2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究

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2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究第28卷第2期2006年3月(119～131)地震ACTASEISM0L0GICASINICAVoI.28,NO.2Mar.,2006文章编号:0253—3782(2006)02—0119-132000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究王新岭¨刘杰'张国民¨马宏生¨王辉¨1)中国北京100036中国地震局地震预测研究所2)中国北京100036中国地震台网中心摘要2000年1月15日姚安M6.5地震后,云南省地震局在余震区布设的流动数字台网接收到了大量余震序列的数字波形,这为研究姚安地震的性质提供了丰富的资料.由于剪切波经过上地壳传播时的分裂现象反映了上地壳介质的各向异性,因此在对余震事件进行精确定位的基础上,文中应用互相关系数法计算了余震序列剪切波的分裂参数,并对不同台站和不同区域得到的结果进行了分析讨论.主要得到以下结论:余震区的平均快波偏振方向受区域应力场控制,与主震最大水平主压应力方向一致;不同台站与不同区域事件的平均快波偏振 方向是有差异的,与区域内的构造变化和应力场调整有关;延时大小受多种因素影响,与剪切波传播时经过介质的性质关系密切.关键词各向异性剪切波互相关系数法快波偏振方向延时中图分类号:P315.31文献标识码:A引言地壳中的岩石微裂隙在各种地球物理现象的变化中起着至关重要的作用(Akietal,1970;Crampinetal,1980).人们基于分析地震发生时发出的剪切波分裂现象,对上地壳岩石介质的各向异性开展了广泛深入的研究.一般利用张性扩容各向异性假设(Crampin,1978),或者修改过的各向异性孔隙弹性假设(Crampin,Zatsepin,1997;Zatsepin,Crampin,1997;高原等,1999)来解释上地壳介质的各向异性.这些模型归结于各向异性的上地壳存在充满液体,近垂直方向的微裂隙,微裂隙的排列方向由上地壳内介质的应力场方向决定(Zhang,Schwartz,1994;Zinke,Zoback,2000).微裂隙具有某一优势取向的定向排列形成了岩石介质的各向异性,进而造成剪切波传播时的分裂(Hudson,1981).当剪切波经过充满液体的微裂隙传播时,分裂成平行于微裂隙方向的剪切波和垂直于微裂隙方向的剪切波.平行于微裂隙方向的剪切波传播速度要比垂直于微裂隙方向的快,快波的偏振方向一般平行于壳内介质的应力场方向.但由于地震区断层的交错和破裂引起的滑动影响上地壳区域内的介质性质和应力场,因此剪切波的分裂参数主要与传播时经过区域的构造特征和应力场相关(Crampin,1990;Peng,Yehuda,2005).剪切波的分裂参数还依赖 *国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418406),"十五"国家科技攻关项目(2004BA601B01—04—03)资助2005—03—21收到初稿,20060112决定采用修改稿.十E—mail:wangxlbo@sohu.corn12O地震于传播路径上的矿物成分(Learyetal,1987;Zhang,Schwartz,1994;Zinke,Zoback,2000)以及矿物晶体排列方向造成的各向异性(Kern,Wenk,1990;Aster,Shearer,1992).2000年1月15日云南省姚安地区相继发生了Ms5.9和Ms6.5地震(图1),主震后发生了大量的余震,一直持续到2000年底.