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  大地测量与地球动力学  2017, Vol. 37 Issue (3): 234-239  DOI: 10.14075/j.jgg.2017.03.004

引用本文  

苗庆杰, 高原, 刘希强, 等. 基于地壳介质各向异性分析乳山地震近场区构造应力特征[J]. 大地测量与地球动力学, 2017, 37(3): 234-239.
MIAO Qingjie, MIAO Qingjie, LIU Xiqiang, et al. Tectonic Stress Analysis Based on the Crustal Seismic Anisotropy in Rushan Earthquake Near-Field Region[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2017, 37(3): 234-239.

项目来源

中国地震局“地震监测、预报、科研”三结合课题(CEA-JC/3JH-161508);中国地震局地震科技星火计划(XH15026, XH16025Y); 山东省自然科学基金(ZR2014DQ019)。

Foundation support

Monitoring, Prediction, Research, Three-Pronged Research Topics of CEA, No. CEA-JC/3JH-161508; The Spark Program of Earthquake Technology of CEA, No. XH15026, XH16025Y; Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2014DQ019.

第一作者简介

苗庆杰, 硕士研究生, 工程师, 主要从事地震波分析处理与应用研究, Email:qjmiao@163.com

About the first author

MIAO Qingjie, postgraduate, engineer, majors in analysis and processing of digital seismic wave, Email:qjmiao@163.com.

文章历史

收稿日期:2016-05-03
基于地壳介质各向异性分析乳山地震近场区构造应力特征
苗庆杰1     高原2     刘希强1     曲均浩1     郑建常1     
1. 山东省地震局, 济南市港西路2066号, 250102;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京市复兴路63号, 100036
摘要:利用乳山台阵和乳山台记录的资料,采用剪切波分裂方法分析乳山地区地壳各向异性参数,获得该区域应力环境特征。研究结果显示,乳山地区地壳介质各向异性受到区域构造应力和局部构造活动的双重影响,台站DSDC的快剪切波偏振优势方向近NW方向。结合地震序列展布方向及较大地震震源机制推测,该台附近存在近NW方向的活动断裂,该断裂可能为乳山地震序列的发震断层;台站BSTZ和CXZX的快剪切波偏振优势方向近EW方向,附近可能存在近EW方向的活动断裂。
关键词乳山地区地震各向异性剪切波分裂构造应力活动断裂

大量研究证实[1-5],地壳内部介质普遍存在各向异性。EDA理论[6]认为,各向异性的来源主要是地壳内存在大量充满流体、呈近垂直平行排列的微裂隙,在偏应力作用下,这些裂隙不均匀地成行排列,从而表现出地震各向异性。当剪切波在定向排列的微裂隙中传播时,会分裂成分别以不同速度前进、波振动方向近乎垂直的两列波[7-18],依传播的快慢分为快波和慢波,其中,快波的偏振方向跟应力方向、活动断层走向有关,慢波的延迟时间则跟地壳介质的裂隙密度和各向异性程度有关[19-21]。改变应力场会改变微裂隙的几何参数,造成剪切波分裂参数的变化[22-28]。因此,追踪研究剪切波分裂参数的时空信息变化,对探索地震孕育的过程和发震机理具有应用前景[1, 29-33]

2013-10-01乳山发生ML3.8地震之后余震不断,形成震群活动,目前仍在持续。截止到2016-03-01,共发生ML<0.0地震3 640次,0.0≤ML≤0.9地震7 108次,1.0≤ML≤1.9地震1 444次,2.0≤ML≤2.9地震228次,3.0≤ML≤3.9地震26次,4.0≤ML≤4.9地震3次,ML≥5.0地震1次(图 1给出了乳山地震序列的M-t图),并于2014-01-07、04-04、09-16和2015-05-22在乳山又先后发生ML4.7、ML4.5、ML4.1和ML5.0地震,造成较大的社会影响。基于当前地震活动的特点,为了更好地对这个震群进行详细研究,从2014-05起,山东省地震局在震中附近十几km范围内架设18个流动地震台,组成临时台阵。这些地震台站记录了大量近场地震数字记录,为研究乳山地震近场区的地震学特征提供了丰富的数据资料。

图 1 乳山地震序列的M-t Fig. 1 M-t map of the Rushan earthquakes

本文利用乳山地区的乳山台(RSH)和18个流动地震台组成的台阵记录到的波形记录,分析乳山地震近场区的各向异性参数, 研究该观测区域的应力环境特征,为研究乳山地震近场区的地震学特征及乳山震群的发震机理提供参考依据。

