2. 中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室), 北京 100036;
3. 河北省地震局邯郸中心台, 河北邯郸 056001;
4. 河北省地震局测震专业仪器系统检测评估与观测场地遴选创新团队, 石家庄 050021
2. Key Laboratory of Earthquake, Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
3. Handan Central Seismic Station, Hebei Earthquake Agency, Handan Hebei 056001, China;
4. Innocative Research Team of Hebei Earthquake Agency for Seismograghs Calibration, Valuation and Selection of Observation Sites, Shijiazhuang 050021, China
三江地区是由怒江、澜沧江和金沙江西向东展布、并流形成的区域,位于青藏高原东南缘,川滇菱形块体西南,是印度板块和欧亚板块碰撞的侧向地带,也是青藏高原物质向东南逃逸的重要区域(Tapponnier et al, 1982;曾融生等,1992;Royden et al., 2008;Zhang et al., 2004;Hou et al., 2004).由于晚古生代-中生代的构造演化和新生代大陆碰撞,这里发生了大规模成矿作用,形成了多金属富集区(邓军等,2014).三江及周边地区变形强烈,地震活跃,监控该区现今的应力状态,分析其与区域构造的关系,对研究青藏高原侧向生长模式和岩石圈变形机制具有重要意义.
地球内部广泛地存在各向异性现象,获取介质各向异性特征的途径之一是分析S波分裂参数(Crampin, 1978, 1981;Vinnik et al., 1989;Silver and Chan, 1991),包括快剪切波(快波)的偏振方向和慢剪切波(慢波)的时间延迟两个指标.研究表明,位于活动断裂上台站记录到的快波偏振方向与断裂走向一致,而远离断裂的台站记录到的快波偏振方向与区域主压应力方向平行(Crampin et al., 2003; 石玉涛等,2006;Boness and Zoback, 2006;Gao et al., 2011);慢波时间延迟反映了介质各向异性程度和应力场的变化(Crampin and Peacock, 2005;Gao and Crampin, 2006,2008;Gao et al., 2011, 2012;Shi et al., 2012).因此,S波分裂结果可以反映区域应力状态与局部构造特征.通过S波分裂方法不但能够研究大尺度的地壳介质特征和应力状态,研究小尺度的应力环境特征也同样有效(石玉涛等,2009;郑拓等,2017).利用介质的各向异性特征可以探讨区域构造的变形、区域应力分布以及断裂性质等问题(高原等, 2010, 2013).
地壳各向异性结果的可靠性,很大程度上取决于地震事件波形的数量和质量.青藏高原东南缘的固定台站数量较少,台间距较大,地震台站覆盖密度难以满足小尺度区域地壳各向异性研究的需要.因此,在重要的构造区需要额外架设流动地震台站,以获得密集的高质量波形数据.目前,由于缺乏足够多的高质量地震波形数据,该区域的地壳S波分裂研究成果较少,只是针对川滇地区强震震源区或大区域的各向异性特征开展了研究(雷军等,1997;高原等,2004;太龄雪等,2015;李金等,2015).基于密集台阵观测研究三江地区各向异性特征的研究还是空白,需要做进一步的研究.
1 构造背景三江地区位于欧亚板块和印度板块的侧向碰撞地带.在特提斯构造背景下,该区域内的不同陆块在不同时期经历了强烈的变形作用(管烨等,2004).受印度板块的推挤作用,第四纪以来,新构造活动强烈,深大断裂体系发育,地震活动频繁(Wang and Gao, 2014;Li et al., 2018).
受大陆板块的侧向碰撞影响,三江地区形成了大规模逆冲断层(刘俊来等,2006),其东部为川滇菱形块体,中部为兰坪—思茅盆地,西部是腾冲—保山地块.金沙江缝合带和怒江缝合带从研究区内穿过.区域内有多个活动断裂展布,其中有近NS向的怒江西断裂、怒江断裂、澜沧江断裂、兰坪—云龙断裂等,NNW向的永平断裂、漕涧断裂、维西—乔后断裂、南涧—巍山断裂、红河断裂等,NE向的中甸—龙蟠—乔后断裂、小金河—丽江断裂、程海断裂等(图 1).其中红河断裂北起洱源,向东南方向延伸,全长970 km,是川滇菱形块体的西南边界,红河断裂向北延伸是维西—乔后断裂.丽江—小金河断裂把川滇块体分成南北两区,北区为川西北块体,南区是滇中块体.