为深入研究姚安地震的性质,云南省地震局在主震发生当天在余震区布设了由6套数字地震仪组成的/I,~L径流动数字台网(图1),在2000年1月15日～2月1日记录到3169个余震事件,最大余震为ME4.9(秦嘉政等,2003).由于台站与余震区相距较近,记录到的地震波数量很大,质量也非常高,这为研究姚安地震区上地壳介质的各向异性提供了便利条件.钱晓东等(2002)采用判读质点运动图的方法给出了余震区236条剪切波的平均快波偏振方向为152.4.,延迟时间大部分在3.5～10.5ms/kin.但是将同一区域不同台站的快波偏振方向简单平均可能会掩盖结果的复杂性(Crampin,1990;高原等,1995).因为剪切波分裂参数体现的是地震波传播路径上介质的性质,如果不精确确定地震位置以及简单地平均,就无法给出每个台站周围介质性质的异同. 图1姚安地震余震分布小图中实心圆为主震的位置;大图中实心圆为姚安Ms6.5主震和Ms5.9前震的位置;图中AA和BB分别表示两个截面的位置,中心点为主震震中本文是在对余震事件进行精确定位的基础上,将上述记录的资料经过严格筛选,挑选出一批符合条件的地震波,利用互相关系数法(Zhang,Schwartz,1994;OkadaPtnz,1994;高原,郑斯华,1994)测量了它们的剪切波快波偏振方向和慢波延时.参照前人结果,结合姚安地震区的应力场,地质构造等性质,将不同台站的计算结果进行了对比分析,同时对马游台和巴拉蚱台的结果进行了分区讨论.2期王新岭等:2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究1211计算方法剪切波传播时经过各向异性的介质后发生分裂,分裂成快波和慢波.这两个波在近似互相正交的振动方向上以不同的速度传播,据此可以将接收到的剪切波分离为两个波.尽管两个分离出的剪切波振幅通常有一定差别,但其形状相似.地面上的流动数字台站接收到的是三分向的地震波(东西向,南北向与垂直向(图2a)).由于剪切波的固有性质与剪切波窗的特殊要求,剪切波分裂对接收到的波形影响,以及地震波的能量都主要集中在东西向与南北向的波形上,所以计算剪切波的分裂参数就是将东西向与南北向的波形进行旋转分离出快慢波,计算它们的互相关系数.互相关系数最大时的快慢波时间差与快波振动方 向,就是剪切波分裂的延时和快波偏振方向(Okadaetal,1994;高原,郑斯华,1994).NS———————H～6030030—60图2利用互相关系数法计算快波偏振方向与延时的例子(a)一个地震事件三分向地震波形的原始记录;(b)经过旋转和延时校正后的快(b1),慢(b2)波的波形(口一15O.2.,r一0.124s,c一0.8364);(c)经过旋转和延时校正后的粒子运动图,呈现无分裂的直线轨迹互相关系数法的简单原理如下:1)将台站记录到的东西向与南北向的剪切波在方位角0.～180.范围内旋转,得到快慢波的水平分量和.的振幅表示如下:A,(t,)一AEw(￡)sin0+ANs(t)cos0(1)A(t,)一AEw(￡)cos0一ANs(￡)sin0(2)其中,As和A分别表示南北向和东西向分量的振幅,为旋转角(北向为零,顺时针旋转).2)在一个确定的时间窗内,调整延迟时间,计算和.分量的互相关系数,互相关系数定义为C(0,r)一ro十r ∑A(￡,O)A(￡+r,)t=rO『l0十"tO+"√善(￡善z(￡+r)(3)∞∞0∞印帅∞O∞帅㈣∞O∞∞l22地震28卷式中,t,t.,r,t分别是波形的记录时间,剪切波的到时,快慢波到时差和时间窗长度.实际计算时为了保证波形的完整性与计算的准确性,t.是东西向与南北向完整波形的开始时间;t是剪切波窗长度,是完整波形的结束时间减去开始时间.本文利用遗传算法进行计算,自动选择互相关系数最大时的r和作为该记录的延时与快波偏振方向.根据前人在该地区的研究结果(钱晓东等,2002),遗传算法中设定的最大延时为0.2S;由于仪器的采样率是100Hz,因此延时的分辨率为0.01S.2数据挑选计算时采用的数字地震波形资料全部来自流动台网2000年1月15日一2月1日记录到的3169个地震事件的1o175条记录.