張 暉 高立新 韓曉明 趙鐵鎖 王 鑫 賈彥杰（中國(guó)呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

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呼和浩特基準(zhǔn)地震臺(tái)S波分裂研究

張 暉 高立新 韓曉明 趙鐵鎖 王 鑫 賈彥杰
（中國(guó)呼和浩特010010內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

摘要選取呼和浩特基準(zhǔn)地震臺(tái)2008—2015年產(chǎn)出的全球MS6.0以上遠(yuǎn)震地震事件資料，使用Splitlab軟件，對(duì)遠(yuǎn)震震相（SKS、SKKS、SS）綜合分析，運(yùn)用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小能量法，進(jìn)行S波分裂研究。在計(jì)算過程中，使用圖形特征和結(jié)果對(duì)比的方法，對(duì)計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行判定，最終得到快波偏振方向主要集中在-12°—6°，延遲時(shí)間主要集中在0.9 s左右，與其他文獻(xiàn)研究結(jié)果吻合。通過本次單臺(tái)S波分裂研究，為今后更大范圍的S波分裂研究提供了有效方法，也為今后單臺(tái)測(cè)震學(xué)科研究工作提出新的思路。

關(guān)鍵詞SKS震相；Splitlab軟件；S波分裂研究；快波偏振方向；延遲時(shí)間

0 引言

S波分裂又稱為S波雙折射，是指橫向偏振的S波在通過某種形式的有效彈性各向異性固體傳播時(shí)，分裂成兩個(gè)近似垂直偏振的震相，這兩個(gè)分裂的震相具有不同的傳播速度和不同的振動(dòng)方向（張少泉，1992）。理論研究表明：在偏振圖上，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)橢圓狀。適當(dāng)旋轉(zhuǎn)三分量地震圖可以將分裂的快慢橫波分離出來（Crampin S，1978；Crampin S，1981）。研究表明：在簡(jiǎn)單剪切作用下，橄欖石晶體的優(yōu)勢(shì)取向（LPO）只取決于地幔的有限應(yīng)變，與產(chǎn)生應(yīng)變的變形過程無關(guān)，且LPO平行于應(yīng)變橢圓的主拉張軸，通常代表當(dāng)前的地幔變形和流動(dòng)方向（Ribe N M，1989，1992）。因此，研究地震各向異性可以對(duì)地幔變形和流動(dòng)提供約束。

呼和浩特屬于一級(jí)構(gòu)造單元華北陸地塊，位于大青山—冀北古弧盆系中大青山—涼城陸緣盆地（潘桂堂等，2009），周邊毗鄰大青山山前斷裂、岱海北緣斷裂、和林格爾斷裂等活動(dòng)斷裂。通過分析呼和浩特地下介質(zhì)的各向異性，對(duì)該地區(qū)地下介質(zhì)的性質(zhì)、應(yīng)力場(chǎng)變化及地震活動(dòng)特征有積極的意義。呼和浩特基準(zhǔn)地震臺(tái)（臺(tái)站代碼HHC）建立于20世紀(jì)70年代，臺(tái)站測(cè)震觀測(cè)先后經(jīng)歷“九五”“十五”改造，積累了多年數(shù)字地震觀測(cè)資料，自2007年起連續(xù)6年獲得“全國(guó)測(cè)震資料評(píng)比”前3名的優(yōu)異成績(jī)，為本次研究提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

選取呼和浩特基準(zhǔn)地震臺(tái)2008—2014年產(chǎn)出的MS6.0以上、震中距大于80°的地震事件，對(duì)SKS、SKKS、SS震相進(jìn)行S波分裂研究。為了取得更好的計(jì)算結(jié)果，對(duì)資料進(jìn)行進(jìn)一步篩選，發(fā)現(xiàn)震中距90.3°—143.3°范圍內(nèi)的地震事件可以得到清晰的SKS、SKKS、SS震相，由此選取該震中距范圍內(nèi)的地震事件進(jìn)行分析。

