錄到的370個遠(yuǎn)震事件的接收函數(shù)，得到賓川地區(qū)的快波偏振方向為100.33°，估算上地殼慢波延遲時間為0.200 s。由于計算中使用臺站較少，數(shù)據(jù)主要是ML≥6.0天然遠(yuǎn)震事件，對結(jié)果分析有較大的限制。前人研究剪切波分裂主要使用的天然地震（王椿鏞等，1997；劉志等，2000），但是，天然地震的頻率低，定位也存在較大的誤差，因此，將人工地震引入剪切波分裂研究介質(zhì)應(yīng)力分布及其變化具有重要的意義。近年來，隨著陸地氣槍技術(shù)的應(yīng)用，利用剪切波分裂分析氣槍產(chǎn)生的地震波獲得了成功（張尉等，2009；趙雯佳等，2013）。

2011年初以來，中國地震局地球物理所與云南省地震局合作在賓川地區(qū)開展主動源項目，布置了40個流動地震臺，收獲了大量的數(shù)據(jù)。本文利用這些數(shù)據(jù)，分析云南賓川地區(qū)的淺部地殼各向異性分布特點。

1資料與方法

2010—2016年，中國地震局地球物理所與云南省地震局在云南賓川地區(qū)聯(lián)合開展主動源項目，圖1為研究區(qū)域部分臺站分布及主要斷裂分布。主動源系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是激發(fā)地震波的氣槍震源，主要由4支氣槍組成，每支氣槍的容量為2 000 L，沉放在項目基地的湖水中，沉放深度為10 m，目前的實驗頻率是每天進(jìn)行一組實驗，每組實驗約16次；另一部分是40個流動地震臺組成信號接收系統(tǒng)，使用的是Guralp40T短周期地震計，Reftek130B數(shù)據(jù)采集器，采樣率是100 Hz。該套系統(tǒng)制造的震源具有可重復(fù)性高、低成本、環(huán)保等特點（楊微等，2013）。在2015年11月18日至12月16日期間，氣槍震源在賓川水庫中定時激發(fā)，生成了大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，積累大量的資料。根據(jù)前人的研究，氣槍每一次激發(fā)高度相似，但氣槍所置水深、槍內(nèi)壓力、槍所在區(qū)域水庫底部地形等因素都能影響氣槍信號重復(fù)性。為了避免氣槍源的變化對結(jié)果的影響，我們選擇合適的實驗時段，盡可能保證水庫水位穩(wěn)定，以提高氣槍震源的重復(fù)性。本文擬用該時間段記錄到的943個事件，選取信噪比較高的事件進(jìn)行計算。

將臺站接收的氣槍信號按震中距排列，主動震源信號高度重復(fù)性，但能量較小，根據(jù)林建民等（2010）的研究，單次激發(fā)的能量相當(dāng)于ML0.7天然地震，部分臺站在震中距120 km處可見單次激發(fā)信號。對實驗期間的事件進(jìn)行濾波并疊加，再按震中距排列，可在震中距110 km處觀察到清晰的剪切波，如圖3所示。由于本研究試圖尋找剪切波分裂參數(shù)在時間軸上的變化，因此選擇參與計算的臺站震中距在50 km以內(nèi)，以保證單次激發(fā)的數(shù)據(jù)有較高的信噪比，可以清晰地讀取到剪切波起跳。

2數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

本文研究所用分析軟件Splitlab可以采用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法、最小能量法和特征值法3種方法計算剪切波分裂。其中，特征值法的周期跳躍效應(yīng)嚴(yán)重，最小能量法對干擾敏感，而本文數(shù)據(jù)來自流動地震臺，相對于固定臺干擾較多，選擇較遠(yuǎn)臺站時信噪比較低（張尉等，2009，趙雯佳等，2013）。為了保證計算精度，在計算中使用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小能量法，結(jié)合計算結(jié)果綜合考量，在最后分析中選取的結(jié)果是旋轉(zhuǎn)相關(guān)法得到的。此方法結(jié)果相對其他方法穩(wěn)定，不易突跳，抗干擾能力較強(qiáng)。endprint

如圖2所示，水庫氣槍震源產(chǎn)生的剪切波不同于天然地震或者陸上爆炸震源，其頻率偏低，但3個分量上的S波振幅均大于P波，與地震相似。水庫氣槍震源的S波是P波在震源附近的水底固液界面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波，傳播路徑與P波大致相同。由于剪切波分裂測量中需提供S波到達(dá)時間，S波窗的選擇直接關(guān)系計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此識別S波到時是一個重要的工作。本文主要根據(jù)兩點來識別S波，一是根據(jù)震相分析，二是根據(jù)理論模型計算S波的理論到達(dá)時間，所選理論地殼模型見表1。

