劉莎， 吳朋

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 四川省地震局, 成都 610041

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紫坪鋪水庫水位變化對剪切波分裂參數(shù)的影響

劉莎1， 吳朋2

1 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 四川省地震局, 成都 610041

本文通過對2006—2009年四川紫坪鋪水庫庫區(qū)8個地震臺站記錄的地震事件，采用剪切波分裂方法獲得了水庫庫區(qū)剪切波分裂參數(shù)，并結(jié)合地震活動性與水庫水位之間的變化關(guān)系，分析了紫坪鋪水庫庫區(qū)地殼應(yīng)力的變化特征.剪切波分裂結(jié)果顯示該研究區(qū)域快波偏振方向有兩個，分別為北東向和北西向，充分體現(xiàn)了紫坪鋪水庫地區(qū)地殼應(yīng)力是由北西向的區(qū)域主壓應(yīng)力與南東走向的龍門山斷裂帶綜合作用的結(jié)果.慢波延遲時間平均值為5.8 ms·km-1，慢波延遲時間較大的地區(qū)位于庫壩和庫尾，分別是水庫蓄水排水引起地殼應(yīng)力變化最大的區(qū)域.對比慢波延遲時間的變化和水庫水位的變化顯示了慢波延遲時間與水庫水位之間的一致變化關(guān)系，揭示了水庫的蓄水排水對地殼應(yīng)力的影響.

快波偏振方向； 慢波延遲時間； 水位； 地殼應(yīng)力

1 引言

近些年來，隨著國內(nèi)外大型高壩水庫的不斷興建，水庫誘發(fā)地震事件也隨之增多.水庫蓄水或排水通常會引起地殼巖體中應(yīng)力集中和能量釋放而產(chǎn)生地震(秦嘉政等，2009).這些地震位置一般鄰近重要的水庫工程設(shè)施，而且震源較淺，震中烈度相對較高，往往具有很大的破壞性，造成大壩及附近建筑物的破壞和人員傷亡，甚至引起滑坡、坍塌等嚴重的次生災(zāi)害.因此，水庫地區(qū)地震的研究不僅是水利水電工程研究的內(nèi)容，也是地震學(xué)研究的重要內(nèi)容之一.

剪切波分裂作為一個有效的觀測手段，可用于對地殼應(yīng)力、流體壓力等方面的探索(張永久等，2010; Gao et al., 2011; Tang et al., 2005).剪切波分裂參數(shù)快波偏振方向和慢波延遲時間是用于分析地殼應(yīng)力場的狀態(tài)和各向異性參數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)探討的重要依據(jù)(Crampin, 1984; 高原等，1999).剪切波分裂對地殼中各向異性介質(zhì)較為敏感，與地殼應(yīng)力場和斷裂線的分布密切相關(guān).快波偏振方向與地殼微裂隙排列方向一致，與原地主壓應(yīng)力的方向一致(Crampin, 1978; Zhang et al., 2000; Musumeci et al.,2005).慢波延遲時間通常是評價各向異性程度的物理量，對地殼中微裂隙的幾何形態(tài)和密度分布非常敏感，可以反映地震發(fā)生前后應(yīng)力的積累與釋放過程，而且也可以很好地反映地殼中水壓變化所引起的微裂隙變化.

紫坪鋪水庫位于四川省都江堰市北西9 km處的岷江上游，是一座壩高156 m庫容11.12億立方米的大型水利工程.紫坪鋪水庫已經(jīng)建立了專門用來監(jiān)測水庫地區(qū)中小地震的數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)，該地震臺網(wǎng)由7個臺站組成.在紫坪鋪水庫庫區(qū)還有油榨坪臺站，屬于四川地震臺網(wǎng).自2005年9月紫坪鋪水庫下閘蓄水之后，庫區(qū)弱震活動頻繁，為紫坪鋪水庫庫區(qū)地震相關(guān)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資料(胡先明，2007；雷興林等，2008).

