2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
地壳介质的地震各向异性是一种比较常见的现象[1],利用地壳中的剪切波分裂可以研究地壳介质的地震各向异性特性,分析地壳应力场的状态,对有关各向异性参数进行静态和动态的描述[2].剪切波分裂对各向异性比较敏感,国内已有诸多学者利用剪切波分裂来研究地壳介质的各向异性[3~5],结果显示,复杂地质构造会造成剪切波偏振方向的不同[2, 6].由于剪切波偏振方向反映了地震台站下方地壳的主压应力方向,因而可以用来研究地壳应力场特征[7].Gao和Crampin的研究表明[8],剪切波分裂参数可以反映震前的应力积累和临震前的应力释放过程,并可用于研究地震预测问题.最新的研究还发现,慢剪切波的时间延迟对裂隙的水压变化具有很好的反映[9].
紫坪铺水库位于都江堰市区北西9km处的岷江上游.水库是坝高156 m总库容11.12亿m3的大型水利工程.紫坪铺水利枢纽建有包括7个子台的数字遥测地震台网进行实时监测,同时四川区域台网的油榨坪台也位于库区范围内.自2004年8月紫坪铺水库台网投入试运行以来,除了个别被盗子台一段时间无数据外,记录资料基本完整.
与大桥水库、二滩水库蓄水后的地震活动相比,紫坪铺水库的弱震活动相对活跃[10, 11],尤其是2005年9月下闸蓄水后在2006年10月和2008年2月发生的两次震群活动表现更为明显.因此,四川紫坪铺水库台网从2004年8月17日开始运行到2008年汶川大地震前记录了丰富的中小地震资料.本文旨在利用这些数字地震波形资料,对四川紫坪铺水库库区在汶川大地震前剪切波分裂特征进行初步研究,并探讨水库蓄放水对剪切波分裂特征的影响.
2 地质构造背景、台站及库区地震活动概况位于扬子准地台与松潘-甘孜地槽之间的构造过渡带是中国大陆以地台为主的稳定区和中国西部以地槽为主的活动区的分界带,是新生带以来中国西部强烈的褶皱隆起区之一,构造运动导致推覆逆掩的巨型断裂系,它就是龙门山推覆构造带[12].
四川紫坪铺水库库区位于龙门山断裂带中段.龙门山断裂由一系列压性、压扭性断裂及褶皱组成,断裂带深部有北北东向地壳厚度陡变带或重力梯度带,浅部由多条断层及强烈的构造变形带组成,属控制青藏高原东缘的I级活动地块边界构造带,部分断裂全新世活动性强烈.断裂以青川-茂汶断裂、北川-保兴断裂、江油-灌县断裂规模较大,断裂总体走向N40°E左右,倾向NW,倾角50°~80°[13].在2008年5月12日汶川8.0级大地震之前,龙门山断裂带地震活动强度不高,历史上最大地震震级为6.5级,地震分布呈NE向,与龙门山断裂带走向一致.龙门山断裂带位于重力梯度带上,也是地壳厚度的分界线,其西侧地壳厚度为60~70km,东侧在50km以下.根据地震震源机制解资料得到龙门山断裂带所在地区的现代应力场的主压应力轴方位为北西西向[14],水压致裂地应力的测量结果显示龙门山断裂最大水平主应力在各段略有差异,总体上呈NW-SE的方向[15].
本研究使用了两个台网的波形数据资料,即四川紫坪铺水库台网和四川区域台网.四川紫坪铺水库数字化地震台网从2004年8月开始运行,紫坪铺水库台网共包括八角(BAJ)、白岩(BAY)、桂花树(GHS)、灵隐寺(LYS)、庙子坪(MZP)、桃子坪(TZP)和钻洞子(ZDZ)7个台站,这7个台站均匀地展布在库区周边,平均台距为10km.台站使用FBS-3B型数字拾震器,配备EDAS-24L型24位数据采集器,数据采用超短波段的单工数字无线传输与DDN公用数据网接力传输、中心统一记录的方式.观测系统的动态范围优于100dB,观测频带为0.05~40Hz,采样率秒100点.采用了GPS统一授时和定位系统,数据采集的时间服务精度优于1 ms.台网的7个子台全部坐落于较完整的岩层上,其平均速度干扰水平分布在5×10-8~2× 10-7m·s-1间.除了这7个台站外,四川区域数字台网的油榨坪(YZP)台也位于紫坪铺库区范围内(图 1).
