甘東南地區(qū)地殼介質(zhì)各向異性特征①

張 輝，王熠熙，馮建剛

（中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

地殼介質(zhì)的地震各向異性是一種比較常見的現(xiàn)象［1］，地殼中大量充滿液體的定向排列的微裂隙是產(chǎn)生各向異性的主要因素，當(dāng)剪切波穿過這種各向異性介質(zhì)傳播時會分裂為快剪切波和慢剪切波［2］?？旒羟胁ǖ膬?yōu)勢偏振方向與裂隙走向一致，與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造會造成剪切波偏振方向的不同［3－6］。由于快剪切波偏振方向反映了地震臺站下方地殼的主壓應(yīng)力的方向，因而可以用來研究地殼應(yīng)力場特征［7］。國內(nèi)許多學(xué)者利用固定臺站、流動臺網(wǎng)（臺陣）的資料對中國的一些地區(qū)進行了各向異性的研究［3－6，8－13］，取得了大量的研究結(jié)果，表明利用剪切波分裂可以分析地殼介質(zhì)的各向異性、應(yīng)力場及斷層的性質(zhì)等。Gao和Crampin的研究表明［14］，剪切波分裂參數(shù)可以反映震前的應(yīng)力積累和臨震前的應(yīng)力釋放過程，這個特征對于地震預(yù)測具有重要的意義。最新的研究發(fā)現(xiàn)，慢剪切波的時間延遲對裂隙的水壓變化具有很好的反映［15］。

本文主要利用甘肅省區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)2001－2008年的地震波形資料，采用SAM（Systematic Analysis Method of Shear－wave Splitting，剪切波分裂系統(tǒng)分析方法）［16－18］方法，對甘東南地區(qū)地殼介質(zhì)各向異性特征進行分析，結(jié)合斷層分布討論剪切波分裂特性及其與地震斷層的關(guān)系，為以后更詳細(xì)的地震學(xué)研究提供參考資料。

1 區(qū)域背景

甘東南活動構(gòu)造區(qū)地處青藏高原塊體與鄂爾多斯塊體、阿拉善塊體的交匯區(qū)［19］，為西秦嶺北緣斷裂以南和東昆侖斷裂東段以北的區(qū)域。本區(qū)是強烈地震活動區(qū)，也是現(xiàn)今構(gòu)造活動強烈地區(qū)，分布著多條大型深斷裂帶，如NWW向的臨潭—宕昌斷裂、迭部—白龍江斷裂等；NEE向的禮縣—羅家堡斷裂、哈南—稻畦子斷裂等［20］。據(jù)記載，該區(qū)內(nèi)發(fā)生了1654年天水8.0級、1879年武都8.0級等2次8級大地震（圖1），還有多次中強地震發(fā)生。

圖1 研究區(qū)斷層和臺站分布圖Fig.1 Distribution of faults and stations in the research area.

許多學(xué)者從GPS觀測、震源機制解、第四紀(jì)地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬角度研究青藏高原東北緣地殼變形特征、動力驅(qū)動機制，取得了一系列重要成果。江在森等［21］利用GPS觀測資料研究中國大陸水平應(yīng)變場與構(gòu)造變形，顯示本區(qū)主壓應(yīng)變方向呈順時針旋轉(zhuǎn)特征；謝富仁等［22］編制的中國大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表明，青藏高原東北緣地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向分布比較復(fù)雜，自北向南，呈現(xiàn)由NE、NEE、近EW、SE到SSE方向的變化。吳滿路等［23］利用壓磁應(yīng)力解除法測量了蘭州—瑪曲地區(qū)的地應(yīng)力，認(rèn)為西秦嶺構(gòu)造帶是現(xiàn)今地應(yīng)力的一個過渡帶，最大水平主應(yīng)力方向由北側(cè)的NE向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁康腅W向和南側(cè)的SEE向。