在計(jì)算S波分裂時(shí)，主要使用Splitlab軟件（Wustefeld A et al，2008），該軟件同時(shí)使用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法（以下簡(jiǎn)稱RC法）（Bowman J R et al，1987）和最小能量法（以下簡(jiǎn)稱SC法）（Silver P G et al，1991）進(jìn)行S波分裂計(jì)算。兩種方法對(duì)單個(gè)遠(yuǎn)震記錄的SKS震相開展偏振分析，求取各向異性參數(shù)對(duì)（φ,Δt），其中φ表示快波偏振方向，Δt表示快、慢波的到時(shí)差。而同時(shí)使用兩種方法計(jì)算S波分裂，可以有效判定結(jié)果中弱各向異性或無效事件（Null）（Wustefeld A et al，2007）。所謂的無效事件是指不產(chǎn)生分裂的地震記錄，無效事件的出現(xiàn)可能與臺(tái)站下方的各向同性介質(zhì)相關(guān)，也可能由該事件的方位分布平行或垂直于快波偏振方向所致。

根據(jù)Barruol等（1987）和Wustefeld等（2007）關(guān)于分裂測(cè)量的判別方法，根據(jù)原始地震記錄中震相的信噪比、快慢波校正前后的波形、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡及不同測(cè)量方法（RC法和SC法）得到的S波分裂參數(shù)等，將分裂結(jié)果分為高質(zhì)量有效分裂結(jié)果（good Non-Null）、一般（fair Non-Null）、不可靠（poor）、高質(zhì)量的無效分裂結(jié)果（good Null）和質(zhì)量一般的無效分裂結(jié)果（fair Null）5類。從圖形特征和不同方法（RC法和SC法）所得測(cè)量結(jié)果兩個(gè)方面，對(duì)所得S波分裂結(jié)果進(jìn)行判定，以尋找高質(zhì)量的有效分裂結(jié)果（good Non-Null）。

1.1 圖形特征判定S波分裂結(jié)果質(zhì)量

可通過以下圖形特征判定S波分裂結(jié)果質(zhì)量：①初始信號(hào)質(zhì)量高，包含水平向信噪比（SNRT）＞3及S波可能干擾的排除；②在各向異性水平層中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)呈橢圓形態(tài)；③去除各向異性的水平層中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)呈線性形態(tài)；④快慢波波形的一致性程度。

滿足以上4個(gè)條件的為高質(zhì)量的有效分裂結(jié)果（good Non-Null），滿足以上3個(gè)條件為高質(zhì)量的一般分裂結(jié)果（fair Non-Null）；滿足以上2個(gè)條件為不可靠的分裂結(jié)果（poor）。

1.2 RC法和SC法分裂結(jié)果綜合判定結(jié)果質(zhì)量

利用以下兩點(diǎn)判定高質(zhì)量的分裂結(jié)果（Non-Null）：①兩種不同算法延時(shí)時(shí)間比率ρ；②兩種不同算法快波偏振方向差的絕對(duì)值Δφ。

本次研究選取滿足以上兩點(diǎn)，且0.8＜ρ＜1.1、 |Δφ| ＜8°的為高質(zhì)量有效分裂結(jié)果（good Non-Null）；0.7＜ρ＜1.2、 |Δφ| ＜15°為一般分裂結(jié)果（fair Non-Null）。為提高遠(yuǎn)震記錄中震相信噪比，在計(jì)算各向異性參數(shù)前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波處理。多數(shù)情況下，選擇0.02—0.2 Hz濾波器，少數(shù)情況下（僅2008年地震資料），采用0.01—0.1 Hz濾波器。

