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2013年8月德钦-得荣MS 5.9地震序列S波分裂

吴朋, 黄春梅, 苏金蓉, 王宇航    

中国成都 610041 四川省地震局

本文收到日期:2016-03-30

基金项目:中国地震局测震台网青年骨干培养专项(项目编号:20160522);2017年度台站三结合课题(项目编号:CEA-JC/3JH-162305)

作者简介:吴朋(1983-), 男, 工程师, 主要从事数字地震学研究工作。E-mail:wupeng_789@126.com

摘要:2013年8月28日、31日云南德钦、四川得荣交界地区分别发生MS 5.2、MS 5.9地震,采用纵横比与偏振分析相结合的方法,测定此次地震序列S波分裂参数,即快波偏振方向和慢波延迟时间。BZL流动地震台得到272对S波分裂参数,等面积玫瑰图显示快波优势方向为NWW向,与台站附近断层走向和地震序列分布长轴方向一致;在MS 5.9地震发生后,快波偏振方向出现紊乱现象;观测到在MS 5.9地震发生的前一天慢波延迟时间迅速下降,表明较大地震发生前地壳应力突然释放。

关键词S波分裂    快S波偏振方向    慢波延迟时间    

About S-wave splitting of Deqin-Derong MS 5.9 earthquake sequence in August, 2013

Wu Peng, Huang Chunmei, Su Jinrong, Wang Yuhang    

Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China

Abstract: In this paper, combing aspect ratio method and the polarization analysis method, the polarization direction of fast shear wave and the delay time of slow shear waveform in the seismic data from August 2013 to February 2015 are measured. Finally, we got 272 pairs shear waves splitting parameters at BZL station. The equal area rose diagram shows the dominant polarization directions of fast shear waves are NWW, consistent with the strike of fault and the major axis of distribution of earthquakes. The shear waves splitting become disorder after the MS 5.9 earthquake occurred. The delay times of slow shear waves decrease quickly in 1 day after the MS 5.9 earthquake occurred, indicating the crustal stress released suddenly before the big earthquakes.

Key Words: shear wave splitting    the polarization directions of fast shear waves    the delay time of slow shear wave    

0 引言

2013年德钦—得荣MS 5.9震群发生在青藏高原东南缘,地处中国大陆主要强震活动区之一的川滇菱形块体西边界,主要分布在NW走向的德钦—中甸—大具断裂附近。据野外地质地貌调查结果表明,德钦—中甸—大具是1条右旋走滑兼正断性质的断裂带(常祖峰等,2014);而震源机制解表明,此次地震序列为正断层型地震,右旋走滑作用不明显(吴微微等,2015罗钧等,2015)。德钦—中甸—大具断裂北西起于德钦以西热水塘一带,向东经德钦、奔子栏、尼西、中甸、哈巴—玉龙雪山北,止于大东一带,长约300 km,自上新世末期至早更新世开始形成,第四纪中期以来,右旋走滑运动速率4—6 mm/a(沈军等,2001)。德钦—中甸—大具断裂历史上发生数次破坏性较强的中强地震,如:1933年6月7日小中甸6.3级地震、1961年6月中甸6.0级地震、1966年1月中甸5.2级地震、1966年9月中甸告湾6.4级地震及1993年7月中甸5.8级地震等。

大量观测资料和理论研究证实,地壳介质普遍存在各向异性特征,定向排列的微裂隙是导致地壳介质呈现各向异性的主要原因。S波穿过地壳中定向排列的微裂隙会分裂成近乎垂直偏振的快、慢两列波,快波偏振优势方向与裂隙面走向一致,且与原地最大水平主压应力方向相同(Crampin S et al,1985高原等,1996张永久等, 2008, 刘莎等,2015);快、慢波的到时延迟受到介质中裂隙物理特性和所含流体特性的影响,对地壳应力场变化反应灵敏。研究表明,位于活动断裂上的地震台站快S波偏振方向与断裂走向有关,复杂的地质构造环境会造成S波偏振方向的不同;在强地震发生后,位于震源区的台站快波偏振方向会出现紊乱现象(常利军等,2015李金等,2015吴朋等,2016)。因此,采用S波分裂方法,可以对当地地壳各向异性、应力场和断裂性质进行深入研究和讨论。