2008年5月12日汶川8.0级地震前,四川紫坪铺水库库坝区地震活动强度不高,自2004年水库台网运行以来,没有记录到4级以上地震.但与省内其他的水库库区地震活动比较,比如与大桥水库、二滩水库蓄水后的地震活动相比,紫坪铺水库的弱震活动相对活跃[10, 11],尤其是2005年9月下闸蓄水后分别在2006年10月和2008年2月发生的两次震群活动表现特别明显.从四川紫坪铺水库台网2004年8月到2008年5月11日记录的库区地震目录分析,库区弱震活动频度受到水库的水位大幅度升降变化的明显影响(图 2).2005年9月开始下闸蓄水后,水位从9月30日的760 m迅速上升到10月10日的821 m,在缓慢上升到12月3日的835m后,水位开始下降,地震活动出现逐渐增加的趋势;2006年8月13日开始,库水位再次出现大幅度上升,到10月7日累计上升54m,此后水位开始下降,结果10月12日出现了水磨震群(图 1中左边阴影位置),该震群距离2008年5月12日汶川8.0级地震不到5km;2007年12月14日库水位再次达到高值后开始下降,2008年2月14日又在大坝下游10km左右的地方发生了董家山震群(图 1中右边阴影位置).
地震波在各向异性介质中传播时,由于传播速度的不同,剪切波会分裂成快、慢两个剪切波列,这两个剪切波具有近似垂直的偏振特性.地壳岩石中普遍分布有近似直立、定向排列的平行裂隙,即Extensive-dilatancy Anisotropy(EDA)裂隙[16]. EDA裂隙结构是各向异性的,剪切波在这种结构中传播时,会分裂成快剪切波和慢剪切波.快剪切波的偏振方向与应力诱发的定向排列裂隙面的走向一致:即快剪切波偏振方向与原地最大主压应力方向一致;慢剪切波的时间延迟反映了地壳介质的各向异性程度,它受到介质中裂隙的物理特性和所含的流体特性的影响.剪切波入射到自由表面时,若入射角大于临界角,则会发生全反射现象,这是剪切波窗口的限制条件.对于泊松介质,临界角约为35°,但由于地壳表面沉积层的影响,简单地按照单层介质计算,选择入射角小于45°范围内的地震射线,即可满足剪切波窗口的要求[17].
本研究使用剪切波分裂系统分析法---SAM方法[18].SAM方法是在相关函数的基础上提出的一种分析方法,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,具有自我检验的特点[18, 19].新的SAM方法软件系统升级为SAM(2007)[20, 21],具体的计算原理和分析方法可参阅相关文献[2, 6, 19, 21~24].
图 3显示的分别是桃子坪台、八角台和灵隐寺台记录到的三次不同地震事件剪切波的质点运动轨迹,即剪切波偏振图.三次地震事件分别是TZP台记录的2006年1月18日1.7级地震,震中距13km,震源深度12km;BAJ台记录的2007年2月12日1.3级地震,震中距3km,震源深度6km;LYS台记录的2008年2月14日3.7级地震,震中距9km,震源深度12km.由于剪切波已经发生了分裂,在水平方向上两个分量的剪切波的质点运动轨迹并不是线性的.如果快剪切波偏振方向为α角,把剪切波按α角进行顺时针旋转,得到快、慢剪切波,再进行时间延迟校正,把慢剪切波提前,扣除时间延迟的影响,得到偏振图,此时的两列剪切波的偏振图应该表现为更接近线性的偏振.若快剪切波偏振方向的计算结果不正确,由于快、慢剪切波相互混在一起,则得不到分离的快、慢剪切波.若时间延迟的计算结果不正确,则扣除时间延迟影响的剪切波偏振图不会是线性的.如果发现结果有偏差,则需要根据波形和偏振特征进行修正,这也正是SAM方法的优势所在[6, 18, 22].
