观测结果表明，中上地壳遍布定向排列EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy)微裂隙(Crampin and Atkinson, 1985).剪切波穿过EDA介质，会分裂成偏振方向近似垂直但传播速度不同的两列剪切波，其中快剪切波偏振近似平行于裂隙面，其优势方向一般与原地主压应力方向一致(Zhang et al., 2000；高原和吴晶，2008；Gao et al., 2012)，慢剪切波延迟时间(相对于快剪切波是时间滞后)描述介质各向异性程度的强弱.近年基于Pms(P波在Moho界面反射震相)时延方法获取全地壳各向异性的研究进展明显(Kong et al., 2016; Wang et al., 2016)，本研究采用近场记录剪切波(中上地壳地震的直达剪切波震相)分裂方法获取的各向异性实际上是中上地壳各向异性.反映中上地壳各向异性的地壳剪切波分裂，其快剪切波偏振方向可分析区域最大主压应力分布、局部构造(如隐伏断裂、盆山交汇、断裂交汇等)对剪切波分裂特征均有明显的影响(高原等，1995；吴晶等，2007；Gao et al., 2011；石玉涛等，2013；常利军等，2015；吴朋等，2016；钱旗伟等，2017；张艺和高原，2017).

近年来，水力资源丰富的河流上建立了大型高坝水库，为了监控水库地震的活动，在大型水库周围建立了专门的地震台网.国内外有学者(张永久等，2010；史海霞和赵翠萍，2010；邹振轩等，2010；刘莎和吴朋，2015；Tang et al., 2005；Vlahovic et al., 2003)利用剪切波分裂观测手段，开展了水库库区应力和流体压力等方面的探索研究.结果显示，水库地区剪切波分裂既受到区域应力场的影响，又受到局部构造影响，慢波时间延迟表现出与库区水位变化的对应关系(例如：张永久等，2010)，反应了水库的蓄水和排水通常会引起中上地壳水压的变化，进而使得中上地壳裂隙孔隙压强发生相应的变化.

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内(图 1)，是雅砻江干流下游河段(卡拉至江口河段)的控制性水库工程.坝高305 m，总库容77.6亿立方米，于2012年11月30日大坝下闸蓄水.锦屏水库周边布设有20个测震台站专门用于监测水库地区中小地震，2011年8月开始建设，2012年3月正式运行.2013年7月中旬开始，四川木里县项脚乡附近的地震活动显著增加.据中国地震台网测定：2013年11月22日3时41分、7时49分、7时51分，在四川省凉山彝族自治州盐源县、木里藏族自治县交界(北纬27.9°，东经101.4°)先后发生了3.7级、4.1级和3.4级地震，震源深度分别为9 km、13 km和13 km(文中简称为项脚震群).2014年12月21日13时09分，在同一区域内又发生了4.0级地震, 震源深度为15 km.截至到2014年12月，该区域内发生了七万多次小地震.因此，大量的地震数据为研究该区域剪切波分裂提供了丰富的数据资料.鉴于剪切波分裂对中上地壳局部应力变化较为敏感，为探讨了解库区应力状态和潜在地震危险性，本研究利用水库台网资料开展锦屏水库地区中上地壳各向异性研究，并探讨水位变化对剪切波分裂的可能影响.

图 1

Fig. 1

图 1 锦屏水库地区主要断层、地震台站分布和地震震中分布图 图中红色圆点是2011年8月至2014年12月区域小地震分布，黑色五角星表示M4.0级以上地震，蓝色三角形为地震台站.插图中的蓝色正方形为本文研究区域.F1：小金河断层；F2：光头山断层；F3：瓦科断层；F4：木里断层；F5：博瓦断层；F6：后所断层；F7：岩脚断层；F8：麦架坪断层；F9：卧罗断层；F10：棉垭断层；F11：霍尔坪断层. Fig. 1 The distribution of major faults, seismic stations and earthquake epicenters in Jinping reservoir Red dots indicate the locations of the earthquakes between August 2011 and December 2014. Black pentagrams indicate the locations of M4.0 earthquakes and larger ones. Blue triangles represent seismic stations. Blue square area in the inset map shows the location of the study area within Tibetan Plateau. F1: Xiaojinhe fault, F2: Guangtoushan fault, F3: Wake fault, F4: Muli fault, F5: Bowa fault, F6: Housuo fault, F7: Yanjiao fault, F8: Maijiaping fault, F9: Woluo fault, F10: Mianya fault, F11: Huoerping fault.

