基于密集臺(tái)陣資料的S波分裂研究云南賓川上地殼各向異性特征

豆輝， 王寶善,2*， 徐逸鶴,3,4， 王偉濤， 張博

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 合肥 230026 3 英國(guó)劍橋大學(xué)地球科學(xué)系， 劍橋 CB30EZ 4 愛(ài)爾蘭都柏林高等研究院宇宙物理學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)分部， 都柏林 D02Y006

0 引言

裂隙或晶體的定向排列會(huì)導(dǎo)致地震波在不同方向上的傳播速度不同，即地震各向異性(Crampin and Lovell，1991；Crampin and Chastin，2003).地震各向異性的成因在不同深度有所不同.其中，地幔中的各向異性多與橄欖巖中晶格的優(yōu)勢(shì)定向排列有關(guān)，用于反映地球內(nèi)部深部物質(zhì)的流動(dòng)和能量交換等運(yùn)動(dòng)過(guò)程(高原和滕吉文，2005；常利軍等，2006；王椿鏞等, 2014).下地殼各向異性的成因可能與動(dòng)力學(xué)作用引起的巖石礦物形變有關(guān)；中上地殼的各向異性常被認(rèn)為和應(yīng)力作用下微裂隙的定向排列相關(guān)(Crampin and Gao, 2006；謝振新等, 2017; 高原等，2020).因此，研究上地殼的各向異性對(duì)分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)和局部構(gòu)造特征有著重要的參考意義.

橫波分裂是分析地殼各向異性的常用方法.當(dāng)橫波通過(guò)各向異性介質(zhì)時(shí)，會(huì)分裂成兩列偏振方向相互垂直且波速不同的波列.在地殼中，快S波(簡(jiǎn)稱快波)的偏振方向通常與該區(qū)域的最大主壓應(yīng)力方向較為一致，也會(huì)受附近斷裂帶中發(fā)育的裂隙走向影響，而慢S波(簡(jiǎn)稱慢波)時(shí)延(快慢波之間的走時(shí)差)與裂隙的幾何形態(tài)有關(guān)，可用于分析原場(chǎng)的應(yīng)力強(qiáng)度及其變化(Gao and Crampin, 2003；Crampin et al., 2004；丁志峰等，2008；楊溢和常利軍，2018).因此，橫波分裂結(jié)果常用來(lái)分析區(qū)域構(gòu)造的應(yīng)力環(huán)境和斷裂帶活動(dòng)性等特征(Hudson，1981；Crampin, 1994；高原等，1996；Peng and Ben-Zion, 2004；Crampin and Gao, 2006；吳晶等，2007；孫長(zhǎng)青等，2011；張輝等，2012；鄭拓等，2018).但是受臺(tái)陣間距的約束，當(dāng)前研究多側(cè)重于基于離散臺(tái)站的大尺度構(gòu)造應(yīng)力狀況分析(孫長(zhǎng)青等，2013；太齡雪等，2015；張藝和高原，2017)，而對(duì)較小尺度應(yīng)力構(gòu)造環(huán)境(如斷裂帶等構(gòu)造)對(duì)各向異性影響的研究還比較少(Peng and Ben-Zion, 2004；Gao et al., 2019; Shi et al., 2020).

云南賓川地區(qū)，地處青藏高原東南緣，大尺度上受到高原物質(zhì)的東向擠出作用，局部受滇西北裂陷帶控制，形成了盆地、山地和斷裂帶共存的構(gòu)造單元特征.貫穿賓川地區(qū)的程海斷裂地震活動(dòng)性較強(qiáng)，曾在南、北端發(fā)生過(guò)7.0級(jí)以上的大地震活動(dòng)(俞維賢等，2005)，賓川地區(qū)也被認(rèn)為是7.0級(jí)潛在震源區(qū)(周慶等，2004；羅睿潔等，2015).考慮到賓川盆地是人口密集區(qū)，評(píng)估該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性至關(guān)重要.地震記錄顯示，賓川地區(qū)內(nèi)小震頻發(fā)(Xu et al., 2018)，可為橫波分裂研究提供充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；區(qū)域內(nèi)分布的多條斷裂帶走向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向近乎垂直(羅睿潔等，2015；黃小巾等，2018)，可有效地區(qū)分臺(tái)站呈現(xiàn)的各向異性是斷裂帶作用還是區(qū)域應(yīng)力的作用.因此，賓川地區(qū)是研究斷裂帶對(duì)上地殼各向異性影響的理想場(chǎng)所.

中國(guó)地震局地球物理研究所在賓川地區(qū)架設(shè)的短周期密集臺(tái)陣為系統(tǒng)性地研究該地區(qū)的地震各向異性及斷裂帶的影響提供了可能性(Xu et al., 2018).本文將采用橫波分裂方法，對(duì)賓川臺(tái)陣記錄的S波數(shù)據(jù)進(jìn)行橫波分裂計(jì)算.然后，通過(guò)對(duì)比橫波分裂參數(shù)與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和周圍斷裂帶分布的相關(guān)性，分析斷裂帶和區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地震各向異性的影響.此外，還將探討介質(zhì)各向異性強(qiáng)度，以及波傳播路徑和慢波時(shí)延的關(guān)系.

1 賓川地區(qū)的斷裂和區(qū)域主壓應(yīng)力方向

賓川地區(qū)位于滇西北Z字型斷陷帶西南端轉(zhuǎn)折處，受高原物質(zhì)和局部構(gòu)造的強(qiáng)烈擠壓作用，發(fā)育有一系列走向不同、大小不一的斷裂帶(曾融生等，1992；楊國(guó)華等，2009；羅睿潔等，2015).

根據(jù)斷裂帶的走向不同，我們可將之大致分為三組： N-S向、NE向和E-W向(圖1a).其中，N-S向的斷裂帶包括F1(賓川斷裂)，F(xiàn)3和F4斷裂.NE 向的斷裂包括F2(上滄—魚(yú)棚斷裂)及其分支F5和F6，和F4的南支(F8和F9之間)斷裂.E-W向的斷裂包括F8(賓居斷裂)和F9斷裂.三組斷裂帶在賓川地區(qū)大致圍成了一個(gè)三角形區(qū)域.其中，活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂有F1，F(xiàn)2和F8斷裂，構(gòu)成了賓川地區(qū)的主干斷裂(黃小巾等，2018；羅睿潔等，2015).