根据四川紫坪铺水库数字地震台网提供的地震目录,本文收集整理了四川紫坪铺水库数字地震台网监测范围内自2004年8月到2008年5月11日的1.0级以上并有深度记录的地震460次.通常震中定位误差有几千米,剪切波分裂的时间延迟在相当程度上会受到震源定位精度以及震源机制的影响.如果震源深度误差是5~12km,延时误差可达到30%~40%[25, 26].因此,本研究在进行剪切波分裂分析前运用双差定位方法[27]对所有地震进行了重新精确定位.
如前所述,剪切波窗理论入射角的临界值为35°,但射线在接近地表时,由于低速层或沉积层的影响,射线传播的轨迹会逐渐趋向垂直方向.根据龙门山地区的速度结构[28]并结合石油部门的浅层勘探速度结果,在该地区给出厚度分别为1km、5km、20km,速度为3.7km/s、4.3km/s、5.9km/s的条件.对于一个深度为12km,震中距为19.5km的地震,简单计算入射角为58.5°,但实际入射角为35. 3°.本研究中使用单层模型概念下的58°入射角作为剪切波窗口,根据这里给出的速度模型,本研究使用的数据都在剪切波窗口内.根据剪切波窗口的约束条件,得到剪切波窗口内的有效地震记录520条.在此基础上挑选观测质量较好的波形记录,最后得到用于计算剪切波分裂的地震记录226条,其中八角台70条,其余各台的记录在20~25条之间.图 4给出了8个台的剪切波分裂结果.
快剪切波偏振方向与台站的原地主压应力方向一致,受区域应力场的控制,与断裂分布和地质构造等有关[6, 19, 23, 24, 29].图 5是紫坪铺库区8个台站的快剪切波偏振方向优势分布.从图 5中可以看出,除GHS、MZP和TZP三个台快剪切波偏振优势方向仅一个方向突出外,其余的5个台站的快剪切波偏振都显示出了两个相对明显的优势方向,一个为NE向,另一个为NW向,而YZP台的快剪切波偏振优势方向为近N-S.
由于同一台站接收到不同地震事件的快剪切波偏振方向不完全一致.因此,采用求角度平均的方法[30~33]分别计算各个台站的平均快剪切波偏振优势方向θ、R值及慢波时间延迟(表 1、图 5),R值在0~1.0之间,其大小反映了快剪切波偏振方向的集中程度,越接近1.0说明快剪切波偏振方向越集中.
将整个研究区域8个台共计226个剪切波分裂事件的数据综合起来,得到全部记录的快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图(图 6).所有剪切波分裂事件的平均快波偏振方向为126.2°±52.2°,R值为0.64,慢波的平均延迟时间为5.38±3.62 ms/km.同时,图 6也显示出整个区域的快剪切波偏振方向具有两个主要优势方向,两个优势方向分别为51.2°±24.7°和135.9°±21.1°,R值分别为0.91和0.93.即研究区域的快剪切波偏振方向一个优势是北西方向,与研究区的主压应力方向一致;另一个优势为近北东方向,与研究区里的龙门山断裂带的走向一致.
赵珠等[28]的研究结果表明,龙门山及附近地区剪切波速度结构具横向不均匀性.这与龙门山断裂带位于重力梯度带上,也是地壳厚度的分界线的构造上的复杂性相关.本研究范围尽管只涉及龙门山中段的一部分,但其结果也显示出这种构造上及应力场双重影响的复杂性.
紫坪铺库区8个台站的台间距最大的不到20km,但剪切波分裂分析结果已显示出明显差异. 8个台的平均快剪切波偏振方向除GHS的与龙门山后山断裂走向一致外,其余7个台的结果没有显示出与龙门山断裂走向或区域主压应力方向的简单一致(表 1).除GHS、MZP和TZP三个台快剪切波偏振方向有很清楚的一个优势方向外,其余5个台站的快剪切波偏振都显示出了两个相对明显的优势方向.在三个有单个优势方向的台站中,TZP和MZP台的快剪切波偏振的优势方向为NW,GHS台快剪切波偏振的优势方向为NE.在5个有复杂偏振优势方向分布的台站中,BAJ、LYS、ZDZ和BAY等4个台快剪切波偏振的两个优势方向分别为NW和NE方向,而YZP台的快剪切波偏振的主要优势方向为NNW近N-S方向,而另一个较离散的方向相对集中指向约为NE(图 5).