之前有學(xué)者(張永久等，2010)已經(jīng)對紫坪鋪水庫庫區(qū)剪切波分裂進行探討，獲得了水庫庫區(qū)各向異性特征.該結(jié)果采用的是紫坪鋪水庫庫區(qū)2004年8月—2008年5月汶川地震之前的地震數(shù)據(jù)，本文選擇2006—2009年紫坪鋪水庫庫區(qū)的地震波形資料，獲得水庫庫區(qū)的各向異性特征，進而分析水庫水位的變化與地殼應(yīng)力的變化關(guān)系，并對比張永久等(2010)的結(jié)果，探討兩次剪切波分裂獲得的地震各向異性特征有何異同.

2 地震和水位數(shù)據(jù)

紫坪鋪水庫位于龍門山斷裂帶中段，龍門山斷裂帶處于中國大陸南北地震帶的中部，東南側(cè)為揚子準地臺，西側(cè)為松潘—甘孜地塊.地震震源機制解結(jié)果表明龍門山斷裂帶所處地區(qū)的現(xiàn)代應(yīng)力場主壓應(yīng)力軸方位為北西西向(鄧起東等，1994).紫坪鋪水庫自2005年9月下閘蓄水之后弱震活動較為活躍，為剪切波分裂研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資料.本文選取了2006—2009年紫坪鋪水庫庫區(qū)8個地震臺站記錄的地震數(shù)據(jù)，包括紫坪鋪水庫數(shù)字地震臺網(wǎng)的7個臺站(八角BAJ，白巖BAY，桂花樹GHS，靈巖寺LYS，廟子坪MZP，桃子坪TZP，鉆洞子ZDZ)和四川數(shù)字地震臺網(wǎng)的油榨坪YZP臺站，8個臺站平均臺間距10 km左右，采樣率為100 sps (samples per second)(圖1).

在2006—2009年整個觀測時間段內(nèi)，紫坪鋪水庫水位起伏較大，水庫庫區(qū)弱震活動較強(圖2).M-T圖顯示水庫庫區(qū)沒有大于4.0級的地震，地震震級主要集中在3.0級以下.而且水庫庫區(qū)地震活動與水庫水位的升降變化有一定的相關(guān)性.2006年上半年水庫水位處于830 m左右，8月13日開始，水庫水位開始出現(xiàn)大幅度上升，到10月7日累計上升54 m，此后水位開始下降，地震活動從2006年8月開始逐漸增強.2007年5月20日水庫水位再次上升，12月14日水位達到高值后開始下降，直到2008年6月降至820 m.2008年2月庫區(qū)地震活動性較強.2008年11月，水庫水位再次達到峰值隨后下降.2009年6月水庫水位重新開始上升，地震活動性在2009年下半年也表現(xiàn)出逐漸增強的趨勢.

3 剪切波分裂方法

本文采用偏振分析法獲得剪切波分裂參數(shù)，偏振分析法雖然計算速度較慢，但是準確率較高，直觀性強(Crampin et al., 2006).

剪切波分裂方法研究地殼各向異性要求選取的地震波記錄必須在剪切波窗口內(nèi).利用剪切波分裂探討地殼介質(zhì)的各向異性，還要求地震數(shù)據(jù)有較高的信噪比.根據(jù)淺層勘探給出的速度模型(表1)(趙珠等，1997)，該地區(qū)深度12 km，震中距20 km的地震入射角大約58°時，實際地震射線的入射角僅35°.因此本文選取58°的入射角作為剪切波窗口.對數(shù)據(jù)進行進一步的篩選，選取地震事件震源深度在5～12 km范圍內(nèi)，而且剪切波信噪比大于6.0.最后符合剪切波分裂計算條件的地震數(shù)據(jù)共512條(表2).