锦屏水库位于松潘—甘孜地槽褶皱系内.松潘—甘孜褶皱系在三叠纪以前为地台区, 在中、晚三叠纪转变为地槽, 印支运动最后一幕使地槽回返褶皱, 至侏罗、白垩纪时已全部隆升为陆地(任纪舜等，1980).学者许志琴等(1992)和任纪舜等(1999)则将松潘—甘孜褶皱系和龙门山褶皱带统一称为松潘—甘孜造山带.

研究区内的断裂主要有小金河断层、光头山断层、瓦科断层、木里断层、博瓦断层、后所断层、岩脚断层、麦架坪断层、卧罗断层、棉垭断层、霍尔坪断层(图 1).区域内分布有木里与盐源地震带，历史上曾多次发生强震.其中，木里1980年发生5.8级地震，其震源机制解表明(图 1)，该区域处于以走滑断层作用为主的应力作用，最大主应力轴的方向为北北西向(阚荣举等, 1977, 1983；成尔林，1981).

四川锦屏水库位于雅砻江流域，本文选用雅砻江流域地震台网7个台站(BDI、BWU、LWA、MBY、MYA、XJA和YZU)自2011年8月1日至2014年12月31日期间记录的地震数据和四川省地震台网1个台站(MLI)2008年5月1日至2015年8月31日期间记录的地震数据(图 1).8个台站均采用三分向地震计，其中MLI台站为BBVS-60宽频带地震计、其他7个台站均为FSS-3M短周期震计，数据采集器的采样率均为100 Hz.使用的地震资料中，不同时间段的地震活动性不同，发生的地震次数、b值和最小完备震级也有差异(表 1).

表 1 Table 1

表 1 研究区不同时间段的地震活动性 Table 1 Seismicity in different periods in study zone 时间 地震次数 b值 最小完备震级(ML) 2011-08-01—2012-11-30 264 0.73 0.8 2012-12-01—2013-06-16 236 0.95 0.5 2013-06-17—2013-09-23 15949 0.77 0.0 2013-09-24—2014-12-31 61279 0.88 0.0

表 1 研究区不同时间段的地震活动性 Table 1 Seismicity in different periods in study zone

根据平面波传播理论，在均匀介质中传播的剪切波入射到自由表面时，如果入射角大于临界角arcsin(V_S/V_P)(V_P和V_S分别是地表附近的入射P波和剪切波的波速)，就会发生全反射现象.这个临界角就是剪切波窗口的限定范围，用于剪切波分裂分析的地震波形记录要求在剪切波窗口内.对于泊松介质(泊松比为0.25)，剪切波窗口约为35°.然而，由于地表低速地层造成的射线弯曲通常可以将剪切波窗口的角度有所扩展，根据四川地区西部高原的速度结构(赵珠和张润生，1987)，假设一次地震的震源深度为7 km(重新定位后得到的震源深度优势分布在7 km左右)，震中距为9 km，按照单层均匀模型简单计算得到的地表入射角为52.1°.但是按照分层模型计算得到的地表入射角为37.1°.根据已有的研究结果(Crampin and Peacock, 2005)，本研究在实际工作中选用入射角小于等于52°为剪切波窗口，对符合条件的波形资料进行分析.

快剪切波(以下简称快波)偏振方向和慢剪切波(以下简称慢波)时间延迟是剪切波分裂最重要的特征参数，目前常用的剪切波分裂分析方法主要基于偏振分析法(Crampin，1978)、相关函数分析法(高原和郑斯华，1994)、纵横比法(Shih and Meyer, 1990)、最大特征值法(刘希强，1992).“偏振分析法”虽然工作效率低，但是方法直观、可靠，被广泛应用.本文首先根据地震目录，挑选出剪切波和P波到时差小于5 s的地震波形，然后选用高信噪比在剪切波窗口内的波形资料，使用剪切波分裂系统分析法，即SAM分析法(高原等，2008)中的偏振分析法，根据质点运动轨迹挑选出窗口内有效的地震事件，计算出快波偏振方向和慢波时间延迟(图 2和图 3).

