騰沖地區(qū)近震S波分裂研究

王雪鶴， 李永華,2*， 呼楠

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國地震局震源物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081 3 陜西省地震局， 西安 710068

0 引言

位于云南西南地區(qū)的騰沖地塊內(nèi)發(fā)育第四紀(jì)活火山活動，是中國大陸最新的火山之一，其最新的一次火山噴發(fā)發(fā)生在300多年前.已有地質(zhì)和地球物理研究表明，騰沖火山為緬甸微板塊向東俯沖誘導(dǎo)巖漿上涌所致(Lei et al., 2009；胥頤等，2012).地質(zhì)調(diào)查還表明，在騰沖地區(qū)東西寬50 km，南北長90 km范圍內(nèi)共有68座火山，組成了7個(gè)火山群(姜朝松，1998).針對騰沖火山群的監(jiān)測顯示，該區(qū)火山區(qū)的巖漿處于一種活動狀態(tài)，并推測其作為一座活火山仍然有很大的噴發(fā)危險(xiǎn)(姜朝松，1998).此外，該火山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地震活動頻繁，一直受到地震學(xué)家的廣泛關(guān)注.

通過地球物理方法確定火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)可為理解該火山的地質(zhì)過程及演化提供重要約束.前人(謝富仁等，2001；Xu et al., 2010; Zhao et al., 2013； Tian et al., 2019)基于區(qū)域地震震源機(jī)制的應(yīng)力張量反演研究了騰沖地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場特征，結(jié)果顯示騰沖火山區(qū)東部的最大主壓應(yīng)力軸方向?yàn)镹E-SW向，而西部為N-S或NNW-SSE方向.但根據(jù)震源機(jī)制反演應(yīng)力張量需要知道哪個(gè)節(jié)面是真正的斷層面，如果缺失這一信息，且斷層面和輔助節(jié)面有交換，應(yīng)力反演就可導(dǎo)致不精確的結(jié)果.此外，在某種情況下，由于區(qū)域地震震源機(jī)制解的不均一性使得很難獲取可信的平均應(yīng)力場特征(許忠淮,1985；Bora et al., 2018; Wan et al., 2016).已有研究表明，地震震源機(jī)制和地殼地震各向異性等地震學(xué)研究可為構(gòu)造活躍區(qū)地殼變形過程的確定提供重要約束(Johnson et al., 2011; Araragi et al., 2015; Bora et al., 2018).

地震各向異性是地球上普遍存在的一種現(xiàn)象，而剪切波分裂現(xiàn)象是地震各向異性最直觀的表現(xiàn)形式(Crampin, 1994; Boness and Zoback, 2006).地殼中周期性薄互層、礦物晶體和裂隙的定向排列是誘發(fā)地震各向異性的主要因素(Crampin,1994).近震S波分裂主要反映了中上地殼介質(zhì)的各向異性特征，一般認(rèn)為中上地殼各向異性的成因主要分為兩大類，一類是構(gòu)造成因(包括定向排列的礦物，巖石組構(gòu)及古應(yīng)力殘留的介質(zhì)定向特征等等)，其產(chǎn)生的快波方向一般與對應(yīng)的剪切組構(gòu)的方向一致，慢波延遲時(shí)間代表剪切程度，這種類型中最常見的就是由大型走滑斷裂所引起的各向異性，而在火山區(qū)定向排列的巖墻也可能導(dǎo)致地震各向異性(Johnson et al., 2011).另外一類是應(yīng)力成因，是由于介質(zhì)內(nèi)部受主壓應(yīng)力引起的定向排列的張開的流體填充或不填充的微裂隙、閉合的可見微破裂引起，其產(chǎn)生的快波方向平行于區(qū)域水平最大主壓應(yīng)力，慢波延遲時(shí)間代表微裂隙或破裂的密度(Boness and Zoback, 2006).

另一方面，已有研究表明，火山區(qū)往往可以觀察到顯著的地震各向異性時(shí)空變化，并將其歸結(jié)為淺層巖漿侵入引起的淺部地殼應(yīng)力變化所致(Gerst and Savage, 2004; Unglert et al., 2011; Illsley-Kemp et al., 2018).由于巖漿系統(tǒng)中的壓力隨時(shí)間的增加/減少會導(dǎo)致地震各向異性快波偏振方向的改變，在一些火山區(qū)，剪切波分裂參數(shù)的監(jiān)測已被建議作為預(yù)測火山爆發(fā)的一種可能方法(Gerst and Savage,2004; Unglert et al., 2011; Illsley-Kemp et al., 2018； Crampin and Gao, 2018).為此，區(qū)分騰沖火山區(qū)地震各向異性的成因，確定騰沖火山區(qū)區(qū)域應(yīng)力與構(gòu)造之間的相互關(guān)系，不僅可為更好地了解研究區(qū)的地殼演化提供地震學(xué)約束，還將為應(yīng)用剪切波分裂這一手段監(jiān)測火山活動提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

前人(毛慧玲和秦嘉政,2011; 孫長青等, 2013; Shi et al.,2012;Zhang et al.,2018)利用研究區(qū)固定臺站的波形記錄，通過接收函數(shù)和近震剪切波分裂方法對研究區(qū)地殼各向異性特征進(jìn)行了分析，推測研究區(qū)中上地殼各向異性與主壓應(yīng)力方向一致，但受騰沖地區(qū)固定臺站分布限制，無法反映出研究區(qū)應(yīng)力橫向變化特征.

