甘东南地区地壳介质各向异性特征①

2011-01-25王熠熙冯建刚

地震工程学报 2011年2期

张辉，王熠熙，冯建刚

（中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000）

0 引言

地壳介质的地震各向异性是一种比较常见的现象［1］，地壳中大量充满液体的定向排列的微裂隙是产生各向异性的主要因素，当剪切波穿过这种各向异性介质传播时会分裂为快剪切波和慢剪切波［2］。快剪切波的优势偏振方向与裂隙走向一致，与区域主压应力方向一致，复杂的地质构造会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台站下方地壳的主压应力的方向，因而可以用来研究地壳应力场特征［7］。国内许多学者利用固定台站、流动台网（台阵）的资料对中国的一些地区进行了各向异性的研究［3－6，8－13］，取得了大量的研究结果，表明利用剪切波分裂可以分析地壳介质的各向异性、应力场及断层的性质等。Gao和Crampin的研究表明［14］，剪切波分裂参数可以反映震前的应力积累和临震前的应力释放过程，这个特征对于地震预测具有重要的意义。最新的研究发现，慢剪切波的时间延迟对裂隙的水压变化具有很好的反映［15］。

本文主要利用甘肃省区域数字地震台网2001－2008年的地震波形资料，采用SAM（Systematic Analysis Method of Shear－wave Splitting，剪切波分裂系统分析方法）［16－18］方法，对甘东南地区地壳介质各向异性特征进行分析，结合断层分布讨论剪切波分裂特性及其与地震断层的关系，为以后更详细的地震学研究提供参考资料。

1 区域背景

甘东南活动构造区地处青藏高原块体与鄂尔多斯块体、阿拉善块体的交汇区［19］，为西秦岭北缘断裂以南和东昆仑断裂东段以北的区域。本区是强烈地震活动区，也是现今构造活动强烈地区，分布着多条大型深断裂带，如NWW向的临潭—宕昌断裂、迭部—白龙江断裂等；NEE向的礼县—罗家堡断裂、哈南—稻畦子断裂等［20］。据记载，该区内发生了1654年天水8.0级、1879年武都8.0级等2次8级大地震（图1），还有多次中强地震发生。

图1 研究区断层和台站分布图Fig.1 Distribution of faults and stations in the research area.

许多学者从GPS观测、震源机制解、第四纪地质调查、数值模拟角度研究青藏高原东北缘地壳变形特征、动力驱动机制，取得了一系列重要成果。江在森等［21］利用GPS观测资料研究中国大陆水平应变场与构造变形，显示本区主压应变方向呈顺时针旋转特征；谢富仁等［22］编制的中国大陆地壳应力环境基础数据库表明，青藏高原东北缘地区现今构造应力场主压应力方向分布比较复杂，自北向南，呈现由NE、NEE、近EW、SE到SSE方向的变化。吴满路等［23］利用压磁应力解除法测量了兰州—玛曲地区的地应力，认为西秦岭构造带是现今地应力的一个过渡带，最大水平主应力方向由北侧的NE向逐渐转变为中部的EW向和南侧的SEE向。

2 资料及研究方法

甘肃数字地震台网自2001年投入使用，到2008年6月升级改造，积累了大量的中小地震波形资料。本研究选取分布在甘东南地区的7个地震台站，具体位置见图1。使用地表台站记录波形分析剪切波分裂时，要求地震射线满足剪切波窗口的约束条件。根据对大量实际资料的分析可知，如果使用近似单层介质计算入射角，则选择入射角≤45°的波形资料即可满足剪切波窗口的约束条件（Crampin et a1.，2005）。

本文采用高原等［16－18］提出的剪切波分裂SAM系统分析法。该方法是在相关函数的基础上提出的一种分析方法，包括相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验3个部分，具有自我检验的特点，具体的计算原理和分析方法［18，24］，在此不再赘述。

应用SAM方法的具体步骤如下：首先对数据进行预处理，选取直达剪切波段，依据网格搜索的原理给定不同的快剪切波偏振方向与慢剪切波延迟时间参数，计算两水平分量的相关系数；把最大相关系数所对应的一组各向异性参数作为初始解，通过质点运动对初始解进行检验，得到最终的分裂参数值。图2为经1～15Hz带通滤波后的地震波三分向记录，图3为剪切波分裂结果矫正。

由于同一台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）分别计算各个台站的平均快剪切波偏振方向¯θ和R值。R值在0～1之间，其大小反映了快剪切波偏振方向的集中程度，越接近1说明快剪切波偏振方向越集中［25－27］：

式中n为台站计算出的地震次数；θi为每次地震的快剪切波偏振方向。

图2 地震事件经带通滤波后的波形Fig.2 Filtered waveforms of a seismic event in three directions.

图3 剪切波分裂分析检验Fig.3 The check of shear－wave splitting analysis.

