基于密集流動地震臺網(wǎng)資料研究古冶—灤縣地區(qū)上地殼各向異性

李梟, 萬永革,2,3*, 王曉山, 吳鵬, 張小濤, 余海琳

1 防災(zāi)科技學(xué)院, 河北三河 065201

2 河北省地震動力學(xué)重點(diǎn)實驗室, 河北三河 065201

3 河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站, 河北隆堯 055350

4 河北省地震局, 石家莊 050021

5 邯鄲地震監(jiān)測中心站, 河北邯鄲 056001

0 引言

古冶—灤縣地區(qū)處于唐山市東部,位于華北平原北部,是華北地區(qū)地震最活躍的地區(qū)之一,且一直是1976年唐山MS7.8地震后的老震區(qū).自唐山地區(qū)發(fā)生7.8地震以來,該區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和動力學(xué)背景受到了重點(diǎn)關(guān)注.唐山地震后此區(qū)域后續(xù)還發(fā)生了多次強(qiáng)余震,如2004年1月20日灤縣5.0級地震和2010年3月6日灤縣4.7級地震(張素欣等,2010)、2012年5月28日灤縣與古冶交界處的4.8級地震(張躍剛等,2013)、2015年1月11日灤縣3.3級地震(王想等,2016),到2020年7月12日古冶地區(qū)的5.1級地震(溫瑞智和王宏偉,2020;徐志國等,2021).古冶—灤縣地區(qū)至今為高頻地震區(qū)域,地處唐山斷裂帶北段,位于活動斷裂帶附近,位置較敏感.本文將通過古冶—灤縣地區(qū)密集流動地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù),求得該地區(qū)上地殼各向異性特征,通過地殼各向異性揭示該區(qū)域斷裂破碎程度的差異,對后續(xù)進(jìn)行唐山及其周邊地區(qū)的地震預(yù)測和地震危險性評估具有重要意義.

地球介質(zhì)具有各向異性的特征,地震各向異性在地殼以及上地幔中普遍存在(Crampin,1981;Fukao,1984).剪切波在大量分布EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy)微裂隙的地殼介質(zhì)中傳播會發(fā)生分裂現(xiàn)象(Crampin,1978,1981),分裂成快剪切波和慢剪切波兩列波.研究發(fā)現(xiàn)：剪切波分裂對地殼介質(zhì)的各向異性極其敏感,分析地殼各向異性的方法之一就是計算剪切波分裂參數(shù),它包括快剪切波(快波)偏振方向和慢剪切波(慢波)時間延遲兩個參數(shù)(吳鵬等,2020).前人研究表明：快剪切波偏振結(jié)果與臺站所處位置有關(guān),靠近活動斷裂的臺站快剪切波偏振方向與斷裂走向一致(Crampin et al.,2003;石玉濤等,2006;Boness and Zoback,2006;Gao et al.,2011),而一般情況下,快剪切波偏振方向應(yīng)與原地主壓應(yīng)力方向一致(吳晶等,2008).慢波時間延遲則可以反映區(qū)域各向異性程度的大小和應(yīng)力狀態(tài)的變化(Crampin and Peacock,2005;Gao and Crampin,2006,2008;Gao et al.,2011,2012;石玉濤和高原,2022;呂晉妤等,2022).剪切波分裂結(jié)果不僅可以討論地殼介質(zhì)各向異性,還可以對區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)分布、斷層活動性質(zhì)以及與區(qū)域應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行研究(吳晶等,2007a,2007b,2008;Gao et al.,2011,2019;Almqvist and Mainprice,2017;李金等,2021),獲得地球深部內(nèi)部變形信息(Crampin and Peacock,2005).當(dāng)然,在資料數(shù)據(jù)允許情況下,使用剪切波波分裂方法,不僅可以研究大范圍的地殼介質(zhì)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài),對小尺度的地殼應(yīng)力環(huán)境特征研究也同樣有效(石玉濤等,2009;鄭拓等,2017;吳鵬等,2020).

斷層破碎帶是由斷層或裂隙密集帶所造成的巖石強(qiáng)烈破碎地段.斷層裂隙密集帶也是斷層區(qū)域各向異性的主要原因,各向異性結(jié)果即快剪切波偏振方向和慢剪切波時間延遲不僅可以反映斷層區(qū)域應(yīng)力狀態(tài),還可以揭示斷層裂隙帶的密集程度即斷層破碎程度.本文通過密集臺陣的精細(xì)各向異性結(jié)果來揭示該古冶—灤縣地區(qū)周邊斷裂的斷層破碎程度,為后續(xù)深入分析該區(qū)域斷層精細(xì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布提供重要依據(jù).