YZP台的快剪切波偏振优势方向为近N-S向,与原地主压应力方向、GPS观测结果及龙门山断裂走向都存在较大的差异,这与原来使用更长时间、仅包含区域台网波形资料的研究结果是一致的[33].这从一个方面也证明我们的研究结果可能真实地反映了研究台站附近的应力场或断层情况.
2008年5月12日汶川8.0级地震后,石玉涛等[34]研究了汶川余震序列地震的各向异性变化特征.其研究所用台站分布于整个龙门山,其中有三个台距离本研究所用台站较近.三个台中,L105台的平均快剪切波为近N-S,和本研究YZP台结果一致;L106、L5501台的快剪切波都有两个优势方向,与本研究BAJ、LYS、ZDZ和BAY等台结果一致.进一步分析台站分布与龙门山断裂的分布,L105、YZP两个台都分布在龙门山断裂的东南侧,且距离相对远.而L106、L5501、BAJ、LYS、ZDZ和BAY等台都在龙门山断裂上或距离断裂很近.可见,剪切波分裂参数真实地反映了构造和应力场特征.
从快剪切波偏振方向随时间变化过程分析(图 7),四川紫坪铺库区的快剪切波的偏振方向在2006年10月之前比较分散,在近NS、EW、NE和NW向都有明显分布.自2006年11月开始,快剪切波偏振方向出现了新的变化趋势,近NS向的逐渐消失,近EW向的自2007年下半年开始也逐渐减少,NE和NW两个方向逐渐突出,而这两个方向一个是区域应力场方向,另一个是汶川大地震发震断裂---龙门山断裂方向.因此,四川紫坪铺库区快剪切波偏振方向随时间的逐渐集中这一变化可能与汶川大地震前区域应力场的增加和龙门山断裂带微破裂增加有关.
慢剪切波时间延迟参数是度量各向异性程度大小的物理量,它对地壳应力场的微小变化所引起的地壳裂隙的变化非常敏感.紫坪铺库区8个台站共计226条记录的平均慢剪切波时间延迟为3.92±2.72 ms/km,最大值是八角台(BAJ),两个不同优势方向的时间延迟分别为7.52±4.25 ms/km和7.51±4.52 ms/km,全部记录的平均值为7.41±4.32 ms/km.其次是灵隐寺台(LYS),两个不同优势方向的时间延迟分别为4.97±2.73 ms/km和8.72±4.11 ms/km,全部记录的平均值为6.22±3.64ms/km.最小的是油榨坪台,两个不同优势方向的时间延迟分别为4.12±1.85ms/km和2.89±1.64 ms/km,全部记录的平均值为3.42±1.80ms/km.其他5个台的时间延迟相差较小,都在4ms/km左右.引人注目的是,慢剪切波延迟时间较大的灵隐寺台和八角台正好位于四川紫坪铺水库的库坝区和库尾区,而慢剪切波延迟时间最小的油榨坪台距离四川紫坪铺水库水域最远.根据雷兴林等[35]的研究结果,灵隐寺台和八角台正好处于水库蓄放水引起的应力变化较大的区域两端,而油榨坪台所在的位置应力基本不受水位变化影响.
从慢剪切波时间延迟随时间变化过程分析,各个台站表现出了较好的一致性.由于地震记录样本数量的关系,仅对所有台站的记录和有效记录最多的八角台(表 1)慢剪切波时间延迟进行具体分析.在四川紫坪铺水库2005年9月底开始蓄水后,其水位变化出现了三次比较大的升降过程,升降幅度在50~75m之间,水位的大幅度升降变化必然导致库区应力场的同步变化.从整个库区和八角台慢剪切波时间延迟的变化过程分析,慢剪切波时间延迟与四川紫坪铺水库水位的升降变化显示出相关性(图 8),每当水位大幅度上升到最大值后,慢剪切波延迟时间随之增加,水位下降后慢剪切波延迟时间随之缩短.这个关系也基本符合Gao和Crampin[36]实验研究的剪切波分裂时间延迟变化与压力的关系.另外,整个库区和八角台的慢剪切波延迟时间数据比较离散(图 8a,8b),根据APE理论,时间延迟可能会由于应力的微小变化而产生显著的变化[37],高孔隙流体压力的剧烈变化会导致时间延迟数据的发散[38].因而认为,造成整个库区和八角台时间延迟数据发散可能是高孔隙流体压力的剧烈变化所致.