三江地区复杂的应力环境造成该区断裂构造极其发育,其走向大致分为NW、近NS和NE向.震源机制和GPS观测研究结果表明,三江地区的主压应力方向为近NS向(阚荣举等,1983;杨国华等,2003).吴建平等(2004)利用中小地震求解震源机制解对云南地区构造应力场开展研究却显示区域主压应力场有顺时针旋转的趋势.此外,由于研究区位于中国大陆一、二级构造块体的过渡地带,地壳厚度变化剧烈,莫霍面从西北到东南逐渐变浅.研究结果表明云南西北地区,地壳厚度达到62 km,而南部地区,地壳厚度仅为33 km,S波速度结构具有很强的横向不均匀性(吴建平等,2001).Zhang和Gao(2019)利用中国科学台阵一期的流动地震台站数据,得到研究区域地壳厚度范围是46~55 km.由于研究区域构造复杂,对于该地区应力状态的认识尚未达成共识.因此,本文利用三江地区的流动密集地震台阵(SL-Array)和固定地震台站的波形数据,采用剪切波系统分析方法(SAM),对该地区开展地壳各向异性研究(高原等,2004b),试图为三江地区的地壳变形、应力和地壳结构特征提供新的约束.
2 资料与研究方法 2.1 数据资料2016年11月,中国地震局地震预测研究所在三江地区架设流动线性地震台阵(SL-Array),共计28个流动台站,采用Nanometics公司的仪器,其中地震计型号Trillium 120P,周期为120 s;数据采集器型号Taurus,采样率为100 Hz.本文主要利用SL-Array线性台阵(2016年12月—2017年5月)和国家地震台网(2015年01月—2017年12月)记录到的小震波形资料进行地壳剪切波分裂研究.在此期间,根据中国地震台网中心提供的地震目录,在研究区内共获得ML4.0以下小震波形记录7548条(图 1).在计算过程中,本文使用40 km厚的单层速度模型,剪切波窗口设为50°.
2.2 研究方法在本研究中,采用剪切波分裂系统分析方法-SAM方法开展地壳各向异性研究.SAM方法包含相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验.该方法具有自我检验的功能,得到的结果具有很高的可靠性.图 2是进行滤波处理后台站SL06和EYA记录到的地震波形:(a)为台站SL06记录到的2017年01月19日ML1.6地震事件,震源深度13.0 km,震中距7.47 km;(b)图为台站EYA记录到的2016年11月15日ML2.0地震事件,震源深度9.0 km,震中距9.13 km.图 3—图 4是利用SAM方法对台站SL06和EYA记录的地震波形进行S波分裂参数计算分析的实例.S波在通过各向异性介质时,会分裂成两列新的波列(即快波和慢波),对这两列波重新投影,分别计算它们在各个方位、不同时间延迟的相关函数,相关系数最大所对应的旋转角度和时间延迟即为快波的偏振方向和慢波的时间延迟.在实际计算过程中,由于观测波形存在未知的干扰分量,相关函数计算结果经常偏离较大,特别是时间延迟的误差较大,因此仅仅把相关函数计算结果作为参考,最后用可视化的偏振图进行检测得到最终结果.在偏振分析图中可以看到,在快波到达后、慢波未到时,S波质点运动轨迹的方向与正北方向成一夹角α,即为快波的偏振方向.慢波到达后,叠加到快波上,质点运动轨迹会发生变化(图 3).将两个分量的剪切波同时旋转α角度可以分离快、慢剪切波.理论上,快、慢剪切波来自同一震源的同一列剪切波,消除时间延迟后,质点的运动轨迹具有线性相关(图 4).经过时间延迟校正后,两个记录S波质点的运动轨迹线性度很高,证明了分析结果的可靠性.
通过计算分析,本文得到34个台站的剪切波分裂参数(表 1),其中有效记录在3条以上(含3条)的台站有25个.统计各台站的快剪切波偏振结果,得到了研究区域快剪切波偏振方向的下半球等面积投影玫瑰图(图 5).结合研究区各台站下方的剪切波分裂结果,计算得到区域快剪切波平均偏振方向为165°±30°.通过各台站下方快剪切波偏振方向的下半球等面积投影玫瑰图(图 6)可以看出,大部分台站的快剪切波优势偏振方向一致性较好,例如SL04-SL09、SL11、SL17和TUS、YOS等;一部分台站有两个快剪切波的优势偏振方向,例如SL01、SL13、SL14、SL19、SL21、EYA、HEQ、LUS等;个别台站快剪切波结果比较复杂,如SL15、SL18、SL21等,还有的台站有效结果较少(1~2条有效记录),例如SL03、SL20、SL23-SL26、SJ01、LIJ、YUL等.