本文研究對2008-10—2019-07騰沖火山區(qū)15個(gè)固定和流動地震臺站記錄到的近震波形資料進(jìn)行了剪切波分裂分析，以確定騰沖火山區(qū)的地殼應(yīng)力狀態(tài)時(shí)空變化.地殼VP/VS值與地殼的物質(zhì)組成、溫度狀態(tài)等密切相關(guān)，對其時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，可為巖漿活動的確定提供重要的約束(Unglert et al., 2011).為此，本文也對騰沖火山區(qū)上地殼各臺站的波速比值進(jìn)行了計(jì)算.該區(qū)地殼地震各向異性和波速比分布特征的確定，不僅為理解該火山區(qū)的動力學(xué)演化過程提供了約束，也為將來應(yīng)用地震各向異性手段監(jiān)測火山活動奠定了基礎(chǔ).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究采用的數(shù)據(jù)包括四個(gè)部分：中國國家數(shù)字地震臺網(wǎng)(CNDSN)布設(shè)在騰沖火山區(qū)的火山臺站(8個(gè))、國家臺站TNC、區(qū)域臺站MAS總共10個(gè)固定臺站從2008年10月—2019年7月的波形數(shù)據(jù)，以及2014年1月—2014年12月布設(shè)在騰沖火山區(qū)5個(gè)流動臺站記錄的波形數(shù)據(jù).其中10個(gè)固定臺站配備了采樣率為100 Hz的BBVAS60和KS2000寬帶地震儀以及EDAS-24IP數(shù)據(jù)收集器系統(tǒng).研究中收集了上述15個(gè)地震臺站記錄的發(fā)生在騰沖火山區(qū)及其周圍鄰區(qū)震級小于4級的地震，這些地震的震源深度在5～25 km之間不等，80%地震的震源深度小于15 km(圖1).

當(dāng)近震S波入射到地表時(shí)，如果入射角大于臨界角(sin-1(VS/VP))時(shí)會發(fā)生全反射現(xiàn)象，為了避免這種全反射現(xiàn)象引起的波形畸變，我們需要選擇在剪切波橫波窗口內(nèi)的地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.對于泊松比為0.25的泊松介質(zhì)來說，其臨界角為37°，考慮到近地表低速層導(dǎo)致的地震波射線路徑彎曲，本文研究參照前人的做法(吳晶等，2010；Savage et al.，2016)，將入射角擴(kuò)大至45°，即選取入射角小于45°的地震波形記錄，以確保所有用于分裂的波形記錄滿足剪切波窗口的要求.研究中我們主要依據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心提供的地震目錄，選取了震中距<25 km，震級小于4級，震源深度大于震中距的587個(gè)近震波形數(shù)據(jù)用于剪切波分裂分析.研究中我們?nèi)斯な謩臃椒ㄊ叭×薖g，Sg波到時(shí)用于下一步的分析.

1.2 方法

本研究使用MFAST方法進(jìn)行了剪切波分裂分析.MFAST是一種基于對剪切波分裂參數(shù)(快波偏振方向和延遲時(shí)間)的可能值進(jìn)行網(wǎng)格搜索反演的全自動剪切波分裂程序(Savage et al., 2010)，已有多位學(xué)者利用該方法進(jìn)行了各向異性研究(Unglert et al., 2011; Li et al., 2015; Syuhada et al., 2017; Maher and Kendall, 2018)，證明了該方法的可靠性.

MFAST方法將14個(gè)帶有特定拐角頻率的帶通濾波應(yīng)用到每一個(gè)數(shù)據(jù)上以選擇最佳濾波.只有信噪比大于3的地震波形被用于下一步計(jì)算.對波形進(jìn)行濾波后，MFAST在多個(gè)時(shí)間窗上執(zhí)行SC91算法，在S波到時(shí)前后3 s內(nèi)選擇噪聲和信號窗口，通過定義窗口的固定長度來避免個(gè)人主觀標(biāo)準(zhǔn).傳統(tǒng)情況下，剪切波分裂窗口都是由我們手動選擇的，而手動選擇窗口存在一定的主觀性，因?yàn)檫x擇窗口的不同往往就意味著計(jì)算出的不同分裂結(jié)果.MFAST方法改善了這一問題，將選擇窗口的過程完全自動化，對多個(gè)窗口進(jìn)行分裂分析，以得到在不同的窗口上都穩(wěn)定的測量結(jié)果.

MFAST方法基于依賴于濾波頻段和分裂窗口選擇的SC91算法，以Teanby等(2004)的方法為基礎(chǔ)，采用了14個(gè)不同頻率的帶通濾波器，并基于信噪比、延遲時(shí)間和快波偏振方向誤差等一系列參數(shù)自動對分裂測量結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量分級(A—D).在本研究中我們選擇網(wǎng)格搜索的最大延遲時(shí)間tlagmax為0.5 s.評定為A等級的結(jié)果需滿足延遲時(shí)間δt<0.8tlagmax,信噪比SNR>4,同時(shí)快波偏振方向誤差δφ<10°的條件；評定為B等級的結(jié)果需滿足延遲時(shí)間δt<0.8tlagmax, 信噪比SNR>3,同時(shí)快波偏振方向誤差δφ<25°的條件.對信噪比帶寬、濾波器、分裂窗口、聚類分析和分級原理的更具體解釋見Savage等(2010).

