鄧嘉美 金明培 高 瓊 陳 佳 張華英 王 軍

（中國(guó)大理 671000 中國(guó)地震局滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)辦公室）

洱源地震臺(tái)數(shù)字地震記錄S波分裂研究

鄧嘉美 金明培 高 瓊 陳 佳 張華英 王 軍

（中國(guó)大理 671000 中國(guó)地震局滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)辦公室）

利用2008年1月—2013年5月洱源地震臺(tái)數(shù)字地震資料進(jìn)行S波分裂研究，得到洱源地區(qū)應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向和S波延遲時(shí)間，結(jié)果表明，洱源地區(qū)快剪切波偏振優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E160°，與活動(dòng)斷裂走向一致，與GPS主壓應(yīng)力方向一致，與該區(qū)主壓應(yīng)力場(chǎng)方向基本一致。在洱源地震臺(tái)300km范圍內(nèi)發(fā)生M≥4.5地震前，快剪切波偏振方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。部分地震前，延遲時(shí)間增加；部分地震發(fā)生前短時(shí)間內(nèi)，延遲時(shí)間有減小現(xiàn)象，符合震前應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間積累和短時(shí)間應(yīng)力釋放的特征?？梢?，S 波分裂參數(shù)可以反映區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化信息，為應(yīng)力場(chǎng)研究與地震預(yù)測(cè)提供有用信息。

S波分裂；快剪切波；偏振方向；延遲時(shí)間

0 引言

Crampin（1978）提出S波分裂和張性擴(kuò)容各向異性（EDA）理論以來，地震學(xué)家一直發(fā)展著有關(guān)理論、實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)方法。S波分裂已經(jīng)成為研究地殼和地幔介質(zhì)各向異性的有效手段，研究（鄭治真，1990；Crampin S and Lovell J H，1991；滕吉文等，2012）表明，地殼和地幔介質(zhì)廣泛存在各向異性，S波分裂是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象。

EDA假設(shè)認(rèn)為，在孕震區(qū)里，由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)，地殼中產(chǎn)生大量裂紋，這些近于垂直地表的裂紋沿最大主應(yīng)力方向排列，形成介質(zhì)的各向異性，稱為有效各向異性。當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^此區(qū)域傳播時(shí)，S波分裂成兩個(gè)或更多初至，具有不同傳播速度和偏振性質(zhì)，分裂的S波初至把介質(zhì)特性帶入橫波波列。若不考慮震源的球面輻射和震源機(jī)制影響，平行與裂紋面振動(dòng)的S波先到達(dá)臺(tái)站，垂直于裂紋面振動(dòng)的S波后到達(dá)臺(tái)站，該現(xiàn)象稱為S波分裂（鄭治真，1990）?？霺波偏振方向與裂紋分布方向一致，而慢S波則二者垂直（張少泉，1992），因此認(rèn)為快S波偏振方向與最大水平主壓應(yīng)力方向基本一致。對(duì)同一區(qū)域和同一路徑來說，在震源機(jī)制相同條件下，對(duì)小地震S波分裂的觀測(cè)研究，可能成為一種檢測(cè)原地應(yīng)力變化和地震預(yù)報(bào)的有效工具。在地震孕育區(qū)較大范圍內(nèi)，可以監(jiān)測(cè)到EDA裂隙變化所產(chǎn)生的各向異性參數(shù)：偏振方向和時(shí)間延遲變化。近年來，在各種地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中的S波分裂觀測(cè)和研究，均證明EDA是地殼中普遍存在的現(xiàn)象，S波分裂可以給應(yīng)力場(chǎng)和地震預(yù)報(bào)研究提供有用信息。

云南是中國(guó)地震活動(dòng)頻繁地區(qū)，普遍存在S波分裂現(xiàn)象，許多學(xué)者對(duì)該區(qū)開展S波分裂研究（李白基，1996，2002；雷軍，1997；錢曉東，2002；鄔成棟，2004，2006；高原，2004；毛慧玲，2011），得到研究區(qū)域內(nèi)地殼介質(zhì)各向異性和應(yīng)力場(chǎng)分布的有效信息。洱源地震臺(tái)位于云南地區(qū)西北部，周圍有紅河斷裂、龍?bào)础獑毯髷嗔?，鶴慶—洱源斷裂、維西—巍山斷裂，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。本文將介紹2008年以來，洱源地震臺(tái)數(shù)字地震記錄獲得的S 波分裂現(xiàn)象，討論該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。

1 研究方法

S波進(jìn)入各向異性介質(zhì)后，分裂為具有不同偏振方向和不同速度的兩個(gè)分量，S波的兩種偏振使S波發(fā)生分裂。由于S波分裂受裂隙巖石幾何形狀、排列和狀態(tài)的影響，因此，通過分析S波分裂信息，可以了解地球內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)造及應(yīng)力狀態(tài)，此為S波分裂法的實(shí)質(zhì)。