图 2

Fig. 2

图 2 MLI台记录的地震波形剪切波分裂分析 地震震源深度为18 km，震级ML2.9，震中距13.5 km.20131104171616为地震事件记录编号.上图为东西(EW)、南北(NS)和垂直向(UD)的地震波形，两根竖线之间的波形用来做质点运动轨迹图(即偏振图)；下左图为东西(EW)和南北(NS)方向分量的剪切波的质点运动轨迹图，图中S1和S2分别表示快剪切波和慢剪切波，箭头指出S1或S2的到时；下右图表示快(F)剪切波和慢(S)剪切波的波形.上图和下右图的横坐标表示采样点的个数，纵坐标表示振幅. Fig. 2 Shear-wave splitting analysis of seismic wave recorded at station MLI The parameters of earthquake (event no. 20131104171616): focal depth is 18 km, magnitude is ML2.9, epicentral distance is 13.5 km. The upper is original waveform of 3 components, respectively in east-west, north-south and vertical one. The waveforms between two vertical lines are for polarization analysis. The lower-left is the trail of particle movement of original shear-wave and waveforms at north-south (NS) and east-west (EW) direction. The S1 and S2 indicate respectively the start position of fast shear-wave and slow shear-wave. The lower-right is fast shear-wave (F) and slow shear-wave (S). The abscissa of upper and lower-right is the number of sampling points. The ordinate is the value of amplitude.

图 3

Fig. 3

图 3 YZU记录的地震波形剪切波分裂分析 地震震源深度为10 km，震级ML1.9，震中距14.7 km.20131221074824为地震事件记录编号.上图为东西(EW)、南北(NS)和垂直向(UD)的地震波形，两根竖线之间的波形用来做质点运动轨迹图(即偏振图)；下左图为东西(EW)和南北(NS)方向分量的剪切波的质点运动轨迹图，图中S1和S2分别表示快剪切波和慢剪切波，箭头指出S1或S2的到时；下右图表示快(F)剪切波和慢(S)剪切波的波形.上图和下右图的横坐标表示采样点的个数，纵坐标表示振幅. Fig. 3 Shear-wave splitting analysis of seismic wave recorded at station YZU The parameters of earthquake(event no.20131221074824):focal depth is 10 km, magnitude is ML1.9, epicentral distance is 14.7 km.The upper is original waveform of 3 components, respectively in east-west, north-south and vertical one. The waveforms between two vertical lines are for polarization analysis. The lower-left is the trail of particle movement of original shear-wave and waveforms at north-south (NS) and east-west (EW) direction. The S1 and S2 indicate respectively the start position of fast shear-wave and slow shear-wave. The lower-right is fast shear-wave (F) and slow shear-wave (S).The abscissa of upper and lower-right is the number of sampling points. The ordinate is the value of amplitude.

在进行了剪切波分裂分析的8个台站中，得到了7个台站的快波偏振特征分布和慢波时间延迟参量.时间延迟已被标准化为每单位公里的时间延迟量(ms·km^-1).表 2给出了每个台站的快波偏振方向和慢波时间延迟的平均结果及剪切波窗内的有效地震条数.其中，MLI台站超过1000条，MYA和MBY台站分别为4条和13条，但在BWU台站没有获得有效分析记录.

表 2 Table 2

表 2 锦屏水库地区7个地震台站剪切波分裂参数 Table 2 The parameters of shear wave splitting from seven stations in Jinping reservoir zone 台站代码 快波偏振方向/(°) 快波偏振分向标准差/(°) 时间延迟/(ms·km-1) 时间延迟标准差/(ms·km-1) 窗口内有效地震个数 BDI 89 9 3.28 1.26 295 LWA 163 8 1.30 0.63 27 MBY 136 23 1.60 1.61 13 MLI 156 23 2.50 1.17 1035 MYA - - 1.46 0.50 4 XJA 5 16 2.17 1.12 214 63 18 2.31 1.24 235 YZU 52 12 2.00 0.84 670

表 2 锦屏水库地区7个地震台站剪切波分裂参数 Table 2 The parameters of shear wave splitting from seven stations in Jinping reservoir zone

2013年7月开始的项脚震群位于雅砻江流域地震台网监控区里.图 4给出了项脚震群附近7个台站的快波偏振方向等面积投影玫瑰图分布.从图中可以看出，除MYA台站有效数据条数比较少之外，其它台站的有效数据条数都较多，并具有明显的快波偏振优势方向.BDI台站的快波偏振优势方向为近EW向；LWA和MLI台站的快波偏振优势方向为NNW向；MBY台站的快波偏振优势方向比较离散，但最明显的优势偏振方向为NWW向，离散的数据形成另一个近NS方向的优势方向；XJA台站的有效数据很多，但快波偏振方向比较离散，图像上看似乎有两个快波优势偏振方向，分别为NNE和NE向(表 2)；YZU台站的快波优势偏振方向为NE向.