古冶—灤縣地區(qū)的地殼剪切波分裂研究成果較少,只有部分學(xué)者針對唐山整個大區(qū)域利用地震波形資料對剪切波分裂參數(shù)進(jìn)行求解(孫勇和鄭斯華,1993;高原等,1995).且當(dāng)時臺站布設(shè)較稀疏并沒有用到更為密集、精細(xì)的波形數(shù)據(jù),利用剪切波分裂結(jié)果來揭示斷裂破碎程度還屬于研究空缺.地殼各向異性結(jié)果的可靠性取決于地震波形的質(zhì)量和數(shù)量(吳鵬等,2020),想要得到精細(xì)且可靠的主壓應(yīng)力和各向異性結(jié)構(gòu),就需要臺網(wǎng)覆蓋密度較高的臺站波形數(shù)據(jù)(高原等,2018;Li et al.,2021;王想等,2022;石玉濤和高原,2022).由于唐山古冶—灤縣地區(qū)固定臺站數(shù)量較少,本文將利用臨時架設(shè)的73個流動地震臺2020年8月—2021年7月的密集臺陣觀測波形資料,并結(jié)合4個固定地震臺波形資料,研究古冶—灤縣地區(qū)上地殼各向異性,分析其周邊斷裂破碎程度和區(qū)域應(yīng)力特征.

1 構(gòu)造背景與臺站資料

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

本文的古冶—灤縣地區(qū)指117.75°E—119.28°E,39.64°N—39.88°N的區(qū)域.該區(qū)域位于冀渤坳陷與燕山坳陷的結(jié)合部位(高原等,1995),地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜.此區(qū)域一直是唐山7.8級地震的余震頻發(fā)區(qū),為華北地區(qū)地震最為活躍的地區(qū)之一.研究區(qū)域位于唐山塊體周圍,唐山塊體從整體上來看為一走向ENE向的菱形塊體(冉志杰等,2013),周圍被多條斷裂帶包圍,是一個強(qiáng)烈的活動斷塊(圖1).從圖中可以看出,ENE向的寧河—昌黎斷裂、近E-W向的榛子鎮(zhèn)斷裂、ENE向的豐臺—野雞坨斷裂、NW向的灤縣—樂亭斷裂,以及NW向的薊運(yùn)河斷裂(此斷裂不在本文研究范圍內(nèi))圍成了一個菱形區(qū)域,將本文研究區(qū)域包圍在內(nèi)(虢順民等,1977).除了上述斷裂外,研究區(qū)域內(nèi)還存在兩條均呈NE向展布的唐山斷裂帶和盧龍斷裂.唐山斷裂帶由3條NE向的子斷裂構(gòu)成(尤惠川等,2002;郭慧等,2011;張躍剛等,2013),分別為唐山—陡河斷裂、巍山—長山斷裂和唐山—古冶斷裂,且三條斷裂自北向南平行展布(賴曉玲等,2009).震源機(jī)制資料結(jié)果表明：唐山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向為ENE向(趙建濤等,2002),華北地區(qū)主壓應(yīng)力方向為ENE向(李瑞莎等,2008;劉麗等,2017).Wan(2010)利用中國地殼應(yīng)力數(shù)據(jù)庫和矩心矩張量目錄給出的中國現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中結(jié)果顯示：華北地區(qū)的主壓應(yīng)力方向也為近水平的ENE向.由此可見,該區(qū)域應(yīng)力環(huán)境使得古冶—灤縣地區(qū)周邊斷裂主要以北東向和近東西向發(fā)育為主,并受到北東向構(gòu)造的控制(高原等,1995),形成了該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的基本輪廓(圖1).

圖1 地震臺站分布及地質(zhì)構(gòu)造背景圖中白色箭頭代表區(qū)域背景最大主壓應(yīng)力方向. F1： 榛子鎮(zhèn)斷裂; F2： 豐臺—野雞坨斷裂; F3： 唐山—陡河斷裂; F4： 巍山—長山斷裂; F5： 唐山—古冶斷裂; F6： 寧河—昌黎斷裂; F7： 灤縣—樂亭斷裂; F8： 盧龍斷裂; F9： 薊運(yùn)河斷裂. 灰色圓圈表示古冶—灤縣流動臺網(wǎng)2020年8月—2021年7月記錄到的1174次地震(震級ML1～3級).

圖2 地震深度分布圖

1.2 地震臺站與資料

唐山古冶—灤縣地區(qū)地震臺網(wǎng)于2020年8月開始運(yùn)行,該臺網(wǎng)中包括73個流動地震臺和4個固定地震臺(圖1),其中55個流動臺為短周期地震臺,18個流動臺為寬頻帶地震臺,4個固定地震臺均為寬頻帶地震臺.臺網(wǎng)東西跨度最長達(dá)到約131 km,最短約46.3 km,南北跨度約27 km.各臺站東西向平均間距約4.6 km,南北向平均臺間距約5.4 km,每臺的數(shù)據(jù)采集器的采樣率均為100 Hz.本次布設(shè)的古冶—灤縣地區(qū)流動地震臺網(wǎng)密度較高,為得到該地區(qū)精細(xì)的各向異性結(jié)構(gòu)提供了較全面的數(shù)據(jù).