研究区内主要发育NW、近NS和NE向的断裂构造,SL测线横跨研究区的多条断裂(图 7).由计算结果可知,研究区台站下方的快剪切波偏振方向主要为NNW、近NS和NE向,与该区域内断裂走向具有较好的一致性,与太龄雪等(2015)利用中国地震科学台阵一期的观测数据在本区域得到的结果一致.结果显示,研究区的各向异性特征具有分区性.根据快剪切波偏振方向的空间分布特征和三江地区的构造背景,大致以维西—乔后断裂和小金河—丽江断裂为界,将SL测线上的台站(图 7中的阴影部分)分为A、B和C三个子区域,分别讨论其剪切波分裂特征.
表 2给出了A、B、C三个子区域的剪切波分裂结果.可以看出(图 7),A区的快剪切波偏振方向为NNW向,与区域主压应力场方向一致;B区快波优势偏振方向为近NS向,有些台站具有两个优势偏振方向,有些台站结果比较离散,这一现象反映了该区域局部构造的复杂性;C区的快波偏振方向比较离散,没有明显的优势偏振方向,原因是台站获得的有效记录条数较少,近半数台站的结果只有1~2条,需要后期补充更多的数据来分析.研究区域内,自西向东,快波优势偏振方向表现为从NNW至近NS向的变化趋势,这与区域主压应力的结果(钱晓东等,2011)、GPS得到的地表应变结果一致(Gupta et al., 2015;Jin et al., 2019).鲁来玉等(2014)利用背景噪声得到的方位各向异性结果的变化趋势与本文的结果也基本一致.
A区台站位于维西—乔后断裂以西,区域内的构造单元从西往东依次是保山地块、澜沧江断裂带和兰坪—思茅盆地,断裂走向主要是NNW和近NS向,断裂性质多为逆冲型(刘俊来等,2006).该区的各台站下方快波偏振方向一致性较好,快波优势偏振方向为NNW向,与云南西部区域主压应力方向一致(图 7).
台站SL01位于怒江断裂东侧,其快剪切波有两个优势方向,第一优势方向为近EW向,与怒江断裂走向几乎垂直,第二优势方向为NNW向,与怒江断裂走向一致,但第二优势方向数据只有一条,其结果不具有代表性.因此,我们推测SL01主要受附近逆冲断裂的影响.台站SL02位于漕涧断裂西侧,快剪切波偏振方向为近NS向,与断裂走向、区域主压应力方向基本一致.台站SL05位于兰坪—云龙断裂上,其快波NNW向,与兰坪—云龙断裂走向平行.台站SL04和SL06分别位于兰坪—云龙断裂的两侧,距离断裂有一定距离,这两个台的快波偏振方向一致性好,均为NNW向,与区域主压应力方向平行.台站SL07-09远离断裂,他们的快波偏振方向为NNW向或NS向,这与区域主压应力方向一致或近似平行.台站SL03和SL26的有效记录条数太少,暂不做分析.研究表明,快剪切波偏振方向受区域应力场控制,与台站原地的主压应力方向一致;活动断裂上的台站的快波偏振方向与断裂走向一致(Crampin et al., 2003;石玉涛等,2006;吴晶等,2007).台站靠近断裂,其快波偏振方向会受到断裂的影响.A区台站基本上距离附近的断裂都有一定距离,个别台站(如SL05)离断裂较近,但该断裂走向也与其快波偏振方向基本一致,故A区的快波偏振优势方向主要反映了区域主压应力方向,这里显示的上地壳各向异性主要是应力作用下的大量充液微裂隙定向排列所致.
B区位于川滇菱形块体的边界,是多条深大断裂的交汇区域,构造环境非常复杂.区域内有比较发育的红河断裂及其向北延伸的维西—乔后断裂,NW走向的南涧—巍山断裂,NE走向的中甸—龙蟠—乔后断裂和小金河—丽江断裂等.观测台站分别位于红河断裂的两侧.受复杂构造影响,各台站的剪切波分裂结果相差较大.获得的B区快波优势偏振方向为NNE向(图 7).