根據(jù)上述模型，計算每個臺站的剪切波理論到達(dá)時間，并結(jié)合理論到時前后水平向質(zhì)點振動軌跡，選定剪切波分裂窗，如圖4所示。在實際計算中，為了減小誤差，根據(jù)震中距調(diào)整剪切波分裂窗長，一般震中距小于15 km時選擇時窗長為0.5 s，超過20 km時窗長為1 s。同一個臺站所有事件選擇的分裂窗長度相同。根據(jù)張尉等（2009）的研究，氣槍信號S波中心頻率主要集中在3～8 Hz，計算前對選用的事件進(jìn)行相應(yīng)的濾波。

根據(jù)上述方法選定時間窗，對每一個事件進(jìn)行計算。由于主動源信號能量較小，震中距較遠(yuǎn)的接收臺站信號干擾較大。在開始計算之前，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)去傾、去噪和挑選等工作。在實際的研究中發(fā)現(xiàn)，剪切波分裂受到入射角的限制，對于泊松比為0.25的介質(zhì)，剪切波入射角大于35°時，剪切波入射到地表時會產(chǎn)生畸變，影響計算精度。為了提高結(jié)果可靠性，我們計算了所有臺站的入射角，放棄入射角大于45°的臺站數(shù)據(jù)。入射角的計算是以表1為地殼P波速度模型，根據(jù)Snell定理，對剖面進(jìn)行射線追蹤，如果只計算PS震相，震中距小于15 km均符合要求，對于較遠(yuǎn)的臺站，選擇多次反射波進(jìn)行計算，使其入射角符合要求，其入射角計算同理。由于震源在地球表面，射線所走路徑較短，所積累的分裂參數(shù)較小，我們對事件進(jìn)行了重采樣，將采樣率提高1 000 Hz，以保證結(jié)果精度。為了檢驗計算結(jié)果，選擇了實驗期間賓川地區(qū)發(fā)生的3次天然地震作為對比，計算過程同上，部分臺站結(jié)果略有誤差，大部分臺站計算結(jié)果相同。

對35個臺記錄的943個事件進(jìn)行計算，排除入射角不符合要求的，發(fā)現(xiàn)只有12臺站能得到穩(wěn)定的結(jié)果。所得結(jié)果如表2所示，賓川地區(qū)的快波偏振方向分布在-9°～66°之間，平均偏振方向為25.1°，各向異性強(qiáng)度在0.012 ～0.145 s之間。根據(jù)孫長青等（2013）的計算，賓川地區(qū)快波方向平均為35°，這與本次研究所有臺站的平均結(jié)果相近。由于震源在地表，將震中距視作射線路徑，得到平均延遲量。除兩個臺站明顯偏大外，其余臺站平均延遲量在0.002 7～0.005 4 s/km之間。高原和Crampin（2009）認(rèn)為，云南地區(qū)平均延遲時間約為（1.8±1.2）ms/km，這里給出的平均延遲量是整個地殼的平均，而一般認(rèn)為，下地殼平均延遲量較小，上地殼平延遲量較大，本研究的結(jié)果驗證了這種說法。

如圖5所示，賓川地區(qū)的快波偏振方向變化劇烈，大部分臺站的偏振方向受紅河斷裂、程海斷裂影響。臺站的偏振方向在程海斷裂及其右側(cè)，偏振方向較一致，而在紅河斷裂與程海斷裂包夾的中間塊體，偏振方向振蕩極大。

3討論

3.1各向異性的分布本次研究在小區(qū)域內(nèi)使用了大量臺站數(shù)據(jù)，使得剪切波分裂在水平向有較高的分辨率。對分裂參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)快波偏振方向可分為2種情況，一種與平均偏振方向一致，另一種情況比較復(fù)雜，變化劇烈，有較大的隨機(jī)性。考慮到震源在地表，而剪切波分裂參數(shù)是整個傳播路徑上的各向異性的積累，以上結(jié)果可總結(jié)為：賓川地區(qū)的快波偏振方向主要受紅河斷裂和程海斷裂雙重影響，研究區(qū)域的快波偏振方向在-7°～66°之間，平均偏振方向為25°，偏振方向變化劇烈可能是受這個地區(qū)帚狀活動構(gòu)造影響（羅睿潔等，2015）。研究區(qū)域的慢波延遲量在0.012～0.145 s之間。由于這些臺站震中距差距較大，而慢波延遲時間反應(yīng)的是射線經(jīng)過路徑的延遲量的積累，我們假設(shè)慢波延遲量在PS波產(chǎn)生時即開始積累，那么可得到平均每千米的慢波延遲累積量，平均慢波延遲量為0.006 s/km。