1 地震记录

2013年8月28日4时44分,四川甘孜藏族自治州得荣县、云南迪庆藏族自治州德钦县交界区域发生MS 5.2地震,根据中国地震台网测定,震中位置为(99.33°E,28.20°N),3天后于8月31日08时04分发生MS 5.9地震,震中位置为(99.35°E,28.15°N)。截至2014年2月28日共记录余震10 000多次,其中4.0≤MS<5.0地震9次,3.0≤MS<4.0地震25次,构成德钦—得荣地震序列,为研究该区域S波分裂提供大量基础数据。

此次MS 5.2地震发生后,云南省地震局和四川省地震局即在震中区域附近迅速布设BZL、DRO流动地震台站,2个台站均采用三分量地震计,采样率为100 sps。BZL流动台位于余震密集覆盖区域,是距离2次MS>5地震震中最近的台站。震源机制结果显示,2次地震均为正断层型地震(罗钧等,2015吴微微等,2015),主要分布在NW走向的德钦—中甸—大具断裂附近(图 1)。

图 1 德钦—得荣地震及主要断裂分布Fig.1 Distribution of the main faults, aftershocks of Deqin-Derong earthquake and stations in the studied

2 S波分裂方法

S波入射到地表,当入射角大于临界角时会发生全反射现象。用于S波分裂分析的地震波形记录要求在S波窗内。理论上,对于泊松介质(泊松比为0.25),S波入射角窗口约为35°(Booth D C et al,1985)。由于地表附近可能存在低速层以及S波入射到地表时波前是曲面,使得“S波窗”可能扩大,本文选择S波入射角≤45°的地震数据进行分析。

台站记录到“S波窗”内的地震波形显示,仅包含快S波时间窗的质点振动一般表现为线性偏振;慢S波到达后与快S波叠加,质点振动一般表现为椭圆偏振。纵横比法(Shih X R et al,1989MacBeth C et al,1992朱新运等,2009)利用该特征确定快波偏振方向,是坐标系轴(XY)与地震计2个水平分量(E—N)坐标轴之间夹角的函数,纵横比可表示为

$F\left( \theta \right)=\frac{\sum\nolimits_{i=1}^{n-1}{{{d}_{i}}\left| \text{cos}\left( \theta -{{\varphi }_{i}} \right) \right|}}{\sum\nolimits_{i=1}^{n-1}{{{d}_{i}}\left| \text{sin}\left( \theta -{{\varphi }_{i}} \right) \right|}}$ (1)

其中,${{\varphi }_{i}}=\text{arctan}\frac{{{y}_{i+1}}-{{y}_{i}}}{{{x}_{i+1}}-{{x}_{i}}},{{d}_{i}}=\sqrt{{{\left( {{x}_{i+1}}-{{x}_{i}} \right)}^{2}}+{{\left( {{y}_{i+1}}-{{y}_{i}} \right)}^{2}}}$。式(1) 中,φi为第i点与第(i+1) 个采样点的位移矢量与方向北之间的夹角,di是2个采样点之间的矢量大小,n是表示快S波采样点个数。实际分析时,将在1°—180°范围内以1°为增量取值,求取F(θ)对应的最大θ值。分析步骤如下:① 挑选S波到时清晰的地震波形数据,在2个水平分量上重新拾取S波到时;② 截取快S波到时前20个采样点和到时后15个采样点的波形数据,绘制波形质点运动图(一般取S波到时后15个采样点,根据实际需要增减采样点个数),见图 2,挑选快S波质点振动为线性或近似线性对应的地震事件(图 2),根据公式(1) 计算快波偏振方向,并利用偏振分析法进行验证;③ 将2个水平分量的地震图旋转到快波偏振方向和慢波方向(图 2),可见2个不同到时的S波震相;④ 采用偏振图分析法测定慢波延迟时间(图 2),将快慢波到时差除以震源距进行归一化处理。

图 2 BZL台站记录的201308310954地震数据S波分裂示意Fig.2 The shear-wave splitting analyzing of the earthquakes recorded by station BZL(201308310954)

图 2中,(a)图展示地震波三分向记录,2条竖线标出截取的S波数据段;(b)图为截取波数据段的质点偏振图,其中S1为快波到时,S2为慢波到时,线段间距表示0.01 s;(c)图为快慢波波形图,2条竖线标出快、慢S波到时,其中S表示慢波,F表示快波。

3 观测结果分析

采用纵横比与偏振分析相结合的方法,测定BZL流动地震台站记录的地震S波分裂参数,获得272对S波分裂参数。结果表明,快波偏振方向明显为NWW向(图 3)。慢波延迟时间不仅与介质各向异性程度有关,还与在各向异性介质中的传播路径长度有关,为了消除传播路径对慢波延迟时间的影响,将慢波延迟时间除以震源距进行归一化处理。结果显示,归一化慢波延迟时间的最小值为1.25,最大值为18.15,平均值为4.9±3.1。

