2017年武隆5.0級地震序列剪切波分裂研究

高 見 楊宜海 李翠平 傅 卓

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號，401147 2 陜西省地震局，西安市水文巷4號，710068 3 陜西西安地球深部構造野外科學觀測研究站，西安市水文巷4號，710068

地殼介質普遍存在各向異性，其中大量定向排列的微裂隙(EDA)是造成上地殼介質各向異性的主要原因[1]，而下地殼的各向異性主要由云母及角閃石等礦物晶格的定向排列所致。剪切波穿過各向異性介質時會發(fā)生分裂現象，產生快剪切波和慢剪切波。研究表明，快剪切波偏振優(yōu)勢方向與裂隙走向和原地最大主壓應力方向一致[2]；慢剪切波的時間延遲可反映介質各向異性強度，與地下裂隙發(fā)育及孔隙含水量等密切相關，對地殼應力場變化較敏感[3-4]。因此，通過計算剪切波分裂參數(快波偏振方向和慢波時間延遲)可有效獲取地殼各向異性特征，并進一步研究局部構造和應力場變化。同時，剪切波分裂方法也可用于地震預測研究[5-6]。

據中國地震臺網(CENC)測定，2017-11-23 17:43重慶市武隆區(qū)發(fā)生5.0級地震(簡稱武隆地震)，震中位于107.94°E、29.40°N，震源深度10 km。重慶地區(qū)位于四川盆地東部邊緣的川東褶皺帶，屬于相對穩(wěn)定的區(qū)域，地震活動以小震活動較頻繁、強震活動較弱為主要特征[7]。武隆地震發(fā)生在渝中央皺褶區(qū)向渝東南斷褶區(qū)的過渡地帶，新構造運動微弱，表現為整體間歇性微弱隆升，發(fā)育有一系列NE向以及NNE向斷裂帶。周邊歷史地震活動較弱，較為顯著的僅有1854年南川5級、1855年彭水4級、1856年黔江小南海6級地震。武隆5.0級地震是重慶地區(qū)近20年來震級最高的地震，也是發(fā)生在少震弱震區(qū)的一次“意外”地震。

武隆地震發(fā)生在重慶地區(qū)地震監(jiān)測能力相對較強的區(qū)域，震后18 h內重慶市地震局在震區(qū)又增設L5541、L5550、L5551三個流動臺(圖1)，震區(qū)監(jiān)測能力達到ML0.5。截至2018-02-28，重慶市地震臺網共記錄到武隆地震序列ML≥0.5地震231次，其中，ML0.5～0.9地震113次，ML1.0～1.9地震97次，ML2.0～2.9地震19次，ML3.0～3.9地震1次，最大余震為2017-11-29 ML3.1地震。此外，主震西北方向的L5539臺和XNS臺在余震后期(2017-11-27～2018-02-25)也記錄到部分地震活動。武隆地震較為豐富的波形資料可為后續(xù)開展震源區(qū)剪切波分裂特征分析提供數據基礎。本文利用新架設的流動臺及原有固定臺的數字波形資料，在地震序列精定位基礎上[8]，采用剪切波分裂SAM分析方法[9]計算武隆震區(qū)多個臺站的剪切波分裂參數(快波偏振方向和慢波時間延遲)，并結合武隆震區(qū)的區(qū)域應力場、地質構造背景，對武隆地震序列的剪切波分裂參數的變化特征進行初步研究。

1 數據與方法

1.1 數據

武隆5.0級地震余震序列較為豐富，本文收集余震區(qū)附近30 km范圍內所有臺站的波形資料，其中流動臺資料時段為2017-11-24～2018-02-28，固定臺資料時段為2017-11-15～2018-02-28。本文采用精確重定位后的定位結果[8]，其中主震重定位震中為107.983°E、29.416°N。在精定位基礎上，選取信噪比高且位于剪切波窗口內的波形資料。剪切波入射到地表，當入射角達到或超過臨界角時會發(fā)生全反射，因此在求取近場地震的剪切波分裂參數時，要求地震記錄在剪切波窗口內。一般來說，對于泊松介質(泊松比為0.25)，剪切波的入射角窗口約為35°，而在實際分析中，由于波前彎曲和低速的地表沉積，可將剪切波的窗口入射角擴展至45°～50°[1]。根據以上原理，本研究將剪切波窗口進行適當增大，初步設定剪切波窗口為45°，即震中距不大于震源深度。最終共獲得127條滿足剪切波窗口條件的波形記錄，其震級在 ML0.6～3.1之間。

1.2 方法

本文使用“剪切波分裂系統分析法”(systematic analysis method of shear-wave splitting，簡稱SAM方法)[9]，該方法是在相關函數分析法的基礎上改進而成，綜合相關函數計算、時間延遲校正和偏振分析檢驗功能，具有界面可視化和自我檢驗的優(yōu)點。研究表明[10-11]，SAM方法計算得到的剪切波分裂參數穩(wěn)定可靠。