在使用SKKS和SS震相計(jì)算過程中并未得到高質(zhì)量有效分裂結(jié)果，僅在使用SKS震相時(shí)才可以得到高質(zhì)量的有效分裂結(jié)果，而利用SKS研究地震波各向異性有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（呂慶田等，1996）：①根據(jù)切向分量是否為零容易判別速度各向異性的存在與否。因?yàn)樵诤酸＿吔缟嫌蒔波轉(zhuǎn)換為S波時(shí)，SKS波徑向偏振，若SKS穿過各向同性介質(zhì)，則切向分量為零；反之若穿過各向異性介質(zhì)則切向分量不為零；②近垂直人射的SKS波直接反映臺(tái)站下方的速度各向異性，提供很高的橫向分辨率；③計(jì)算結(jié)果可靠，幾乎沒有多解性。因此本次研究重點(diǎn)使用SKS震相計(jì)算所得的S波分裂結(jié)果。目前，一般認(rèn)為S波分裂測(cè)量方法中，利用最小能量法(SC法)測(cè)量得到的結(jié)果相對(duì)更加可靠和穩(wěn)定（Vecsey L et al，2008；Gao S S et al，2009），因此雖然綜合使用了RC法和SC法，但對(duì)于有效分裂結(jié)果的討論和分析，我們將利用最小能量法（SC法）測(cè)量得到的結(jié)果。

2 剪切波分裂結(jié)果

選取呼和浩特基準(zhǔn)地震臺(tái)2008—2014年震中距90.3°—143.3°的118個(gè)遠(yuǎn)震地震事件，使用SKS震相進(jìn)行S波分裂研究。根據(jù)上述分析判定方法，得到18個(gè)高質(zhì)量有效分裂結(jié)果（good Non-Null），見表1。由表1可見：①呼和浩特地震臺(tái)快波偏振方向主要集中在-12°—6°范圍內(nèi)，即NW方向，快波偏振方向直方圖見圖1；②延遲時(shí)間主要集中在0.9 s左右，見圖2，與常利軍等（2011，2012）取得的研究結(jié)果基本一致。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，呼和浩特地震臺(tái)臺(tái)址下方介質(zhì)的各向異性參數(shù)，尤其是快波偏振方向并非隨機(jī)分布，而主要集中于兩個(gè)范圍內(nèi)的反方位角區(qū)域，即26°—37°和114°—126°的反方位角范圍中，可能與參與計(jì)算的地震事件方位分布（圖3）有關(guān)，同時(shí)反映臺(tái)站下方介質(zhì)復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu)。

圖1　快波偏振方向Fig.1 Fast polarization direction histogram

圖2　延遲時(shí)間Fig.2 Delay time histograms

表1　呼和浩特地震臺(tái)S波分裂高質(zhì)量結(jié)果Table 1 S wave splitting quality results of Hohhot Seismic Station

圖3　高質(zhì)量有效SKS分裂結(jié)果地震分布Fig.3 Earthquake distribution of high-quality SKS splitting results

由于此次研究主要使用SKS震相，各向異性信息主要針對(duì)上地幔以上介質(zhì)。上地幔各向異性是由形變導(dǎo)致地幔橄欖巖中的晶格優(yōu)勢(shì)排列引起的， 因此橫波分裂測(cè)量結(jié)果直接反映了上地幔變形和地幔流動(dòng)場(chǎng)的特征（Long M D et al，2008）。一些學(xué)者認(rèn)為，各向異性主要是現(xiàn)今地幔流引起的（Silver P G et al，1996；Vinnik L P et al，1992）。在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，各向異性被認(rèn)為是該區(qū)最后一次大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)遺留在巖石圈中的“化石”各向異性；在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，各向異性反映了正在進(jìn)行的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（Silver P G et al，1991）。在現(xiàn)代板塊聚合帶附近區(qū)域，各向異性主軸平行于板塊邊界；在裂谷區(qū)，各向異性主軸平行于地殼裂谷的拉伸方向；在造山帶，各向異性主軸與山脈走向平行，在大型走滑斷裂帶附近，與斷裂帶的走向平行（Vinnik L P et al，1992）。 此外，絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向（APM）與各向異性快波方向一致，說明巖石圈下的地幔流對(duì)各向異性具有重要作用（Vinnik L P et al，1992）。

