海南東北部地區(qū)地殼地震各向異性特征初步研究

張慧

海南省地震局，?？谑忻涝仿?9號 570203

0 引言

大量地震學(xué)研究表明，不同深處的地殼介質(zhì)均呈各向異性(太齡雪等，2008)，剪切波在各向異性介質(zhì)中傳播會發(fā)生分裂現(xiàn)象，利用地殼中的剪切波分裂可以研究地殼介質(zhì)的地震各向異性。剪切波分裂對介質(zhì)的各向異性特征比較敏感，一個地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力變化對剪切波的分裂會產(chǎn)生一定影響(高原等，2008)，剪切波分裂參數(shù)能比較好地反映區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)及局部構(gòu)造特征，尤其是對分析小尺度應(yīng)力環(huán)境特征非常有效。此外，剪切波分裂參數(shù)的分布特征與斷層性質(zhì)密切相關(guān)，能很好地體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部斷裂的活動特征(石玉濤等，2009)。因此，利用剪切波分裂特性可以分析區(qū)域地殼應(yīng)力場的狀態(tài)以及斷裂分布特征。Gao等(2004)研究表明，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，并可用于地震預(yù)測研究。

本文利用海南區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)地震波形資料，依據(jù)剪切波分裂基本原理，研究了海南東北部地區(qū)地殼介質(zhì)的地震各向異性，并結(jié)合區(qū)域主壓應(yīng)力場和臺站周邊斷層分布情況，討論了剪切波分裂特性與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系。

1 構(gòu)造背景

海南島位于中國大陸東南沿海地震帶的雷瓊地震亞區(qū)，包括海南島和雷州半島及附近海域，大致以王五-文教斷裂(F14)為界，分為南、北兩個部分，地震活動呈“北強南弱”的特點，該區(qū)發(fā)育多條近EW向、NW向和NE向3組活動斷層(圖1)。在近EW向斷裂中，王五-文教斷裂帶(F14)的規(guī)模最大，長達190km，控制了雷瓊斷陷的南界。瓊東北地區(qū)展布有NW向長流-仙溝斷裂帶(F26)、?？?云龍斷裂帶(F27)、鋪前-清瀾斷裂帶(F28)、近EW向的馬裊-鋪前斷裂帶(F13)以及NE向的文昌-瓊海-三亞斷裂(F10)。海南島屬于少震地區(qū)，但歷史上島內(nèi)也有中強震的記載，即鋪前-清瀾斷裂帶(F28)和馬裊-鋪前斷裂帶(F13)交匯處曾于1605年發(fā)生瓊山地震，1524年文昌-瓊海-三亞斷裂帶(F20)也曾發(fā)生5級地震。

東南沿海地震帶的構(gòu)造應(yīng)力場來源于太平洋板塊的向西擠壓和印度洋板塊的向北、向東的推擠。雷瓊地震亞區(qū)M≥4.5地震和小震統(tǒng)計的震源機制解顯示:海南瓊北至雷州半島地區(qū)的平均主壓應(yīng)力方向為NNW向，瓊南地區(qū)平均主壓應(yīng)力方向為近NS向;斷層面走向主要為NW向和NE向，斷層面傾角較大①沈繁鑾等，海口市活斷層探測與地震危險性評價工程技術(shù)報告(內(nèi)部資料)，2007。。本文研究的海南瓊東北地區(qū)主壓應(yīng)力場方向為NNW向(如圖1)。

2 研究方法及結(jié)果

本研究基于海南省數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)中心提供的地震目錄，收集并整理了2000～2013年的地震波形數(shù)據(jù)，根據(jù)剪切波窗口的約束條件，挑選觀測質(zhì)量較好的三分向波形記錄。但由于海南島屬于少震區(qū)，符合約束條件的有效地震記錄較少，本文僅針對海南東北部地區(qū)的地殼各向異性特征進行分析討論，主要分析該區(qū)七星嶺(QXL)和青山嶺(QSL)臺的剪切波分裂參數(shù)、圖1給出了“九五”數(shù)字臺網(wǎng)中各臺站分布圖，同時給出了瓊東北地區(qū)斷層、地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)信息。