每次地震波都是三分向记录,质量很高,可清晰辨别P波和S波的波形.在进行S波分裂研究前,本文在原有余震序列定位基础上,采用双差定位法对3个台站以上(包括3个台站)记录到的1367个地震事件进行了重新精确定位,定出1331个余震事件,占总有记录余震事件的42.0,其中涉及到5343条地震波记录.同时根据昆明区域台网的资料,结合精确定出的余震,校正了前震与主震的震源参数(图1).重新定位 结果显示余震事件分布比较集中,震源深度主要集中在6～12km,占定出结果事件的76.7(王新岭等,2005).为提高计算分析的可靠性,依据地震波的特征与剪切波分裂原理等设定以下规则来约束采用的资料(Peng,Yehuda,2004):1)剪切波窗理论入射角的临界值为35.,在这个窗内可以避免地表S—P转换波对剪切波分裂的影响(Nuttli,1961;Booth,Crampin,1985).由于射线在接近地表时,传播的速度逐渐降低,射线的入射角变小,射线传播时的轨迹趋向垂直方向,因此实际计算时采用临界角为45.的剪切波窗(Shih,Meyer,1990;Cochranetal,2003;Peng,Yehuda,2004).2)限制S—P到时差≤1.6S,目的是选择震中距大致在lOkm以内的地震波数据,以满足剪切波窗的要求.3)震级Mr≥2.0,以保证数字地震波的质量.4)直观检查地震波是否限幅,地震波记录是否完整,去掉断数的波形.5)由于地震波形是近震产生的,其频率主要在5～10Hz.本文采用带通5节0.8～10Hz的巴特沃兹带通滤波器对原始波形进行滤波,以抑制噪音,提高数字地震波形的质量.6)地震波的信噪比≥3.0,保证波形清晰.7)地震波东西与南北两个水平向的合成振幅与垂直向的振幅比≥1.5,以确保剪切波的能量主要集中在水平向上,满足剪切波窗的要求.8)地震波水平向的两个分量经过旋转和延时校正后合成的纵向能量与切向能量之比≥2.0,避免剪切波的原始偏振与裂隙排列方向垂直或者平行.9)由于地震波的采样率为100Hz,算出的延时如果小于0.01S,就认为是剪切波原始 偏振方向与裂隙排列方向垂直或者平行,剪切波没有进行分裂,不予采用.10)快慢波的互相关系数≥O.6,确保快慢波形旋转后比较相似.11)根据余震震源深度与钱晓东等(2002)的研究结果,设定最大延时为0.2s.由于采2期王新岭等:2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究123用在0～0.2S的时间窗内通过遗传算法确定快慢波的最大互相关系数,如果得到的延时≥0.19S,认为是极值的边界效应,该记录被舍弃.依据上述规则挑选出符合条件的地震波记录共计424个,占余震地震波总记录的4.179/6.由此可见上述限制条件非常严格,挑选出用来讨论分析的地震波质量很高,应该能客观反映姚安地震区上地壳各向异性介质的真实特征.3结果3.1计算结果经过上述挑选与计算后,流动台网的6个台站中有5个台站记录到了满足上述条件的地震波.由于同一台站接收到不同事件的快波偏振方向不完全一致,为进一步统计分析,采用式(4)和式(5)分别计算了每个台站接收事件的平均快波偏振方向与R值,R值在0～1.02:间,其大小反应了快波偏振方向集中的程度,越接近1.0说明快波偏振方向越集中(Davis,1986;Mardia,Jupp,2000).∑sin0一tanL_(4)∑cos0(5)式中,为某一台站计算出的事件数,0为每个事件的快波偏振方向.由于一个事件的快波 偏振方向旋转180.后是对称的,因此,利用式(4)计算平均快波偏振方向时,又加上每个事件快波偏振方向旋转180.后的数值,即计算时的事件个数为原来某一台站接收事件数的2倍.表1是式(4)和式(5)的计算结果,图3给出了5个台站上事件的等面积图,玫瑰花瓣图与延时分布.