圖1 地方震、斷層分布和賓川密集臺(tái)陣(a) 云南賓川地區(qū)斷層分布和本文使用的地方震分布.黑色實(shí)線的粗細(xì)代表斷層活動(dòng)性強(qiáng)弱，紅色實(shí)心圓代表記錄的地方震事件,圓圈的大小表示對(duì)應(yīng)震級(jí)的大小，白色箭頭指示區(qū)域的最大水平主壓應(yīng)力場(chǎng)方向(N17.5°W，邢全友和馬瑾，1985).圖中所標(biāo)符號(hào)數(shù)字對(duì)應(yīng)該區(qū)主要活動(dòng)斷裂：F1—賓川斷裂；F2—上滄—魚(yú)棚斷裂；F3—片角—大營(yíng)斷裂、F4—河曲—上營(yíng)斷裂；F5—花橋斷裂；F6—西海邊斷裂；F7—祥云斷裂；F8—賓居斷裂；F9—白土坡—楊公村斷裂; F10—彌渡斷裂.(b)賓川密集臺(tái)陣.藍(lán)色三角代表地震臺(tái)站.Fig.1 Map of local earthquakes, faults and the Binchuan dense array(a) Distribution of the faults in Binchuan region and local earthquakes used in this study; The thickness of the solid lines represents the activity of the faults, red circles and its size mark the local earthquakes and magnitudes. The white arrows represent the direction of the regional maximum horizontal principal compressive stress in this area (N17.5°W, Xing and Ma, 1985). The main active faults are labeled from F1—F10: F1—Binchuan fault; F2—Shangcang-Yupeng fault; F3—Pianjiao-Daying fault; F4—Hequ-Shangying fault; F5—Huaqiao fault; F6—Xihaibian fault; F7—Xiangyun fault; F8—Binju fault; F9—Baitupo-Yanggongcun fault; F10—Midu fault. (b) Binchuan dense array. Blue triangles denote the seismic stations.

以往研究表明，賓川地區(qū)的主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹NW向.基于大、中小地震的震源機(jī)制解結(jié)果顯示賓川地區(qū)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW向(謝富仁等，1994；吳建平等，2004；崔效鋒等，2006；郭祥云等，2014).GPS觀測(cè)結(jié)果表明滇中西南地區(qū)(賓川位于其中)的地表運(yùn)動(dòng)以NEE-SWW向的拉張性形變?yōu)橹?，主壓?yīng)變方向?yàn)镹NW向(王琪等，2001；楊國(guó)華等，2009).邢全友和馬瑾(1985)結(jié)合已知的地質(zhì)資料通過(guò)有限元數(shù)值模擬獲得的大理地區(qū)(賓川西南40 km)應(yīng)力方向?yàn)镹15°—20°W.云南地區(qū)的地殼橫波分裂結(jié)果顯示，賓川附近的團(tuán)山臺(tái)站的快波偏振方向?yàn)镹NW向(石玉濤等，2006).面波反演結(jié)果也支持這一方向(王瓊等，2015).

2 數(shù)據(jù)和地震重定位

本文采用的地震記錄數(shù)據(jù)來(lái)自賓川臺(tái)陣.賓川臺(tái)陣是由381個(gè)短周期密集臺(tái)站組成的臺(tái)陣，覆蓋了賓川盆地及其鄰近區(qū)域，平均臺(tái)間距約為2 km(圖1b；Xu et al., 2018).該臺(tái)陣包含兩種三分量短周期地震儀(EPS-2、QS-5A)，頻帶范圍均為150 Hz～5 s，采樣率均為200 Hz.臺(tái)陣觀測(cè)時(shí)間為兩個(gè)月，從2017年3月25日至5月25日.

地震事件的位置和深度會(huì)對(duì)橫波分裂結(jié)果(尤其是慢波時(shí)延的計(jì)算)產(chǎn)生較大影響(趙博等，2013).因此，我們首先對(duì)這兩個(gè)月的地方震事件做了精確重定位處理：采用HYPOINVERSE2000方法(Klein, 2002)，對(duì)手動(dòng)拾取的5097個(gè)P波到時(shí)進(jìn)行重定位.結(jié)果顯示，重定位后的P波到時(shí)均方根殘差明顯減小(由1.35 s減為0.075 s)，地震位置更聚集于斷裂帶附近.重定位后的地震事件共有56個(gè)，其中41個(gè)位于臺(tái)陣內(nèi)，15個(gè)位于臺(tái)陣外.這些地方震的震級(jí)為ML0.1～2.2，震源深度為0～12 km(圖2).

圖2 重定位前后的地震分布及其震源深度統(tǒng)計(jì)(a) 灰色圓點(diǎn)為定位前的地震位置，彩色圓點(diǎn)為定位后的地震位置.彩色中的白色和深紅色圓點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)位于淺層和深層的震源; (b) 重定位后地震深度分布直方圖.Fig.2 Earthquakes before and after relocation and their depths distribution(a) Gray and colourful dots denote the epicentre of the earthquakes before and after relocation, respectively. The dot′s colour represents shallow and deeper events corresponding to white and dark red colour. (b) The histogram shows the depth distribution of events after relocation.

3 橫波分裂計(jì)算

3.1 計(jì)算方法和過(guò)程

常見(jiàn)的橫波分裂方法有波形互相關(guān)法(Bowman and Ando, 1987), 切向能量最小化法(Silver and Chan, 1988)和特征值最小化法(Silver and Chan, 1991)(SC91).基于上述方法或多個(gè)方法的結(jié)合，后續(xù)發(fā)展出了一系列半自動(dòng)、全自動(dòng)的橫波分裂技術(shù)，如基于協(xié)方差矩陣與偏振分析的SAM方法(高原等，2004)和基于振幅與相位信息的SWAS法(Gao et al.，2006)，基于SC91發(fā)展的滑動(dòng)時(shí)窗迭代網(wǎng)格搜索法(Peng and Ben-Zion, 2004)，基于SC91和互相關(guān)法的滑動(dòng)時(shí)窗法(Liu et al., 2008)，及基于SC91的多頻帶濾波MAST法(Savage et al., 2010)等.