2 資料及研究方法

甘肅數(shù)字地震臺網(wǎng)自2001年投入使用，到2008年6月升級改造，積累了大量的中小地震波形資料。本研究選取分布在甘東南地區(qū)的7個地震臺站，具體位置見圖1。使用地表臺站記錄波形分析剪切波分裂時，要求地震射線滿足剪切波窗口的約束條件。根據(jù)對大量實際資料的分析可知，如果使用近似單層介質(zhì)計算入射角，則選擇入射角≤45°的波形資料即可滿足剪切波窗口的約束條件（Crampin et a1.，2005）。

本文采用高原等［16－18］提出的剪切波分裂SAM系統(tǒng)分析法。該方法是在相關(guān)函數(shù)的基礎(chǔ)上提出的一種分析方法，包括相關(guān)函數(shù)計算、時間延遲校正和偏振分析檢驗3個部分，具有自我檢驗的特點，具體的計算原理和分析方法［18，24］，在此不再贅述。

應(yīng)用SAM方法的具體步驟如下：首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，選取直達剪切波段，依據(jù)網(wǎng)格搜索的原理給定不同的快剪切波偏振方向與慢剪切波延遲時間參數(shù)，計算兩水平分量的相關(guān)系數(shù)；把最大相關(guān)系數(shù)所對應(yīng)的一組各向異性參數(shù)作為初始解，通過質(zhì)點運動對初始解進行檢驗，得到最終的分裂參數(shù)值。圖2為經(jīng)1～15Hz帶通濾波后的地震波三分向記錄，圖3為剪切波分裂結(jié)果矯正。

由于同一臺站接收到不同地震的快剪切波偏振方向不完全一致，采用公式（1）分別計算各個臺站的平均快剪切波偏振方向ˉθ和R值。R值在0～1之間，其大小反映了快剪切波偏振方向的集中程度，越接近1說明快剪切波偏振方向越集中［25－27］：

式中n為臺站計算出的地震次數(shù)；θi為每次地震的快剪切波偏振方向。

圖2 地震事件經(jīng)帶通濾波后的波形Fig.2 Filtered waveforms of a seismic event in three directions.

圖3 剪切波分裂分析檢驗Fig.3 The check of shear－wave splitting analysis.

根據(jù)剪切波窗口、波形質(zhì)量和擴大數(shù)據(jù)選擇的條件，最后得到東南地區(qū)7個地震臺站319個有效剪切波分裂參數(shù)結(jié)果（表1）。圖4給出了甘東南地區(qū)各臺站快剪切波偏振方向等面積投影結(jié)果，線段方向代表各個臺站每條有效記錄的快剪切波偏振方向。

圖4 研究區(qū)內(nèi)7個臺站快剪切波偏振方向空間分布圖Fig.4 The spatial distribution of fast shear－wave polarizations at 7stations in research area.

表1 甘東南地區(qū)7個臺站參數(shù)及剪切波分裂參數(shù)

3 討論

利用接收函數(shù)［28－29］得到的研究結(jié)果顯示，甘東南地區(qū)地殼剪切波速度結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向不均勻性。甘東南地區(qū)錯綜復(fù)雜的斷裂分布造成了該地區(qū)地殼應(yīng)力場的局部區(qū)域性特征。

臨潭—宕昌斷裂是一條NWW走向的晚更新世－全新世活動斷裂，HZT臺位于該斷裂的北端，其快剪切波偏振優(yōu)勢方向為NW向，據(jù)接收函數(shù)［28］得到的結(jié)果該臺站下方地殼厚度達到了55km，在區(qū)域應(yīng)力場的作用下，快剪切波偏振優(yōu)勢方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致。而MXT則幾乎在該斷裂帶上，快剪切波偏振具有明顯的NWW優(yōu)勢方向，與斷裂走向一致。認(rèn)為，在近EW向主壓應(yīng)力作用下，臨潭—宕昌斷裂的左旋活動控制著MXT臺及附近的地殼各向異性。

迭部一帶分布著包含了多條NWW向的弧形斷裂，如迭部—白龍江北緣、南緣斷裂。研究得到的DBT臺的優(yōu)勢方向為NWW向，快剪切波偏振具有很高的一致性，與利用地應(yīng)力［23］在大水測點（N118°E），尕海測點（N93°E）的測量結(jié)果非常接近，表明了DBT臺及其附近主壓應(yīng)力方向為NWW向。

