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河南小浪底水庫庫區(qū)地震剪切波分裂研究

2021-03-15 11:58李欣波趙長紅
華北地震科學(xué) 2021年1期
關(guān)鍵詞:小浪底偏振臺站

李欣波,吳 鵬,楊 凡,賈 華,趙長紅

(1.河北省地震局邯鄲中心臺,河北 邯鄲 056001;2.河北省地震局,石家莊 050021)

0 引言

地震各向異性研究是地震學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域。20 世紀(jì)70 年代,Crampin 發(fā)現(xiàn)地殼剪切波分裂現(xiàn)象,提出了張性擴(kuò)容各向異性(EDA)理論[1-2]。不斷發(fā)展的地震觀測技術(shù),特別是高分辨率數(shù)字地震儀的廣泛使用,為剪切波分裂研究提供了技術(shù)保障。近年來,剪切波分裂方法被廣泛應(yīng)用于全球不同構(gòu)造區(qū)的地殼各向異性研究[3-6]。

剪切波在傳播過程中,穿過各向異性介質(zhì),導(dǎo)致剪切波的傳播速度和偏振特性發(fā)生變化,分裂為快剪切波和慢剪切波,簡稱快波和慢波[7]??觳ㄆ穹较蚩捎糜谘芯康貧?yīng)力場特征[8-9],而慢波時間延遲則反映了介質(zhì)各向異性的強(qiáng)弱和區(qū)域應(yīng)力環(huán)境的變化[10]。受到不同的地質(zhì)構(gòu)造、斷裂分布和應(yīng)力環(huán)境等影響,在上地殼會產(chǎn)生不同方向、尺度不一的EDA 微裂隙,微裂隙的定向排列導(dǎo)致了上地殼地震各向異性。因此,剪切波分裂特性對地殼應(yīng)力變化引起的巖石裂隙變化反映靈敏。

小浪底水利樞紐位于河南省孟津縣境內(nèi),是國內(nèi)大型綜合性水利工程,是黃河中游最后一段峽谷的出口處。水庫總庫容126.5 億m3,壩頂高程281 m,水庫正常蓄水位275 m,庫水面積272 m2,調(diào)水調(diào)沙庫容10.5 億m3,淤沙庫容75.5 億m3,長期有效庫容51.0 億m3。水庫呈東西帶狀,長約130 km,上段較窄,下段較寬,平均寬度2 km,屬峽谷河道型水庫。

對于水庫庫區(qū)的地殼各向異性研究,前人做了大量工作。史海霞等[11]采用傳統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)法和偏振分析法,對廣西龍灘庫區(qū)地震剪切波分裂特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究;鄒振軒等[12]利用互相關(guān)系數(shù)法,借助遺傳算法與人工判讀相結(jié)合,測量了溫州珊溪水庫地震序列的快剪切波偏振方向和快慢剪切波的時間延遲;張永久等[13]采用剪切波分裂SAM 系統(tǒng)分析方法獲得了四川紫坪鋪水庫庫區(qū)的剪切波分裂參數(shù),探討了快剪切波偏振方向與區(qū)域應(yīng)力場以及龍門山斷裂帶的關(guān)系;邵玉平等[14]計(jì)算得到了四川錦屏水庫地區(qū)地殼剪切波分裂參數(shù),分析了其地殼各向異性特征,討論了水庫蓄水對剪切波分裂特征的影響。本研究利用小浪底水庫數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的資料開展地殼各向異性研究,對于了解小浪底庫區(qū)應(yīng)力狀態(tài)、潛在的地震危險性具有重要意義。

1 構(gòu)造背景

小浪底水庫庫區(qū)處于秦嶺大別造山帶以北,太行山東南的弧形部位(圖1)。研究區(qū)北起中條山、王屋山南麓,南抵崤山東北余支北坡,西接汾渭盆地,東臨華北平原。區(qū)內(nèi)構(gòu)造可分為形成于燕山期的近EW 向構(gòu)造、NW 向構(gòu)造和喜山期形成的NE向構(gòu)造。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要受豫皖斷塊西北的汾渭斷陷帶、太行斷塊與冀魯斷塊交界的太行山山前斷裂帶控制[15]。

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造背景

小浪底水庫庫壩區(qū)及周邊展布多條第四紀(jì)活動斷層(圖2),其中城崖地?cái)鄬?、塔底斷層和石井河斷層是庫區(qū)較重要的3 條大斷層。其他小斷層與這3 條斷層力學(xué)作用機(jī)制一致,屬于次一級斷層,如盤古寺斷層、封門口-五指嶺斷層、連地?cái)鄬?、坡頭斷層、小南莊斷層、王良斷層和霍村斷層等。