本文對15個(gè)臺站記錄的地震波形進(jìn)行了分裂計(jì)算，最終得到了1761個(gè)分裂結(jié)果，我們依據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)篩選分裂結(jié)果：(1)觀察旋轉(zhuǎn)后的切向分量的能量是否達(dá)到最小(圖2b)；(2)觀察是否具有穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果(圖2c,d)；(3)觀察校正后的粒子運(yùn)動是否變?yōu)榻本€形狀，校正后快慢波波形是否擬合(圖2e)；(4)如圖2f所示觀察等值線是否比較收斂(圖2f).圖2和圖 3闡述了不同質(zhì)量等級的地震事件的分析過程.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景與地震臺站分布 紅色、黃色三角分別代表固定和流動臺站，研究區(qū)7個(gè)火山群分別用空心橢圓標(biāo)示，灰點(diǎn)和紫點(diǎn)表示2008年以來所有ML≤4.0級的地震和最終用于橫波分裂分析的事件.右下方的柱狀圖所用地震事件的深度分布.兩對黑色粗箭頭代表區(qū)域主壓應(yīng)力方向(Zhao et al., 2013).右上角插圖為騰沖火山區(qū)的相對位置.黑色實(shí)線代表斷層(Yang et al., 2013)，F(xiàn)1：怒江斷層，F(xiàn)2：龍嶺—瑞麗 斷層，F(xiàn)3：騰沖火山斷層，F(xiàn)4：盈江—隴川斷層.Fig.1 The geological setting and distribution of seismic stations The permanent and temporary seismic stations are showed by red triangles and yellow triangles, and the seven volcanic clusters in the study area are indicated by hollow ellipses. The gray and blue dots indicate all earthquakes with magnitude less than 4 since 2008 and events selected for shear wave splitting analysis in this study. The bar graph at the bottom right shows the number of selected events. Two pairs of thick black arrows represent the direction of regional compressive stress (Zhao et al., 2013). The inset shows the location of Tengchong Volcanic area in China. Black thin lines represent main faults (Yang et al., 2013). F1: Nujiang Fault, F2: Longling-Ruili Fault, F3: Tengchong volcano Fault, F4: Yingjiang-Longchuan Fault.

延遲時(shí)間反映了沿射線路徑的各向異性強(qiáng)度.我們利用歸一化延遲時(shí)間得到了各向異性百分比(A)(Savage，1999)，

(1)

其中d是震源到臺站的距離，VS是介質(zhì)的橫波速度，研究區(qū)的地殼平均橫波速度為3.65 km·s-1(李永華等，2009).

2 結(jié)果

本文利用MFAST方法對15個(gè)地震臺站記錄的近震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了橫波分裂分析，得到了1761個(gè)結(jié)果(A—D)，最終只采用了593個(gè)質(zhì)量A，B級的高質(zhì)量分裂結(jié)果(表1).從表1可以看出，15個(gè)臺站中總共有10個(gè)臺站的分裂結(jié)果多于10個(gè)，5個(gè)臺站的分裂結(jié)果少于10個(gè).臺站TNC高質(zhì)量的分裂結(jié)果數(shù)目最多(277個(gè))；而流動臺站(L11,L12等)由于觀測時(shí)間較短，獲得的近震事件比較少，也沒有足夠的后方位角覆蓋(圖5)，最終的有效分裂結(jié)果比較少.但是除臺站L14外，其余每個(gè)臺站也都具有多于5個(gè)的分裂結(jié)果.

中上地殼各向異性離散現(xiàn)象顯著，因此對具有一定數(shù)量觀測結(jié)果的臺站進(jìn)行討論才能降低隨機(jī)結(jié)果的影響.為提高討論的意義，本文只對具有10條及以上有效觀測結(jié)果的臺站加以后續(xù)分析.圖4為研究區(qū)具有10個(gè)以上有效分裂結(jié)果的臺站的快波偏振方向等面積投影玫瑰圖.從圖中可以看出多數(shù)臺站的偏振方向比較明顯，我們用統(tǒng)計(jì)平均的方式取得了這些臺站的優(yōu)勢方向；個(gè)別臺站(MIZ，MZT,L13)得到的快波偏振方向比較分散，顯示兩個(gè)近乎正交的偏振方向，對于此類臺站需進(jìn)行兩個(gè)快波偏振方向的分別統(tǒng)計(jì).需要說明的是，盡管TNC、MAS等臺站具有足夠的剪切波分裂參數(shù)，但是我們并沒有發(fā)現(xiàn)其剪切波分裂參數(shù)隨時(shí)間存在明顯的變化.