如圖5所示兩條斷裂將研究區(qū)域劃分為左、中、右三塊。由于左邊塊體沒有數(shù)據(jù)，暫不予討論。中間區(qū)域，部分臺站的偏振方向與程海斷裂平行，其余臺站偏振方向與程海斷裂、紅河斷裂均無較大相關(guān)性，慢波延遲量并不完全與震中距相關(guān)。通常認(rèn)為，地殼各向異性是由其內(nèi)部有大量的裂隙在壓應(yīng)力的作用下定向排列引起的。針對這種解釋，有2種假說，即裂隙擴(kuò)容假說和各向異性孔隙彈性假說，它們在解釋裂隙如何導(dǎo)致剪切波分裂方面略有不同，但共同表明，剪切波的快波方向與裂隙的排列方向、壓應(yīng)力方向是一致的。根據(jù)錢曉東等（2011）的研究，賓川地區(qū)的壓應(yīng)力場是SE、SSE向，與上述結(jié)果有較大的區(qū)別。造成這種情況可能有2種原因：一是區(qū)域應(yīng)力分布復(fù)雜，程海斷裂和紅河斷裂共同作用這一小片區(qū)域，造成區(qū)域應(yīng)力在小范圍內(nèi)多變，可能是造成分裂參數(shù)多變的原因，另外一種可能是地震波穿透深度淺，計算結(jié)果在較大程度上反映淺地表的應(yīng)力狀態(tài)。右邊塊體的臺站偏振方向幾乎一致，沒有表現(xiàn)出與斷裂的相關(guān)性，可能表明程海斷裂右側(cè)塊體比較穩(wěn)定，其所受應(yīng)力與程海斷裂在這一小片區(qū)域的走向無關(guān)。

3.2地震前后各向異性的變化

一般認(rèn)為，剪切波分裂是與壓應(yīng)力分布有關(guān)，而地震是一個應(yīng)力釋放的過程。因此，地震前后很可能觀測到剪切波分裂參數(shù)的變化。利用剪切波分裂參數(shù)尋找地震前兆前人早有研究，最為成功的一次發(fā)生在2000年冰島ML6.6地震期間（高原，Crampin，2009）。然而，還是有一些干擾因素能影響到剪切波分裂分析，如地震的震級能造成剪切波分裂參數(shù)的改變，因此，高原和Crampin（2009）提出以可控源為基礎(chǔ)的應(yīng)力監(jiān)測站臺網(wǎng)，以便排除震級對參數(shù)的影響。這與我們利用主動源數(shù)據(jù)計算剪切波分裂參數(shù)極為相似。

如圖5所示，本次實驗期間發(fā)生了3次ML≥1.0地震。為了觀測地震前后分裂參數(shù)的變化，選取53258臺進(jìn)行分析。53258臺位于程海斷裂右側(cè)，對其分裂參數(shù)變化作歸一化后如圖6，從圖中可以看到，快波方向和到時差在時間域內(nèi)呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化，這種有規(guī)律的變化可能與固體潮有關(guān)。在3次地震前后剪切波分裂參數(shù)沒有明顯的變化，導(dǎo)致這種情況有幾種可能，首先，本次研究中的地震能量過小，沒有產(chǎn)生足夠的壓應(yīng)力去破壞裂隙，導(dǎo)致分裂參數(shù)沒有改變，其次是產(chǎn)生的分裂參數(shù)變化過小，淹沒在干擾信號中，還有一種可能，主動源事件射線路徑在淺地表傳播，沒有穿過地震產(chǎn)生的破裂區(qū)域。endprint

4結(jié)論

通過計算2015年11月18日至12月16日期間的943個主動源地震事件的剪切波分裂參數(shù)，結(jié)果顯示：賓川地區(qū)的剪切波平均快波偏振方向為25.1°，橫向變化極大，這可能與程海斷裂與紅河斷裂在此區(qū)域的匯集有關(guān)。程海斷裂左側(cè)與紅河斷裂匯合的區(qū)域剪切波快波方向極不穩(wěn)定，顯示出該塊體由于和海斷裂與紅河斷裂在該區(qū)域的碰撞導(dǎo)致塊體破碎，塊體內(nèi)形成眾多的小結(jié)構(gòu)導(dǎo)致主應(yīng)力方向多變。從時間上看，快波方向和慢波到時差均呈現(xiàn)出一定規(guī)律的變化，這種變化沒有受到小震的影響。

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