城崖地?cái)鄬幼呦?15°左右,傾角65°~75°,傾向NE,為左旋扭動的壓扭性正斷層。在新安,該斷層為中低山與山前平原的分界線;在伊洛盆地,斷層兩側(cè)上下第三系及第四系的厚度有明顯差異。塔底斷層形成于燕山期,是垣曲斷坳盆地的南側(cè)邊緣斷層,走向295°、傾向N、傾角70°,為左旋扭動的平移正斷層,控制了垣曲斷坳盆地的南部地區(qū)。石井河斷層總體走向285°、傾向N、傾角大于60°,在庫壩區(qū)內(nèi)由西向東直抵壩址區(qū)右岸。該斷層為燕山期早期產(chǎn)物,總體特征是南盤上升,北盤下降的正斷層[16]。

2 資料選取與計(jì)算方法

小浪底數(shù)字地震臺網(wǎng)共有8 個臺站(圖2),架設(shè)北京港震機(jī)電公司生產(chǎn)的地震儀。其中,6 個臺站架設(shè)FSS-3M 短周期地震儀,2 個臺站架設(shè)BBVS-60寬頻帶地震儀,采樣率為100 sps(樣本/秒)。本研究選取小浪底數(shù)字地震臺網(wǎng)2009—2016 年記錄的ML1.0 以上的地震事件波形,采用雙差定位方法重新定位并分析重定位事件,根據(jù)每個臺站的數(shù)據(jù)記錄狀況進(jìn)行討論。

2.1 地震重定位

開展剪切波分裂計(jì)算過程中,地震事件的定位精度對剪切波分裂參數(shù)的計(jì)算結(jié)果影響較大,主要體現(xiàn)為以下兩方面:①會影響剪切波窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的挑選;②時間延遲的變化更易受到震源與臺站相對位置、外部環(huán)境等的影響[17]。地震定位的精度問題是地震學(xué)領(lǐng)域始終關(guān)注和研究的基本問題,地震學(xué)家通過不斷地改進(jìn)定位方法來提高地震定位的精度。目前,對于震源重新精定位的雙差定位法是相對較為準(zhǔn)確的一種定位方法[18]。通過“雙差”定位可以將速度模型帶來的定位誤差減小到最低。雙差定位法比主事件法的使用范圍更大,其避免了主事件的誤差傳遞到其他待定事件中。

利用雙差定位法對研究區(qū)域內(nèi)ML≥1.0 的744次地震事件進(jìn)行重新定位后,得到了540 個地震定位結(jié)果(圖2)。重定位后的均方根殘差平均值為0.085 s,震源位置的估算誤差EW 方向平均為0.2 km,NS 方向平均為0.3 km,垂直方向平均為0.3 km。從空間分布看,小浪底庫區(qū)地震主要分布在庫區(qū)中段的石井河斷層附近,呈團(tuán)狀散布。研究區(qū)的地震主要發(fā)生在15 km 以內(nèi),其中第一優(yōu)勢分布在5~10 km范圍,次優(yōu)勢分布為0~5 km,表明研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的地震主要以淺源地震為主。

2.2 剪切波分裂方法

剪切波入射到自由表面,當(dāng)入射角大于臨界角度時,會發(fā)生全反射現(xiàn)象,這時觀測到的剪切波形會發(fā)生畸變。因此,發(fā)生全反射的臨界角度就是剪切波窗口的限定范圍。對于泊松介質(zhì),其剪切波窗口為35°,考慮到彎曲的波前和低速的地殼表面沉積等影響,剪切波窗口可以有效增大到45°~50°[19]。

本文采用高原等[20]提出的剪切波分裂系統(tǒng)分析方法(即SAM 方法)對研究區(qū)進(jìn)行剪切波分裂參數(shù)的計(jì)算。SAM 分析方法包括相關(guān)函數(shù)計(jì)算、時間延遲校正和偏振分析檢驗(yàn)3 部分,能夠?qū)崿F(xiàn)自檢驗(yàn),提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 研究區(qū)地震事件定位及深度分布圖