1 资料和方法

截至2016-03-01,山东数字地震台网共记录到12 450个乳山地震事件。由于地震数量太多,本文随机抽取150次地震用于RSH台剪切波分裂分析。所抽取的样本满足以下条件:1)P波与S波的到时差ΔtS-P≤1.7 s; 2)-0.9≤ML≤1.0。根据山东数字地震台网和乳山台阵所定位的地震,其震源深度为6~14 km。流动台剪切波分裂使用的资料为2014-06~2015-12乳山台阵记录到的地震事件,选取剪切波窗口内共90条地震记录用于计算分析。

对18个流动台记录的波形数据开展分析,发现一些流动台仪器参数配置可能有错误,只有DSDC、XHJC、PUSC、BSTZ、HYSZ、CXZX和GJDT 7个流动台记录的数据可以用于剪波分裂分析,故本文采用SAM方法[34-35]对这7个流动台及乳山台(RSH)记录到的240条波形记录进行处理,台站分布如图 2所示。该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。

图 2 台站及乳山震群分布 Fig. 2 Distribution of Rushan earthquakes swarm and stations

下面结合具体震例来阐述数据处理流程。图 3为乳山台记录到的一个地震事件波形,震级为ML0.0。对地震波形数据进行滤波、相关函数计算、时间延迟校正,如果经过时间延迟校正后接近线性偏振,说明计算结果可靠。图 4图 5分别给出了时间延迟校正前后的质点偏振图及剪切波波形。

图 3 乳山台(RSH)记录的2014-01-29 ML0.0地震波形 Fig. 3 Seismic waveform of an ML0.0 earthquake on January 29, 2014

图 4 水平分量剪切波偏振图,从上至下分别为剪切波质点运动轨迹图、NS分向剪切波波形和EW分向剪切波波形,S1S2分别表示快剪切波与慢剪切波的开始位置 Fig. 4 Demonstration of horizontal shear-wave polarization, see Fig. 3, the upper plot shows the trail of shear-wave particle motion, the middle is NS component shear-wave waveform, and the lower is EW component, S1 and S2 indicate the start position of fast and slow shear-wave, respectively

图 5 地震事件偏振分析检验,从上至下分别为经过时间延迟校正后的剪切波偏振图、快剪切波波形和慢剪切波波形 Fig. 5 Check of polarization analysis of earthquakes, see Fig. 3, on each sub-figure, the upper shows the hear-wave polarization with time delay effect being eliminated, the middle is fast shear-waveform, and the lower is slow shear-waveform

图 4图 5看出,经过偏振方向及时间延迟校正后,剪切波质点呈线性偏振,说明所求的剪切波分裂参数是正确可靠的。

2 结果与讨论

乳山地区位于胶东地块东南部,南邻黄海。从全球构造来看,其位于环太平洋构造带上,受西太平洋板块俯冲作用和郯庐断裂左行走滑运动的影响。区域内断裂构造十分发育,按发育方向主要有NNE、NE、NW和NS方向,NNE和NE方向断裂最为发育[36-37]

一些学者曾对胶东地区及山东地区背景应力场作过研究。张玲等[38]对胶东地区地震震源机制解进行计算分析,得出胶东地区背景应力场方向为ENE;山长仑等[39]利用P、SH、SV波的初动及振幅比获得山东及附近区域132次地震的震源机制解,对该区域地壳应场进行分析,得出山东及附近区域背景应力场的方向为ENE;郑建常等[40]使用Gephart和Forsyth的FMSI方法,利用山东地区387次中小地震震源机制解数据,得出胶东地区最大主压应力场为ENE。

本文通过对乳山地震近场区分布的7个流动地震台和乳山台(RSH)记录到的地震序列波形数据进行分析计算,得到8个台站的剪切波分裂参数,如表 1所示。从这8个台站快剪切波偏振方向的等面积玫瑰图(图 6图 7)可以看出,所有台站的快剪切波的偏振优势方向比较明显;台站RSH、PUSC、HYSZ、XHJC的快剪切波优势偏振方向为近NE方向,该优势偏振方向与2次显著性乳山地震震源机制解的P轴方向基本一致,这2次显著性地震分别是乳山ML4.7和ML4.5(图 8), 与该地区背景主压应力场的方向总体上一致;台站GJDT位于海岛上,其快剪切波的偏振方向比较离散,可能与不规则的地形和复杂的局部结构有关[29, 41-42]

表 1 乳山地区8个台站剪切波分裂参数 Tab. 1 Results of shear-wave splitting of 8 stations in RSH region

图 6 8个台站快剪切波偏振方向玫瑰图,红短线方向为每个地震事件的快剪切波偏振方向 Fig. 6 Equal-area project rose diagram of fast shear-wave polarization for 8 stations, the direction of the red short line indicates the polarization of the fast shear-wave