圖2為數據分析實例(L5541臺觀測到的2017-11-28 06:33 ML1.4地震事件，震源深度8.7 km，震中距8.0 km)。圖2(a)為經過濾波預處理的三分向剪切波波形；選取NS和EW兩個水平分量的波形進行偏振分析(圖2(b1)、2(b2))，圖2(b3)為剪切波質點的運動軌跡，S1、S2分別為快、慢剪切波的起始位置，S1與S2之間的質點軌跡大致為直線，與正北方向的夾角θ即為快剪切波偏振方向(本例中夾角θ為135°)。慢剪切波與快剪切波疊加后，其線性運動軌跡發(fā)生改變，通過旋轉θ分離出快、慢剪切波(圖2(c1)、2(c2))。對慢剪切波進行時間延遲校正(本例中時間延遲校正為0.03 s)，使慢剪切波起始位置提前到與快剪切波一致，經過時間延遲校正后的剪切波質點運動軌跡接近線性(圖2(c3))，說明該計算結果準確可靠。

2 計算結果

由于剪切波分裂計算對臺站位置、波形質量要求較高，只有位于剪切波窗口內且波形清晰的地震事件可用來進行剪切波分裂分析。為保證分析結果的可靠性，本文僅選取3條以上有效記錄的臺站進行分析，最終獲得L5541臺等5個臺站共94對剪切波分裂參數(表1)。武隆余震主要分布在主震SW側，其中僅L5541臺位于余震密集覆蓋區(qū)，因此L5541臺的有效記錄樣本數最多，為76條，其余各臺在3～6條之間。

表1 各臺站基本參數和剪切波分裂參數

3 討論分析

3.1 快波偏振方向時空分布特征

圖3為武隆震區(qū)5個臺站的快波偏振方向空間分布。武隆地震發(fā)生在地質構造復雜的武隆凹陷束，處于渝中央和渝東南兩個構造區(qū)的過渡地帶，附近區(qū)域發(fā)育有多條NE向和NNE向高陡背斜褶皺帶及斷裂帶。其中，震中西側斷裂以發(fā)育在背斜兩翼的壓性或壓扭性逆斷層為主，如方斗山斷裂、三會沖斷層、老場斷裂等[12]；震中東側斷裂以發(fā)育在背斜軸部的正斷層為主，如馬武斷層、郁山斷層、黔江斷裂等。

紅色三角形為有效事件記錄≥3條的臺站，紅色箭頭為區(qū)域主壓應力場方向

圖4為5個臺站的快波偏振方向疊加等面積玫瑰圖，從圖中可以看出，武隆震區(qū)快波偏振優(yōu)勢方向為NNW向，NW向為第二優(yōu)勢方向。研究區(qū)具有兩個快波偏振優(yōu)勢方向的現象反映研究區(qū)上地殼各向異性的復雜性，這種復雜性可能是區(qū)域主壓應力和局部斷裂共同作用的結果。已有研究表明，斷裂、區(qū)域應力和局部構造均會影響快波偏振方向[13]。5個臺站總體優(yōu)勢偏振方向與李翠平等[8]采用CAP反演的武隆主震震源機制解中P軸方向(140°)和區(qū)域主壓應力場NW向[7,14]基本一致。研究區(qū)快剪切波偏振方向總體呈NW向，受區(qū)域主壓應力場的控制作用較為明顯，而第一優(yōu)勢偏振方向由NW向轉為NNW向可能是受到該區(qū)域多條NE向斷裂復雜構造的綜合影響。

圖4 5個臺站快剪切波偏振方向疊加等面積玫瑰圖

從圖3可以看出，各臺站快波偏振優(yōu)勢方向呈現一定的空間分布特征：L5541臺位于震中西側、三會沖斷層北端，且距離震中最近，其快波偏振優(yōu)勢方向為NNW向；L5539、XNS臺也位于震中西側，其中，L5539臺靠近方斗山斷裂西側，XNS臺位于七曜山-金佛山斷裂中段(涪陵-石柱段具有逆沖力學性質)，兩個臺站的快波偏振優(yōu)勢方向均為NW向；L5541、L5539、XNS三個臺站的快波偏振優(yōu)勢方向與附近斷裂帶的走向正交或近似正交，且與區(qū)域主壓應力場NW向基本一致。已有研究表明，起控制作用的走滑斷裂的走向與快波偏振方向具有密切聯系[15]，而逆沖斷裂對剪切波分裂具有不同影響[16]。分析認為，武隆震區(qū)西側臺站的快波偏振優(yōu)勢方向受到區(qū)域主壓應力場的主導作用，可反映局部構造應力場信息。

L5551、XIT臺位于震中東側，兩個臺站的快波偏振方向差異較大。前者位于馬武斷層附近，快波優(yōu)勢方向為NE向，與斷層走向基本一致，快波偏振方向可能主要受斷裂構造影響，與前人研究結果[17-18]類似；后者位于彭水斷裂和黔江斷裂(南段)所夾持區(qū)域的中部，由于彭水斷裂性質相對復雜(如地表表現為正斷而實質為逆沖性質)，而黔江斷裂南段為正斷性質，且地表斷裂構造形跡與褶皺構造伴生，造成XIT臺所在局部區(qū)域構造復雜，其快波偏振優(yōu)勢方向為近EW向，與構造應力場方向和斷層走向均不同。

