2021, Vol. 41
2. 山东省地震局，济南市文化东路20号，250014;
3. 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054
剪切波分裂特征研究是深入开展介质各向异性分析的重要基础[1]。研究表明，剪切波分裂对介质的各向异性较为敏感，快剪切波偏振方向与原主压应力场方向一致，慢剪切波的时间延迟可较好地反映应力变化，是分析地震孕育过程和构造环境的有效途径[2]。剪切波分裂特征与区域断层性质紧密联系[3]，因此剪切波分裂方法是研究地壳介质各向异性、应力场及断裂性质的有效技术工具。
自剪切波分裂(SAM)方法提出以来，国内学者[4-5]已取得大量研究地壳各向异性的成果。由于受地震波资料限制，目前对辽南区域的研究工作较少，而近几年数字波形资料的不断积累使系统开展辽南地区连续地壳各向异性的研究成为可能。本文利用辽宁省固定地震台站的波形资料，对辽宁南部地区进行地壳介质各向异性研究，同时结合该地区地质构造信息，探讨剪切波分裂特性及其与地震断层性质的关系，以期为辽宁地区地震预报提供技术支撑。
1 构造背景与地震活动性辽南地区(39°~42°N, 121°~124°E)位于华北与东北活动地块交界处，区内主要发育金州断裂、大洋河-康家岭断裂、太子河断裂、鸭绿江断裂等(图 1)，该区地震活动与断裂具有高度相关性。研究表明，金州断裂为该区规模最大、活动性最强的断裂构造，其与鸭绿江断裂等NE-NNE向构造及NW向构造的共轭组合模式影响并控制着辽东半岛的地震活动。区内中强地震多发于NE-NNE向构造和NW向构造共轭交汇部位或附近区域，大洋河-康家岭断裂为1975年海城MS7.3和1999年岫岩MS5.4地震的主发震断裂[6]。
1975年海城MS7.3地震发生后，余震区地震活动较为显著，并在1999年发生岫岩MS5.4地震。此外，盖州地区自1970年以来共发生4次震群活动，其中3次震群活动具有前兆意义，最近一次震群活动从2012-02开始，主要集中在盖州青石岭、盖州西海域、熊岳盆地3个分区，整个地区的震群活动一直持续至今。精定位分析结果表明[7]，盖州青石岭震群活动可能受一条类似海城-大洋河的NW向断层控制，而青石岭震群的分布更偏向金州断裂北段的盖州北-鞍山南断裂。总而言之，辽南地区震群活动复杂，发震机理尚不明确，因此系统地计算和分析辽南地区长时间尺度下的剪切波分裂参数特征，对提高发震机理的认识具有重要作用。
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图 1 辽宁南部地区地质构造及台站分布 Fig. 1 Geological structure and station distribution in southern Liaoning |
辽宁数字地震观测台网经过“十一五”等建设后，监测能力大幅提高，中部至南部地区台站相对密集，监测能力可达ML1.5，定位精度小于5 km[8]。本文选用辽南地区10个固定台站数据，选取2008-01~2018-12记录的近场小震波形记录展开研究。为有效防止地面上剪切波全反射的影响，必须对剪切波窗口内的波形记录进行有效选择[9]。在利用Sg波研究中上地壳介质各向异性时，需选取位于S波窗口内的地震事件，且泊松比为0.25的地壳介质，其临界角约为35°，即入射角小于35°的Sg波数据才能被使用。但由于地表低速沉积层的存在，该顶角可放宽至45°~50°[3]，即选取的剪切波波形数据应满足震源深度大于震中距的条件。盖州-海城地区沉积层较厚，而盖州震群和海城老震区地震的震源深度多为6~9 km，其沉积层的影响较为显著[10]，因此本文研究数据中删除入射角大于50°的地震事件。
3 原理与方法SAM方法可分为相关性分析、延迟时间校正、偏振分析检验3个部分，该方法具有自我检验分析的特点，可增强计算结果的稳定性和可靠性，其原理见文献[3]。
为保障计算结果的可靠性，对缺少近场小震活动记录、波形数据较差或不满足剪切波窗口计算条件的地震台站和地震事件予以剔除，最终挑选出8个能较好地记录到“剪切波窗口”内数据的台站，使用卢造勋等[11]给出的辽宁地区一维速度模型进行剪切波分裂计算分析。限于篇幅，本文以GAX台和YKO台的波形数据为例，说明剪切波分裂参数的计算过程。
图 2为GAX台记录到的2014-09-17 ML2.7地震波形，地震震源深度为8 km，台站震中距为7.3 km，采样频率为50 Hz，其中S1和S2分别代表快、慢剪切波的起点位置。图 2中下图表示对时间延迟进行校正，即消除时间延迟影响后的快(F)、慢(S)剪切波质点运动轨迹及快、慢剪切波的波形，地震的快波偏振方向为100°，慢波时间延迟为0.03 s。图 3为YKO台记录到的2008-07-14 ML2.2地震波形，地震震源深度为10 km，台站震中距为6.8 km，采样频率为50 Hz，该地震的快波偏振方向为45°，时间延迟为0.02 s。对2次地震事件的慢剪切波进行时间延迟校正后发现，慢剪切波的初至时刻与快剪切波一致，2种剪切波的质点运动均符合线性特征，表明计算结果具有可靠性。根据上述计算过程，表 1为8个固定台站的剪切波分裂参数。