本研究的快波偏振方向與常利軍等（2011，2012）研究結(jié)果基本一致，見圖4。分析本研究快波偏振方向的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所得方向既不平行于APM方向，也不平行于NE或NNE趨向的區(qū)域地表構(gòu)造走向。本次研究應(yīng)該反映了“化石”各向異性，即主要存在于大陸構(gòu)造穩(wěn)定的單元，保留了地幔變形歷史信息。

由于本研究?jī)H使用一個(gè)臺(tái)站記錄，不能有效得出呼和浩特及周邊地區(qū)各向異性層厚度，需要做S波分裂研究，利用所得結(jié)果才可以得出較大范圍的各向異性層厚度（鄭秀芬等，2006）。

圖4　呼和浩特地震臺(tái)SKS分裂研究結(jié)果Fig.4 Results of Hohhot seismological SKS splitting

3 結(jié)論

通過對(duì)呼和浩特地震臺(tái)記錄進(jìn)行S波分裂研究，尤其在使用SKS震相進(jìn)行分裂研究時(shí)，對(duì)資料選取有一個(gè)清晰認(rèn)識(shí)，今后將重點(diǎn)選取震中距90°—140°的MS6.0地震進(jìn)行SKS分裂研究。同時(shí)，通過本研究也能熟練使用Splitlab軟件，綜合運(yùn)用旋轉(zhuǎn)相關(guān)法和最小能量法，通過波形特征的定性限定及兩種方法所取得結(jié)果的定量限定，從而取得高質(zhì)量的有效SKS分裂結(jié)果，為今后更大范圍和區(qū)域內(nèi)使用更多臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行S波分裂研究起到很鋪墊作用。

本次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，呼和浩特地區(qū)SKS分裂主要反映上地幔各向異性，其中快波偏振方向主要集中在-12°—6°范圍內(nèi)，即NW方向，而取得快波偏振方向所使用的地震事件并非隨機(jī)分布，主要集中分布在26°—37°和114°—126°的反方位角范圍中，可能與參與計(jì)算的地震事件方位分布有關(guān)，同時(shí)反映臺(tái)站下方介質(zhì)復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu)；延遲時(shí)間主要集中在0.9 s左右。所得研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，即快波方向既不與絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)方向一致，也不與構(gòu)造走向一致，反映的各向異性可能是遺留在古老克拉通的厚的巖石圈內(nèi)“化石”各向異性的表現(xiàn)。而由于本次僅僅使用一個(gè)臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)，所以所取得的延時(shí)時(shí)間不能準(zhǔn)確反映呼和浩特地區(qū)各向異性層的厚度，需要在今后工作中加入更多臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

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S wave splitting study at Hohhot Seismic Station

Zhang Hui，Gao Lixin，Han Xiaoming，Zhao Tiesuo，Wang Xin and Jia Yanjie
(Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010010， China)

Abstract

In this paper， using rotational correlation and minimum energy methods provided in Splitlab software package， a comprehensive S wave splitting study of teleseismic phase (SKS， SKKS，SS) data selected from global MS6.0 event waveform record by Hohhot Reference Seismic Station during 2008—2015. In the calculation process， the quality of calculating results is evaluated by use of graphical features and comparison method. The fi nally results show that the fast polarization directions are mainly concentrated in -12°—6°， and delay times， mainly in about 0.9 s， which is agree with those of other literature studies. Through this S wave splitting research of single station， a wider range of effective methods for the S wave splitting is presented for the future study， also put forward new ideas for the future single seismic disciplinary research work.

Key words：SKS phases，Splitlab software，S wave splitting study，fast polarization direction，delay time

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 007

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局三結(jié)合項(xiàng)目（編號(hào)：150503）及中國(guó)地震局科技星火計(jì)劃青年項(xiàng)目（編號(hào)：XH15009Y）資助

作者簡(jiǎn)介：張暉（1982—），男，碩士研究生，工程師，主要負(fù)責(zé)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作。E-mail：zhandyg@163.com

本文收到日期：2015-08-16