圖2 橫波分裂分析計(jì)算示例(自動評級為A級)

圖3 橫波分裂分析計(jì)算示例(自動評級B級) 2017年1月26日QKT臺站記錄的2級地震的自動分裂結(jié)果. (a) 濾波后的E、N和Z三分量波形，垂直黑線表示手動拾取的S波到時(shí)，灰色區(qū)域代表剪切波分裂分析窗口，垂直虛線代表起始和結(jié)束時(shí)間; (b) 上面兩條波形代表向入射偏振方向和與其垂直的方向旋轉(zhuǎn)的波形，下面兩條波形是經(jīng)過校正后的分量.虛線表示橫波分裂窗口的起始和結(jié)束時(shí)間范圍，從圖中可以看出切向分量上能量幾乎達(dá)到最小; (c) 從不同時(shí)間窗口確定的分裂參數(shù)，可看出該結(jié)果并不平緩穩(wěn)定且存在一定的誤差; (d) 從不同的時(shí)間窗口確定的分裂參數(shù)分布，藍(lán)色十字代表最好的結(jié)果，可以看出該結(jié)果比較穩(wěn)定; (e) 原始波形(左上)和校正后的波形(右上)(實(shí)線代表快波，虛線代表慢波)，和原始的的粒子運(yùn)動(左下)和校正后的粒子運(yùn)動(右下).如圖所示分裂校正后的波形擬合不太好，粒子運(yùn)動軌跡由分裂前的形態(tài)變?yōu)榻本€形態(tài); (f) 協(xié)方差矩陣最小特征值的等值線圖，最佳結(jié)果(φ=23°，δt=0.06 s).用一個(gè)藍(lán)色的十字架標(biāo)記，該等值線 不太收斂，說明結(jié)果不太穩(wěn)定.Fig.3 An example of shear wave splitting analysis(rated as B automatically) Automatic splitting results for an earthquake with magnitude 2 recorded at station QKT on 26 January 2017. (a) Filtered waveform of E, N and Z component seismograms. Solid line represents the hand-picked S arrival. Dashed lines represent the minimum start and maximum end times，gray area is the time window for shear wave splitting analysis; (b) The upper two seismograms are waveforms that are rotated to the incoming polarization direction and the perpendicular direction. The bottom two seismograms are components after correction. Dashed lines represent the range of starting and ending time for shear wave splitting window. It can be seen that the energy in the tangential component is minimum after correction; (c) The splitting parameters determined from different time windows. It can be seen that the result is not stable and has certain error; (d) The distributions of splitting parameters determined from different time windows, the blue cross is the best result.The result is not stable; (e) Waveforms (top row) and particle motions (bottom row) for the original (left column) and corrected (right column) waveforms. Solid line represents fast wave, dashed line represents slow wave.The fast and slow wave is not fit after correction, the particle trajectory changed to a near-line shape after correction; (f) Contour plot of the smallest eigen value of the covariance matrix. The blue cross masks the best splitting parameter of this event (φ= 23°，δt=0.06 s). The contours are not converging, indicating that the results are not stable.

表1 各臺站基本參數(shù)與橫波分裂參數(shù)Table 1 Station parameters and results of shear-wave splitting by station

圖4 騰沖火山區(qū)具有10條以上有效記錄臺站的快波偏振方向玫瑰圖Fig.4 Rose diagrams of fast polarizations for each station with more than 10 measurements

如圖5所示，騰沖斷裂帶以西地區(qū)臺站(4個(gè))的快波方向大多為近N-S向(如MIZ,RHT等)，位于騰沖斷裂帶西北部地區(qū)的臺站MIZ的各向異性偏振方向同與其相鄰的2個(gè)臺站MZT,L13的各向異性偏振方向都較為分散，三者其中的一個(gè)偏振方向較為一致，均為近NW-SE向.騰沖斷裂帶以東地區(qū)臺站(6個(gè))的快波方向大多近NE-SW向(如臺站MZT,TNC,MAS等).

本研究得出的騰沖火山區(qū)的延遲時(shí)間在0.02 s到0.38 s之間變化，平均延遲時(shí)間為0.2 s.由表1可以看出，除臺站L14的延遲時(shí)間僅為0.02 s外，其他臺站的延遲時(shí)間均大于0.1 s.事實(shí)上，臺站L14只有2個(gè)高質(zhì)量的測量結(jié)果，我們推測該臺站與其他臺站延遲時(shí)間結(jié)果的差異有兩種可能：(1)臺站L14附近地殼變形結(jié)構(gòu)較弱，不存在明顯的各向異性；(2)有效分裂結(jié)果少，沒有全面反映臺站下方的各向異性特征.

圖5 研究區(qū)近震各向異性結(jié)果 每個(gè)臺站的快波偏振方向及大小用粗短棒表示，黑色短粗棒為本研究得出的分裂結(jié)果.紫色短粗棒為Zhang等(2018)給出的 分裂結(jié)果，藍(lán)色短粗棒為Shi等(2012)的分裂結(jié)果.Fig.5 Results of seismic anisotropy from shear wave splitting analysis of local earthquakes The polarization direction and size of the fast wave in each station are indicated by the thick short bars, and the black short thick bars are the splitting result in this study. The purple bars are the splitting result from Zhang et al. (2018). The blue bar is the splitting result from Shi et al. (2012).