2.1 基本原理

地殼中引起地震各向異性的主要因素是地殼中存在定向排列且充滿液體的微裂隙(EDA)，這已被大量觀測研究所證實。所謂EDA是指巖石中按應(yīng)力取向排列的充滿流體的晶間(intergranular)微裂隙和低縱橫比孔隙的結(jié)構(gòu)。EDA裂隙結(jié)構(gòu)介質(zhì)是各向異性結(jié)構(gòu)，當剪切波穿過定向排列的EDA裂隙結(jié)構(gòu)傳播時，分裂成兩個(或更多個)近似互相垂直偏振的剪切波列，這兩個分裂的波列具有不同的傳播速度和不同的振動方向，速度較慢的剪切波相對快剪切波有時間延遲。若地殼中的裂隙是近似直立的平行排列，剪切波相對于地表是小角度入射，那么，剪切波穿過這種裂隙各向異性介質(zhì)后，在水平面上觀察，快剪切波偏振近似平行于裂隙面，慢剪切波偏振近似垂直于裂隙面。因此，快剪切波的偏振方向與應(yīng)力引起的定向排列裂隙面的走向一致，即快剪切波與原地最大主壓應(yīng)力方向一致，而慢剪切波的時間延遲反映了地殼介質(zhì)的各向異性程度。研究表明，剪切波分裂是研究地殼各向異性與探討區(qū)域應(yīng)力場狀態(tài)的有效方法。

圖1 海南島地質(zhì)構(gòu)造與地震臺站分布

2.2 地震資料選取

選取波形時，要滿足兩個條件:一是地震波形的信噪比要高;二是要滿足剪切波窗口內(nèi)的波形記錄條件。當剪切波入射角達到臨界角時會發(fā)生全反射現(xiàn)象，因此我們約定剪切波窗口是指剪切波相對于地震臺站的入射角要小于臨界角，對于泊松比為0.25的介質(zhì)，臨界角約為35°，即選取入射角≤35°范圍內(nèi)的波形記錄。若選用華南走時表提出的雙層地殼速度模型(地殼厚度分別為21.4和11.0km，P波速度分別為6.01和6.88km/s)(柯龍生，1994)，速度結(jié)構(gòu)過于粗糙，造成波形選取誤差較大，因此本研究采用單層模型(地殼厚度為32.4km，P波速度為7.98km/s)(柯龍生，1994)。但若使用單層模型概念下的35°入射角作為剪切波窗口，獲得的地震波形數(shù)據(jù)將大大減少，并且考慮到地表沉積層的存在，實際射線比理論地震射線的入射角更小，因此可適當擴展窗口到55°(高原，1996)。綜上所述，本文選用單層模型下入射角為55°作為剪切波窗口，挑選窗口內(nèi)的波形記錄進行剪切波各向異性研究。從圖2可以看出，采用Butterworth濾波器濾波后的地震事件波形信噪比較高，剪切波清晰可見。

圖2 七星嶺臺(QXL)記錄到2004年9月24日09時17分46秒地震記錄(濾波后)

2.3 研究方法

國內(nèi)外學(xué)者提出了很多有關(guān)分析剪切波分裂的方法。為了增強數(shù)據(jù)分析的客觀性，本研究采用剪切波系統(tǒng)分析方法(systematic analysis method of shear-wave sp litting，以下簡稱SAM方法)(高原等，2004a、2004b)進行數(shù)據(jù)處理，該方法是在相關(guān)函數(shù)的基礎(chǔ)上建立的，主要包括了相關(guān)分析、偏振檢驗和時間延遲3個方面，并具有自我檢驗的特點。

