遼寧南部地區(qū)地殼剪切波分裂特征

夏彩韻 張正帥 劉 庚 楊士超

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034 2 山東省地震局，濟(jì)南市文化東路20號，250014 3 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號，710054

剪切波分裂特征研究是深入開展介質(zhì)各向異性分析的重要基礎(chǔ)[1]。研究表明，剪切波分裂對介質(zhì)的各向異性較為敏感，快剪切波偏振方向與原主壓應(yīng)力場方向一致，慢剪切波的時(shí)間延遲可較好地反映應(yīng)力變化，是分析地震孕育過程和構(gòu)造環(huán)境的有效途徑[2]。剪切波分裂特征與區(qū)域斷層性質(zhì)緊密聯(lián)系[3]，因此剪切波分裂方法是研究地殼介質(zhì)各向異性、應(yīng)力場及斷裂性質(zhì)的有效技術(shù)工具。

自剪切波分裂(SAM)方法提出以來，國內(nèi)學(xué)者[4-5]已取得大量研究地殼各向異性的成果。由于受地震波資料限制，目前對遼南區(qū)域的研究工作較少，而近幾年數(shù)字波形資料的不斷積累使系統(tǒng)開展遼南地區(qū)連續(xù)地殼各向異性的研究成為可能。本文利用遼寧省固定地震臺站的波形資料，對遼寧南部地區(qū)進(jìn)行地殼介質(zhì)各向異性研究，同時(shí)結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造信息，探討剪切波分裂特性及其與地震斷層性質(zhì)的關(guān)系，以期為遼寧地區(qū)地震預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1 構(gòu)造背景與地震活動性

遼南地區(qū)(39°～42°N, 121°～124°E)位于華北與東北活動地塊交界處，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育金州斷裂、大洋河-康家?guī)X斷裂、太子河斷裂、鴨綠江斷裂等(圖1)，該區(qū)地震活動與斷裂具有高度相關(guān)性。研究表明，金州斷裂為該區(qū)規(guī)模最大、活動性最強(qiáng)的斷裂構(gòu)造，其與鴨綠江斷裂等NE-NNE向構(gòu)造及NW向構(gòu)造的共軛組合模式影響并控制著遼東半島的地震活動。區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震多發(fā)于NE-NNE向構(gòu)造和NW向構(gòu)造共軛交匯部位或附近區(qū)域，大洋河-康家?guī)X斷裂為1975年海城MS7.3和1999年岫巖MS5.4地震的主發(fā)震斷裂[6]。

1975年海城MS7.3地震發(fā)生后，余震區(qū)地震活動較為顯著，并在1999年發(fā)生岫巖MS5.4地震。此外，蓋州地區(qū)自1970年以來共發(fā)生4次震群活動，其中3次震群活動具有前兆意義，最近一次震群活動從2012-02開始，主要集中在蓋州青石嶺、蓋州西海域、熊岳盆地3個(gè)分區(qū)，整個(gè)地區(qū)的震群活動一直持續(xù)至今。精定位分析結(jié)果表明[7]，蓋州青石嶺震群活動可能受一條類似海城-大洋河的NW向斷層控制，而青石嶺震群的分布更偏向金州斷裂北段的蓋州北-鞍山南斷裂?？偠灾|南地區(qū)震群活動復(fù)雜，發(fā)震機(jī)理尚不明確，因此系統(tǒng)地計(jì)算和分析遼南地區(qū)長時(shí)間尺度下的剪切波分裂參數(shù)特征，對提高發(fā)震機(jī)理的認(rèn)識具有重要作用。

圖1 遼寧南部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及臺站分布Fig.1 Geological structure and station distribution in southern Liaoning

2 數(shù) 據(jù)

遼寧數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)經(jīng)過“十一五”等建設(shè)后，監(jiān)測能力大幅提高，中部至南部地區(qū)臺站相對密集，監(jiān)測能力可達(dá)ML1.5，定位精度小于5 km[8]。本文選用遼南地區(qū)10個(gè)固定臺站數(shù)據(jù)，選取2008-01～2018-12記錄的近場小震波形記錄展開研究。為有效防止地面上剪切波全反射的影響，必須對剪切波窗口內(nèi)的波形記錄進(jìn)行有效選擇[9]。在利用Sg 波研究中上地殼介質(zhì)各向異性時(shí)，需選取位于S波窗口內(nèi)的地震事件，且泊松比為0.25 的地殼介質(zhì)，其臨界角約為35°，即入射角小于35°的Sg波數(shù)據(jù)才能被使用。但由于地表低速沉積層的存在，該頂角可放寬至45°～50°[3]，即選取的剪切波波形數(shù)據(jù)應(yīng)滿足震源深度大于震中距的條件。蓋州-海城地區(qū)沉積層較厚，而蓋州震群和海城老震區(qū)地震的震源深度多為6～9 km，其沉積層的影響較為顯著[10]，因此本文研究數(shù)據(jù)中刪除入射角大于50°的地震事件。