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横坐标表示采样点个数，纵坐标表示振幅,2条竖线表示截出分析剪切波分裂的波形 图 2 GAX台记录的剪切波分裂分析 Fig. 2 Analysis of shear-wave splitting recorded by GAX station |
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横坐标表示采样点个数，纵坐标表示振幅,2条竖线表示截出分析剪切波分裂的波形 图 3 YKO台记录的剪切波分裂分析 Fig. 3 Analysis of shear-wave splitting recorded by YKO station |
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表 1 研究区内地震台站的剪切波分裂参数 Tab. 1 Share-wave splitting parameters of seismic station in study area |
基于表 1的剪切波分裂参数，图 4为各台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰花图，由图可知，多数台站的快剪切波偏振的优势方向为NE、NEE。快剪切波偏振优势方向与辽宁地区的断层产状基本一致，同时也与华北北部地区的最大主应力场方向(约NEE向)一致[12]。研究表明，位于活动断层上的地震台站所记录的快剪切波偏振优势方向与断层走向一致[9]，YKO台位于NE向海城-营口断裂东侧，本文计算的YKO台快波偏振优势方向主要为NNE向和近EW向，其中NNE向的偏振优势方向可能与该断裂有关。图 1中红框为YKO台附近的地震空间分布，从图中可以看出，台站下方可能存在近EW向的活动断裂，而YKO台下方出现的近EW向快波剪切偏振优势方向似乎也证明该隐伏断层存在的可能。GAX台位于NE向金州断裂上方，从图 4可以看出，GAX台快波偏振优势方向主要为NE向和SEE向，其中NE向偏振方向与金州断裂走向较为一致。王亮等[7]对盖州震群的双差重定位研究结果表明，盖州震群空间展布近似呈NWW-SEE向，推测GAX台SEE向的快波偏振优势方向与该断裂存在关联。此外，GAX台快波偏振优势方向除NE向和SEE向外，还存在其他方向，该区域在NEE向近水平主压应力场作用下发育横向次级NW向铲式正断层，并不断发生左旋走滑-拉张错动，造成该地区地震活动性较强[10]，同时也导致断裂带内介质更为破碎。初步推断，GAX台快波偏振方向较为复杂的原因为相对破碎的介质造成裂隙面分布较为复杂，从而导致剪切波在各向异性地壳介质的偏振优势方向的分布规律性较差。
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黑色线段为断裂,红色三角形表示台站 图 4 辽宁南部地区快剪切波偏振方向玫瑰花图 Fig. 4 The polarization direction rose diagrams of fast wave in southern Liaoning |
SNY台、LHT台和WFD台快剪切波的偏振优势方向多为NNW向及NW向，SNY台和LHT台附近发育NE-NNE向依兰-伊通断裂、浑河断裂等多条断裂，小震活动多以NE-NNE向分布为主、NW向分布为辅的特征，而WFD台附近发育的NW向熊岳-庄河构造带、NW向普兰店-长海构造带等与NE-NNE向金州断裂、庄河断裂等形成共轭交叉构造[6]，故推测SNY台、LHT台和WFD台快剪切波的偏振优势方向与其他台站不同的原因可能为受局部地质构造影响，而非受附近主要断裂带的控制。图 4中YKO台、GAX台的慢剪切波时间延迟相对其他台站大，可能反映该地区处于盆地与隆起相交处，2个台站下方的慢剪切波时间延迟反映该地区地壳各向异性较强。其他台站由于记录到的有效波形数据较少，偏振方向和时间延迟等数据缺乏可靠的统计特征，在此不作深入分析。总体而言，剪切波分裂参数与构造具有很强的相关性，辽南地区地质构造复杂，地壳各向异性也表现出一定的复杂性。
4.2 剪切波分裂参数时域演化特征辽宁南部地区为盆地隆、拗相间的构造格局，盆地与隆起交汇边界的NE向构造断裂带上应力更易集中，而NE向断裂与NW、EW向断裂交汇区则为应力大量集中和释放的区域[13]。2012年以来的盖州震群活动持续至今，地震序列大致呈NW向分布，海城老震区的小震也持续活动。根据满足计算条件的波形数量，本文将重点探讨不同时间段内YKO台和GAX台的剪切波分裂结果在时域内的演化特征。
根据辽宁地区地震目录最小完整性震级分析研究[8]，本文取震级下限为ML1.5，图 5为2012-01~2018-12海城老震区和盖州震群的地震时序(M-T)图。海城老震区2012年以来仅发生2015-11-23 ML4.5和2018-12-19 ML4.8两次ML4.0以上地震，地震活动频度变化不明显。根据YKO台逐年等面积投影玫瑰花图变化特征(图 6和表 2)可知，2009~2011年YKO台快波偏振优势方向为NNE向(N33.02°±7.73°); 2012年以后，海城地区小震活动增强，快波的偏振优势方向由平均偏振方向变为NEE-SWW向(N72.54°±4.72°)，并且直至2018年偏振优势方向基本趋于一致，这与2012年之后平稳的地震活动现象较为一致。该区域偏振优势方向与华北地区近EW向的主压应力场方向一致[9]，这一结果与前人的研究成果[4]基本吻合，表明2012年以来YKO台附近构造应力场较为稳定或处于应力均匀加载状态。