S波分裂的兩個(gè)參數(shù)是快波偏振方向和延遲時(shí)間，反映地下主應(yīng)力變化及裂隙構(gòu)造和演化情況。一般有兩種求取方法：①作圖法，通過分析質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖求取分裂參數(shù)，直觀、可靠，被廣泛采用，缺點(diǎn)是工作量大，效率低，且伴有人為誤差；②數(shù)值法，通過某種數(shù)值運(yùn)算求得分裂參數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，快速、高效，缺點(diǎn)是可靠性不能直觀判定，對(duì)完全非線性極化難以得到可靠結(jié)果。為此，本文兩種方法結(jié)合使用，相互印證、對(duì)比。

數(shù)值計(jì)算采用縱橫比函數(shù)法（李白基，2002）?？v橫比定義為，在僅包含快S波的時(shí)間窗中，一對(duì)互相垂直的軸上質(zhì)點(diǎn)位移的總投影之比，作為垂直于波傳播方向平面內(nèi)投影軸方位角的函數(shù)計(jì)算。當(dāng)投影方位上的總位移近于平行橢圓質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的主軸時(shí)，縱橫比最大。因此，最大縱橫比表示最大線性質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方位。用該方法可以客觀求出快S波的偏振。繪制S波南北和東西分量質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的突然變化，確定快S波和慢S波初動(dòng)，快波到達(dá)后的線性段軌跡表示偏振方向，慢波到達(dá)迭加于快波之上，使線性軌跡發(fā)生變化，慢波初至與快波初至的時(shí)間差即為線性軌跡的持續(xù)時(shí)間，此段時(shí)間即橫波分裂時(shí)間。

2 資料選取

選取2008年1月—2013年5月，洱源地震臺(tái)記錄的數(shù)字地震波形資料，每條記錄均為三分向記錄。原始記錄為速度記錄，去除儀器響應(yīng)，經(jīng)積分得到位移記錄（圖1）。直觀檢查地震記錄圖，查看是否有飽和、高噪聲水平和低質(zhì)量記錄，若存在則去掉地震圖。為了確定所選記錄在橫波窗內(nèi)，作以下限制：①S-P時(shí)間差限制在1.5 s內(nèi)；②初至P波入射角小于45°，角度從垂直面P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖測(cè)量（圖2）；③選擇P波波列短、S波振幅比P波振幅大的記錄，此為橫波窗內(nèi)入射地震波普遍特征。

圖1 2009年12月28日0時(shí)34分36秒地震記錄（a）原始記錄（速度）；（b） 積分后位移記錄Fig.1 Seismic records on Dec.28，2009（00:34:36）

圖2 2009年12月28日0時(shí)34分36秒地震P波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)Fig.2 P wave particle motion diagrams for earthquake on Dec.28，2009（00:34:36）

洱源地震臺(tái)臺(tái)基為變質(zhì)巖，使用CTS -1地震儀，采集器為EDAS-2416，垂直向放大倍數(shù)為1.02，東西向放大倍數(shù)為1.03，南北向放大倍數(shù)為1.03。最終選取S 波窗內(nèi)，S波分裂現(xiàn)象比較清晰的89條地震記錄（圖3），其中1.0—1.9 級(jí)地震63 次，2.0—2.9級(jí)地震12次，3.0—3.9 級(jí)地震4 次。

3 結(jié)果分析

3.1 快波偏振方向分析

臺(tái)站下方的偏振方向反映了該地區(qū)最大主壓應(yīng)力方向，延遲時(shí)間反映了該地區(qū)各向異性程度，與介質(zhì)裂隙密度、裂隙縱橫比和裂隙的定向排列有關(guān)，可以根據(jù)偏振方向和時(shí)間延遲大小分析各向異性程度。根據(jù)所選取的89個(gè)地震得到該地區(qū)快剪切波偏振方向，形成等面積玫瑰圖（圖4），圖4中花瓣長(zhǎng)度表示快波優(yōu)勢(shì)方向的頻度。

圖3 2008年—2013年5月洱源地震臺(tái)記錄的M≥1.0地震震中分布Fig.3 Distribution of the M≥1.0 earthquakees from 2008 to May 2013

圖4 2008—2013年洱源地震臺(tái)快波偏振方向玫瑰Fig.4 Rose diagram of the polarization direction of fast shear wave at Eryuan Seismic Station from 2008 to 2013