WDT和WXT二臺所處地理位置特殊，幾條NWW走向的斷層與NEE走向的斷層交匯于此，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動強烈，曾經(jīng)發(fā)生1879年武都8.0級大震和2006年文縣5.0級地震。兩個臺站快剪切波偏振圖象顯示，快剪切波偏振方向有一定的離散性。根據(jù)斷裂交界以及斷裂的拐點處是應(yīng)力比較多變的地方［30］，表明這兩個臺站周圍局部區(qū)域的主壓應(yīng)力方向比較復(fù)雜，也進一步證明了快剪切波偏振方向有很強的局部區(qū)域性。

禮縣—羅家堡斷裂帶晚更新世以來有過明顯活動，為1654年天水8.0級地震的發(fā)震構(gòu)造。TSS的優(yōu)勢偏振方向為NEE，與禮縣—羅家堡斷裂走向一致。CXT位于徽成盆地南緣，其優(yōu)勢偏振方向雖有點離散但主要為NW方向，似乎沒有受到徽成盆地南緣斷裂的影響，與該區(qū)域的主壓應(yīng)力近似一致。

從圖4對各個臺站快剪切波偏振方向的分布發(fā)現(xiàn)，位于活動斷裂上（或附近）的臺站其快剪切波偏振優(yōu)勢方向與斷層走向較為一致，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的區(qū)域臺站的快剪切波方向具有一定的離散性［4，6］。統(tǒng)計分析甘東南地區(qū)7個臺站快剪切波偏振方向（圖5），平均偏振方向為103.53°±32.91°，與區(qū)內(nèi)主壓應(yīng)力方向近似一致。據(jù)此推斷該區(qū)域地殼介質(zhì)各向異性的方向與臺站周邊主要走滑斷裂的走向基本一致，表明在北東向構(gòu)造應(yīng)力和東部穩(wěn)定塊體阻擋的共同作用下，該地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生了較大的方向改變。

圖5 甘東南地區(qū)7個臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖Fig.5 Equal－area project rose diagram of fast shear－wave polarizations of 7stations in southeastern Gansu province.

4 結(jié)論

甘東南地區(qū)是印度板塊北東向推擠引起青藏塊體強烈變形的前緣區(qū)，無論深部、淺部還是地表，表現(xiàn)出來的地球物理特性和地質(zhì)特性都非常復(fù)雜。本文采用SAM方法，根據(jù)甘肅數(shù)字地震臺網(wǎng)在2001－2008年期間記錄的地震波形資料，通過剪切波分裂的研究，得到了對甘東南地區(qū)地殼介質(zhì)各向異性的初步認(rèn)識。

（1）快剪切波偏振優(yōu)勢方向代表了觀測區(qū)域的原地（臺站及其附近）主壓應(yīng)力方向。甘東南地區(qū)7個臺站快剪切波平均偏振方向為103.53°±32.91°，對比 GPS資料［21］、地應(yīng)力觀測［23］和震源機制［31］得到的最大主壓應(yīng)力方向具有很好的一致性。因此快剪切波平均偏振方向是區(qū)域應(yīng)力環(huán)境一個很好的反映。

（2）位于活動斷裂上的臺站的快剪切波偏振優(yōu)勢方向與活動斷裂走向和區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，如TSS、MXT、DBT和CXT臺。離開活動斷裂的臺站，由于區(qū)域應(yīng)力場的作用，快剪切波偏振優(yōu)勢方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向一致，如HZT。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造會控制或影響臺站的快剪切波偏振優(yōu)勢方向，造成與主要活動斷裂走向的不一致，或造成快剪切波偏振較為離散或出現(xiàn)多個優(yōu)勢方向的現(xiàn)象，如WDT和WXT臺。研究表明，甘東南地區(qū)的臺站快剪切偏振方向既受到區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力環(huán)境的作用，又受到局部構(gòu)造帶的制約，是兩者共同作用的結(jié)果。

致謝：本研究的數(shù)據(jù)分析是在SAM軟件上計算完成。感謝2010年中國地震局訪問學(xué)者計劃的支持！感謝專家審稿過程提出的意見和建議！

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