在利用SAM 方法進(jìn)行剪切波分裂參數(shù)計(jì)算時,設(shè)置剪切波窗口為45°,挑選研究區(qū)域各臺站記錄到的剪切波窗口內(nèi)的、震相清晰的地震事件波形218 條,計(jì)算得到8 個臺站的剪切波分裂參數(shù)。圖3~5 是利用SAM 方法進(jìn)行剪切波分裂分析的實(shí)例,其中圖3 為喬嶺地震臺(QLT)2015 年7 月17 日15 時27 分59 秒記錄的濾波后的地震波形圖,震級ML1.4,震源深度18 km,濾波頻率范圍1~10 Hz。地震發(fā)生后產(chǎn)生的剪切波在通過各向異性介質(zhì)時分裂成兩列新波列(快波和慢波),快波到達(dá)后、慢波到達(dá)前,剪切波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡的方向與正北方向成夾角α,這一角度就是快波的偏振方向。慢波到達(dá)后,疊加到快波上,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡就會發(fā)生變化。圖4 顯示了水平方向剪切波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡(偏振圖)。將2 個分量的剪切波同時旋轉(zhuǎn)α 角度可以實(shí)現(xiàn)快、慢剪切波的分離。理論上,快、慢剪切波來自于同一震源的同一列剪切波,消除時間延遲后,質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡應(yīng)具有線性相關(guān)。圖5 顯示,經(jīng)過時間延遲校正后,2 個分量的剪切波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡線性度很高,證明了分析結(jié)果的可靠性。

圖3 喬嶺地震臺2015 年7 月17 日地震記錄圖

圖4 水平方向剪切波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度軌跡(偏振圖)

3 快剪切波偏振方向

表1 為研究區(qū)域內(nèi)6 個臺站基本參數(shù)與剪切波分裂參數(shù),圖6 為研究區(qū)域所有臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖。綜合各臺站的剪切波分裂結(jié)果,得到小浪底庫區(qū)內(nèi)快剪切波平均偏振方向?yàn)?00.4°±45.0°,慢剪切波平均時間延遲為2.87±1.13 ms·km-1。

圖5 偏振分析檢驗(yàn)

研究得到了小浪底庫區(qū)6 個臺站的快剪切波偏振方向(圖7),當(dāng)腰臺(DYT)、上孟莊臺(SMZ)、南關(guān)郎臺(NGL)、青石臺(QST)等4 個臺站的快剪切波優(yōu)勢偏振方向一致性較好,為NWW 向或近EW 向;螃蟹腳臺(PXJ)的快剪切波優(yōu)勢偏振方向?yàn)镹E 向;喬嶺臺(QLT)的快剪切波優(yōu)勢方向?yàn)榻麼S 向。

4 討論

4.1 快剪切波偏振方向

研究表明,快波偏振的優(yōu)勢方向與區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向一致,而位于活動斷裂上的臺站,其快波偏振優(yōu)勢方向與斷層走向一致[22]。在構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域,如不同走向斷層的交匯處,快波偏振方向會表現(xiàn)出一定的離散性[23]。綜合各臺站的剪切波分裂參數(shù),小浪底庫區(qū)快剪切波平均偏振方向?yàn)?00.4°±45.0°,與華北地區(qū)最大主壓應(yīng)力方向成銳角相交,與劉庚等[24]得到的秦嶺微地塊的地殼各向異性結(jié)果一致,同時與華南地塊的最大主壓應(yīng)力方向一致[25]。圖1 顯示,研究區(qū)域位于華北地塊與華南地塊的交匯區(qū)域,南臨秦嶺造山帶,西接渭河盆地。推測研究區(qū)受到的應(yīng)力場控制作用主要來自于秦嶺造山帶及華南地塊。

表1 小浪底庫區(qū)8 個臺站基本參數(shù)與剪切波分裂參數(shù)

圖6 快剪切波偏振方向下半球等面積投影玫瑰圖

當(dāng)腰臺(DYT)位于塔底斷層的北側(cè),其快波偏振方向較離散,但仍能看出其優(yōu)勢方向?yàn)镹WW向。上孟莊(SMZ)和南關(guān)郎(NGL)均位于塔底斷層的南側(cè)、石井河斷層的北側(cè),這2 個臺的快波偏振方向?yàn)榻麰W 向。青石(QST)位于石井河斷層的南側(cè),快剪切波優(yōu)勢偏振方向也為NWW 向。以上4 個臺站的快剪切波優(yōu)勢偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力方向不一致,但與臺站附近塔底斷層、石井河斷層的走向基本一致,表明其快波方向受區(qū)域應(yīng)力場作用較弱,地震各向異性主要來自臺站附近的構(gòu)造斷裂。螃蟹腳臺(PXJ)位于塔底斷層?xùn)|端,快剪切波優(yōu)勢偏振方向?yàn)镹E 向,與華北地區(qū)最大主壓應(yīng)力方向基本一致。資料顯示,塔底斷層以剪切滑移為主,分析認(rèn)為螃蟹腳臺位于斷層頂端,斷層有可能對其控制作用較弱,而主要受區(qū)域應(yīng)力場作用,因此其與前面提到的4 個臺站結(jié)果差別較大。喬嶺臺(QLT)的結(jié)果比較離散,但從圖8 中可以看出其快剪切波優(yōu)勢偏振方向?yàn)榻麼S 向,與區(qū)域主壓應(yīng)力方向、斷層走向均不一致,推斷可能是快波偏振受到區(qū)域應(yīng)力場、斷裂和地形的多重影響,導(dǎo)致偏振方向比較離散。