台站SL11-向,直接反映了在块体边界、断裂交汇区域复杂的应力环境(图 6).台站SL11位于维西—乔后断裂的西侧,快波偏振方向与维西—乔后断裂走向一致;台站SL12虽然在维西—乔后断裂上,但是其快波偏振方向为NNE向,与断裂走向不一致,反而与东侧的中甸—龙蟠—乔后断裂走向平行,结合台站附近的地形特征可知,SL12台仪器布设于NNE走向的山脉脚下,其快波偏振方向与山脉走向平行,反映了地形地貌特征对快波偏振方向的影响.台站SL13位于交汇带内部,其有两个偏振优势方向,第一优势方向为NNW向,与台站西侧的维西—乔后断裂走向一致,同时与区域主要应力方向一致;第二优势方向为NEE向.SL14位于交汇地带的东侧,同样具有两个优势偏振方向,第一偏振方向为NNE向,与附近的中甸—龙蟠—乔后断裂走向平行,第二优势方向有效记录较少,暂不做分析.台站SL15-18处于中甸—龙蟠—乔后断裂与小金河—丽江断裂之间,属于川滇菱形块体内部,地形明显起伏.SL15快波第一优势方向为近NS向,与SL17的偏振方向一致,与小金河—丽江断裂走向几乎平行;第二优势方向为NWW向,与中甸—龙蟠—乔后断裂垂直,反映了台站原地的应力特征.台站SL16的快波偏振方向NE向,与附近的中甸—龙蟠—乔后断裂走向呈锐角相交.SL18结果较离散,但其快波优势偏振方向为近EW向.位于两条断裂之间的SL15-SL18,快波偏振受到区域应力场、断裂和地形的多重影响,故偏振方向比较离散.但B区全部有效数据放在一起,依然显示出明显的优势方向,且与区域主压应力方向一致.
C区位于丽江—小金河断裂以西,川滇菱形块体内部,区域内的主要断裂走向为NNE或NE向,该区域剪切波分裂结果比较离散且有效结果较少,无显著的优势偏振方向.台站SL19位于丽江—小金河断裂的南侧,有两个优势偏振方向,第一优势偏振方向均为近NS向,与区域主压应力方向基本一致.台站SL21同样具有两个优势偏振方向,其第一优势方向与SL22的偏振方向具有很好的一致性,都为NE向,与丽江—小金河断裂走向一致.该区的其他台站有效记录均在1~2条,需要后期更多的数据来分析.C区的快波偏振方向分布特征反映了该区域上地壳各向异性更多受到断裂的影响.当然,进一步的研究还需更多数据的支持.
除SL测线上的流动台站以外,我们还得到了7个固定地震台站和测线以外的2个流动台站SJ01、SJ02的剪切波分裂结果.台站LUS位于怒江西断裂西侧,具有NNW和NEE向两个快波优势偏振方向,第一优势方向与怒江西断裂的走向一致,也与钱晓东等(2011)得到的该地区主压应力方向一致,而NEE向的第二优势方向与怒江西断裂走向垂直,可能是逆冲断裂的影响.台站TUS位于红河断裂带上,其快波偏振方向为NNW向且一致性较好,与红河断裂走向一致.EYA台位于川滇菱形块体的西南边缘,同时也是红河断裂、南涧—巍山断裂、维西—乔后断裂和丽江—小金河断裂等多条断裂的交汇处,两个优势偏振方向为近NS向和NEE向,反映了台站下方复杂的应力环境.HEQ台位于川滇菱形块体的内部,其第一优势方向为近NS向,与区域主压应力方向一致;第二优势偏振方向为NE向,与丽江—小金河断裂走向一致.台站YOS位于程海断裂附近,快波偏振方向NNE向,与程海断裂走向平行.台站SJ02的偏振方向为NE向,与北侧丽江—小金河断裂走向平行,体现了局部构造对台站下方各向异性的影响.SJ01、LIJ、YUL等台站有效结果数量很少,需要后期更多的资料来分析.
研究区域全部有效数据的快剪切波平均偏振方向为165°±30°(参见图 5),与区域主压应力方向有很好的一致性(钱晓东等,2011).SL测线上得到的A、B、C三个分区中,A区各台站的快波偏振方向一致性较好,总体呈NNW向,与主压应力方向一致;B区快波偏振方向虽然较离散,但快波偏振优势方向明显为近NS向;表明在A、B两区本研究获得的上地壳各向异性主要由应力引起.C区无显著的优势偏振方向,反映了断裂等构造因素的明显作用,该区每个台站下方的各向异性反映了应力与原地构造的多重影响.