從圖4可見，快波偏振方向主要集中在NE132°—NE178°，優(yōu)勢(shì)方向是NE160°，該方向即臺(tái)站附近上地殼中直立排列裂隙的優(yōu)勢(shì)走向。與闞榮舉等（1977，1983）得出的川滇菱塊地區(qū)主壓應(yīng)力軸優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW吻合；與楊國(guó)華（2003）利用GPS測(cè)量得到的云南地區(qū)的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)镹NW結(jié)果基本一致。根據(jù)邢全友（1985）對(duì)云南大理地區(qū)地震構(gòu)造條件的力學(xué)分析，認(rèn)為作用到該區(qū)區(qū)域應(yīng)力的主方向?yàn)镹15°—20°W，與本研究結(jié)果相似。中國(guó)地震局發(fā)布的洱源5.5級(jí)地震的等震線長(zhǎng)軸走向?yàn)楸蔽飨?，與發(fā)震斷裂維西—巍山斷裂走向一致，也與洱源地區(qū)主壓應(yīng)力方向一致。

進(jìn)一步分析橫波快波偏振方向的時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生前，快波偏振方向變化明顯（圖5），揭示地震發(fā)生前后應(yīng)力場(chǎng)在震源區(qū)附近一定空間范圍內(nèi)重新調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程。此現(xiàn)象在中國(guó)及國(guó)外其他地區(qū)曾發(fā)生（雷軍，1997；Crampin，1990；Xiong Yangwu，1992）。當(dāng)偏振方向從低值向高值發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，臺(tái)站300km范圍內(nèi)，一般3個(gè)月內(nèi)將發(fā)生MS≥4.5地震，且地震發(fā)生后，偏振方向逐漸恢復(fù)。2013年3月3日洱源發(fā)生5.5級(jí)地震，震中距離洱源地震臺(tái)20km。偏振方向于2012年11月26日發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，之后趨于恢復(fù)，2013年3月3日2時(shí)30分又發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，2013年3月3日13時(shí)41分發(fā)生洱源5.5級(jí)地震。在此地震前，監(jiān)測(cè)到距臺(tái)站10km的一組小震群，持續(xù)時(shí)間為3月3日0時(shí)57分至7時(shí)25分，其中3.0—3.9級(jí)地震5次，2.0—2.9級(jí)地震4次，1.0—1.9級(jí)地震22次。對(duì)其進(jìn)行S波分裂，滿足S波分裂的有27次，符合S波分裂的地震數(shù)增加明顯。3月3日5.5級(jí)地震后，3月13日偏振方向再次發(fā)生偏轉(zhuǎn)，4月17日發(fā)生洱源5.0級(jí)地震。按EDA介質(zhì)假定，裂隙的形態(tài)（密度、縱橫比等）和排列方向與應(yīng)力大小和方向有關(guān)，裂隙的排列方向隨主應(yīng)力方向而變，通常與最小主應(yīng)力方向垂直。一個(gè)地區(qū)裂隙方位的平均值應(yīng)與該地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)最大主壓應(yīng)力方向一致，而各個(gè)局部裂隙形態(tài)主要與該局部應(yīng)力大小和方向有關(guān)。這樣，地震發(fā)生前后，應(yīng)力場(chǎng)在局部或整體上的調(diào)整、變化必然引起介質(zhì)裂隙形態(tài)及空間分布的改變。在洱源5.5級(jí)地震震源附近，應(yīng)力釋放引起橫波快波偏振方向的變化猶如彈性回跳，由此看到來源于震源及附近地區(qū)的S波分裂不僅攜帶地震相對(duì)平靜期應(yīng)力場(chǎng)的靜態(tài)信息，而且攜帶地震孕育、發(fā)生和發(fā)展過程的應(yīng)力場(chǎng)信息，可能存在一定短臨特征。洱源5.5級(jí)地震前幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生的小震群攜帶大量信息，偏振方向發(fā)生明顯變化，可以進(jìn)行S波分裂的地震數(shù)明顯增多。

圖5 洱源地震臺(tái)快波偏振方向時(shí)間分布Fig.5 Temporal curve of the polarization direction of fast shear wave at Eryuan Seismic Station

3.2 延遲時(shí)間分析

慢波延遲時(shí)間是地震前后應(yīng)力積累和釋放的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，即將延遲時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，換算為單位長(zhǎng)度路徑上的時(shí)間，傳播距離以S-P為8.2km/s計(jì)算，得到每千米傳播路徑上的延遲時(shí)間隨時(shí)間的變化值。

對(duì)洱源地震臺(tái)慢波歸一化延遲時(shí)間（圖6）進(jìn)行分析，2008年2月18日漾濞4.8級(jí)、2010年2月25日祿豐5.1級(jí)、2010年8月29日巧家4.8級(jí)、2011年8月9日騰沖5.2級(jí)、2013年3月3日洱源5.5級(jí)地震前，慢波延遲時(shí)間出現(xiàn)增加，震后減小。Peacock（1988）等也曾觀測(cè)到震前分裂S波的間隔時(shí)間增加，震后減小的現(xiàn)象。究其原因，可能是由于地震前隨著應(yīng)力的增強(qiáng)，飽含流體微裂的幾何形狀發(fā)生變化導(dǎo)致延遲時(shí)間增加，震后由于應(yīng)力釋放，導(dǎo)致EDA微裂寬度“變窄”，所以S波分裂時(shí)間減小。