剪切波穿過各向異性介質(zhì)時會分裂成快慢剪切波，這兩列波的方向近似垂直，時間上相對延遲，并且理論上快慢剪切波源于同一列剪切波，故其在波形方面最為相似，在此基礎(chǔ)上，通過相關(guān)分析計算兩個剪切波波形的最大相關(guān)系數(shù)，并得到最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度和延遲時間，即為快剪切波的偏振角度和慢剪切波的時間延遲，以此獲得剪切波分裂參數(shù)。

但是由于地震波形受到臺基巖性、場地條件、觀測環(huán)境、局部地質(zhì)構(gòu)造等多種因素的影響，相關(guān)分析得到的結(jié)果有可能不是最優(yōu)解，因此必須對結(jié)果作進一步的偏振檢驗和時間延遲分析。圖3(a)給出了剪切波偏振圖，反映了水平方向上兩列剪切波的質(zhì)點運動軌跡，通常呈橢圓偏振現(xiàn)象。假設(shè)快剪切波偏振方向與正北方向呈α角，將NS分量的剪切波按α角進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后得到的剪切波為快剪切波，其正交方向的剪切波為慢剪切波，同時能較為明顯地看出快慢剪切波之間存在時間差(圖3(b))。在此基礎(chǔ)上進行時間延遲校正，如果時間延遲Δt，則將慢剪切波適當前移，以此消除時間延遲影響，此時得到的兩列剪切波的偏振圖應(yīng)更接近線形偏振(圖3(c))。通過剪切波旋轉(zhuǎn)、時間延遲和偏振圖分析，可以確定通過相關(guān)分析計算的結(jié)果是否為最優(yōu)解，若有偏差，則需要根據(jù)波形和偏振特性進行修正，這也是SAM方法的特性所在。

2.4 結(jié)果

根據(jù)SAM方法，本研究獲得海南島東北部地區(qū)七星嶺臺(QXL)和青山嶺臺(QSL)的剪切波分裂參數(shù)(表1)。

圖3 QXL臺剪切波分裂分析

圖4給出了七星嶺臺(QXL)和青山嶺臺(QSL)快剪切波偏振方向的下半球等面積投影玫瑰圖，顯示出每個臺站的快剪切波偏振方向。通過對這2個臺站的剪切波分裂結(jié)果統(tǒng)計分析表明(表2)，由于臺站地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜情況，2個臺站的快剪切波偏振方向不盡相同。七星嶺臺(QXL)快剪切波平均偏振方向為63.9°±13.18°，優(yōu)勢取向為NE向;青山嶺臺(QSL)快剪切波平均偏振方向為38.8°±12.02°，優(yōu)勢取向近 NNE向。根據(jù)雷瓊地震亞區(qū)M≥4.5級地震和小震統(tǒng)計的震源機制解顯示，海南瓊東北地區(qū)平均主壓應(yīng)力方向為NNW向，由此可以看出，2個臺站的快剪切波方向與區(qū)域主壓應(yīng)力場方向不甚一致;特別地，QXL的平均偏振方向為NE向，與主壓應(yīng)力場方向相差較大。

為了比較地殼介質(zhì)各向異性程度，將各臺站慢剪切波時間延遲標準化到單位距離的時間值(ms/km)，計算得到每個臺站的慢剪切波延遲時間。從表1可以看出，QXL慢剪切波延遲時間為1.62±1.01ms/km，QSL為1.32±1.12ms/km，均小于1992年海南島東方震群地區(qū)的剪切波延遲時間(高原，1996)。

3 剪切波分裂特征

3.1 快剪波偏振方向特征

海南島發(fā)育多條近EW向、NW方向和NE向3組活動斷層，多數(shù)為張剪性斷層、兼右旋走滑。瓊東北地區(qū)主要展布有EW向王五-文教斷裂帶(F3)、馬裊-鋪前斷裂帶(F2)，NW向長流-仙溝斷裂帶(F5)、?？?云龍斷裂帶(F6)、鋪前-清瀾斷裂帶(F7)，以及NE向文