圖1 紫坪鋪水庫庫區(qū)地震(2006—2009年)和臺站分布Fig.1 Distribution of earthquakes (2006—2009) and stations in Zipingpu reservoir

圖2 紫坪鋪水庫庫區(qū)水庫水位變化(a)，地震M-T(b)及N-T(c)圖Fig.2 The water level (a), M-T (b) and N-T (c) of Zipingpu reservoir

圖3 BAJ(八角臺)剪切波分裂分析示意圖

圖4 剪切波偏振方向等面積極射投影與等面積玫瑰圖

表1 剪切波速度模型Table 1 The velocity model of shear wave

在確定剪切波分裂參數(shù)時，文中選取剪切波到時前20個采樣點和到時后40個采樣點的波形數(shù)據(jù)窗口(時長0.6 s)，將這60個采樣點數(shù)據(jù)分為三段分別繪制質(zhì)點偏振圖進行分析(圖3).畫出所有滿足數(shù)據(jù)要求的質(zhì)點偏振圖，然后從這些圖中挑選出快剪切波質(zhì)點振動為線性或近于線性的質(zhì)點偏振圖.由于各向異性介質(zhì)的存在，剪切波偏振方向第一個突然轉(zhuǎn)變的位置被認為是快剪切波的到達，慢剪切波的到達同樣也是極化偏振方向的突然轉(zhuǎn)變，快、慢剪切波到時差即為慢波延遲時間(圖3).

4 快波偏振方向結(jié)果

快波偏振方向通常反映了原地主壓應(yīng)力的方向，與地殼中應(yīng)力誘發(fā)的定向排列的微裂隙面的走向一致(賴院根等，2006；高原等，1995；石玉濤等，2009).從表2可以看出，8個臺站均得到了30條以上的可靠結(jié)果，特別是BAJ臺有172個結(jié)果.剪切波分裂結(jié)果統(tǒng)計8個臺站的快波偏振方向均有兩個，本文分別計算剪切波分裂參數(shù)平均值以及對應(yīng)的均方根誤差.快波偏振方向的誤差結(jié)果都小于30°，表明各個臺站的快波偏振方向優(yōu)勢取向都較為明顯.結(jié)果顯示研究區(qū)域內(nèi)快波偏振方向主要有兩個，分別為北西向和北東向.

表2 四川紫坪鋪水庫庫區(qū)地震臺站剪切波分裂參數(shù)Table 2 The parameters of shear wave splitting in Zipingpu reservoir

快波偏振方向等面積投影圖(圖4)顯示，研究區(qū)域內(nèi)8個臺站快波偏振方向有兩個，但是其優(yōu)勢取向都較為明顯.BAJ臺，BAY臺，GHS臺，LYS臺，MZP臺，TZP臺和ZDZ臺7個臺站快波偏振方向顯示為北西向和北東向，而YZP臺的結(jié)果為北東向和近似的南北向.北東向的快波偏振方向與龍門山斷裂帶的走向一致，北西向的快波偏振方向與研究區(qū)域主壓應(yīng)力的方向一致.

5 慢波延遲時間與水庫水位

慢波延遲時間對地殼中微裂隙的幾何形態(tài)較為敏感，因此它在一定程度上反映了地殼中應(yīng)力的分布特點(Gao and Crampin, 2008; Liu et al., 2014).研究區(qū)域內(nèi)512條地震事件的慢波延遲時間平均值為5.8 ms·km-1.慢波延遲時間的最大值位于八角臺(BAJ)，兩個方向上的慢波延遲時間分別是(7.7±3.8) ms·km-1，(8.1±3.1) ms·km-1.其次是靈巖寺臺(LYS)，兩個方向上的慢波延遲時間分別是(6.5±2.9) ms·km-1，(5.4±2.0) ms·km-1.最小值位于油榨坪臺(YZP)，兩個方向上的慢波延遲時間分別是(3.8±1.6) ms·km-1，(4.2±1.7) ms·km-1.其余5個臺站慢波延遲時間多集中在5 ms·km-1左右(表2).慢波延遲時間較大的靈巖寺臺和八角臺分別位于紫坪鋪水庫的庫壩區(qū)和庫尾區(qū)(圖1)，正好是處于水庫蓄水引起地殼應(yīng)力變化較大的兩個區(qū)域.慢波延遲時間最小的油榨坪臺距離水庫最遠，地殼應(yīng)力受水庫水位變化影響最小.可見，水庫的庫壩和庫尾地區(qū)地殼應(yīng)力受水庫水位的影響較大.