由圖6可見，2008年8月30日會(huì)理6.1級(jí)、2009年7月9日姚安6.0級(jí)、2011年6月20日騰沖5.2級(jí)地震前，延遲時(shí)間先增加，后減小，可能是因?yàn)榈卣鹪杏^程中應(yīng)力增強(qiáng)，延遲時(shí)間增加，臨震前存在部分應(yīng)力釋放而導(dǎo)致延遲時(shí)間減小。鄔成棟（2006）在2003年大姚6.2級(jí)、6.1級(jí)地震的幾次強(qiáng)余震前，均觀測(cè)到延遲時(shí)間增加特征，且有幾次地震臨震前短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到延遲時(shí)間減小現(xiàn)象。此現(xiàn)象符合震前應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間積累和短時(shí)間應(yīng)力釋放的結(jié)論，時(shí)間延遲在強(qiáng)震前出現(xiàn)下降，從而具有地震短臨預(yù)測(cè)意義。2013年3月3日發(fā)生的洱源5.5級(jí)地震前的幾個(gè)小時(shí)里，首先是延遲時(shí)間增加，后面存在延遲時(shí)間減小的短臨特征。因而認(rèn)為，慢波延遲時(shí)間的分析研究可能對(duì)地震預(yù)測(cè)有一定幫助，需將S波分裂常態(tài)化，及時(shí)處理信息，監(jiān)視臺(tái)站變化，從而對(duì)地震預(yù)測(cè)的時(shí)間、地點(diǎn)起到一定指示作用。當(dāng)然，地震的孕育與發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜過程，需要借助更多手段和方法做地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)分析的基礎(chǔ)工作。

圖6 洱源地震臺(tái)歸一化慢波延遲時(shí)間變化Fig.6 Charge of time delay and earthquake sequence with time at Eryuan Seismic Station

4 結(jié)束語

由洱源地區(qū)S波分裂分析結(jié)果可知，該區(qū)快波偏振方向主要集中在NE132°—NE178°范圍，優(yōu)勢(shì)方向是NE160°，與該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向一致。在洱源300km范圍內(nèi)發(fā)生M≥4.5地震，S波分裂參數(shù)的偏振方向和延遲時(shí)間均出現(xiàn)明顯變化，可見S波分裂參數(shù)能反映震前應(yīng)力積累和臨震前應(yīng)力釋放過程，并可用于地震預(yù)測(cè)。隨著地震臺(tái)網(wǎng)分布加密，地震臺(tái)與地震臺(tái)間距越來越小，對(duì)各個(gè)地區(qū)開展連續(xù)的S 波分裂跟蹤，研究地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)變化和地震短臨預(yù)測(cè)、臨震預(yù)測(cè)，具有一定意義。

感謝云南省地震局鄔成棟副研究員在做S波分裂時(shí)給予的指導(dǎo)和幫助。

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About shear wave splitting of seismic recording at Eryuan Seismic Station

Deng Jiamei，Jin Mingpei，Gao Qiong，Chen Jia，Zhang Huaying and Wang Jun
（Office of Western Yunnan Earthquake Prediction Study Area，China Earthquake Administration，Dali 671000，China）

Using the digital data recorded by Eryuan Seismic Station from January 2008 to May 2013，we conducted a shear wave splitting and obtained the predominant direction of stress and the delay time of shear wave in this stages.Further，we found that the predominant polarization direction of fast shear wave was in NE160°，consistent with the strike of active faults.It is also consistent with directions of regional principal compressive strains measured from GPS data，and basically consistent with regional principal compressive stress.Before M ≥ 4.5 earthquakes occurred around Eryuan Seismic Station less than 250km，we observed that predominant polarization of fast shear-waves have changed obviously，because regional or holistic stress field adjustment which can cause the shape and spatial distribution of the fracture media changed.Further，before part of earthquakes，we can observed that the time delay would basically increase.However，the time delay abruptly decreased immediately before several earthquakes.The result suggests that the parameters of shear wave splitting may reflect the dynamic change of region stress field.It accords with the conclusion that long term stress accumulation and short term stress relaxation is existed before earthquakes.The result provides useful information for the study of stress field and earthquake prediction.

shear wave splitting，the fast shear wave，polarization direction，time delay

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.006

鄧嘉美（1978—），女，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和數(shù)字地震學(xué)研究工作。E-mail：dengjiamei0102@sina.com

中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合課題（152505）資助

本文收到日期：2015-05-25