本文采用MFAST方法(Savage et al., 2010)計(jì)算橫波分裂結(jié)果.它是一種基于多頻帶濾波和聚類分析評(píng)估質(zhì)量等級(jí)(Teanby et al., 2004)的自動(dòng)化橫波分裂技術(shù)，非常適合大量地震數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和結(jié)果的篩選工作.

MFAST方法的計(jì)算流程簡(jiǎn)介如下：

1)S波到時(shí)拾取.為保證選取的S波記錄的質(zhì)量及后續(xù)橫波分裂計(jì)算的可靠性，我們手動(dòng)拾取了9819個(gè)波形明顯的S波初至，并對(duì)每個(gè)S波波形的質(zhì)量進(jìn)行定級(jí)以備后續(xù)篩選.

2)多頻帶濾波.高品質(zhì)的橫波分裂測(cè)量結(jié)果需要地震波信號(hào)有足夠高的信噪比.濾波有助于獲取高信噪比信號(hào).根據(jù)臺(tái)陣中S波記錄的頻帶信息，我們?cè)?～30 Hz范圍內(nèi)選取14個(gè)濾波器(表1)作用于每條S波波形，再基于信噪比挑選出最好的三個(gè)濾波頻帶，并且只有信噪比大于3的濾波信號(hào)才會(huì)進(jìn)行后續(xù)的MFAST計(jì)算.這14個(gè)濾波器最低頻帶是1～5 Hz，最高頻帶是5～30 Hz.相鄰頻帶之間有4～20 Hz的重疊以保證有效信號(hào)的覆蓋.

表1 多頻帶濾波采用的濾波器Table 1 Frequency filters for the multi-filter processing

3)橫波分裂計(jì)算及質(zhì)量評(píng)估.在挑選的頻帶內(nèi)對(duì)S波濾波后，MFAST采用特征值最小化方法在一系列測(cè)量窗內(nèi)進(jìn)行橫波分裂的計(jì)算.結(jié)合聚類分析方法對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分類(如A、B、C、D和Null)和質(zhì)量評(píng)估.最終挑選質(zhì)量等級(jí)較好的結(jié)果(A和B等級(jí))，作為該條S波信號(hào)的橫波分裂參數(shù).

圖3顯示了A等級(jí)和B等級(jí)的橫波分裂計(jì)算過(guò)程.其中，圖3a—c描述的是臺(tái)站008處計(jì)算的A等級(jí)S波分裂結(jié)果.其記錄的地震事件發(fā)震時(shí)間為2017年4月3日，震源深度為9.63 km，震級(jí)為ML1.1，震中距為9.99 km. 基于寬角反射剖面構(gòu)建的賓川地區(qū)一維速度模型(陳思文等，2016)計(jì)算該事件的入射角為35.9°.橫波分裂計(jì)算結(jié)果顯示快波偏振方向約為N4.0°E，慢波時(shí)延為0.095 s.圖3d—f表示臺(tái)站002處基于同一地震事件得到的B等級(jí)分裂結(jié)果，計(jì)算的快波偏振方向?yàn)镹16°W，慢波時(shí)延為0.12 s.

圖3 A和B等級(jí)橫波分裂結(jié)果實(shí)例(a)—(c) 代表A等級(jí)的橫波分裂結(jié)果，其中(a)臺(tái)站008記錄的地震事件在東(E)、北(N)和垂直向(Z)濾波后的波形，黑色實(shí)線表示S波到時(shí)，兩條虛線分別表示橫波計(jì)算窗口的最小開(kāi)始時(shí)間和最大結(jié)束時(shí)間； (b) 濾波后的波形按照SC91方法旋轉(zhuǎn)后得到的S波入射波偏振方向(p)和其垂直向(p⊥)波形(上面兩個(gè)曲線)，和根據(jù)灰色測(cè)量窗計(jì)算的δt校正后的波形(下面兩個(gè)曲線)； (c) 波形(上圖)和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(下圖)，其中左圖為原始波形，右圖為最終通過(guò)SC91校正后的波形; (d)—(f) 表示在臺(tái)站002處得到的B等級(jí)橫波分裂結(jié)果.其中的實(shí)線、灰色窗口意義和上面一致.Fig.3 Examples of shear wave splitting analysis of quality A and B, respectively(a)—(c) represent shear wave splitting results of quality A. Among them, (a) Filtered East (E), North (N) and vertical (Z) waveforms at station 008. The solid line indicates the S arrival. The dashed lines are the minimum start and maximum end times for windows used in the processing. (b) Rotated components (p: parallel to the direction of S wave incidence; p⊥: perpendicular to the direction of incidence) before (top two) and after correction (bottom two). The direction of incidence is determined by SC91. δt is determined using waveforms in the grey window. (c) Waveforms (top) and particle motion (bottom) for the original (left) and corrected (right) waveform according to the final chosen SC91 window. (d)—(f) demonstrate shear wave splitting results of quality B at station 002. The solid lines and grey windows have the same meaning as above.

3.2 結(jié)果篩選

地震波出射時(shí)可能會(huì)在自由表面發(fā)生全反射，對(duì)地震波的識(shí)別和橫波分裂計(jì)算造成干擾.為避免此問(wèn)題，需對(duì)橫波入射窗口進(jìn)行限制.對(duì)于泊松比0.25的介質(zhì)，通常選取入射角小于35°的波形記錄(Booth and Crampin, 1985)用于橫波分裂計(jì)算.當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)中存在低速區(qū)時(shí)會(huì)引起射線的彎曲，可將入射角放寬至45°(Crampin and Peacock, 2005).考慮到賓川地區(qū)淺層介質(zhì)存在低速區(qū)(翟秋實(shí)，2017；張?jiān)迄i等，2020)，本文選取入射角在45°以內(nèi)的波形記錄參與橫波分裂的計(jì)算.