图 3 BZL台快波偏振方向等面积投影及余震和断层分布Fig.3 Lower hemispherical project and equal-area rose diagram of fast shear wave polarization directions at BZL

3.1 快波偏振方向分析

图 3(a)给出BZL流动地震台快波偏振方向等面积投影,可以看出,该台站只有1个突出的快波偏振方向,表现为NWW向。根据现场科考及地震分布,认为此次地震的发震断层为NWW走向的德钦—中甸—大具断裂(常祖峰,2015贺赤城等,2015吴微微等,2015),见图 3(b)。BZL台站位于地震密集覆盖边缘区域,快波优势方向及余震分布的长轴方向与德钦—中甸—大具断裂走向一致,表明该台站快波偏振方向主要受此次地震影响。

为了进一步分析德钦、得荣交界地震序列S波分裂参数在MS 5.9地震前后的变化特征,绘制BZL流动地震台站在2013年8月29日至10月31日快波偏振方向随时间的变化关系图,见图 4,图中黑色点表示快波偏振方向,红色箭头表示2013年8月31日MS 5.9地震发震时刻。结果显示,在MS 5.2地震发生至MS 5.9地震发生前时段内,离散度较小,平均值为112°±22°;8月31日MS 5.9地震发生后,快波偏振方向出现短时紊乱现象,且随着时间推移有逐渐集中现象(图 4)。由此可知,MS 5.2、MS 5.9地震发生前,德钦、得荣交界地区地壳应力方向有一定集中现象,但2次5级地震的发生使集中的应力得到释放,表现为快波偏振方向紊乱,随后震源区应力场变化逐步恢复。德钦、得荣交界地区地震活动发展,有待跟踪监测。

图 4 BZL台站快波偏振方向随时间变化Fig.4 The temporal variation of fast shear wave polarization directions at station BZL

3.2 慢S波延迟时间变化

慢波延迟时间对地壳中微裂隙的几何形态及密度较为敏感,因此在一定程度上反映了地壳中应力的分布特点(Crampins,1981Booth D C et al,1990)。根据地壳中微裂隙不同参数对慢波延迟时间的影响,将地震射线与裂隙面夹角15°—45°范围定义为区域1(band-1),地震射线与裂隙面夹角 < 15°范围定义为区域2(band-2)。区域1的慢波延迟时间对地壳应力作用下的微裂隙几何形态较为敏感,而区域2的慢波延迟时间对地壳裂隙密度较为敏感(Crampins, 1999, 2005GaoY et al,2008)。

慢波延迟时间离散度较大,本文采用7点滑动平均显示慢波延迟时间的变化趋势,BZL流动台归一化延迟时间随时间的变化见图 5,图中黑色点为归一化的慢波延迟时间,红色实线为7点滑动平均计算结果,红色箭头表示2013年8月31日MS 5.9地震的发震时刻,左侧图中影音区域放大见右侧图。BZL流动地震台站于2013年8月29日架设完成,因此只对MS 5.9地震前后的慢波延迟时间变化进行分析讨论。在MS 5.9地震发生的前1天,观测到BZL流动台慢波延迟时间突然降低,持续至此次地震的发生,此后慢波延迟时间迅速下降,表明此次强震后该震源区地壳应力增加,余震的不断发生使应力得以释放。

图 5 BZL台站区域1和区域2慢波每千米延迟时间变化Fig.5 Variation of the normalized delay times of slow shear wave at BZL station

4 结论

利用纵横比与偏振分析相结合的方法,测定2013年8月云南德钦、四川得荣交界2次MS 5.0以上地震震源区BZL流动地震台S波分裂参数,得到272对S波分裂参数,分析得到以下结论:快波偏振优势方向为NWW向,与流动台站附近的德钦—中甸—大具断裂走向和余震序列的长轴一致;快波偏振方向的离散度在MS 5.2、MS 5.9地震前较小,表明2次5级地震前德钦—得荣交界地区地壳应力有一定程度集中,地震后地方局部应力场得到恢复;在MS 5.9地震前1天慢波延迟时间突然降低,表明较大地震发生前地壳应力突然释放,而地震发生后慢波延迟时间迅速增加,随着余震活动导致的地壳应力释放,慢波延迟时间逐渐减小。

感谢云南省地震局为本研究提供波形资料,感谢四川省地震监测中心提供观测报告和地震目录。

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