前人(毛慧玲和秦嘉政，2011；太齡雪等，2015；Zhang et al.,2018；Shi et al.,2012)曾經(jīng)利用云南地區(qū)固定和流動地震臺站的資料，采用近震剪切波分裂分析方法開展過各向異性研究工作.太齡雪等(2015)利用中國地震科學(xué)臺陣第一期流動地震臺站的近震波形資料，使用剪切波分裂系統(tǒng)分析方法SAM方法(高原等，2004)得到了云南地區(qū)的近震剪切波分裂參數(shù)，很好地揭示了研究區(qū)中上地殼的各向異性分布特征，但受觀測資料所限，其多數(shù)臺站的有效分裂結(jié)果都不足5個(gè).Shi等(2012)同樣利用SAM方法對云南地區(qū)46個(gè)固定臺站進(jìn)行了剪切波分裂分析，結(jié)果表明騰沖火山區(qū)內(nèi)TNC和MAS臺站的快波偏振方向均為近N-S向，歸一化延遲時(shí)間均值為1.73 ms·km-1，與本研究得出的TNC,MAS的各向異性方向較為一致(圖5)，但延遲時(shí)間較本文得到的臺站歸一化延遲時(shí)間19.2 ms·km-1要小.毛慧玲和秦嘉政(2011)利用騰沖固定臺記錄的近震波形數(shù)據(jù)開展了剪切波分裂研究，結(jié)果顯示，騰沖臺下方的快波偏振方向主要集中在N30°E—N55°E 之間；Zhang等(2018)利用云南地區(qū)固定臺站的近震資料，采用MFAST方法開展了剪切波分裂分析，其結(jié)果顯示騰沖火山區(qū)內(nèi)TNC和MAS兩個(gè)臺站的延遲時(shí)間與本文結(jié)果有較大差異，但快波偏振方向與本文較為一致(圖5).本研究得到的TNC和MAS兩個(gè)臺站的慢波延遲分別為0.23 s和0.29 s,而Zhang等(2018)采用同樣資料和方法給出的慢波延遲則不超過0.05 s.一些學(xué)者(如Gerst and Savage, 2004; Johnson et al., 2011; Keats et al., 2011; Unglert et al., 2011; Araragi et al., 2015)在新西蘭、日本等火山區(qū)開展的近震各向異性研究顯示，臺站下方的慢波延遲一般在0.1～0.3 s左右.有些研究(如Keats et al., 2011)也報(bào)道過火山噴發(fā)前慢波延遲時(shí)間降低到小于0.1 s的現(xiàn)象，并認(rèn)為這種小的慢波延遲時(shí)間可能與巖漿活動導(dǎo)致的裂隙中充滿流體有關(guān).Crampin等(2002) 認(rèn)為，當(dāng)孔隙流體壓力接近最大水平應(yīng)力且裂縫縱橫比減小時(shí)，延遲時(shí)間將接近零.鑒于目前沒有證據(jù)表明騰沖火山區(qū)正處于火山噴發(fā)的前期，我們認(rèn)為本研究的慢波延遲結(jié)果是可信的.

除了上述測量結(jié)果外，本研究在15個(gè)臺站中還獲得了93個(gè)“無效”的測量(圖6).S波在以下幾種情況下均會產(chǎn)生無效分裂：(1)S波穿過各向同性介質(zhì)；(2)S波穿過各向異性介質(zhì)時(shí)，快波偏振方向平行或者垂直于各向異性介質(zhì)的快慢波方向；(3)臺站下方分布有復(fù)雜的各向異性介質(zhì)，比如地下介質(zhì)具有多個(gè)各向異性區(qū)域，兩個(gè)及其以上的各向異性區(qū)域被同時(shí)采樣而發(fā)生了雙折射使其各向異性相互抵消(Silver and Chan, 1991; Wustefeld and Bokelmann, 2007；強(qiáng)正陽和吳慶舉,2015;Saltzer et al., 2000; Menke andLevin, 2003; Levin et al., 2004).這幾類情況均會產(chǎn)生“無效”測量，即S波不會發(fā)生分裂且延遲時(shí)間接近為0.盡管S波的無效測量無法提供有關(guān)延遲時(shí)間的信息，但由于無效測量的事件方位與各向異性介質(zhì)的快慢波的方向是平行或垂直的，因此，遠(yuǎn)震剪切波分裂研究中，無效分裂通常也可以被用來去約束各向異性軸的方向(Silverand Chan, 1991; Wustefeld and Bokelmann, 2007).但與遠(yuǎn)震SKS波不同的是，本文研究的近震Sg波的快波偏振方向依賴于地震震源機(jī)制，因?yàn)槲覀兒茈y獲得騰沖火山區(qū)附近近震震源機(jī)制的相關(guān)信息，所以近震Sg波無效測量的意義還是不夠直觀，用無效測量去約束各向異性的方向可能存在一定誤差.

圖6 地震臺站剪切波分裂參數(shù)等面積圖 黑線代表分裂參數(shù)，藍(lán)點(diǎn)代表無效測量.Fig.6 Equal-area plots of splitting parameters (black lines) and null measurements (blue spots) for seismic stations Black lines represent the splitting parameters; blue spots represent the null measurements.