此外，慢波時(shí)延過(guò)大的分裂結(jié)果可能存在周期跳躍或噪聲數(shù)據(jù)問(wèn)題，需要將其剔除.研究認(rèn)為，對(duì)于地方震、近震事件，延遲時(shí)間通常期望在0.1～0.4 s左右(Savage, 1999).考慮到文中地震事件的震中距都較小，我們剔除了慢波時(shí)延大于0.3 s的分裂結(jié)果.

4 橫波分裂結(jié)果

4.1 整個(gè)臺(tái)陣的結(jié)果

基于MFAST方法和上述的結(jié)果篩選，我們最終從9819個(gè)拾取的S波記錄中計(jì)算獲得831個(gè)高質(zhì)量的橫波分裂結(jié)果.雖然震源深度主要分布于7 km以上(圖4a)，但有效的橫波分裂結(jié)果多數(shù)與較深的地震(5 km以下)有關(guān)(圖4b).這是因?yàn)槿肷浣堑暮Y選剔除了大多數(shù)淺部地震的測(cè)量結(jié)果.圖4c展示了各臺(tái)站對(duì)應(yīng)的橫波分裂結(jié)果數(shù)量分布，每個(gè)臺(tái)站的平均測(cè)量數(shù)量為4～5個(gè).此外，有23個(gè)臺(tái)站只有1個(gè)橫波分裂結(jié)果，并在圖5中以紫色線段標(biāo)出.

圖4 橫波分裂最終結(jié)果對(duì)應(yīng)的震源信息及各臺(tái)站橫波分裂數(shù)量統(tǒng)計(jì)(a) 震源深度分布(每個(gè)地震只統(tǒng)計(jì)一次)； (b) 震源的深度分布(每個(gè)地震可多次統(tǒng)計(jì))； (c) 各臺(tái)站橫波分裂結(jié)果數(shù)量統(tǒng)計(jì).Fig.4 Statistics of earthquakes and distribution of measurements for each station associated with the final shear wave splitting measurements(a) Histogram of the focal depth of the earthquakes used (each earthquake is counted no more than once); (b) Histogram of the focal depth of the earthquakes used (each earthquake can be counted multiple times); (c) Histogram of shear wave splitting measurements on each station.

這831條有效的橫波分裂結(jié)果分布在圖5所示的173個(gè)臺(tái)站上.圖5中，線段方向和長(zhǎng)度分別代表該臺(tái)站所有橫波分裂結(jié)果的平均快波偏振方向和平均慢波時(shí)延.雖然單個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向有所不同，但綜合所有臺(tái)站結(jié)果的快波偏振方向整體集中于NNW到近N-S向(圖6a)，平均快波偏振方向?yàn)镹17.17°±4.64°W，平均慢波時(shí)延為0.087±0.002 s(表2).

圖5 各臺(tái)站的平均快波偏振方向和慢波延遲時(shí)間空間分布線段方向和長(zhǎng)度分別表示該臺(tái)站的平均快波偏振方向和平均慢波時(shí)延大小.紫色線段代表該臺(tái)站只有1個(gè)橫波分裂結(jié)果.彩色的長(zhǎng)方形是后續(xù)討論中用到的4個(gè)分區(qū)：A(綠色)、B(紅色)、C(藍(lán)色)和D區(qū)(黃色).Fig.5 Spatial distribution of average azimuths of polarizations of the fast shear waves and the average delay time of the slow shear waves for each stationThe direction of each solid line segment denotes the average azimuths of polarizations of the fast shear waves for each station and the length represents the average delay time of the slow shear waves. The purple solid lines mark the stations that have only one splitting measurement. Colourful rectangles outline the four subzones used in the later discussion: A (green)，B (red)，C (blue)，and D (yellow).

表2 賓川臺(tái)陣及其子區(qū)的平均橫波分裂結(jié)果.“-”號(hào)表示自北逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)Table 2 Average parameters of shear wave splitting in Binchuan Array and its subzones. The negative sign indicates the counter-clockwise rotation from north

4.2 分區(qū)結(jié)果

雖然整個(gè)臺(tái)陣的結(jié)果具有明顯的優(yōu)勢(shì)方向，但是也存在一些“異?！钡钠窠Y(jié)果，比如圖6a中的NNE向和E-W向.通過(guò)觀察單個(gè)臺(tái)站的橫波分裂結(jié)果(圖5)，我們發(fā)現(xiàn)快波偏振方向和構(gòu)造單元之間存在一定的關(guān)聯(lián)性.因此，根據(jù)該地區(qū)的構(gòu)造單元特征(主要斷裂走向、盆地、山區(qū)等構(gòu)造單元)和快波偏振方向特征，我們將賓川地區(qū)分成四個(gè)子區(qū)(圖5中A，B，C，D)進(jìn)行分析，并計(jì)算每個(gè)子區(qū)的平均快波偏振方向和慢波時(shí)延(表2).接下來(lái)，我們對(duì)各子區(qū)內(nèi)的橫波分裂結(jié)果進(jìn)行更詳細(xì)的介紹.

4.2.1 A區(qū)

A區(qū)位于賓川臺(tái)陣東部，包括賓川盆地及其東側(cè)山區(qū)(圖5中綠色區(qū)域)，含有兩條近N-S向的斷裂(程?！e川斷裂帶(F1)和F2).A區(qū)內(nèi)包含34個(gè)臺(tái)站，大多數(shù)臺(tái)站的快波偏振方向比較一致(圖7，A區(qū))，平均快波偏振方向?yàn)?12.63°±8.44°(NNW)，慢波時(shí)延為0.082±0.005 s(表2).綜合A區(qū)內(nèi)所有臺(tái)站結(jié)果的玫瑰圖顯示快波偏振方向除NNW向主優(yōu)勢(shì)偏振方向，還有近N-S向次優(yōu)勢(shì)偏振方向(圖6b).進(jìn)一步分析圖7(A區(qū))上各臺(tái)站的快波偏振樣式，我們可以將A區(qū)分為北、中、南三段，其中北段和南段的快波偏振方向大多沿NNW向，中段(F9附近)較為復(fù)雜，主要方向?yàn)镹NE和E-W向.