裂隙密度与剪切波速度各向异性直接相关,是描述地壳介质物理性质的基本参数,并随着应力场的变化而变化.根据关于具有稀疏、充水平行直立排列裂隙的岩石波速异常公式[39],可以大致估计岩石裂隙密度.对于泊松介质,可以推出如下公式:
(3) |
式中ρ为裂隙密度,β为不含裂隙介质的剪切波速度,τ为时间延迟.公式(3)中假设了裂隙充满传播路径,入射波与裂隙方向平行.根据(3)式计算得到紫坪铺库区的裂隙密度平均值为0.013±0.009,八角台附近和灵隐寺台附近的裂隙密度值分别为0.025±0.015和0.021±0.012.可见紫坪铺库区的平均裂隙密度与吴晶等[24]计算的京西北地区的结果比较接近,而处于四川紫坪铺水库库坝和库尾附近的灵隐寺台和八角台附近的裂隙密度比整个库区的平均值高60%以上.
6 结论龙门山断裂带位于重力梯度带上,也是地壳厚度的分界线.四川紫坪铺水库台网位于龙门山三大主干断裂上,其地形地貌及地下结构都较为复杂.本文使用四川紫坪铺水库库区8个数字地震台站2004年8月~2008年5月11日的波形资料,研究了四川紫坪铺水库库区的剪切波分裂现象,给出了该地区各台站的快波偏振方向,各个台站数据处理的结果呈现出较好的一致性.
快剪切波偏振优势方向代表了观测区域的原地(台站及其附近)主压应力方向或观测区域活动断裂走向.本研究计算得到的四川紫坪铺水库台网以及油榨坪台共计226个剪切波分裂事件的平均快波偏振方向为126.2°±52.2°,慢波的平均延迟时间为5.38±3.62 ms/km.同时,结果显示紫坪铺库区大部分台站有两个快剪切波偏振优势方向,一个是NW方向,另一个是NE方向.这些结果充分体现了四川紫坪铺水库库区北西向的区域主压应力场和北东向的龙门山活动断裂的共同作用.
YZP台的快剪切波偏振优势方向尽管比较离散,但主优势方向为近N-S向,与原来使用更早时间记录波形资料的研究结果是一致的[33],与库区主压应力方向及龙门山断裂走向都存在较大的差异,与紫坪铺库区其他7个台站都有两个优势方向的结果也不一致.其他学者[4, 5, 23, 24]的研究结果也显示,根据快剪切波偏振优势方向的分布不仅可以判断地下断层是否为活动断层,而且还可能揭示新的构造关系,比如在一定深度下存在的隐伏断层等.因此,YZP的剪切波分裂结果可能真实地反映了该台附近的应力场或断层情况.
其他一些剪切波分裂研究结果[2, 22, 29, 36, 40~45]显示,强震前后剪切波分裂参数会出现变化.本文的研究结果表明,库区快剪切波偏振方向随时间的变化可能与汶川大地震前区域应力场的增加和龙门山断裂带微破裂增加有关.慢剪切波时间延迟分析结果显示,紫坪铺库区8个台站中,位于库坝附近的LYS台和位于库尾附近的BAJ台处于水库蓄放水引起的应力变化较大的区域两端,其平均慢波时间延迟明显大于其他台站.而整个库区和BAJ台的慢波时间延迟与水库水位的变化相关.根据时间延迟得到的处于四川紫坪铺水库库坝和库尾附近的LYS台和BAJ台附近的裂隙密度比整个库区的平均值高60%以上.
本文的研究结果仅使用了汶川地震前的资料,得到的结果也是初步的.2008年5月12日汶川8.0级地震后,石玉涛等[34]利用汶川地震序列资料进行了剪切波分裂研究,但其研究范围远超出了四川紫坪铺水库库区的范围,而且汶川地震使得四川紫坪铺水库台网的多个台站损毁,他们的研究仅使用了区域台网及震后流动台站资料,而没有使用四川紫坪铺水库台网资料.尽管本文与这些研究的具体范围和使用台站资料都不同,但对于相同区域的研究结果是有一致性的.
致谢感谢四川省地震局水库研究所和监测研究所提供各种帮助和支持.
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