本次臺網(wǎng)記錄到2020年8月—2021年7月地震共1174次(圖2).根據(jù)剪切波窗口的約束條件,對其進(jìn)行濾波篩選,篩選出在剪切波窗口內(nèi)的波形條數(shù)共15359條.剪切波窗口是指：地震波在傳播過程中,經(jīng)過界面時會發(fā)生反射.為保證波形的完整性,需計算出發(fā)生全反射時的臨界入射角,這個角度即為剪切波窗口角度.當(dāng)介質(zhì)泊松比為0.25時,剪切波窗口約為35°,也就是只有入射角在小于35°范圍內(nèi)的剪切波記錄才能使用(吳晶,2007).但是,由于地表沉積層等低速層的存在,地震射線在地表實際入射角要比理論入射角更小(Crampin and Peacock,2005).一般情況下,地表入射角要小于震源處的離源角(萬永革,2016),根據(jù)地震射線傳播定律,并參考Crampin和Peacock(2005)數(shù)據(jù)選擇規(guī)則,本文選用離源角小于45°范圍內(nèi)的波形記錄即可滿足剪切波窗口條件.

2 研究方法和結(jié)果分析

2.1 研究方法

本研究使用SAM系統(tǒng)分析法(高原等,2004)研究古冶—灤縣地區(qū)上地殼各向異性.SAM綜合分析法包括相關(guān)函數(shù)計算、偏振檢驗和時間延遲校正三個步驟,其優(yōu)勢在于具有自我檢驗的特點(diǎn)(Gao and Zheng, 1995;Gao et al.,1998;高原等,2004).快剪切波和慢剪切波來自同一波源,具有一定相關(guān)性(劉庚等,2015),但快剪切波與慢剪切波速度和方位不同,存在角度之差和走時差.對于兩個時間函數(shù),根據(jù)定義,相關(guān)函數(shù)為

圖3 快剪切波偏振方向與剪切波各分量的關(guān)系圖中f軸是快剪切波偏振方向,與N軸成α度,An是剪切波在N軸(北)上的投影,Af是剪切波在f軸上的投影,Ae是剪切波在E(東)軸上的投影,Ag是剪切波在g軸上的投影.

(1)

其中t為時間,Δt為兩個時間函數(shù)之間的差值.在區(qū)分快、慢剪切波時,需要對剪切波的兩個水平分量進(jìn)行重新投影(旋轉(zhuǎn))(圖3),得到兩個新的波列.然后分別計算不同時間延遲和不同方位上的兩個水平方向波列的相關(guān)函數(shù).

Af(α,t)=Ae(t)·sin(α)+An(t)·cos(α),

(2)

Ag(α,t)=Ae(t)·cos(α)-An(t)·sin(α),

(3)

(4)

在計算時,選取震中距最小的波形,并截取波形最開始一段進(jìn)行計算.以N-S向為初始方向,以步長為5°在180°內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn),時間延遲從0到某個時間之間選擇.改變旋轉(zhuǎn)角度α和時間延遲Δt,計算相關(guān)函數(shù)值.最大相關(guān)函數(shù)值所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度α和時間延遲Δt即為快剪切波偏振方向和慢剪切波時間延遲(吳晶等,2007a,2007b).

然而由于地表地形和地殼內(nèi)部等干擾因素的影響,需要對計算結(jié)果進(jìn)行偏振檢驗.圖4為T06臺記錄到的ML2.0地震的波形.在此波形圖中可以看出,地震波的垂直向分量要遠(yuǎn)小于水平向分量,P波在垂直分量中占比重較大,而S波在水平分量中所占比重較大,并且由于直達(dá)波射線路徑與垂向夾角較小,所以垂直分量的地震波形對剪切波分裂結(jié)果的影響不大.在圖5可知,快剪切波初至點(diǎn)為S1,慢剪切波初至點(diǎn)為S2.此時S1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡與正北方向的夾角α(圖5左圖中波形快波偏振角度為130°)即為快剪切波偏振方向.將波形旋轉(zhuǎn)α后進(jìn)行時間延遲校正得到圖5(右)(圖5右圖中慢波時間延遲為0.02 s).從圖5(右)可知兩列波質(zhì)點(diǎn)偏振軌跡比校正前更接近于線性偏振,驗證了此條波形結(jié)果的可靠性.這種自我檢驗的處理技術(shù)是SAM方法的中心思路(高原等,1995,2004).

圖4 T06臺站波形記錄圖臺站T06記錄到的2020年10月19日ML2.0地震波形, 震源深度14.9 km, 震中距8.17 km. 從上至下分別是東西(EW), 北南(NS)和垂直(UD)向三分量地震波形.