圖6 快波偏振方向分布(a) 綜合賓川地區(qū)的所有臺(tái)站結(jié)果； (b) 綜合子區(qū)A、B、C和D內(nèi)的所有臺(tái)站結(jié)果.括號(hào)內(nèi)的數(shù)字是有效橫波分裂測(cè)量的數(shù)量.Fig.6 Distribution of azimuths of polarizations of the fast shear waves(a) Summary of all the shear wave splitting results from Binchuan area; (b) Summary of all the shear wave splitting results from subzone A, B, C and D. The number in the parentheses indicates the number of available measurements of shear wave splitting.

4.2.2 B區(qū)

B區(qū)包括賓川盆地西部及其西側(cè)丘陵地區(qū)(圖5中紅色區(qū)域)，四周被F2，F(xiàn)5，F(xiàn)9，F(xiàn)4和F3斷裂圍繞(圖7，B區(qū)).B區(qū)內(nèi)共39個(gè)臺(tái)站，綜合所有臺(tái)站結(jié)果的玫瑰圖樣式顯示大多數(shù)臺(tái)站的快波偏振方向集中于近N-S向，是4個(gè)子區(qū)內(nèi)最簡(jiǎn)單的區(qū)域(圖6b)，平均快波偏振方向?yàn)榻麼-S向(-2.58°±5.74°), 慢波時(shí)延為0.090±0.003 s(表2).具體到單個(gè)臺(tái)站，B區(qū)內(nèi)個(gè)別位于斷裂帶附近的臺(tái)站會(huì)呈現(xiàn)與斷裂帶走向相近的快波偏振方向，如F4與F9斷裂交匯處的部分臺(tái)站呈現(xiàn)NE向快波偏振方向，但F9西段附近的部分臺(tái)站呈現(xiàn)近E-W向(圖7， B區(qū)).

圖7 四個(gè)子區(qū)內(nèi)各臺(tái)站的快波偏振圖樣Fig.7 Patterns of polarization of the fast shear waves in four subzones

4.2.3 C區(qū)

C區(qū)位于賓川臺(tái)陣西北角的山區(qū)(圖5中藍(lán)色區(qū)域)，區(qū)域內(nèi)分布有NE向的F2，F(xiàn)5，F(xiàn)6斷裂和與之近垂直的NW向的F8和F9斷裂，其中F2和F8斷裂較為活躍(圖7，C區(qū)).C區(qū)內(nèi)共40個(gè)臺(tái)站，綜合所有臺(tái)站的快波偏振方向整體上較為離散，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E和NNW兩個(gè)方向(圖6b)，平均快波偏振方向?yàn)?17.96°±10.61°，平均慢波時(shí)延為0.083±0.004 s(表2).在活動(dòng)性較強(qiáng)的F2斷裂和F8斷裂附近的臺(tái)站，快波偏振方向具有一定隨機(jī)性.有些臺(tái)站與斷裂帶走向一致，有些與之垂直(圖7，C區(qū)).F2，F(xiàn)8， F6和 F5斷裂圍成的楔形區(qū)域內(nèi)臺(tái)站的快波偏振方向多為NE向.

4.2.4 D區(qū)

D區(qū)位于賓川臺(tái)陣西南側(cè)的山區(qū)(圖5中黃色區(qū)域)，近N-W向的F8(賓居斷裂)穿梭其中 (圖7，D區(qū)).D區(qū)內(nèi)共包含60個(gè)臺(tái)站，綜合所有臺(tái)站的快波偏振方向整體集中于NW向(圖6b)，平均快波偏振方向?yàn)?40.00°±9.12°，平均慢波時(shí)延為0.090±0.004 s(表2).具體到單個(gè)臺(tái)站，D區(qū)內(nèi)大部分臺(tái)站呈現(xiàn)出與F8斷裂走向較一致的快波偏振方向，而在F4斷裂帶南支附近的若干臺(tái)站的快波偏振方向與F4斷裂的走向(NE向)一致(圖7，D區(qū)).

4.3 慢波時(shí)延的空間分布特征

整個(gè)賓川臺(tái)陣的慢波時(shí)延主要集中在0.1 s左右(圖8b)，平均值是0.087 s(表2).具體到各個(gè)臺(tái)站的慢波時(shí)延分布，整體上呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間變化，并且這種變化具有一定的隨機(jī)性，并沒(méi)有系統(tǒng)性變化(圖5).四個(gè)分區(qū)的平均慢波時(shí)延大致相同，其中最大的平均慢波時(shí)延為D區(qū)(0.090±0.004 s)，最小的平均慢波時(shí)延為A區(qū)(0.082±0.005 s)(表2).

對(duì)比慢波時(shí)延與震源深度的關(guān)系可以檢驗(yàn)地震對(duì)橫波分裂結(jié)果的影響.如圖8a所示，基于震源深度小于4 km的淺層地震事件計(jì)算得到的慢波時(shí)延主要位于0～0.2 s之間，而震源深度較深的地震(>8 km)提供了少量更大的慢波時(shí)延(0.3 s)結(jié)果(圖8a).

圖8 慢波時(shí)延的統(tǒng)計(jì)直方圖及其與震源深度、射線路徑長(zhǎng)度的關(guān)系(a) 慢波時(shí)延和震源深度的關(guān)系； (b) 慢波時(shí)延統(tǒng)計(jì)直方圖； (c) 慢波時(shí)延和射線路徑的關(guān)系.Fig.8 Histogram of delay time of the slow shear waves and their relationship with focal depths and the length of ray paths(a) Delay time as a function of focal depth; (b) Histogram of delay time; (c) Delay time as a function of the length of ray paths.