由于慢波延遲時間的離散性，本文采用 7點滑動平均來表示慢波延遲時間在時間上的變化.慢波延遲時間的7點滑動平均曲線顯示慢波延遲時間變化較為明顯，特別是BAJ，BAY, GHS和LYS臺站(圖5).BAJ臺站慢波延遲時間從2006年初開始升高直到10月底升至12 ms·km-1，隨后慢波延遲時間開始下降直到2007年4月.之后，慢波延遲時間再次升高直到2007年10月.2007年年底，慢波延遲時間一直維持在11 ms·km-1，隨后降低至7 ms·km-1.2008年2月，慢波延遲時間再次升高直到2008年10月，12月慢波延遲時間又一次降低，2009年7月降至4 ms·km-1，隨后開始持續(xù)升高.BAY臺站在2006年和2007年，慢波延遲時間變化不明顯，2008年年初開始稍有降低.2008年7月慢波延遲時間上升直到2009年初，隨后開始降低，7月降至最低3.5 ms·km-1.GHS臺站慢波延遲時間也可以觀測到變化的趨勢，在2006年底和2008年11月分別可以觀測到慢波延遲時間的兩個峰值，達到7 ms·km-1.在LYS臺站，慢波延遲時間的變化較小，在2007年底慢波延遲時間出現(xiàn)低谷，低至4 ms·km-1.

圖5 慢波延遲時間與水庫水位對比圖

慢波延遲時間對地殼應(yīng)力場所引起的微裂隙變化非常敏感.紫坪鋪水庫庫區(qū)慢波延遲時間在觀測時間段內(nèi)表現(xiàn)出了很好的一致性變化.為了分析水庫水位對地殼應(yīng)力變化的影響，文中將慢波延遲時間變化與水庫水位變化進行對比分析(圖5).結(jié)果顯示慢波延遲時間的變化和水庫水位之間存在很好的一致性.每當水庫水位出現(xiàn)大幅度上升，慢波延遲時間也同步出現(xiàn)相應(yīng)的增大；水位下降之后，慢波延遲時間隨之減小.這一結(jié)果與之前的結(jié)果(張永久等，2010)較為吻合.水庫水位與慢波延遲時間的一致變化關(guān)系在Gao和Crampin(2003)關(guān)于慢剪切波時間延遲變化與壓力變化的試驗中也得到了證實.水庫的蓄水與排水通常會引起地殼流體壓力的變化，剪切波分裂慢波延遲時間可能會由于地殼應(yīng)力的微小變化而產(chǎn)生顯著的變化，該結(jié)論也與Crampin和Zatsepin(1997)所提出的APE(Anisotropic Poro-elasticity, 各向異性孔隙彈性)理論相吻合.

6 地震各向異性的討論

紫坪鋪水庫位于龍門山斷裂帶上，龍門山斷裂帶作為2008年汶川地震的發(fā)震斷裂，在構(gòu)造上極其復(fù)雜.快波偏振方向通常與區(qū)域主壓應(yīng)力方向或者活動斷裂的走向表現(xiàn)一致.研究區(qū)域中，8個臺站均顯示有兩個快波偏振方向，BAJ臺，BAY臺，GHS臺，LYS臺，MZP臺，TZP臺和 ZDZ臺7個臺站剪切波分裂快波偏振方向顯示北東和北西兩個方向，而YZP臺快波偏振方向為北東向和近似南北向.YZP臺站北東向的快波偏振方向與斷裂帶的走向一致，南北向的快波偏振方向與其他臺站結(jié)果存在較大差異，與斷裂帶走向和最大主壓應(yīng)力方向也不一致.南北向的快波偏振方向結(jié)果與張永久等(2010)的結(jié)果相一致，證實了本文結(jié)果的可靠性.YZP臺站位于紫坪鋪水庫東南方向，慢波延遲時間的結(jié)果顯示該臺站受到水庫影響較小，該臺站南北向快波偏振方向反映了YZP臺站附近復(fù)雜的應(yīng)力場，該區(qū)域應(yīng)力方向并不僅僅是受到龍門山活動斷裂帶單一的影響，也暗示了附近隱伏斷層的情況.以往的研究結(jié)果(高原等，1995；賴院根等，2006；石玉濤等2009)也表明快波偏振方向也揭示了新的構(gòu)造.