表1 地震臺站與剪切波分裂參數(shù)

總結(jié)表1，可得表2。昌-瓊海-三亞斷裂(F9，圖5)。

表2

圖4 快剪切波偏振方向下半球等面積投影玫瑰圖

本研究結(jié)果表明，由于瓊東北地區(qū)內(nèi)部不同位置的構(gòu)造差異以及斷裂不均勻分布，應(yīng)力場局部特征較明顯，使得該地區(qū)不同位置的地殼介質(zhì)各向異性表現(xiàn)出差異，主要反映在瓊東北地區(qū)七星嶺臺(QXL)和青山嶺臺(QSL)的快剪切波方向呈現(xiàn)局部差異。同時，圖5也顯示出偏振方向的優(yōu)勢取向與區(qū)域主壓應(yīng)力場的方向不一致，這說明區(qū)域的主要應(yīng)力背景是主壓應(yīng)力場，快剪切波偏振方向的優(yōu)勢取向反映的是臺站所在位置的水平主壓應(yīng)力場方向，與局部構(gòu)造和斷裂分布有密切聯(lián)系。

圖5顯示，QXL臺位于兩條不同走向的斷裂交匯處，即近EW向的馬裊-鋪前斷裂東段(F2)與NW向鋪前-清瀾斷裂(F7)交匯處，該交匯處1605年發(fā)生了瓊山級地震，并且馬裊-鋪前斷裂在新構(gòu)造時期仍有活動，是1605年瓊州大地震的主要控震斷裂。根據(jù)?？谑谢顢鄬犹綔y結(jié)果，馬裊-鋪前斷裂東段走向大致為80°，斷錯性質(zhì)以張性正斷層為主、兼右旋走滑(沈繁鑾等，2010)。本文研究結(jié)果顯示，QXL臺快剪切波偏振方向為 NE62.4°±13.18°，優(yōu)勢方向與馬裊-鋪前斷裂東段走向大體一致(圖5)，表明該斷裂對 QXL臺附近的小震起了控制作用，并對局部應(yīng)力狀態(tài)有較大影響。

位于東部的文昌-瓊海-三亞斷裂(F9)與其它斷裂不同，呈NNE向，與橫亙東西的王五-文教斷裂(F3)、NW向鋪前-清瀾斷裂(F7)交匯。QSL臺位于該交匯處，快剪切波平均偏振方向為近NNE38.8°±12.02°，優(yōu)勢方向與 NNE向的文昌-瓊海-三亞斷裂走向基本一致，這反映了該臺站下方局部區(qū)域可能受到NNE走向斷裂構(gòu)造的制約。

圖5 海南東北部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場及七星嶺臺、青山嶺臺快剪切波偏振方向分布圖

此外，雖然QXL臺和QSL臺快剪切波偏振優(yōu)勢方向與主要活動斷裂走向大體一致，但由于這2個臺站位于不同走向斷裂的交匯處，快剪切波偏振方向比較離散，造成了快剪切波偏振圖像的復(fù)雜性。這表明，局部活動斷裂的分布特征對剪切波分裂造成一定的影響，也體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)局部構(gòu)造的復(fù)雜性。