在均勻各向異性介質(zhì)中，慢波時(shí)延大小會(huì)和波傳播射線路徑長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系.對(duì)比橫波分裂結(jié)果中所有的慢波時(shí)延和對(duì)應(yīng)的射線路徑長(zhǎng)度的關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)，二者之間無(wú)明顯的線性關(guān)系(圖8c)(二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.16).這說(shuō)明賓川地區(qū)整體的慢波時(shí)延和波傳播路徑之間相關(guān)性較弱.

5 討論

5.1 地震數(shù)量和定位準(zhǔn)確性對(duì)橫波分裂結(jié)果的影響

賓川密集臺(tái)陣觀測(cè)時(shí)間較短(兩個(gè)月)，獲得的測(cè)量結(jié)果數(shù)量有限.雖然篩選出了質(zhì)量較高的橫波分裂結(jié)果，但最終結(jié)果的穩(wěn)定性可能仍會(huì)受影響.此外，地震定位的準(zhǔn)確性也可能會(huì)對(duì)橫波分裂結(jié)果有影響.為了驗(yàn)證分裂結(jié)果的可靠性，我們進(jìn)行了兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn).

在第一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，使用位于同區(qū)域的另一個(gè)短周期(0.5～50 Hz)流動(dòng)臺(tái)陣的五個(gè)月(2017年1月1日到5月31日)數(shù)據(jù)記錄(Wang et al., 2020)，進(jìn)行橫波分裂的計(jì)算，以評(píng)估地震數(shù)量對(duì)橫波分裂結(jié)果的影響.過(guò)程簡(jiǎn)介如下：首先手動(dòng)拾取該流動(dòng)臺(tái)陣記錄的227個(gè)地震的S 波初至，然后采用與賓川臺(tái)陣同樣的處理流程和篩選條件，最終獲得181個(gè)橫波分裂結(jié)果分布在18個(gè)地震臺(tái)站上.這意味著平均每個(gè)臺(tái)站有10個(gè)橫波分裂結(jié)果，是密集臺(tái)陣(平均4.8個(gè)結(jié)果)的兩倍.在圖9中將之(紅色線段)和密集臺(tái)陣的結(jié)果(藍(lán)色線段)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者的平均快波偏振方向吻合較好，慢波時(shí)延大小也較一致.

圖9 兩個(gè)月的密集臺(tái)陣和五個(gè)月的流動(dòng)臺(tái)陣的橫波分裂結(jié)果對(duì)比藍(lán)色線段表示密集臺(tái)陣的結(jié)果，紅色線段表示流動(dòng)臺(tái)陣的結(jié)果.Fig.9 Comparison of the shear wave splitting results between the two-months dense array and the five-months mobile stationsBlue lines denote the results from the dense array，and red lines indicate the results from the mobile stations.

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)采用另一個(gè)獨(dú)立定位的賓川地區(qū)的地震目錄(張?jiān)迄i等，2020)重新進(jìn)行橫波分裂的測(cè)量，以衡量地震定位對(duì)橫波分裂結(jié)果的影響.相較于文中采用的地震目錄，新目錄中包含更多位于臺(tái)陣南側(cè)的地震.同時(shí)，對(duì)同一地震的定位二者之間可能也存在一些誤差.

圖10 展示的是使用這兩個(gè)地震目錄在賓川臺(tái)陣上得到的橫波分裂結(jié)果對(duì)比.可以看到，(1)由于新目錄中新增了位于臺(tái)陣南部的地震事件，該區(qū)域內(nèi)更多的臺(tái)站有有效的橫波分裂結(jié)果；(2)雖然地震目錄不同，部分臺(tái)站的橫波分裂結(jié)果仍重合在一起，說(shuō)明兩組橫波分裂結(jié)果具有較好的一致性；(3)有部分臺(tái)站處的兩種橫波分裂結(jié)果并不一致，甚至有的快波偏振方向近乎相互垂直.這些不同可能是由于同一地震重定位后位置不同或新增測(cè)量結(jié)果導(dǎo)致的.并且快波偏振方向出現(xiàn)較大變化的臺(tái)站大部分呈現(xiàn)有效測(cè)量數(shù)量較低的現(xiàn)象.

圖10 使用不同地震目錄獲得的橫波分裂結(jié)果的對(duì)比藍(lán)色實(shí)線是基于本研究采用的地震目錄獲得的結(jié)果，紅色實(shí)線是使用張?jiān)迄i等(2020)的地震目錄獲得的橫波分裂結(jié)果.Fig.10 Comparison of the results of shear wave splitting using different catalogue of earthquakesBlue lines denote the shear wave splitting results based on the catalogue used in this study, while red lines denote the results of shear wave splitting based on the catalogue in Zhang et al. (2020).

兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，我們使用兩個(gè)月的密集臺(tái)陣數(shù)據(jù)獲得的橫波分裂結(jié)果是可靠的，不會(huì)因?yàn)榈卣饠?shù)量的增加或定位的誤差而產(chǎn)生較大的改變.

5.2 賓川地區(qū)各向異性機(jī)制

上地殼的地震各向異性通常由兩個(gè)機(jī)制解釋：區(qū)域應(yīng)力或斷裂帶導(dǎo)致的裂隙定向排列/發(fā)育有關(guān)(孫長(zhǎng)青等，2011；高原等，2020).圖5中各臺(tái)站的橫波分裂結(jié)果顯示，賓川地區(qū)的上地殼各向異性既受NNW向的區(qū)域主壓應(yīng)力作用，也和區(qū)域內(nèi)的斷裂帶走向有一定關(guān)系，應(yīng)是兩種機(jī)制共存的情況.接下來(lái)討論這兩種機(jī)制在賓川地區(qū)上地殼各向異性上的貢獻(xiàn)問(wèn)題.

首先，綜合整個(gè)臺(tái)陣結(jié)果的平均快波偏振方向(表2)和所有快波偏振方向的主優(yōu)勢(shì)方向(圖6a)均為NNW 向.這與區(qū)域主壓應(yīng)力方向(NNW)吻合，因此，我們認(rèn)為賓川地區(qū)的各向異性主要由區(qū)域應(yīng)力控制.