圖5 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡偏振圖左圖中S1、S2分別為快、慢剪切波初至點(diǎn). 下圖分別為對應(yīng)臺站NS、EW向分量剪切波波形, 波形中兩線段中間部分為計算剪切波偏振方向和時間延遲所用的波形段. 從圖中可知此波形快剪切波偏振方向為130°.右圖為經(jīng)過旋轉(zhuǎn)之后的快、慢波波形.

2.2 結(jié)果分析

在確定剪切波分裂參數(shù)為一個有效記錄結(jié)果時,需滿足兩個條件：第一是波形S波初動清晰,第二是質(zhì)點(diǎn)軌跡偏振圖呈線性趨勢明顯.本文采用剪切波分裂SAM系統(tǒng)分析法,為了保證結(jié)果的可靠性,只保留快、慢兩列波波形相關(guān)系數(shù)為1時的波形記錄,得到古冶—灤縣地區(qū)55個臺站共421條有效波形的剪切波分裂參數(shù)(表1).結(jié)果表明：其中有12個臺站僅有1條有效記錄結(jié)果,43個臺站有至少3條及以上的有效記錄結(jié)果.三條記錄結(jié)果以上的臺站約占80%,所得結(jié)果可信度較高.

表1 古冶—灤縣地區(qū)55個臺站剪切波分裂結(jié)果Table 1 Shear wave splitting results of 55 stations in Guye—Luanxian area

續(xù)表1

3 結(jié)果與討論

3.1 古冶—灤縣地區(qū)剪切波分裂結(jié)果

計算分析得到(圖6)：55個臺站的快剪切波偏振方向的平均值為NE86.2°±27.8°,這一結(jié)果與前人利用鉆孔和震源機(jī)制資料反演得到唐山地區(qū)主壓應(yīng)力場方向一致(郭啟良等,1986;趙建濤等,2002);與多位學(xué)者研究得到華北地區(qū)主壓應(yīng)力方向一致(李瑞莎等,2008;高原等,2010;Wan,2010;劉麗等,2017);高原等(1995)以及孫勇和鄭斯華(1993)在對唐山地區(qū)的各向異性研究結(jié)果中(圖6下圖)顯示該區(qū)域快剪切波偏振方向為近東西向,從圖中可看出該結(jié)果與本文結(jié)果接近,但本文覆蓋度明顯較高;高原等(2010)利用近場波形資料反演得到華北北部地區(qū)的快剪切波平均偏振方向為NE85.7°±41.0°,在數(shù)值上與本文結(jié)果基本相符.圖6上圖顯示出地區(qū)快剪切波偏振方向具有兩個優(yōu)勢方向,第一優(yōu)勢方向為ENE近E-W向,第二優(yōu)勢方向為NE方向.第一優(yōu)勢方向與區(qū)域水平主壓應(yīng)力方向一致(郭啟良等,1986;劉麗等,2017);從地質(zhì)構(gòu)造可知,研究區(qū)域以NE向構(gòu)造發(fā)育為主,與區(qū)域快剪切波偏振第二優(yōu)勢方向相對應(yīng),表明該區(qū)域快剪切波偏振方向在受到應(yīng)力場影響的同時還受到斷裂的影響;快剪切波第二優(yōu)勢方向揭示了該區(qū)域斷裂主要以NE向為發(fā)育的構(gòu)造意義.

圖6 快剪切波偏振方向綜合結(jié)果與前人研究結(jié)果圖

根據(jù)圖7可知,大部分臺站的快剪切波偏振優(yōu)勢方向為ENE近E-W方向,例如LUX、T06、T07、T09、T10、T12、T24,T26等臺站;多數(shù)臺站的快剪切波偏振方向優(yōu)勢取向(包括第二優(yōu)勢方向)為NE方向,例如T06、T07、T40、T44,T46等臺站;部分臺站快剪切波偏振優(yōu)勢方向為NW方向,顯示出這種結(jié)果的臺站主要是T14、T61、T73和T74臺站;共9個臺站的快剪切波偏振方向有兩個優(yōu)勢方向,是LUX、T06、T07、T14、T35、T44、T55、T61和T73臺站.

由于每個地震的震中距和震源深度不同,每條波形記錄計算出來的時間延遲不能進(jìn)行比較.需要將各臺站慢剪切波時間延遲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化到單位距離的時間值(ms·km-1)(Crampin and Peacock,2005),計算每個臺站在單位距離上的慢剪切波時間延遲.計算得到55個臺站的平均慢剪切波時間延遲為2.37±1.25 ms·km-1.從表1可知,單個記錄臺站的慢剪切波時間延遲范圍在0.47～5.32 ms·km-1以內(nèi);3條及以上記錄的臺站慢剪切波平均時間延遲范圍在0.92～3.74 ms·km-1以內(nèi);其中時間延遲較大的臺站為T11、T12、T35,T39等臺站,主要位于臺網(wǎng)的東部區(qū)域;時間延遲較小的臺站主要是T13、T29、T31,T75等臺站,主要位于臺網(wǎng)的東南部區(qū)域.