4.2 慢剪切波时间延迟时间延迟反映了地下介质各向异性的程度,它是震源到台站路径上的剪切波传播路径的整体效应.研究认为,慢剪切波延迟时间一般在0.04~0.30 s之间(Crampin et al., 1984;Silver and Chan, 1991),而位于复杂构造上的台站,时间延迟可能会增大至0.5 s(Savage et al., 2012).由于每个地震具有不同的震中距,为了统一描述介质各向异性程度,同时也方便比较,我们把时间延迟归一化,即计算单位射线长度上的时间延迟(单位为ms·km-1).
由表 1可知,研究区域大部分台站的时间延迟在1.4~5.7 ms·km-1范围内,计算得到三江地区慢剪切波的平均延迟时间为2.8±1.7 ms·km-1.表 2给出了SL测线上的A、B、C三个区域的慢剪切波时间延迟,其中时间延迟最小的是A区,最大的是B区.在川滇块体的西部,兰坪—思茅地块和保山地块,主要受区域构造应力场的控制,断裂以及山脉走向与区域构造应力场方向基本一致,表现出的各向异性强度较弱.而在川滇块体的西边界区域,既是块体之间的过渡区域,又是多条断裂汇聚的地带,断裂之间的性质特征各不相同,表现出较强的各向异性特征.反映了研究区不同构造块体间地震各向异性强度的不均匀分布,同时揭示了区域内构造复杂程度与地壳各向异性强度的关系.研究表明,断裂构造及因断裂作用而在断裂附近产生的裂缝对地壳各向异性有很大影响(Savage et al., 2012),断裂附近的台站记录到的地震射线传播路径在通过断裂区时对时间延迟会产生影响,如怒江西断裂附近的LUS台,维西—乔后断裂与丽江—小金河断裂之间SL11-SL19台,位于多条断裂交汇处的EYA台等,其时间延迟均明显超过其他台的时间延迟.
Sun等(2012)利用中国地震局在青藏高原东南缘地区的固定台站,采用Pms转换波接收函数方法,获得12个台站的地壳各向异性参数,发现在青藏高原东南缘地区下方存在显著的地震各向异性,时间延迟范围在0.5~0.9 s.孙长青等(2013)利用云南地区布设的21个流动宽频带地震台,利用切向能量最小化方法获得Pms分裂参数,结果显示慢波时间延迟平均为0.25 s.接收函数得到的慢波时间延迟明显大于本文得到的结果.接收函数方法使用远震波形,损失了高频信号.因此,我们推测本文的各向异性结果主要来自于上地壳定向排列的微裂隙.
5 结论本文采用SAM方法分析了云南流动线性地震台阵(2016-12—2017-05)和国家固定地震台网(2015-01—2017-12)记录的小震数据,获得了34个台站的314条有效记录,得到了研究区的剪切波分裂参数和上地壳各向异性的空间分布特征.
三江地区快剪切波平均偏振方向为165°±30°,与区域主压应力场方向一致,均为NNW向.研究结果显示,研究区的各向异性特征具有分区性.本文以维西—乔后断裂和小金河—丽江断裂为界,将SL测线上的流动地震台站划分为A、B和C三个区域.A区快波优势偏振方向为NNW向,且各台站结果的一致性较好,与区域主压应力方向平行.B区既是构造块体的交界,也是多条深大断裂的交汇区域,快剪切波偏振方向结果分布较凌乱,但优势方向表现为近NS向.C区快剪切波偏振方向比较离散,无明显优势方向.三江地区慢剪切波时间延迟为2.8±1.7 ms·km-1,其中时间延迟最大的是B区,最小的是A区,反映了研究区的地壳各向异性强度存在东西方向上的差异,揭示了活动断裂、地表构造复杂程度与地壳各向异性强度的联系.
受大陆侧向碰撞影响,研究区构造活动强烈,断裂发育.研究区复杂的构造环境决定了区域内复杂的应力状态.本文得到的剪切波分裂参数反映了研究区内上地壳各向异性的空间分布特征.自西向东,快波优势偏振方向表现出NNW向至NS向的变化,C区由于有效结果较少,无优势偏振方向.本文的结果使用的流动观测数据较少,只是初步结果,后期将利用更多的流动观测数据对该地区开展进一步的研究工作.
致谢 云南省地震局为本研究提供了固定地震台站的地震波形数据,两位审稿人为本文提出了宝贵意见,在此一并感谢.
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