其次，斷裂帶對(duì)其附近的各向異性有局部的控制作用.在整個(gè)臺(tái)陣的快波偏振方向統(tǒng)計(jì)圖中(圖6a)，除了NNW向主優(yōu)勢(shì)偏振方向，還有多個(gè)與研究區(qū)域內(nèi)主要斷裂走向有較好的一致性的次優(yōu)勢(shì)偏振方向.比如，近N-S向的次優(yōu)勢(shì)偏振方向與F1和F3斷裂的走向較一致；NNE向的次優(yōu)勢(shì)方向與F2、F5、F6和F4南支(F8與F9之間)斷裂走向一致；近E-W向的次優(yōu)勢(shì)方向與F8和F9斷裂的走向一致.

基于分區(qū)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表(表2)和玫瑰圖(圖6b)，可以更清晰地看到斷裂帶對(duì)各向異性的影響.各子區(qū)內(nèi)綜合所有臺(tái)站結(jié)果的平均快波偏振方向(表2)和主優(yōu)勢(shì)偏振方向(圖6b)表明，A子區(qū)和B 子區(qū)內(nèi)略偏向N-S向，這與該區(qū)域內(nèi)N-S向的F1和F3斷裂有很好的一致性；C區(qū)內(nèi)平均快波偏振方向?yàn)镹NW向，但玫瑰圖樣式中顯示的主優(yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)镹NW和NE向，與區(qū)域內(nèi)F2斷裂的NE走向一致；D區(qū)偏向E-W向，與該區(qū)域內(nèi)E-W走向的F8和F9斷裂具有一致性.

具體到單個(gè)臺(tái)站的快波偏振方向，可以發(fā)現(xiàn)斷裂帶一般只對(duì)其附近臺(tái)站的快波偏振方向有影響.比如F4斷裂附近臺(tái)站的快波偏振方向會(huì)沿著F4走向而改變，從北到南依次呈現(xiàn)NS-NNE向(圖7，B區(qū)).在F2和F8斷裂附近的臺(tái)站多與斷裂走向一致，但也存在與斷裂走向垂直的情況(如F2南端的兩個(gè)臺(tái)站和F8中段的若干臺(tái)站).F8斷裂南、北側(cè)臺(tái)站的快波偏振方向(圖5)有所不同，其中南側(cè)臺(tái)站的快波偏振方向多為E-W向和F8斷裂走向較一致.這可能由于地震事件多分布在F8斷裂的北側(cè)，只有南側(cè)臺(tái)站接收的地震記錄穿過(guò)了F8斷裂帶.即波傳播路徑是否經(jīng)過(guò)斷裂帶也可能對(duì)相應(yīng)臺(tái)站的橫波分裂結(jié)果產(chǎn)生影響.此外，可能還有很多因素影響斷裂帶對(duì)各向異性的影響，比如斷裂產(chǎn)生的各向異性強(qiáng)度也許會(huì)受到斷層活動(dòng)性的影響.如在F1斷裂南段，雖然斷裂走向偏向NNE，但大部分臺(tái)站的偏振方向?yàn)镹NW，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致.這一偏差或許與南段斷層活動(dòng)性弱有關(guān)(羅睿潔等，2015).

5.3 波傳播路徑長(zhǎng)度和慢波時(shí)延的相關(guān)性分析

在均勻各向異性介質(zhì)中，慢波時(shí)延會(huì)隨著傳播距離的增加而增加.在圖8c中，我們看到賓川地區(qū)整體的慢波時(shí)延和波傳播路徑相關(guān)性較弱.為進(jìn)一步定量檢驗(yàn)分析慢波時(shí)延和射線路徑的相關(guān)性，我們選取單個(gè)地震計(jì)算的慢波時(shí)延和射線路徑長(zhǎng)度進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算.同時(shí)為避免單個(gè)地震結(jié)果可能產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，最終選擇位置相近的兩個(gè)地震事件，如圖11所示.這兩個(gè)地震分別為事件4840和事件5456，均位于臺(tái)陣西側(cè)，對(duì)應(yīng)的震級(jí)和震源深度分別為(1.1級(jí)，9.63 km)和(0.6級(jí), 11.25 km).在圖11(a,b)中，兩個(gè)地震事件對(duì)應(yīng)的橫波分裂結(jié)果具有很高的一致性，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果可靠有效.

圖11 地震事件4840和事件5456對(duì)應(yīng)的各臺(tái)站平均橫波分裂結(jié)果，及慢波延遲時(shí)間和射線路徑長(zhǎng)度的關(guān)系M表示對(duì)應(yīng)事件的震級(jí)，圓點(diǎn)表示震源位置.Fig.11 The average shear wave splitting result at each station corresponds to event 4840 and event 5456， and the relationship between delay time of the slow shear waves and ray path length, respectivelyM represents the magnitude of related event, and circle represents the event′s location.

慢波時(shí)延的空間分布沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯隨震中距增加而增加的趨勢(shì)(圖11a，b).慢波時(shí)延和射線路徑長(zhǎng)度的散點(diǎn)圖呈現(xiàn)有微弱的線性趨勢(shì)(圖11c，d)，互相關(guān)系數(shù)較低(分別為0.159和0.133).此外，斷裂帶附近臺(tái)站一般具有較大的時(shí)延，如地震南側(cè)的臺(tái)站.地震北側(cè)沒(méi)有斷裂帶區(qū)域內(nèi)的慢波時(shí)延普遍較小.這意味著斷裂帶附近的上地殼各向異性存在較強(qiáng)的非均勻性.

5.4 歸一化慢波時(shí)延和賓川地區(qū)上地殼各向異性強(qiáng)度

慢波時(shí)延可用來(lái)衡量原場(chǎng)地各向異性強(qiáng)弱.考慮到計(jì)算得到的慢波時(shí)延是整個(gè)射線路徑上各向異性的累積效果，需要剔除射線路徑長(zhǎng)度的影響(Hudson, 1981)再分析原場(chǎng)地的各向異性強(qiáng)弱.