3.2 快剪切波偏振方向分布特征

研究結(jié)果顯示(圖8),分布在臺網(wǎng)西北部的臺站快剪切波偏振方向主要以近E-W方向為主,與當(dāng)?shù)厮街鲏簯?yīng)力方向一致,周邊斷裂為榛子鎮(zhèn)斷裂和豐臺—野雞坨斷裂.分布在臺網(wǎng)西部的大多數(shù)臺站快剪切波偏振方向表現(xiàn)出兩個優(yōu)勢方向,一個為E-W向,另一個為NE-SW方向,周邊斷裂為唐山斷裂帶;區(qū)域大部分臺站快剪切波偏振方向表現(xiàn)出較好的一致性,與當(dāng)?shù)刂鲏簯?yīng)力方向一致,也從側(cè)面說明此區(qū)域的應(yīng)力場分布較為均勻.分布在臺網(wǎng)東部的臺站快剪切波偏振方向表現(xiàn)較為復(fù)雜,主要優(yōu)勢方向表現(xiàn)為E-W向、NW向和NE向,且多個臺站表現(xiàn)出多個優(yōu)勢方向;周邊斷裂為灤縣—樂亭斷裂、盧龍斷裂,以及寧河—昌黎三大斷裂,且三條斷裂交錯分布;復(fù)雜的快剪切波偏振方向分布可能與該區(qū)域局部構(gòu)造分布和地形有關(guān).此次布設(shè)臺網(wǎng)沒有覆蓋到寧河—昌黎斷裂,這里暫不做討論.以上結(jié)果可以看到,位于不同斷裂附近的臺站快剪切波偏振方向各不相同,大多臺站與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致.研究表明,快剪切波偏振方向不僅受到原地應(yīng)力的影響,還會受到局部斷裂的影響(高原等,1999; Zinke and Zoback,2000; Peng and Ben-Zion,2004; Cochran et al.,2006;賴院根等,2006).斷層破碎帶主要由斷層和裂隙帶組成(杜凱等,2020;展亞太等,2020),地殼內(nèi)部存在的裂隙是各向異性的主要來源(Crampin,1978,1981),斷裂運(yùn)動發(fā)生破碎產(chǎn)生的裂隙會直接影響到S波偏振方向,利用斷裂附近臺站快剪切波偏振結(jié)果可以來揭示其斷裂破碎程度.

唐山斷裂帶位于研究區(qū)域臺網(wǎng)西部,由唐山—陡河斷裂、巍山—長山斷裂和唐山—古冶斷裂三條子斷裂組成,三條斷裂自北向南平行展布(賴曉玲等,2009),走向均為NE走向.區(qū)域內(nèi)大多數(shù)臺站都表現(xiàn)出兩個優(yōu)勢方向.臺站T44和T55位于唐山—陡河斷裂和巍山—長山斷裂之間,其快剪切波偏振第一優(yōu)勢方向為E-W向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致;第二優(yōu)勢方向為NE向,與斷裂走向一致.臺站T06和T07位于巍山—長山斷裂和唐山—古冶斷裂之間,其快剪切波偏振第一優(yōu)勢方向為ENE向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致;第二優(yōu)勢方向為NE向,與斷裂走向一致.位于三條斷裂附近的其他臺站還有T32、T33、T34、T54和T45臺站.T32、T33和T45臺站,其快剪切波偏振優(yōu)勢方向均為ENE向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致;以上結(jié)果表明：唐山斷裂北段區(qū)域的臺站快剪切波偏振方向受到斷裂的影響較大,三條子斷裂均沿NE向破裂,斷裂帶破碎程度較強(qiáng),使得區(qū)域臺站快剪切波偏振方向均顯示出NE向的第二優(yōu)勢方向.