3 討論

3.1 各向異性強(qiáng)度與深度分布

由于我們使用的是近垂直入射的近震事件，因此可以利用震源深度來研究各向異性的深度分布.由圖7中可以看出快波偏振方向和延遲時(shí)間隨深度的變化并不明顯.本文又選取了有效記錄>50條的臺站RHT、TNC和MAS，分別統(tǒng)計(jì)了每個(gè)臺站不同深度地震事件與延遲時(shí)間的關(guān)系(圖8)，這3個(gè)臺站的結(jié)果并沒有表現(xiàn)出明顯的延遲時(shí)間隨深度的變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論.如圖7c所示，47%的結(jié)果集中5～10 km處，各向異性強(qiáng)度基本都在20%以內(nèi)；35%的結(jié)果集中在10～15 km處，各向異性強(qiáng)度在15%以內(nèi).15～20 km與20～25 km處的各向異性強(qiáng)度并沒有隨著地震事件數(shù)目的減少而減弱，說明各向異性強(qiáng)度的減弱與地震事件的數(shù)目無關(guān)，可能與震源深度的加深有關(guān)，研究區(qū)88%的結(jié)果都集中在0～15 km范圍內(nèi)(圖7c)，因此推斷各向異性主要存在于淺層地殼內(nèi)(<15 km)，是這一深度內(nèi)各向異性疊加的結(jié)果.但是各向異性層的精確位置并非是精準(zhǔn)的，因?yàn)楦飨虍愋詮?qiáng)度是單位路徑上的延遲時(shí)間，反映的是整個(gè)路徑的平均各向異性(Maher and Kendall，2018).假設(shè)路徑上的各向異性是恒定的，那么騰沖火山上地殼的平均各向異性為0.016 s·km-1.

3.2 與前人Pms和P波層析成像等各向異性結(jié)果的比較

前人采用接收函數(shù)(孫長青等，2013)、遠(yuǎn)震剪切波分裂(Shi et al.,2012;Huang et al., 2015;Zhao et al., 2013)、體波走時(shí)成像(Huang et al., 2018)等不同的手段,得到了研究區(qū)殼幔不同深度的各向異性分布特征.下面將對本文研究結(jié)果與前人各向異性研究結(jié)果進(jìn)行對比分析.

Huang等(2018)利用區(qū)域地震P波走時(shí)資料開展了層析成像研究，得到了青藏高原東南緣地殼上地幔頂部不同深度的各向異性分布特征.前述研究表明，本文研究近震各向異性的主要貢獻(xiàn)來自15 km

圖7 各向異性快波偏振方向(a)、分裂延遲時(shí)間(b)和各向異性強(qiáng)度(c)隨深度的分布Fig.7 Distributions of fast wave polarization direction (a), delay time (b) and anisotropy percentage (c) of all high-quality results with depth

圖8 3個(gè)典型臺站延遲時(shí)間隨震源深度分布圖Fig.8 Distribution of delay time with focal depth for 3 seismic stations

以上的中上地殼，為此，我們將本文各向異性結(jié)果與10 km深度P波各向異性結(jié)果(Huang et al., 2018)進(jìn)行了比較(圖9).10 km深度的P波各向異性結(jié)果顯示，騰沖火山區(qū)的各向異性快波偏振方向?yàn)镹E-SW向，這與本研究采用近震剪切波分裂分析得到的快波偏振方向基本一致，但本文研究所揭示強(qiáng)烈的各向異性橫向變化在體波成像研究并沒有得到體現(xiàn).產(chǎn)生這種差異的原因可能在于：(1)直達(dá)S波分裂研究可以給出很好的各向異性橫向變化，但其反映的各向異性是震源到接收臺站的介質(zhì)各向異性的疊加效應(yīng)，而不是某一深度處的各向異性特征；(2)P波成像(Huang et al., 2018)受到了到時(shí)、速度結(jié)構(gòu)等因素的相互影響，而直達(dá)S波分裂受到了定位精度與S波讀取精度的影響，二者均具有一定的偏差性.

孫長青等(2013)利用固定臺站的地震資料，通過接收函數(shù)對Pms進(jìn)行分裂分析，得到了川滇地區(qū)地殼的各向異性分布特征，其結(jié)果顯示騰沖地區(qū)全地殼的慢波延遲時(shí)間為0.3 s，而本文研究顯示，騰沖火山區(qū)中上地殼的平均慢波延遲時(shí)間為0.2 s，這說明騰沖火山區(qū)地殼各向異性的主要貢獻(xiàn)源自中上地殼.前人研究表明，騰沖地區(qū)具有高熱流、低電阻率、低波速等特征(Wang and Huangfu，2004；Xu et al., 2018; 樓海等，2002；胥頤等，2012)，并推測騰沖火山區(qū)下方10～25 km深度范圍存在巖漿囊.據(jù)此，我們可以推測，騰沖地區(qū)中上地殼介質(zhì)存在顯著的變形作用與過程.

圖9 研究區(qū)不同地殼各向異性結(jié)果 每個(gè)臺站的快波偏振方向及大小用粗短棒表示.黑色短粗棒為本研究得出的分裂結(jié)果.白色細(xì)棒代表10 km深度P波各向異性成像結(jié)果(Huang et al., 2018)，紫色細(xì)棒代表Pms分裂結(jié)果 (孫長青等，2013).Fig.9 Comparisons of crustal anisotropy results from various analyses The polarization direction and size of the fast wave in each station are indicated by the thick short bars, and the black short thick bars are the splitting result in this study. The white thin bar represents the P wave anisotropic result at 10 km from body wave tomography (Huang et al., 2018), and the purple thin bar represents the result of Pms splitting (Sun et al. 2013).