利用射線路徑長(zhǎng)度對(duì)每個(gè)慢波時(shí)延進(jìn)行歸一化處理可以得到賓川地區(qū)單個(gè)臺(tái)站的歸一化慢波時(shí)延(圖12).綜合所有臺(tái)站的平均歸一化慢波時(shí)延為8.40±0.26 ms·km-1.空間分布上，F(xiàn)1斷裂附近的臺(tái)站，尤其是向東微凸的淺震區(qū)域，歸一化慢波時(shí)延明顯大于其他臺(tái)站的(圖12)，說(shuō)明該區(qū)域淺層介質(zhì)的各向異性很強(qiáng)，而該地區(qū)又恰好是地震學(xué)家認(rèn)為的“大震潛震區(qū)”(周慶等，2004)，可能是存在局部的應(yīng)力集中導(dǎo)致各向異性較強(qiáng).位于其他主要斷裂帶周圍的臺(tái)站，以及盆山接壤處的臺(tái)站，歸一化前、后的慢波延時(shí)都比較大(圖5和圖12)，揭示其淺層介質(zhì)的各向異性較強(qiáng).在B區(qū)的盆地丘陵地區(qū)，歸一化前、后的慢波時(shí)延都較小，說(shuō)明該地區(qū)的各向異性較弱.

圖12 歸一化后的平均慢波時(shí)延分布.相比于圖5，這里的慢波時(shí)延被相應(yīng)的射線路徑長(zhǎng)度歸一化Fig.12 Average of normalized delay time of the slow shear waves. Compared with Fig.5, the delay time here is normalized by the length of its corresponding ray path

考慮最終的橫波分裂結(jié)果主要來(lái)自10 km左右深度的震源信號(hào)(圖4B)，而賓川地區(qū)上地殼厚度約為25 km(張中杰等，2005)，本文的結(jié)果主要揭示的是賓川地區(qū)淺層地殼介質(zhì)的各向異性特征.假設(shè)整個(gè)地殼的各向異性至少與上地殼處于相同強(qiáng)度，那么根據(jù)賓川地區(qū)的地殼厚度(40 km；張中杰等，2005)，可以得到整個(gè)地殼的慢波延時(shí)為0.336 s.這一數(shù)值比由Pms波分裂得到的云南地區(qū)整個(gè)地殼的平均慢波延遲時(shí)間(0.25 s；孫長(zhǎng)青等，2013)大了三分之一.對(duì)于該結(jié)果可能的解釋有，(1)上地殼的各向異性強(qiáng)于中下地殼；(2)賓川地區(qū)的各向異性比云南其他地區(qū)更強(qiáng)(可能和云南地區(qū)不同區(qū)域構(gòu)造環(huán)境不同，各向異性變化較大有關(guān)).

賓川地區(qū)的各向異性強(qiáng)度ε可通過(guò)平均慢波時(shí)延和平均走時(shí)的比值來(lái)估計(jì)(ε=δt/(L/v)).其中，v,δt,L分別為裂隙介質(zhì)中平均的橫波速度、慢波時(shí)延和射線路徑長(zhǎng)度(Hudson, 1981).賓川地區(qū)上地殼的平均橫波速度約為3.27 km·s-1(陳思文等，2016)，平均波傳播路徑長(zhǎng)度約為12.3 km，平均慢波時(shí)延為0.087 s，計(jì)算得到的各向異性強(qiáng)度為2.4%.這一結(jié)果比利用P 波得到的云南地區(qū)上中地殼的各向異性(1.6%)略高(Zhang and Wang, 2009)，但與位于賓川地區(qū)南側(cè)的紅河斷裂附近的上地殼各向異性強(qiáng)度(2%～3%)相當(dāng)(王瓊等，2015).這說(shuō)明賓川及其周邊地區(qū)(如紅河斷裂)的上地殼的各向異性很可能比整個(gè)云南地區(qū)的平均值高.

6 結(jié)論

利用賓川密集臺(tái)陣兩個(gè)月的地震記錄，我們獲得了賓川地區(qū)的橫波分裂結(jié)果.該結(jié)果體現(xiàn)了上地殼各向異性空間分布特征和局部構(gòu)造之間的關(guān)系，也可用來(lái)估計(jì)賓川地區(qū)的淺層介質(zhì)各向異性強(qiáng)度.

(1)整體而言，賓川地區(qū)的平均快波偏振方向?yàn)镹NW向(-17.17°±4.64°)，與前人結(jié)果獲得的該區(qū)域的最大水平主壓應(yīng)力方向一致，說(shuō)明賓川地區(qū)的上地殼各向異性主要受區(qū)域應(yīng)力的控制.

(2)斷裂帶對(duì)其附近臺(tái)站的各向異性有影響，體現(xiàn)在其附近臺(tái)站的快波偏振方向或平行于斷裂走向，或由最大水平主壓應(yīng)力方向朝斷裂走向偏轉(zhuǎn).

(3)斷裂帶對(duì)各向異性的影響比較復(fù)雜，可能受斷裂與臺(tái)站之間的距離、射線路徑、多個(gè)斷裂共同作用以及斷裂帶活動(dòng)性等影響.

(4)賓川地區(qū)的上地殼各向異性強(qiáng)度(2.4%)高于云南地區(qū)上、中地殼的平均值(1.6%).

研究表明，短周期密集臺(tái)陣可用于淺部介質(zhì)各向異性的研究，其高空間分辨率在分析斷層對(duì)各向異性的作用方面具有優(yōu)勢(shì).但是淺層介質(zhì)的各向異性特征比較復(fù)雜，受多種因素的控制影響，可能存在較大的空間變化.特別是斷裂帶對(duì)各向異性的局部作用使得對(duì)淺層介質(zhì)的各向異性結(jié)果分析更為復(fù)雜.在未來(lái)使用更密集的臺(tái)陣有望更好地解決這些問(wèn)題.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.感謝中國(guó)地震局地球物理勘探中心在數(shù)據(jù)觀測(cè)采集上的支持.感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所武澄瀧博士和香港中文大學(xué)楊宏峰副教授在數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析上的建議.本文圖件使用GMT(Wessel et al., 2013)制作.感謝三位審稿人的建設(shè)性意見(jiàn).