灤縣—樂亭斷裂與盧龍斷裂位于研究區(qū)域臺網(wǎng)東部,其走向分別為NW向和NE向,且兩條斷裂交叉展布形成Y字狀(陳文彬等,2020).位于兩條斷裂交匯處附近的臺站快剪切波偏振方向呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征.T12和T41臺站快剪切波偏振優(yōu)勢方向為E-W向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致.T13、T30和T40臺站快剪切波偏振優(yōu)勢方向為NE向,與盧龍斷裂走向一致.T39臺站快剪切波偏振方向為NW向,與灤縣—樂亭斷裂走向一致.LUX臺站表現(xiàn)出兩個優(yōu)勢方向,第一優(yōu)勢方向為ENE向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致;第二優(yōu)勢方向為NEN近N-S向,與區(qū)域應(yīng)力和兩條斷裂走向均不一致.部分位于斷裂交匯處東北部的臺站都表現(xiàn)出兩個優(yōu)勢方向,這些臺站為T14、T61和T73臺站.其中T61臺站由于偏振結(jié)果過于離散,沒有確定的快剪切波平均偏振方向,但也存在兩個明顯的優(yōu)勢方向.T14和T61臺站的快剪切波偏振的兩個優(yōu)勢方向均為WNW向和NW向.T73臺站的快剪切波偏振的兩個優(yōu)勢方向為ENE向和NW向.可以看出三個臺站存在相同的偏振優(yōu)勢方向為NW向,并包括只顯示出一個優(yōu)勢方向為NW向的T74臺站在內(nèi),臺站優(yōu)勢方向與灤縣—樂亭斷裂走向一致.灤縣—樂亭斷裂為一條走向NW、斷面傾向NE方向的高角度斷層(冉志杰,2013;王想等,2021),以上4個臺站均位于斷裂的東北側(cè),其S波偏振也很可能受到灤縣—樂亭斷裂的影響.以上結(jié)果表明：灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂對周邊臺站的快剪切波偏振方向影響較大.兩條活動斷裂的交匯作用可能造成了復(fù)雜的地殼破裂裂隙結(jié)構(gòu),斷裂破碎程度較高,導(dǎo)致S波在傳播過程中會沿多個裂隙面發(fā)生偏振,使得區(qū)域臺站出現(xiàn)了復(fù)雜的偏振結(jié)果.

(圖7續(xù))

圖7 55個臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖圖中玫瑰圖表示地震臺站的快剪切波偏振方向, 玫瑰圖下方為臺站代碼名稱, 括號里數(shù)字代表臺站所記錄到的有效波形結(jié)果條數(shù).

圖8 古冶—灤縣地區(qū)各臺站快剪切波平均偏振方向分布圖黑色線段表示快剪切波偏振方向第一優(yōu)勢取向, 紅色線段快剪切波偏振方向第二優(yōu)勢取向, 綠色線段表示只有一條有效記錄結(jié)果的快剪切波偏振方向. 線段長度正比于慢剪切波時間延遲大小. 其它含義同圖1.

豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂位于研究區(qū)域臺網(wǎng)的西北部,其走向分別為NE向和ENE向,附近臺站有T52、T63、T64,以及T65臺站,四個臺站中T63和T65臺站僅有一條有效波形記錄結(jié)果.臺站T52位于豐臺—野雞坨斷裂的南側(cè),其快剪切波偏振優(yōu)勢方向為ENE近E-W向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致,與斷裂走向不一致.臺站T63、T64,T65位于榛子鎮(zhèn)斷裂的南側(cè),T63臺站快剪切波偏振優(yōu)勢方向為WNW向近E-W 向,T64和T65臺站快剪切波平均偏振方向均表現(xiàn)為E-W向,均與區(qū)域主壓應(yīng)力方向接近,與斷裂走向相關(guān)性不大.以上結(jié)果表明,豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂對周邊臺站快剪切波偏振方向影響不大,兩條斷裂內(nèi)部裂隙可能存在愈合的現(xiàn)象,斷裂破碎程度較弱,S波偏振方向表現(xiàn)為與主壓應(yīng)力方向一致.位于豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂附近的4個臺站中,雖然T63和T65臺站僅有一條有效記錄結(jié)果,但其快剪切波偏振方向與其它臺站的快剪切波偏振方向有較好的一致性,也可以同周邊臺站相結(jié)合一起反映原地區(qū)域的一個主壓應(yīng)力環(huán)境.

還有許多靠近斷裂帶的臺站快剪切波偏振方向與斷裂走向并不一致,與區(qū)域主壓應(yīng)力也不一致.如位于唐山斷裂帶附近的T54臺站、位于盧龍斷裂附近的T14和T74臺站,其快剪切波偏振優(yōu)勢方向均為WNW方向,與斷裂走向和區(qū)域主壓應(yīng)力方向均不一致.從地形上看,T54、T14和T74臺站周圍地勢結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,皆處于地形隆起區(qū),快波偏振方向的不同可能與所處位置地形有關(guān),表面地形起伏對快剪切波偏振方向的影響非常顯著(Gao and Crampin,2006;吳晶等,2007a).從斷裂構(gòu)造來看,唐山斷裂帶和盧龍斷裂還可能存在未被探測到的NW向斷裂分支結(jié)構(gòu),使得周邊臺站快剪切波偏振方向呈現(xiàn)出WNW向,這還需要更多地質(zhì)資料加以驗證.另外,本文研究區(qū)域位于冀渤坳陷與燕山坳陷的結(jié)合部位,燕山運(yùn)動的造山作用是地殼強(qiáng)烈的水平運(yùn)動所造成的,而這地殼的構(gòu)造動力來自西北方向(尤惠川等,2002).這種強(qiáng)烈的地殼構(gòu)造動力所形成的復(fù)雜地殼構(gòu)造結(jié)構(gòu)也很有可能影響到研究區(qū)域臺站的快剪切波偏振優(yōu)勢方向.