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图 5 海城老震区和盖州震群M-T图 Fig. 5 M-T graphs of the previous Haicheng earthquake area and Gaizhou earthquake swarm |
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图 6 YKO台分年份快剪切波偏振玫瑰花图 Fig. 6 The fast shear-wave polarization rose diagrams by year of YKO station |
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表 2 2009~2018年YKO台剪切波分裂参数统计 Tab. 2 Shear-wave splitting parameters of YKO station from 2009 to 2018 |
图 7为GAX台逐年等面积投影玫瑰花图，从图中可以看出，GAX台整体的剪切波分裂参数演化较为复杂，2009~2011年快波偏振优势方向为NNE向和近EW向; 2012年快波偏振优势方向为NNE向和NNW向; 2013年以后快波偏振优势方向为近EW向; 2015~2018年偏振优势方向又变为NE向。从盖州地区地震活动性来看，盖州震群在2012年地震活动频度较低，2013-04地震频度有所升高，2013-12频度显著升高。相比于2009~2012年，GAX台的快剪切波偏振优势方向在2013年发生近90°翻转，随后2014年地震活动性显著增强，该现象的产生机理有待深入研究。Crampin等[14]在研究冰岛地区剪切波参数时也发现快剪切波偏振方向发生90°转换的现象，认为该现象可能与地震射线在穿过地下裂隙过程中受孔隙流体压力影响有关。辽东半岛西侧水文地质条件多为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，存在海水入侵和海水侵蚀等地质灾害[15]。盖州震群在2013年地震活动性增强，可能使活动断裂周边的破碎介质在流体入侵的影响下造成孔隙压力增加，从而引起GAX台快剪切波偏振方向发生90°翻转变化。随着2015-01地震活动性减弱，快波偏振优势方向略微向NE向偏转。由此可知，地震的发生与区域应力的调整有密切联系，YKO台和GAX台剪切波分裂参数随时间的演化与地震活动性存在一定关系，表明区域应力的变化可通过剪切波分裂参数进行反映。
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图 7 GAX台分年份快剪切波偏振玫瑰花图 Fig. 7 The fast shear wave polarization rose chart by year of GAX station |
本文采用剪切波分裂(SAM)方法系统分析2008-01~2018-12辽宁南部地区8个台站的快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟，并深入分析YKO台和GAX台剪切波分裂参数的空间特征和时域演化特点，结合精定位结果、构造特征等综合分析，得出以下结论：
1) SNY台、LHT台和WFD台快剪切波的偏振优势方向为NNW向、NW向，与附近区域主要断裂的方向并不一致，而与NE-NEE向断裂共轭的NW向构造一致，可能反映其附近的地震活动主要发生在偏向NW向的构造带附近。FSH台、BXI台、XYN台、YKO台及GAX台等台站的快剪切波偏振优势方向主要以NE向和NEE向为主，与该区域断裂构造形态及华北北部地区的最大主应力场方向基本一致。
2) YKO台快波偏振优势方向主要为NNE向和近EW向，GAX台快波偏振优势方向为NE向和SEE向，其中NNE向和NE向的优势方向与海城-营口断裂、金州断裂特征较为一致。地震精定位结果表明，YKO台近EW向和GAX台SEE向的快波偏振优势方向反映台站下方均可能存在近EW向隐伏断裂。
3) 剪切波分裂参数随时间的演化与地震活动存在一定关系。YKO台剪切波偏振优势方向自2012年起基本趋于一致，表明YKO台附近构造应力场较为稳定或处于应力均匀加载过程。盖州震群自2013年起活动频度有所升高，GAX台剪切波偏振优势方向在2013年发生近90°偏转，随后在2014年盖州震群活动显著增强，推测可能为渤海海水入侵造成海城-营口断裂西南端、金州断裂东北端等多条活动断裂周边破碎介质中含水率升高，导致介质孔隙压力增加，从而引起GAX台快剪切波偏振方向发生翻转。
致谢: 感谢中国地震局地震预测研究所高原研究员提供SAM计算程序。
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