為進一步分析武隆地震序列剪切波分裂參數的變化特征，本文對L5541臺快剪切波偏振方向隨時間的變化特征進行分析(圖5)，其余臺站由于有效數據較少，不作該項分析。圖5(a)為震后3個月快剪切波偏振方向隨時間的變化，由于震后余震序列主要發(fā)生在震后8 d，圖5(b)為對圖5(a)中前8 d數據進行放大。從圖中可以看出，主震發(fā)生后前期快波偏振方向較為離散，后期隨著余震持續(xù)，其離散度逐漸變小，快波偏振方向為NW向，類似現象在2017年九寨溝地震余震序列中也被觀測到[19]。偏振方向的變化趨勢可能反映出武隆地震后局部區(qū)域應力場調整的過程：主震發(fā)生后，震源區(qū)產生較強的應力釋放和較為劇烈的應力場調整，導致前期余震序列快波偏振方向的離散度較大；而隨著后期持續(xù)的余震活動，應力進一步得到釋放，應力場逐漸趨于穩(wěn)定，快波偏振方向也逐步收斂并趨于一致。

圖5 快剪切波偏振方向隨時間變化(L5541臺)

3.2 慢剪切波時間延遲

從表1可以看出，慢剪切波時間延遲的變化范圍在2.9～7.9 ms/km之間，L5539、L5541、XNS臺平均時間延遲較大。根據EDA理論模型可知[1]，上地殼介質中分布著近似平行排列的微裂隙，在水平應力場作用下，這些微裂隙將閉合或開啟：與最大水平壓應力垂直的裂隙將趨于閉合，與最大水平壓應力平行的裂隙將進一步開啟。慢剪切波時間延遲對微裂隙的物理特性變化較為敏感，因此裂隙幾何形態(tài)的變化可以由慢剪切波的時間延遲隨時間的變化來體現，從而進一步反映地殼應力變化的動態(tài)特征。

圖6為L5541臺慢剪切波時間延遲隨時間的變化特征。由于時間延遲的離散度普遍較高，通常采用慢剪切波時間延遲的滑動平均曲線展示其變化特征(圖6紫色實線)。圖6(b)為對圖6(a)中前8 d數據進行放大，并且已對震后8 d內震級大于ML2.5的較強余震進行標注。在這些較強余震發(fā)生前，時間延遲具有升高的趨勢，其中11-26 ML2.5、11-28 ML2.5兩次較強余震前的短時間內還觀測到時間延遲下降的現象，這種現象在一定程度上反映出震前應力場增強和臨震應力釋放的動態(tài)過程。時間延遲在強余震前出現下降的現象，在地震預測領域具有一定的指示意義[20-21]。圖6(c)為L5541臺慢波時間延遲與震源深度的變化關系，從圖中可以看出，慢波時間延遲與震源深度無明顯關聯性，這與前人的研究結果[22-25]較為一致。

黑點為標準化的慢波時間延遲，紫色實線為數據滑動平均結果

4 結 語

本文利用2017-11-23武隆5.0級地震后架設的流動臺及原有固定臺記錄的數字波形資料，采用SAM分析方法對武隆5.0級地震序列進行剪切波分裂特征研究，得到震區(qū)5個臺站共94對震源區(qū)上地殼的剪切波分裂參數。

分析結果表明，武隆震區(qū)快剪切波偏振方向總體呈NW向，受區(qū)域主壓應力場控制作用較為明顯，第一優(yōu)勢偏振方向由NW向轉為NNW向可能是受到該區(qū)域多條NE向斷裂及復雜構造的綜合影響。震區(qū)東、西兩側臺站的快波偏振優(yōu)勢方向呈現一定的空間分布變化：震中西側臺站均位于逆沖斷層附近，受到區(qū)域主壓應力場的主導作用，快波偏振方向與區(qū)域主壓應力方向較為一致，且與斷層走向正交或近似正交；震區(qū)東側臺站位于正斷層或復雜構造區(qū)域，受斷層或復雜構造影響，快波偏振方向差異較大。

剪切波分裂參數隨時間變化的分析結果表明，快波偏振方向在震后早期較為離散，后期呈現逐步收斂的趨勢，顯示震后應力場逐步趨于穩(wěn)定；在較強余震發(fā)生前，慢波時間延遲具有上升趨勢，其中部分較強余震前的短時間內還觀測到時間延遲減小的現象，這可能反映震前應力場增強和臨震應力釋放的過程；慢波時間延遲與震源深度的關系不明顯。

由于本研究獲得剪切波分裂參數最多的L5541臺為震后架設的應急流動臺站，觀測時間有限，并且武隆震區(qū)為少震弱震區(qū)，原有固定臺站未能記錄到震前有效的波形資料。若能獲得更多時段的波形資料，將對研究此類地震具有更大幫助。

致謝：中國地震局地震預測研究所高原研究員課題組提供軟件支持，重慶市地震臺網中心提供波形資料，文中部分圖件采用GMT繪制，在此一并表示感謝。