根據(jù)本文結(jié)果可知：唐山斷裂北段區(qū)域臺站快剪切波偏振優(yōu)勢方向為ENE向和NE向,與唐山地區(qū)(趙建濤等,2002)和華北地區(qū)(李瑞莎等,2008;劉麗等,2017)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場方向一致,表明1976年唐山MS7.8地震序列引發(fā)的尖端效應(yīng)(張之立等,1980)在唐山斷裂帶北段應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力場并沒有發(fā)生改變.萬永革等(2008)根據(jù)前人對1976年唐山地震破裂、地殼速度等研究資料計算了唐山地震對其后續(xù)地震斷層的庫倫破裂應(yīng)力變化,得到唐山主震在古冶—灤縣地區(qū)產(chǎn)生的庫倫破裂應(yīng)力變化在0.05～0.2 MPa之間,這也表明了唐山主震后在唐山斷裂帶北段此區(qū)域地殼應(yīng)力的變化極其微小,無法改變比地震產(chǎn)生的應(yīng)力變化大幾個量級的背景構(gòu)造應(yīng)力場.且2020年古冶MS5.1地震(徐志國等,2021)發(fā)生在唐山斷裂帶北段,其地震序列沿NE-SW方向展布,與唐山斷裂走向一致;震源區(qū)主壓應(yīng)力軸方位為95°,傾角18°,也與唐山地區(qū)主壓應(yīng)力方向一致.唐山斷裂至今都為一條較活躍的斷裂,且斷裂北段為應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)是當(dāng)今做好地震預(yù)測和地震危險性評估的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域.

綜上可知,唐山斷裂、灤縣—樂亭斷裂以及盧龍斷裂對周邊臺站的快剪切波偏振方向影響較大,其斷裂破碎程度要強(qiáng)于榛子鎮(zhèn)斷裂和豐臺—野雞坨斷裂.從本文流動臺網(wǎng)記錄到的地震來看(圖1),大多數(shù)地震都集中在唐山斷裂帶北段以及灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂交匯處附近.劉亢等(2015)采用雙差定位法對華北地區(qū)1978—2011年發(fā)生的中小震進(jìn)行定位研究,結(jié)果表明古冶、灤縣地區(qū)小震主要集中在灤縣—樂亭斷裂中段以及盧龍斷裂分布,尤其是在灤縣附近和唐山斷裂帶的東北部區(qū)域,此結(jié)果與本文所記錄地震位置一致.通過對比可知,唐山斷裂帶、灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂附近地震活躍度較高,這也從側(cè)面表明了斷裂破碎程度較高.豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂附近無明顯地震活動,斷裂破碎程度則較弱,并結(jié)合剪切波偏振結(jié)果來看,兩條斷裂是早期形成的,內(nèi)部可能存在愈合,與周圍區(qū)分不明顯.

3.3 慢剪切波時間延遲分布特征

慢剪切波時間延遲是反映地殼各向異性程度大小的物理量.計算得到古冶—灤縣地區(qū)55個臺站的慢剪切波平均時間延遲為2.37±1.25 ms·km-1.表1給出了單個臺站的慢剪切波平均時間延遲,忽略掉僅有一條有效記錄的臺站,大部分臺站時間延遲分布在0.92～3.74 ms·km-1范圍內(nèi).慢剪切波平均時間延遲最大的臺站是T39臺,為3.74 ms·km-1;最小的臺站是T31臺,為0.92 ms·km-1,且臺站都位于灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂附近.

從圖8中可得知唐山斷裂帶區(qū)域臺站慢剪切波時間延遲分布較均勻,各臺站時間延遲大小差異較小,大部分臺站時間延遲均在2.09～2.63 ms·km-1之間.灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂交匯處附近臺站慢剪切波時間延遲呈不均勻分布,各臺站時間延遲大小差異較大,臺站時間延遲大小在0.85～3.74 ms·km-1范圍內(nèi).豐臺野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂附近臺站慢剪切波時間延遲最小,其范圍在1.25～2.02 ms·km-1之間.唐山斷裂帶、灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂附近臺站表現(xiàn)出多個偏振優(yōu)勢方向,而豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂附近臺站偏振方向較單一.從快剪切波偏振方向和慢剪切波時間延遲可知：唐山斷裂帶、灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂地殼各向異性程度要強(qiáng)于榛子鎮(zhèn)斷裂和豐臺—野雞坨斷裂.