對比張永久等(2010)的結(jié)果(圖6)，BAJ臺，LYS臺，ZDZ臺，YZP臺和BAY臺快波偏振方向均有兩個方向.本文的結(jié)果中MZP臺，TZP臺和GHS臺仍然有兩個快波偏振方向，而之前的結(jié)果(張永久等，2010)顯示只有一個快波偏振方向.本文的地震數(shù)據(jù)采用的是2006—2009年，跨越汶川地震.通常大地震的發(fā)生會使得震區(qū)地殼應(yīng)力進行調(diào)整，進而快波偏振方向表現(xiàn)的較為零散，所以本文觀測到這三個臺站快波偏振方向有兩個.較之前的結(jié)果，MZP臺和TZP臺快波偏振方向多了北東向，與龍門山活動斷裂的走向一致.而GHS臺多了北西向的快波偏振方向.

紫坪鋪水庫8個地震臺站慢波延遲時間平均值為5.8 ms·km-1，與張永久等(2010)的結(jié)果5.38 ms·km-1近似.位于庫尾的白巖臺(BAY)和庫壩的靈巖寺臺(LYS)慢波延遲時間明顯大于其他幾個臺站.水庫的庫壩和庫尾相比于水庫其他地區(qū)地殼水壓較大，使得微裂隙孔隙流體壓力增強，慢波延遲時間將表現(xiàn)出較大的值，這一結(jié)果表明紫坪鋪水庫庫壩和庫尾附近是地殼應(yīng)力相對較大的區(qū)域.對比慢波延遲時間與水庫水位之間的關(guān)系表明兩者之間的變化有一定的相關(guān)性，水庫水位的增加往往伴隨著慢波延遲時間的增大，這是由于水庫蓄水導(dǎo)致了地殼中孔隙壓力的擴散(Talwani,1997；陶瑋等，2014)，使得地殼裂隙孔隙壓強增大，進而觀測到慢波延遲時間的增大.

圖6 紫坪鋪水庫庫區(qū)快剪切波偏振方向

本文使用的地震數(shù)據(jù)資料跨越汶川地震，對比汶川地震之前的剪切波分裂結(jié)果(張永久等，2010)發(fā)現(xiàn)，紫坪鋪庫區(qū)8個地震臺站快波偏振方向結(jié)果基本一致，慢波延遲時間反映的各向異性程度也相當.水庫周圍的慢波延遲時間主要受到水庫水位的影響，與地殼水壓的變化相關(guān).本文得到的剪切波分裂結(jié)果初步反映了水庫庫區(qū)的區(qū)域應(yīng)力情況以及水庫的蓄水排水對地殼應(yīng)力的影響.

7 結(jié)論

紫坪鋪水庫自2005年9月下閘蓄水之后，水庫庫區(qū)弱震活動頻繁. 而且紫坪鋪水庫已經(jīng)建立了專門用于監(jiān)測水庫地區(qū)中小地震的數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)，積累了大量的地震數(shù)據(jù)資料. 本文利用2006—2009年紫坪鋪水庫庫區(qū)8個地震臺站記錄的地震事件，采用剪切波分裂方法分析了水庫庫區(qū)地殼應(yīng)力的分布特征，同時也探討了水庫水位的變化對剪切波分裂參數(shù)的影響.

紫坪鋪水庫庫區(qū)剪切波分裂快波偏振方向主要有兩個，北東向和北西向，反映了研究區(qū)域內(nèi)地殼各向異性的分布特征. 本文的結(jié)果與之前的剪切波分裂結(jié)果表現(xiàn)一致，紫坪鋪水庫地區(qū)快波偏振方向和區(qū)域主壓應(yīng)力的方向、龍門山斷裂的走向一致. 紫坪鋪水庫8個臺站慢波延遲時間平均值為5.8 ms·km-1. 水庫的庫壩和庫尾相比于水庫其他地區(qū)慢波延遲時間要大，表明庫壩和庫尾是地殼應(yīng)力相對較大的地區(qū).水庫庫區(qū)慢波延遲時間與水庫水位之間表現(xiàn)出了很好的一致性變化. 水庫的蓄水和排水通常會引起地殼水壓的變化，進而使得地殼裂隙孔隙壓強發(fā)生相應(yīng)的變化.