3.3 地殼各向異性的成因

以往的研究表明，在遠(yuǎn)離變形結(jié)構(gòu)的區(qū)域，淺層地殼各向異性是由應(yīng)力導(dǎo)致的裂隙的定向排列所致(Crampin,1978; Peacock et al., 1988; Rial et al., 2005)，區(qū)域應(yīng)力場控制地下裂隙的方向使其平行于最大主壓應(yīng)力的方向，最終使得地下各向異性介質(zhì)的快波偏振方向平行于最大主壓應(yīng)力方向，所以這類中上地殼的各向異性主要是由應(yīng)力控制的.但在距離變形結(jié)構(gòu)較近的區(qū)域，其中上地殼各向異性主要是定向排列的礦物所致，是由結(jié)構(gòu)引起的各向異性.此外，在斷層附近的區(qū)域，由應(yīng)力導(dǎo)致的中上地殼各向異性方向也有可能因受到附近斷層控制作用比較強(qiáng)而與斷裂帶平行(Leary et al., 1990).在前人的研究中存在類似的結(jié)果(Balfour et al., 2005; Boness and Zoback, 2006; Hurd and Bohnhoff, 2012; Li and Peng, 2017)，即斷裂帶附近區(qū)域的各向異性快波偏振方向平行于附近斷層的走向.

為了研究騰沖火山區(qū)中上地殼各向異性的主要成因，我們將本文各臺站快波偏振方向結(jié)果與斷層走向、應(yīng)力分布等進(jìn)行了比較(圖10)，另外，還以騰沖斷裂為中心，分別繪制了其東西兩區(qū)所有臺站記錄的地震事件的快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖.在本研究中，我們使用的應(yīng)力數(shù)據(jù)是前人通過反演震源機(jī)制解得到的(Zhao et al., 2013).如圖10所示，整個(gè)區(qū)域分布有兩個(gè)方向不同的主壓應(yīng)力方向，大致為近N-S與近NE-SW向，表現(xiàn)出以騰沖斷裂帶為中心東西分區(qū)的特征.騰沖斷裂帶以西地區(qū)的應(yīng)力方向主要為近N-S向，存在極少量NE-SW向，與該區(qū)大部分臺站(4個(gè))的快波偏振方向存在很大的一致性：比如MIZ,RHT臺站的快波偏振方向均為近N-S向，與附近N-S向的應(yīng)力方向幾乎平行；RST等臺站的快波偏振方向?yàn)榻麼E-SW向，與附近NE-SW向的應(yīng)力方向也近乎平行.除此以外我們也發(fā)現(xiàn)，斷裂帶以西地區(qū)總體近N-S向的應(yīng)力與我們在該地區(qū)記錄的所有地震事件的快波偏振方向也存在很大的一致性(圖10)，說明騰沖火山區(qū)以西地區(qū)中上地殼的各向異性主要是由應(yīng)力引起的.騰沖斷裂帶以東地區(qū)的應(yīng)力數(shù)據(jù)相對較少，但總體顯示出偏NE-SW向的主壓應(yīng)力方向，不僅與我們在該地區(qū)記錄的所有地震事件的快波偏振方向一致，也與附近大部分臺站(7個(gè))的快波偏振方向比較一致，比如MAS、MZT、SBT等臺站快波偏振方向均為近NE-SW向，與附近NE-SW向的主壓應(yīng)力方向非常一致，說明騰沖火山區(qū)以東地區(qū)中上地殼的各向異性主要也是由應(yīng)力控制的.

除此之外，位于騰沖斷裂帶北部地區(qū)的MIZ、MZT、L13臺站的各向異性偏振方向比較分散，均具有偏NW-SE向的第二個(gè)偏振方向，但該方向無論是與附近應(yīng)力場方向或是與附近斷層方向都存在很大的差異，說明這類區(qū)域的各向異性可能受到了應(yīng)力以及斷層的雙重影響，也有可能是由附近地表地形、地下結(jié)構(gòu)構(gòu)造造成的(Leary et al., 1990; Crampin and Peacock,2008)，即該區(qū)附近可能存在走向與其快波偏振方向接近的隱伏斷裂帶，有可能是隱伏斷裂帶控制了該地的各向異性.

對騰沖火山斷裂帶東西兩側(cè)中上地殼各向異性的分析表明，騰沖火山區(qū)中上地殼各向異性主要是區(qū)域主壓應(yīng)力場引起的，該應(yīng)力導(dǎo)致中上地殼微裂隙定向排列，產(chǎn)生平行于主壓應(yīng)力方向的快波方向.

4 VP/VS

本研究中，我們根據(jù)公式(2)(Nur，1972)，利用2008-10—2019-07騰沖火山周圍10個(gè)固定臺站記錄的近震走時(shí)信息計(jì)算了VP/VS，并根據(jù)波速比與泊松比之間的關(guān)系, 將波速比轉(zhuǎn)化為泊松比(表2).

圖10 研究區(qū)各臺站偏振方向與附近主壓應(yīng)力場方向的比較 每個(gè)臺站的快波偏振方向及大小用黑色粗短棒表示,粉色細(xì)棒代表最大水平主壓應(yīng)力方向(Zhao et al., 2013)， 其中的玫瑰圖為騰沖斷裂帶東、西兩側(cè)所有臺站的快剪切波偏振方向等面積投影.Fig.10 Comparison of fast polarization direction and maximum main compressive stress direction The black short thick bars is the splitting results in this study, and the pink thin bars represent the maximum main compressive stress direction (Zhao et al., 2013). Rose diagrams show the fast polarizations for all seismic stations on the east and west sides of the Tengchong fault zone.