Savage等(1990)研究表明：斷層錯動等作用引起的斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和在斷裂附近產(chǎn)生的裂隙造成了地殼的不均勻性,對地殼各向異性有很大影響.且靠近斷裂的臺站記錄到的地震波在經(jīng)過斷裂裂隙段傳到臺站時,慢剪切波時間延遲會受到較大影響,斷裂運(yùn)動產(chǎn)生的裂隙是各向異性的主要來源.這也從側(cè)面解釋了臺站慢剪切波時間延遲在不同破碎程度斷裂上的差異性,斷裂破碎產(chǎn)生的裂隙帶會使得慢剪切波到達(dá)臺站的時間延遲發(fā)生改變.

唐山斷裂帶附近臺站慢剪切波時間延遲較大,各臺站慢剪切波時間延遲差異較小,表明唐山斷裂帶破碎程度較強(qiáng),三條子斷裂平行展布,破碎較均勻.灤縣—樂亭斷裂與盧龍斷裂交匯處附近臺站慢剪切波時間延遲較大,時間延遲最大值和最小值均在此區(qū)域,各臺站慢剪切波時間延遲差異較大,表明兩條斷裂破碎程度較強(qiáng),破碎不均勻,兩條活動斷裂的交匯作用產(chǎn)生了復(fù)雜的破裂結(jié)構(gòu),引起了地殼內(nèi)部破裂的不均勻分布.豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂附近臺站慢剪切波時間延遲最小,表明斷裂破碎程度較弱,斷裂內(nèi)部裂隙均可能存在愈合的現(xiàn)象.臺站慢剪切波時間延遲結(jié)果所揭示的斷裂破碎程度與前文快剪切波偏振結(jié)果所得結(jié)論一致,此結(jié)果不僅反映了斷裂分布的復(fù)雜程度與地殼各向異性之間的關(guān)系,還揭示了地殼各向異性在不同破碎程度斷裂上的差異.

4 結(jié)論

本文采用SAM系統(tǒng)分析法,使用古冶—灤縣地區(qū)密集流動地震臺網(wǎng)2020年8月—2021年7月一年的波形記錄數(shù)據(jù),計算了該區(qū)域55個臺站的剪切波分裂結(jié)果,結(jié)果顯示3條及以上有效記錄波形結(jié)果的臺站共43個.本文由此結(jié)果得到了古冶—灤縣地區(qū)上地殼各向異性空間分布特征,分析了該區(qū)域斷裂破碎程度和應(yīng)力特征,得到了以下結(jié)論：

(1) 古冶—灤縣地區(qū)快剪切波平均偏振方向為NE86.2°±27.8°,慢剪切波平均時間延遲為2.37±1.25 ms·km-1快剪切波偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致,且快剪切波偏振方向存在第二優(yōu)勢方向為NE向,該方向揭示了該區(qū)域斷裂主要以NE向為發(fā)育的構(gòu)造意義.

(2) 唐山斷裂帶附近臺站快剪切波偏振方向均顯示出NE向的第二優(yōu)勢方向,與斷裂走向一致.斷裂附近臺站慢剪切波時間延遲較高,各臺站時間延遲差異較小,表明區(qū)域各向異性程度較強(qiáng),三條子斷裂沿NE向破碎程度較強(qiáng)且破碎較均勻.

(3) 灤縣—樂亭斷裂和盧龍斷裂附近臺站快剪切波偏振方向顯示出復(fù)雜性,表明兩條活動斷裂的交匯在地殼內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)雜的地殼破裂裂隙結(jié)構(gòu).斷裂附近臺站慢剪切波時間延遲較高,各臺站時間延遲差異較大,表明區(qū)域各向異性和斷裂破碎程度較強(qiáng),且破碎不均勻.

(4) 豐臺—野雞坨斷裂和榛子鎮(zhèn)斷裂對其附近臺站快剪切波偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致,慢剪切波時間延遲最小,表明斷裂對其附近臺站快剪切波偏振方向影響不大,區(qū)域各向異性和斷裂破碎程度較弱,斷裂內(nèi)部裂隙可能存在愈合的現(xiàn)象.

本文通過古冶—灤縣地區(qū)密集流動臺網(wǎng)資料得到了該地區(qū)上地殼各向異性結(jié)果,并揭示了周邊斷裂破碎程度的差異.研究結(jié)果不僅反映了斷裂分布的復(fù)雜程度與地殼各向異性的關(guān)系,還揭示了地殼各向異性在不同破碎程度斷裂上的差異,對后續(xù)進(jìn)行該地區(qū)各向異性和斷裂活動性等進(jìn)一步研究具有一定參考意義.

致謝中國地震局地震預(yù)測研究所的高原研究員為本研究提供了SAM軟件,并為本研究提供了建設(shè)性指導(dǎo)意見;本文圖形采用GMT、Matlab和SAC繪制,特此致謝!