图 4

Fig. 4

图 4 台站的快波偏振方向等面积极射投影与等面积玫瑰图 黑色短线的方向表示台站记录的每个地震事件的快波偏振方向. Fig. 4 Lower hemispherical project and equal-area rose diagram of fast shear wave polarization directions The directions of the black short lines are polarizations of each fast shear wave recorded at stations.

项脚震群位于松潘—甘孜造山带内的木里弧形断裂带内，已有的川滇地区的构造应力场研究表明该区域主压应力为NNW向(阚荣举等, 1977, 1983；成尔林，1981；谢富仁等，2004).图 5为项脚震群附近各台站快波偏振方向的空间分布，图中可以看出，各个台的优势偏振方向存在明显的局部区域特征.位于研究区左侧的MLI、LWA、MBY和MYA台站，其中MLI和LWA的快波优势偏振方向为NNW向，而MBY和MYA则都是有一个优势偏振方向NW向，与区域应力场的主压应力方向大体一致，但MBY和MYA的另一个优势偏振方向近似为NS向，这种复杂图像应该是局部构造的影响.位于研究区右侧的YZU、XJA和BDI台站，其优势偏振方向呈现出不同的方向.YZU台站的快波偏振方向大致为NE，与其他台站不同，但YZU台站的一致性很强.XJA台站可能同时受到区域应力场和附近断裂分布(NE向的光头山断层及近似NNW向的岩脚断层与另一个更小的断层)的综合影响，快波偏振方向离散但呈现为NNE向和NE向的两个优势方向.BDI台站的快波优势偏振方向呈EW向，与区域应力场和断裂走向都不一致，但该台站的快波偏振方向一致性非常好(离散较小)，根据Gao等(2011)的结果，不能排除台站下方有近EW向的隐伏断裂构造的可能性；而另一种可能解释就是断裂端部造成应力场变化所致，这种情况则与Zhao等(2012)研究中的L6304台的结果有相似之处.

图 5

Fig. 5

图 5 项脚震群附近各台站快波偏振方向等面积投影玫瑰图分布 红色快波偏振方向代表蓄水前后偏振方向有变化的台站，断层信息同图 1. Fig. 5 The distribution of homolographic projection rose diagrams of the polarization directions of the fast shear-wave at each seismic station The red polarization direction indicates stations of change polarizations before and after reservoir storage. Faults are same as Fig. 1.

图 6给出了台站快波偏振方向(计算得到的全部偏振方向，未做换算处理)与水库水位变化的对比.图中可以清晰地看出，MLI台在第二阶段蓄水之前，快波偏振方向主要在0°~90°范围内离散分布，优势方向近似为45°(NE方向)(图 6与图 7)；在第二阶段蓄水之后、第三阶段蓄水/放水阶段和2014年7月第四阶段蓄水之后，偏振方向则主要集中在130°~180°范围内(图 6与图 7)；另一方面可以看到，第三阶段的放水后到第四阶段重新蓄水前及第四阶段的放水后，地震明显减少，有效地震条数也明显减少.YZU台在第二阶段蓄水之前窗口内有效的地震条数虽然只有4条，但快波偏振方向显示了与蓄水后明显的不一致，快波优势偏振方向从近90°(EW方向)变化为近45°(NE方向)(图 6与图 7).

图 6

Fig. 6

图 6 MLI和YZU台站快波偏振方向与水库水位变化 红线代表水位，绿色箭头表示期间最大的地震发生时间. Fig. 6 The variation of polarization directions of fast shear-wave at stations MLI and YZU v.s. water level change in reservoir The red line is water level. Green arrows mean occurrence time of largest two earthquake events.