致謝 感謝四川省地震局為本文的研究提供數(shù)據(jù)的支持和幫助；感謝兩位匿名評審專家提出的寶貴意見.

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(本文編輯 何燕)

The effect of water level changes in Zipingpu reservoir on the parameters of shear wave splitting

LIU Sha1, WU Peng2

1InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2EarthquakeAdministrationofSichuanProvince,Chengdu610041,China

The water storage and drainage of the reservoir usually cause the stress change in the crust, which can induce earthquakes. The Zipingpu reservoir is located in the middle section of Longmenshan fault with complex structure. The digital seismic network has been established in the reservoir to monitor moderate and small earthquakes, and accumulated a wealth of data, facilitating the study of earthquakes in the reservoir.

Shear wave splitting can be used to detect the stress change in the crust, and obtain the anisotropic static and dynamic gauge. The polarization direction of fast shear waves is consistent with the direction of cracks in the crust, indicating the regional stress direction in the crust. The time delay of the slow shear waves is related to the distribution of the micro-cracks in the crust which implies the change of water pressure in the crust. And the delay time can be used to study the effect of reservoir water level on the crustal anisotropy. This paper obtained the shear wave splitting parameters by the polarization analysis with high accuracy and strong visuality, using seismic data recorded by 8 seismic stations in the Zipingpu reservoir area from 2006 to 2009. According to the velocity model of the shallow exploration, the shear wave window chosen in this paper is 58 degree. The focal depths of the earthquakes are in the range of 5～12 km, and the signal to noise ratio of shear waves is greater than 6.0. 512 seismic events are justified by the data selection criteria. On the basis of the particle moving figures, we choose the position where the particle trajectory deflects vertically to ascertain the arrival time of fast and slow shear waves.

Every seismic station recorded more than 30 events in the study area, and the polarization direction at each station is obvious. Combining with the relationship between the seismic activity and water level of the Zipingpu reservoir, this paper obtains the variation characteristics of the stress in the crust. The results of shear wave splitting show two polarization directions of fast shear waves, which are northeast and northwest. The northeast polarization direction of fast shear waves is consistent with the strike of the Longmenshan fault. And the northwest direction agrees with the direction of the regional principal compressive stress. The average delay time of the slow shear waves in the reservoir is 5.8 ms·km-1. The large delay time of the slow shear waves is from the station BAJ and LYS at the dam and reservoir tail, respectively, where the stress change is large because of the water storage and drainage in the reservoir. The small delay time is from the station YZP far from the reservoir, where the stress in the crust is affected least by the water level of the reservoir.

Comparison with the previous results of shear wave splitting in the Zipingpu reservoir shows agreement with our results. The polarization direction of fast shear waves is consistent with the direction of the regional principal compressive stress and the strike of active faults. The relationship between the delay time of the slow shear waves and the water level of the reservoir suggests the increase of water level in the reservoir is often accompanied with the increase of the delay time. The reservoir storage causes the diffusion of the pore pressure in the crust, which makes the aspect ratio of the microcracks in the crust increase.

Polarization direction of fast shear waves; Delay time of slow shear waves; Water level; Stress in the crust

10.6038/cjg20151118.Liu S, Wu P. 2015. The effect of water level changes in Zipingpu reservoir on the parameters of shear wave splitting.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(11):4106-4114,doi:10.6038/cjg20151118.

中國地震局基本科研業(yè)務(wù)費(DQJB13B07)，“2013年臺站三結(jié)合——四川地區(qū)S波分裂研究”(2013-48)共同資助.

劉莎，女，1985年生，助理研究員，主要從事地球介質(zhì)地震各向異性研究.E-mail：liusha@cea-igp.ac.cn

10.6038/cjg20151118

P315

2015-04-28，2015-09-28收修定稿

劉莎，吳朋. 2015. 紫坪鋪水庫水位變化對剪切波分裂參數(shù)的影響.地球物理學(xué)報，58(11):4106-4114,