圖7 小浪底庫區(qū)各臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖

圖8 快剪切波優(yōu)勢偏振方向圖。

研究區(qū)域快剪切波偏振方向與華南地塊主壓應(yīng)力場方向一致性較好,與秦嶺造山帶走向一致。受到區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力環(huán)境的作用,局部地區(qū)受構(gòu)造、地形等制約,導(dǎo)致了局部的復(fù)雜分布結(jié)果。另外,可能由于在水庫庫區(qū),地殼內(nèi)定向排列的微裂隙充滿液體后,定向排列的優(yōu)勢方向不明顯導(dǎo)致地殼各向異性結(jié)果離散。

4.2 慢剪切波時間延遲

慢波的時間延遲反映了地殼介質(zhì)各向異性的程度,它是震源到臺站剪切波傳播路徑的累積效應(yīng)。由于每個地震具有不同的震中距,為了統(tǒng)一描述介質(zhì)各向異性程度,同時也方便比較,把時間延遲歸一化,即計(jì)算單位射線長度上的時間延遲(單位為ms·km-1)。

由表1 可知,研究區(qū)域慢剪切波的平均延遲時間為2.87±1.13 ms·km-1,其中最大的是上孟莊臺,時間延遲為4.18±2.78 ms·km-1;最小的是喬嶺臺,時間延時為0.92±0.52 ms·km-1。吳鵬等[26]、吳晶等[27]得到的華北地塊南部不同區(qū)域的慢波時間延遲結(jié)果相當(dāng)。張永久等[13]計(jì)算出四川紫坪鋪水庫庫區(qū)慢波平均時間延時為3.92±2.72 ms·km-1;鄒振軒等[12]得到溫州珊溪水庫庫區(qū)各臺站平均慢剪切波時間延遲在2.12~8.66 ms·km-1之間,與本文得到的小浪底庫區(qū)慢波時間延遲明顯偏大,反映了小浪底庫區(qū)地殼各向異性要弱于溫州珊溪水庫和四川紫坪鋪水庫,這有可能是地理環(huán)境和構(gòu)造背景的影響導(dǎo)致。

5 結(jié)論

本文使用小浪底水庫地震臺網(wǎng)的資料,對小浪底庫區(qū)2009—2016 年的地震事件進(jìn)行了雙差重定位,采用SAM 方法計(jì)算并初步得到小浪底庫區(qū)各臺站的剪切波分裂參數(shù)。

1)利用雙差定位法對研究區(qū)域內(nèi)ML≥1.0 的744 次地震事件進(jìn)行重新定位后,得到了540 個地震定位結(jié)果。從空間分布看,小浪底庫區(qū)地震主要分布在庫區(qū)中段的石井河斷層附近,呈團(tuán)狀散布。重定位后,均方根殘差平均值為0.085 s,震源位置的估算誤差EW 方向平均為0.2 km、NS 方向平均為0.3 km、垂直方向平均為0.3 km,震源深度優(yōu)勢分布為5~10 km。

2)得到了小浪底庫區(qū)剪切波分裂參數(shù)的空間分布特征。小浪底庫區(qū)內(nèi)快剪切波平均偏振方向?yàn)?00.4°±45.0°,慢 剪 切 波 平 均 時 間 延 遲 為2.87±1.13 ms·km-1。研究區(qū)快波方向與秦嶺造山帶走向一致,與華南地塊主壓應(yīng)力場方向一致。慢波時間延遲與華北地區(qū)其他區(qū)域的結(jié)果相當(dāng),但與四川紫坪鋪水庫、溫州珊溪水庫的結(jié)果相差較大,可能是地理環(huán)境和構(gòu)造背景所導(dǎo)致。

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