3 原理與方法

SAM方法可分為相關(guān)性分析、延遲時(shí)間校正、偏振分析檢驗(yàn)3個(gè)部分，該方法具有自我檢驗(yàn)分析的特點(diǎn)，可增強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，其原理見文獻(xiàn)[3]。

為保障計(jì)算結(jié)果的可靠性，對缺少近場小震活動記錄、波形數(shù)據(jù)較差或不滿足剪切波窗口計(jì)算條件的地震臺站和地震事件予以剔除，最終挑選出8個(gè)能較好地記錄到“剪切波窗口”內(nèi)數(shù)據(jù)的臺站，使用盧造勛等[11]給出的遼寧地區(qū)一維速度模型進(jìn)行剪切波分裂計(jì)算分析。限于篇幅，本文以GAX臺和YKO臺的波形數(shù)據(jù)為例，說明剪切波分裂參數(shù)的計(jì)算過程。

圖2為GAX臺記錄到的2014-09-17 ML2.7地震波形，地震震源深度為8 km，臺站震中距為7.3 km，采樣頻率為50 Hz，其中S1和S2分別代表快、慢剪切波的起點(diǎn)位置。圖2中下圖表示對時(shí)間延遲進(jìn)行校正，即消除時(shí)間延遲影響后的快(F)、慢(S)剪切波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡及快、慢剪切波的波形，地震的快波偏振方向?yàn)?00°，慢波時(shí)間延遲為0.03 s。圖3為 YKO臺記錄到的2008-07-14 ML2.2地震波形，地震震源深度為10 km，臺站震中距為6.8 km，采樣頻率為50 Hz，該地震的快波偏振方向?yàn)?5°，時(shí)間延遲為0.02 s。對2次地震事件的慢剪切波進(jìn)行時(shí)間延遲校正后發(fā)現(xiàn)，慢剪切波的初至?xí)r刻與快剪切波一致，2種剪切波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動均符合線性特征，表明計(jì)算結(jié)果具有可靠性。根據(jù)上述計(jì)算過程，表1為8個(gè)固定臺站的剪切波分裂參數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 剪切波分裂參數(shù)的空間特征

基于表1的剪切波分裂參數(shù)，圖4為各臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰花圖，由圖可知，多數(shù)臺站的快剪切波偏振的優(yōu)勢方向?yàn)镹E、NEE?？旒羟胁ㄆ駜?yōu)勢方向與遼寧地區(qū)的斷層產(chǎn)狀基本一致，同時(shí)也與華北北部地區(qū)的最大主應(yīng)力場方向(約NEE向)一致[12]。研究表明，位于活動斷層上的地震臺站所記錄的快剪切波偏振優(yōu)勢方向與斷層走向一致[9]，YKO臺位于NE向海城-營口斷裂東側(cè)，本文計(jì)算的YKO臺快波偏振優(yōu)勢方向主要為NNE向和近EW向，其中NNE向的偏振優(yōu)勢方向可能與該斷裂有關(guān)。圖1中紅框?yàn)閅KO臺附近的地震空間分布，從圖中可以看出，臺站下方可能存在近EW向的活動斷裂，而YKO臺下方出現(xiàn)的近EW向快波剪切偏振優(yōu)勢方向似乎也證明該隱伏斷層存在的可能。GAX臺位于NE向金州斷裂上方，從圖4可以看出，GAX臺快波偏振優(yōu)勢方向主要為NE向和SEE向，其中NE向偏振方向與金州斷裂走向較為一致。王亮等[7]對蓋州震群的雙差重定位研究結(jié)果表明，蓋州震群空間展布近似呈NWW-SEE向，推測GAX臺SEE向的快波偏振優(yōu)勢方向與該斷裂存在關(guān)聯(lián)。此外，GAX臺快波偏振優(yōu)勢方向除NE向和SEE向外，還存在其他方向，該區(qū)域在NEE 向近水平主壓應(yīng)力場作用下發(fā)育橫向次級NW向鏟式正斷層，并不斷發(fā)生左旋走滑-拉張錯(cuò)動，造成該地區(qū)地震活動性較強(qiáng)[10]，同時(shí)也導(dǎo)致斷裂帶內(nèi)介質(zhì)更為破碎。初步推斷，GAX臺快波偏振方向較為復(fù)雜的原因?yàn)橄鄬ζ扑榈慕橘|(zhì)造成裂隙面分布較為復(fù)雜，從而導(dǎo)致剪切波在各向異性地殼介質(zhì)的偏振優(yōu)勢方向的分布規(guī)律性較差。

橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示振幅，2條豎線表示截出分析剪切波分裂的波形圖2 GAX臺記錄的剪切波分裂分析Fig.2 Analysis of shear-wave splitting recordedby GAX station

橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示振幅，2條豎線表示截出分析剪切波分裂的波形圖3 YKO臺記錄的剪切波分裂分析Fig.3 Analysis of shear-wave splitting recordedby YKO station

表1 研究區(qū)內(nèi)地震臺站的剪切波分裂參數(shù)

黑色線段為斷裂，紅色三角形表示臺站圖4 遼寧南部地區(qū)快剪切波偏振方向玫瑰花圖Fig.4 The polarization direction rose diagramsof fast wave in southern Liaoning

SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優(yōu)勢方向多為NNW向及NW向，SNY臺和LHT臺附近發(fā)育NE-NNE向依蘭-伊通斷裂、渾河斷裂等多條斷裂，小震活動多以NE-NNE向分布為主、NW向分布為輔的特征，而WFD臺附近發(fā)育的NW向熊岳-莊河構(gòu)造帶、NW向普蘭店-長海構(gòu)造帶等與NE-NNE向金州斷裂、莊河斷裂等形成共軛交叉構(gòu)造[6]，故推測SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優(yōu)勢方向與其他臺站不同的原因可能為受局部地質(zhì)構(gòu)造影響，而非受附近主要斷裂帶的控制。圖4中YKO臺、GAX臺的慢剪切波時(shí)間延遲相對其他臺站大，可能反映該地區(qū)處于盆地與隆起相交處，2個(gè)臺站下方的慢剪切波時(shí)間延遲反映該地區(qū)地殼各向異性較強(qiáng)。其他臺站由于記錄到的有效波形數(shù)據(jù)較少，偏振方向和時(shí)間延遲等數(shù)據(jù)缺乏可靠的統(tǒng)計(jì)特征，在此不作深入分析?？傮w而言，剪切波分裂參數(shù)與構(gòu)造具有很強(qiáng)的相關(guān)性，遼南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地殼各向異性也表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。

4.2 剪切波分裂參數(shù)時(shí)域演化特征

遼寧南部地區(qū)為盆地隆、拗相間的構(gòu)造格局，盆地與隆起交匯邊界的NE向構(gòu)造斷裂帶上應(yīng)力更易集中，而NE向斷裂與NW、EW向斷裂交匯區(qū)則為應(yīng)力大量集中和釋放的區(qū)域[13]。2012年以來的蓋州震群活動持續(xù)至今，地震序列大致呈NW向分布，海城老震區(qū)的小震也持續(xù)活動。根據(jù)滿足計(jì)算條件的波形數(shù)量， 本文將重點(diǎn)探討不同時(shí)間段內(nèi)YKO臺和GAX臺的剪切波分裂結(jié)果在時(shí)域內(nèi)的演化特征。

圖5 海城老震區(qū)和蓋州震群M-T圖Fig.5 M-T graphs of the previous Haicheng earthquake area and Gaizhou earthquake swarm

圖6 YKO臺分年份快剪切波偏振玫瑰花圖Fig.6 The fast shear-wave polarization rose diagrams by year of YKO station

根據(jù)遼寧地區(qū)地震目錄最小完整性震級分析研究[8]，本文取震級下限為ML1.5，圖5為2012-01～2018-12海城老震區(qū)和蓋州震群的地震時(shí)序(M-T)圖。海城老震區(qū)2012年以來僅發(fā)生2015-11-23 ML4.5和2018-12-19 ML4.8兩次ML4.0以上地震，地震活動頻度變化不明顯。根據(jù)YKO臺逐年等面積投影玫瑰花圖變化特征(圖6和表2)可知，2009～2011年YKO臺快波偏振優(yōu)勢方向?yàn)镹NE向(N33.02°±7.73°)；2012年以后，海城地區(qū)小震活動增強(qiáng)，快波的偏振優(yōu)勢方向由平均偏振方向變?yōu)镹EE-SWW向(N72.54°±4.72°)，并且直至2018年偏振優(yōu)勢方向基本趨于一致，這與2012年之后平穩(wěn)的地震活動現(xiàn)象較為一致。該區(qū)域偏振優(yōu)勢方向與華北地區(qū)近EW向的主壓應(yīng)力場方向一致[9]，這一結(jié)果與前人的研究成果[4]基本吻合，表明2012年以來YKO臺附近構(gòu)造應(yīng)力場較為穩(wěn)定或處于應(yīng)力均勻加載狀態(tài)。