3.2 慢剪切波時間延遲

慢剪切波的時間延遲與應(yīng)力環(huán)境的變化有密切聯(lián)系(高原等，2005;吳晶等，2009)，根據(jù)EDA理論，應(yīng)力誘發(fā)了EDA裂隙的定向排列，因此可以通過剪切波分裂來研究地殼介質(zhì)特性和地殼應(yīng)力狀態(tài)。從標準化的慢剪切波時間延遲結(jié)果來看(表1)，QXL臺為1.62±1.01ms/km，QSL臺為1.32±1.12ms/km。我們假設(shè)入射波經(jīng)過的介質(zhì)中充滿裂隙，入射波與裂隙方向平行，根據(jù)標準化結(jié)果和Hudson關(guān)于具有稀疏、充水、平行、直立排列裂隙的巖石波速異常公式(Hudson JA，1981;吳晶等，2007)，可以大致地估算出稀疏的定向排列裂隙在介質(zhì)中的密度，因此，我們得到QXL臺站下方介質(zhì)裂隙密度為0.0064±0.0039，QSL臺站下方介質(zhì)裂隙密度為0.0052±0.0044?？梢钥闯?，QXL臺和QSL臺下方介質(zhì)的裂隙密度相差不大，QXL臺略大于QSL臺，似乎表明QXL臺局部構(gòu)造背景相對QSL臺構(gòu)造背景要復(fù)雜，另一方面，QXL臺和QSL臺的裂隙密度均小于1992年海南島東方震群地區(qū)的裂隙密度(高原，1996)，反映了地震活動活躍與平靜期應(yīng)力水平、裂隙密度等參數(shù)的不同，從而可以推斷應(yīng)力水平較高時，裂隙密度較正常水平可能有一定的差異性。另外，裂隙密度與剪切波速度各向異性直接相關(guān)，是反映地殼介質(zhì)物理性質(zhì)的參數(shù)之一，并隨著應(yīng)力場的變化而變化。從這一角度考慮，瓊西南部地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)相比瓊東北部地區(qū)可能更為復(fù)雜，但由于海南島地震資料較少，在取得豐富資料后將做進一步研究。

4 結(jié)論

基于海南省地震臺網(wǎng)2000～2013年的區(qū)域地震波形數(shù)據(jù)，本文采用了SAM方法，獲得海南瓊東北部地區(qū)“九五”數(shù)字臺網(wǎng)七星嶺臺(QXL)和青山嶺臺(QSL)的剪切波分裂參數(shù)。通過對剪切波分裂的研究，初步認識了海南東北部地區(qū)地殼介質(zhì)的地震各向異性特征。

本研究證實，快剪切波優(yōu)勢偏振方向反映了原地(臺站或其附近)的水平主壓應(yīng)力場方向，并且活動斷裂的分布對剪切波觀測結(jié)果有很大影響，具體表現(xiàn)在快剪切波優(yōu)勢偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力場方向不一致，趨向與主要控制地震的活動斷裂走向基本一致，顯示了區(qū)域主壓應(yīng)力場的局部應(yīng)力特征。

不同斷裂交匯處，加劇了快剪切波偏振方向的離散性與復(fù)雜性，說明了復(fù)雜的局部構(gòu)造影響或控制臺站的快剪切波偏振方向，反映了地震活動和區(qū)域構(gòu)造的局部信息，有助于理解局部構(gòu)造和局部應(yīng)力特征。

慢剪切波延遲時間，反映了瓊東北地區(qū)不同位置的地殼各向異性程度。此外，七星嶺臺(QXL)和青山嶺臺(QSL)的裂隙密度均小于海南島西南部東方地區(qū)(高原，1996)，這表明瓊西南部地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)可能比瓊東北部地區(qū)較為復(fù)雜。

利用剪切波分裂研究地殼介質(zhì)的地震各向異性特征是一個有重要意義的科學(xué)研究方向，國際上通過對冰島地震活動研究，已經(jīng)有了利用剪切波分裂方法進行地震應(yīng)力預(yù)測的成功例子(Crampin et al，1999)，并且在國內(nèi)研究中也發(fā)現(xiàn)了慢剪切波時間延遲反映震前應(yīng)力積累和臨震前應(yīng)力釋放的過程(吳晶等，2009;高原等，2004a、2004b)。本研究受地震資料較少的限制，研究結(jié)果處于初級階段，未能明顯地發(fā)現(xiàn)震前應(yīng)力變化的過程，進一步研究還需要更豐富的資料。

致謝:感謝高原、石玉濤、沈繁鑾及李志雄諸位老師對本研究的幫助和支持。