根据剪切波窗口、波形质量和扩大数据选择的条件，最后得到东南地区7个地震台站319个有效剪切波分裂参数结果（表1）。图4给出了甘东南地区各台站快剪切波偏振方向等面积投影结果，线段方向代表各个台站每条有效记录的快剪切波偏振方向。

图4 研究区内7个台站快剪切波偏振方向空间分布图Fig.4 The spatial distribution of fast shear－wave polarizations at 7stations in research area.

表1 甘东南地区7个台站参数及剪切波分裂参数

3 讨论

利用接收函数［28－29］得到的研究结果显示，甘东南地区地壳剪切波速度结构存在明显的横向不均匀性。甘东南地区错综复杂的断裂分布造成了该地区地壳应力场的局部区域性特征。

临潭—宕昌断裂是一条NWW走向的晚更新世－全新世活动断裂，HZT台位于该断裂的北端，其快剪切波偏振优势方向为NW向，据接收函数［28］得到的结果该台站下方地壳厚度达到了55km，在区域应力场的作用下，快剪切波偏振优势方向与区域主压应力方向一致。而MXT则几乎在该断裂带上，快剪切波偏振具有明显的NWW优势方向，与断裂走向一致。认为，在近EW向主压应力作用下，临潭—宕昌断裂的左旋活动控制着MXT台及附近的地壳各向异性。

迭部一带分布着包含了多条NWW向的弧形断裂，如迭部—白龙江北缘、南缘断裂。研究得到的DBT台的优势方向为NWW向，快剪切波偏振具有很高的一致性，与利用地应力［23］在大水测点（N118°E），尕海测点（N93°E）的测量结果非常接近，表明了DBT台及其附近主压应力方向为NWW向。

WDT和WXT二台所处地理位置特殊，几条NWW走向的断层与NEE走向的断层交汇于此，地质构造复杂，地震活动强烈，曾经发生1879年武都8.0级大震和2006年文县5.0级地震。两个台站快剪切波偏振图象显示，快剪切波偏振方向有一定的离散性。根据断裂交界以及断裂的拐点处是应力比较多变的地方［30］，表明这两个台站周围局部区域的主压应力方向比较复杂，也进一步证明了快剪切波偏振方向有很强的局部区域性。

礼县—罗家堡断裂带晚更新世以来有过明显活动，为1654年天水8.0级地震的发震构造。TSS的优势偏振方向为NEE，与礼县—罗家堡断裂走向一致。CXT位于徽成盆地南缘，其优势偏振方向虽有点离散但主要为NW方向，似乎没有受到徽成盆地南缘断裂的影响，与该区域的主压应力近似一致。

从图4对各个台站快剪切波偏振方向的分布发现，位于活动断裂上（或附近）的台站其快剪切波偏振优势方向与断层走向较为一致，在地质结构比较复杂的区域台站的快剪切波方向具有一定的离散性［4，6］。统计分析甘东南地区7个台站快剪切波偏振方向（图5），平均偏振方向为103.53°±32.91°，与区内主压应力方向近似一致。据此推断该区域地壳介质各向异性的方向与台站周边主要走滑断裂的走向基本一致，表明在北东向构造应力和东部稳定块体阻挡的共同作用下，该地区的区域应力场发生了较大的方向改变。

图5 甘东南地区7个台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图Fig.5 Equal－area project rose diagram of fast shear－wave polarizations of 7stations in southeastern Gansu province.

4 结论

甘东南地区是印度板块北东向推挤引起青藏块体强烈变形的前缘区，无论深部、浅部还是地表，表现出来的地球物理特性和地质特性都非常复杂。本文采用SAM方法，根据甘肃数字地震台网在2001－2008年期间记录的地震波形资料，通过剪切波分裂的研究，得到了对甘东南地区地壳介质各向异性的初步认识。

（1）快剪切波偏振优势方向代表了观测区域的原地（台站及其附近）主压应力方向。甘东南地区7个台站快剪切波平均偏振方向为103.53°±32.91°，对比 GPS资料［21］、地应力观测［23］和震源机制［31］得到的最大主压应力方向具有很好的一致性。因此快剪切波平均偏振方向是区域应力环境一个很好的反映。

（2）位于活动断裂上的台站的快剪切波偏振优势方向与活动断裂走向和区域主压应力方向一致，如TSS、MXT、DBT和CXT台。离开活动断裂的台站，由于区域应力场的作用，快剪切波偏振优势方向与区域主压应力方向一致，如HZT。复杂的地质构造会控制或影响台站的快剪切波偏振优势方向，造成与主要活动断裂走向的不一致，或造成快剪切波偏振较为离散或出现多个优势方向的现象，如WDT和WXT台。研究表明，甘东南地区的台站快剪切偏振方向既受到区域构造背景应力环境的作用，又受到局部构造带的制约，是两者共同作用的结果。

致谢：本研究的数据分析是在SAM软件上计算完成。感谢2010年中国地震局访问学者计划的支持！感谢专家审稿过程提出的意见和建议！

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