表2 2009～2018年YKO臺剪切波分裂參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖7為GAX臺逐年等面積投影玫瑰花圖，從圖中可以看出，GAX臺整體的剪切波分裂參數(shù)演化較為復(fù)雜，2009～2011年快波偏振優(yōu)勢方向?yàn)镹NE向和近EW向；2012年快波偏振優(yōu)勢方向?yàn)镹NE向和NNW向；2013年以后快波偏振優(yōu)勢方向?yàn)榻麰W向；2015～2018年偏振優(yōu)勢方向又變?yōu)镹E向。從蓋州地區(qū)地震活動性來看，蓋州震群在2012年地震活動頻度較低，2013-04地震頻度有所升高，2013-12頻度顯著升高。相比于2009～2012年，GAX臺的快剪切波偏振優(yōu)勢方向在2013年發(fā)生近90°翻轉(zhuǎn)，隨后2014年地震活動性顯著增強(qiáng)，該現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理有待深入研究。Crampin等[14]在研究冰島地區(qū)剪切波參數(shù)時(shí)也發(fā)現(xiàn)快剪切波偏振方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，認(rèn)為該現(xiàn)象可能與地震射線在穿過地下裂隙過程中受孔隙流體壓力影響有關(guān)。遼東半島西側(cè)水文地質(zhì)條件多為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，存在海水入侵和海水侵蝕等地質(zhì)災(zāi)害[15]。蓋州震群在2013年地震活動性增強(qiáng)，可能使活動斷裂周邊的破碎介質(zhì)在流體入侵的影響下造成孔隙壓力增加，從而引起GAX臺快剪切波偏振方向發(fā)生90°翻轉(zhuǎn)變化。隨著2015-01地震活動性減弱，快波偏振優(yōu)勢方向略微向NE向偏轉(zhuǎn)。由此可知，地震的發(fā)生與區(qū)域應(yīng)力的調(diào)整有密切聯(lián)系，YKO臺和GAX臺剪切波分裂參數(shù)隨時(shí)間的演化與地震活動性存在一定關(guān)系，表明區(qū)域應(yīng)力的變化可通過剪切波分裂參數(shù)進(jìn)行反映。

圖7 GAX臺分年份快剪切波偏振玫瑰花圖Fig.7 The fast shear wave polarization rose chartby year of GAX station

5 結(jié) 語

本文采用剪切波分裂(SAM)方法系統(tǒng)分析2008-01～2018-12遼寧南部地區(qū)8個(gè)臺站的快剪切波偏振方向和慢剪切波時(shí)間延遲，并深入分析YKO臺和GAX臺剪切波分裂參數(shù)的空間特征和時(shí)域演化特點(diǎn)，結(jié)合精定位結(jié)果、構(gòu)造特征等綜合分析，得出以下結(jié)論：

1)SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優(yōu)勢方向?yàn)镹NW向、NW向，與附近區(qū)域主要斷裂的方向并不一致，而與NE-NEE向斷裂共軛的NW向構(gòu)造一致，可能反映其附近的地震活動主要發(fā)生在偏向NW向的構(gòu)造帶附近。FSH臺、BXI臺、XYN臺、YKO臺及GAX臺等臺站的快剪切波偏振優(yōu)勢方向主要以NE向和NEE向?yàn)橹?，與該區(qū)域斷裂構(gòu)造形態(tài)及華北北部地區(qū)的最大主應(yīng)力場方向基本一致。

2)YKO臺快波偏振優(yōu)勢方向主要為NNE向和近EW向，GAX臺快波偏振優(yōu)勢方向?yàn)镹E向和SEE向，其中NNE向和NE向的優(yōu)勢方向與海城-營口斷裂、金州斷裂特征較為一致。地震精定位結(jié)果表明，YKO臺近EW向和GAX臺SEE向的快波偏振優(yōu)勢方向反映臺站下方均可能存在近EW向隱伏斷裂。

3)剪切波分裂參數(shù)隨時(shí)間的演化與地震活動存在一定關(guān)系。YKO臺剪切波偏振優(yōu)勢方向自2012年起基本趨于一致，表明YKO臺附近構(gòu)造應(yīng)力場較為穩(wěn)定或處于應(yīng)力均勻加載過程。蓋州震群自2013年起活動頻度有所升高，GAX臺剪切波偏振優(yōu)勢方向在2013年發(fā)生近90°偏轉(zhuǎn)，隨后在2014年蓋州震群活動顯著增強(qiáng)，推測可能為渤海海水入侵造成海城-營口斷裂西南端、金州斷裂東北端等多條活動斷裂周邊破碎介質(zhì)中含水率升高，導(dǎo)致介質(zhì)孔隙壓力增加，從而引起GAX臺快剪切波偏振方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

致謝：感謝中國地震局地震預(yù)測研究所高原研究員提供SAM計(jì)算程序。