图 7

Fig. 7

图 7 蓄水前后MLI和YZU台站快波偏振方向等面积投影玫瑰图对比 Fig. 7 The comparison of homolographic projection rose diagrams of the polarization directions of the fast shear-wave splitting at MLI and YZU before and after reservoir storage

图 7给出了MLI和YZU台站在第二阶段蓄水前后的快波偏振方向等面积投影玫瑰图.从图中可以看出，MLI在蓄水前快波优势偏振方向为NE向，而蓄水后变为NNW向；YZU台在蓄水前为近EW向，蓄水后为NE向.特别是对于有较多有效数据的MLI台，以第二阶段蓄水开始为界，快波偏振方向发生了近90°的变化，可能意味着当水位达到近1800 m时，水库底部渗透增加产生严重渗水，引起孔隙压明显增加，使得有高孔隙压的介质范围(深度)增加，最终导致快波偏振方向发生了90°翻转(90°-flip)(Crampin et al., 2002, 2003).

为了进一步分析MLI快波偏振方向的变化，分别按不同时段(蓄水阶段及M4.0级以上地震发震日期)画出了快波偏振方向等面积投影玫瑰图(图 8).从图中可以更好地看出，第二阶段蓄水前，四年多的时间内，窗口内地震条数只有48条，快波优势偏振方向为NE向.第二阶段蓄水过程中，窗口内地震条数猛增，快波优势偏振方向发生改变，为NNW向.第三阶段蓄水放水过程中，2013年11月21日发生了M4.1级地震，但地震发生前后，快波优势偏振方向没有发生改变.第四阶段蓄水放水过程中，2014年12月21日发生了M4.0级地震，地震发生前后，快波优势偏振方向也没有发生明显改变.这个结果近一步显示，快波偏振方向发生90°翻转的时间是在第二阶段蓄水达到近1800 m时，高孔隙压可能是主要原因(Crampin et al., 2002, 2003).

图 8

Fig. 8

图 8 不同时间段MLI快波偏振方向等面积投影玫瑰图 Fig. 8 The homolographic projection rose diagrams of the polarization directions of fast shear-waves at MLI in different time periods

本研究利用雅砻江流域台网7个台站和四川省地震台网1个台站记录的地震事件，采用剪切波分裂方法分析了四川锦屏库区项脚震群附近的中上地壳各向异性的分布特征，研究发现水库水位变化对快波偏振方向变化产生了影响.

本研究7个台站所有有效记录的快波偏振方向等面积投影玫瑰图显示出，研究区内快波优势偏振方向主要为NNW、NE、近NS和EW向，存在明显的局部分区特征，揭示了中上地壳的地震各向异性在地理空间上存在局部差异.

项脚震群位于松潘—甘孜造山带内的木里弧形断裂带内，已有的川滇地区的构造应力场研究表明，该区域的主压应力为NNW向.该区域内断裂构造发育十分复杂，使得区域应力场呈现局部性的特征，断裂构造与应力场的复杂分布造成了剪切波分裂参数分布的复杂图像.

研究区左侧的4个台站，快波优势偏振方向大致为NNW向或至少有一个快波优势方向为NW向，反映了该区域的主压应力引起裂隙定向排列的结果.研究区右侧的3个台，快剪切波优势偏振方向与区域的主压应力方向不同，反映了局部断裂构造的影响.BDI台的快波优势偏振方向与区域的主压应力方向及局部断裂构造都不一致，有两种可能的解释：一种解释是，EW向快波优势偏振方向揭示了台站下方附近可能存在近东西向的隐伏断裂构造；第二种解释是，断裂端部应力场变化导致了快波偏振方向的变化.

通过分析MLI台的快波偏振方向变化与蓄水有明显的时间对应关系，发现水位变化会明显影响快波偏振方向.这可能揭示了水库水位变化导致的局部应力环境变化或水的渗透导致了各向异性参数的变化.该结果支持了高孔隙压会引起快波偏振方向发生90°翻转的结论，而本研究的高孔隙压区域的增加，则可能是由于水位增加导致水库底部的渗透和压力增加所致.对于锦屏水库，水位达到约1800 m时，可能是一个会产生90°翻转的临界位置.

由于本研究数据的局限性，这些认识还需要更多相关资料的证实.

本研究的数据分析在SAM软件上计算完成.感谢2013年中国地震局地震预测研究所访问学者计划的支持，感谢雅砻江公司提供的观测数据.感谢中国地震局地球物理研究所常利军研究员、四川省地震局吴朋工程师和阮祥高级工程师以及审稿专家提出的宝贵意见和建议.