图 7 各台站快剪切波偏振方向空间分布图, 红短线方向为每个地震事件的快剪切波偏振方向 Fig. 7 The spatial distribution of fast shear-wave polarizations at stations, the direction of the red short line indicates the polarization of the fast shear-wave

图 8 利用CAP方法求出的两次乳山地震震源机制解 Fig. 8 Focal mechanism solution of two Rushan earthquakes by using CAP method

台站DSDC的快剪切波偏振优势方向为近NW方向,此方向与乳山地震序列震中的时间演化方向一致[43],如图 9所示。对比乳山地震序列中较大地震的震源机制(图 8)发现,震源机制的NW向节面走向和地震序列展布的方向吻合。据岩石资料及野外地质调查,乳山地区成矿后的断裂十分发育,主要有NW、NNE和NE向断裂,其中NW向断裂形成较晚,切割其他方向的断层,以左行压扭性为主,具多期活动特点[44]。另外,该地震序列附近的乳山断裂,其产状与序列展布的方向和CAP计算结果无法吻合。综合上述分析推测,DSDC台附近存在近NW向的断裂构造,乳山震群可能是该断裂活动的结果,该断裂可能为乳山地震序列的发震断层。

图 9 精确定位地震密集分布区 Fig. 9 The dense area of relocation

乳山地区基底构造为栖霞复背斜东段,中生代以来, 随着强烈的岩浆活动, 东西向构造基底被破坏, 在其上叠加了一系列大规模的NNE、NE向断裂构造[44-45],因此,该地区存在EW向断裂构造的基底。台站BSTZ和CXCZ的快剪切波偏振优势方向为近EW方向,与地区背景应力场的方向不同,认为附近可能存在近EW向的断裂构造。

乳山地区分布着许多规模不等、方向不一的断裂构造,这样复杂的地质构造背景造成该地区构造应力非常复杂,其构造应力场受不同的地质构造影响,因此乳山地区地壳介质地震各向异性受到区域构造应力和局部构造活动的双重影响。

3 结语

本文利用乳山台阵和乳山台(RSH)记录到的240条波形,通过剪切波分裂分析,计算得出乳山地震近场区的各向异性参数,并结合震源机制和地震序列展布方向,推测出乳山地震序列的发震断层,获得该区域的应力环境构造特征。

本文研究结果显示,乳山地区地壳介质地震各向异性受到区域构造应力和局部构造活动的双重影响,台站RSH、PUSC、HYSZ、XHJC的快剪切波优势偏振方向为近NE方向,与该地区背景主压应力场方向总体一致,与该研究区内的2次显著性乳山地震的震源机制P轴的方向基本一致;GJDT台的快剪切波的优势偏振方向比较离散,这与该台站位于海岛上有关,也可能与不规则的地形和复杂的局部结构有关;台站DSDC的快剪切波偏振优势方向与该地区背景主压应力场的方向不一致,为近NW方向,该方向与乳山地震序列震中的时间演化方向一致,与CAP计算结果NW节面走向一致,据此推测DSDC台附近隐伏近NW方向的活动断裂,地震序列可能是该断裂的活动结果,该断裂可能为乳山地震序列的发震断层;BSTZ台和CXZX台的快剪切波偏振优势方向为近EW方向,认为BSTZ台和CXZX台附近可能存在近EW向的活动断裂。

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Tectonic Stress Analysis Based on the Crustal Seismic Anisotropy in Rushan Earthquake Near-Field Region
MIAO Qingjie1     MIAO Qingjie2     LIU Xiqiang1     LIU Xiqiang1     ZHENG Jianchang1     
1. Earthquake Administration of Shandong Province, 2066 Gangxi Road, Jinan 250102, China;
2. Institute of Earthquake Science, CEA, 63 Fuxing Road, Beijing 100036, China
Abstract: This paper analyzes the seismic anisotropy parameters in the crust and obtains the characteristics of the stress field. The results show that the characteristics of the seismic anisotropy in Rushan region are influenced by both regional stress and local tectonics. Predominant polarization directions of fast shear-waves at DSDC are nearly NW. Combining the direction of epicenters of earthquake sequence and larger earthquake focal mechanism, it is concluded that the active fault in nearly NW direction is near the DSDC, and may be the possible generating fault of the RSH earthquake sequence. Polarization directions of fast shear-waves at BSTZ and CXZX are nearly EW; thus, there is probably possible active structure in nearly EW direction around the two stations.
Key words: RSH region; seismic anisotropy; shear-wave splitting; tectonic stress; active fault