(2)

其中,T0是地震發(fā)生的起始時(shí)刻,TP是P波到時(shí),TS是S波到時(shí),tp=TP-T0，ts=TS-T0，在這里每條波形的波速比的值最大不能超過2.2，超過該值的記錄將會被舍棄.本文計(jì)算得該地區(qū)的平均VP/VS為1.68±0.01， 平均泊松比為0.21(表2).

已有研究表明，VP/VS值可為地殼巖石組成和流體含量的確定提供重要的約束(Christensen,1996).與全球地殼平均波速比(1.75)(Christensen,1996)和該地區(qū)地殼平均波速比(1.79～1.99)(李永華等,2009; 查小惠和雷建設(shè), 2013)相比，本研究得到的該區(qū)平均VP/VS值相對較低.但該結(jié)果與世界其他火山區(qū)的上地殼波速比值相當(dāng)(Nakajima et al., 2001; Kato et al., 2010).

通常認(rèn)為，低的VP/VS意味著巖漿中的二氧化硅含量較高(55%～75%)(Christensen，1996)、流體含量小(～2%)(Nakajima et al., 2001)和/或有氣體存在.已有研究表明，騰沖火山區(qū)火山巖的SiO2

表2 固定臺站的VP/VS平均值與泊松比Table 2 Average VP/VS and Poisson′s ratio for permanent stations

含量介于48%～70%之間(向才英等，2000)、且存在豐富的地?zé)豳Y源.前人研究(Wang and Huangfu, 2004；Lei et al., 2009; Xu et al., 2018; 樓海等，2002；胥頤等，2012)所揭示的騰沖地區(qū)高熱流、低電阻率、低波速等特征，被解釋為殼內(nèi)巖漿囊.據(jù)此可以推測，研究區(qū)上地殼較低的VP/VS與淺表的地?zé)崃黧w和/或深部充滿氣體的中酸性巖漿一致.

5 結(jié)論

本研究利用騰沖火山區(qū)15個(gè)固定和流動臺站記錄到的近震波形數(shù)據(jù)，采用MFAST方法進(jìn)行了剪切波分裂分析，得到了該區(qū)近震各向異性剪切波分裂參數(shù).由于本文研究首次使用了騰沖火山區(qū)8個(gè)火山臺站和5個(gè)流動臺站的數(shù)據(jù)，本文結(jié)果更清晰地揭示了騰沖火山區(qū)中上地殼各向異性的橫向變化特征.

研究結(jié)果顯示，騰沖火山區(qū)地震臺站下方的近震各向異性的慢波延遲時(shí)間為0.02～0.37 s，平均延遲0.2 s.各向異性強(qiáng)度隨深度的變化表明，0～15 km深度范圍淺層地殼介質(zhì)對近震各向異性的貢獻(xiàn)最大.已有接收函數(shù)Pms分析(孫長青等,2013)表明，騰沖火山區(qū)地殼各向異性慢波延遲為0.3 s，據(jù)此推測研究區(qū)地殼各向異性的主要貢獻(xiàn)源自中上地殼.

本文結(jié)果顯示，研究區(qū)不同臺站的快波偏振方向變化很大，似乎反映了構(gòu)造和區(qū)域應(yīng)力場的共同作用.通過對分裂得到的快波偏振方向、應(yīng)力方向和斷層走向的比較發(fā)現(xiàn)，以地震活動比較強(qiáng)烈的騰沖火山斷裂帶為界，其西側(cè)地區(qū)總體快波偏振方向呈近N-S向，而東側(cè)地區(qū)總體快波偏振方向呈NE-SW向，與Zhao等(2013)根據(jù)震源機(jī)制解給出的區(qū)域主壓應(yīng)力方向基本一致，暗示研究區(qū)中上地殼各向異性主要是受主壓應(yīng)力引起定向排列的裂隙所致.研究區(qū)低的地殼波速暗示騰沖火山區(qū)地殼應(yīng)力場的局部變化可能是上地殼中富含氣體的中酸性巖漿膨脹所致.

此外，在騰沖火山區(qū)外圍部分臺站(如MIZ、MZT)的快波偏振方向比較分散，這意味著這類臺站附近可能存在走向與其快波方向接近的隱伏斷裂帶，即有可能是隱伏斷裂帶控制該地的各向異性，也可能因?yàn)檫@種臺站下上地殼各向異性受到了應(yīng)力和構(gòu)造的共同影響，因此表現(xiàn)出了較為復(fù)雜的分裂模式.盡管沒有揭示出各向異性隨時(shí)間變化這一現(xiàn)象，但本文圈定了最有可能受騰沖火山活動影響而導(dǎo)致各向異性參數(shù)變化的地震臺站，為未來騰沖火山活動監(jiān)測和研究奠定了基礎(chǔ).

致謝中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(doi:10.11998/SeisDmc/SN)為本研究提供地震波形.文章大部分圖件使用GMT軟件繪制(Wessel and Smith,1998).兩位審稿人對提出的意見和建議對本文的提高有很大幫助，在此表示感謝.