由表1和图3可知,官屯台,大河口台与马游台事件的玫瑰花瓣图较为集中,苤拉台与巴拉鲜台的比较散乱;5个台事件的延时时间分布都不集中,官屯台,大河口台与巴拉鲜台事件的延时分布明显以0.1S为界限,分成两段.虽然官屯台,大河口台与苤拉台事件的计算结果可能显示表1每个台站的结果参数台站事件数0/(.)一At/sR出姚安地震区上地壳各向异性介质的某种性质,但这3个台的事件数目太少,进行深入分析讨论缺乏统计意义.马游与巴拉鲜两个台站的事件数目较多,但事件的快波偏振方向相差较大.马游台事件的快波偏振方向较为集中,而巴拉鲜台事件的快波偏振方向分散,出现双峰现象.这些反映了上地壳各向异性介质性质的复杂性.下文的讨论分析主要基于马游台与巴拉鲜台事件的计算结果.3.2平均快波偏振方向表1中马游台的R值与图3d均显示快波偏振方向比较集中;表1中巴拉鲜台的尺值 124地震W..■.-I～'.1,/lj■■■/l7『|l''j}●图3等面积,玫瑰花瓣与延时分布图(a)官屯台;(b)大河口台;(c)苤拉台;(d)马游台;(e)巴拉鲜台等面积图的线棒方向平行于快波偏振方向,其长短按延时大小的比例与图3e均显示其快波偏振方向不太集中,出现双峰现象.由哈佛大学震源机制解结果和余震分布,判断姚安地震断层破裂是右旋走滑错动.同时得到主震最大水平主压应力方向为162.8.,震源区周围的区域应力场P轴方向为167.,两者基本一致,断层破裂主要受水平的区域应力场影响(毛玉平,万登堡,2001).图4,图5显示了马游台与巴拉鱼乍台每个事件的快波偏振方向,延时大小以及区域划分结果,还给出了马游台和巴拉啬乍台地震事件的平均快波偏振方向,断层方向,区域应力场与主震最大水平主压应力方向之间的关系.图4 显示马游台事件的平均快波偏振方向处于断层方向与区域应力场方向之间,十分靠近区域应力场方向;图5显示巴拉鱼乍台事件的平均快波偏振方向也与区域应力场方向相近,有一小角度差别,但与断层方向偏差则较大.由上述可知,余震区大范围内的剪切波平均快波偏振方向受区域应力场控制,但不同台站结果的平均快波偏振方向与区域应力场有不同的角度差别,这可能反映了震源区应力场的调整影响(Zhang,Schwartz,1994;Okadaetal,1994;Zinke,Zoback,2000;Liuetal,2004;Cochranetal,2003;Peng,Yehuda,2004,2005).3.3区域划分为进一步分析快波偏振方向与应力场,构造活动等的关系,在总的计算结果基础上,依据震中分布,地震事件相对断层的位置,快波偏振方向的一致性等特征,将马游台和巴拉鱼乍台的事件进行了区域划分(图4,5).采用式(4)和式(5)分别计算了图4,图5中每个区域的,R值以及平均延时(表2).表2与图4和图5显示出每个区域相对姚安地震断层的位置不同,平均延时发生改变马游台的平均延时从区域口至区域P逐渐增加,巴拉蚱台的平均延时从区域,至区域2期王新岭等:2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究125图4马游台地震事件的快波偏振方向平面分布实心圆为姚安Ms6.5主震;线棒的方向平行于快波偏振方向,其长度是按延时的大小比例,画在震中位置,方框表示划分的区域范围图5巴拉蚱台地震事件的快波偏振方向平面分布实心圆为姚安Ms6.5主震;线棒的方向平行于快渡偏振方向,其长度是按延时的 大小比例,画在震中位置,方框表示划分的区域范围126地震28卷事件数0/(.)RAt/s102O.80.6780.O8753145.40.7050.12390160.70.7290.12959169.60.7110.13838164.80.6010.1573O7.140.662 0.13257164.00.5190.1O865179.00.6650.116h有减小的趋势.为进一步研究延时的变化特点,图6给出了每个区域的延时分布和玫瑰花瓣图,其中采用时间间隔为0.02S进行延时分布统计.图6显示延时柱状图从区域n至区域h存在延时小的占优,延时大的占优,然后延时小的占优的变化趋势.平均延时大的区域在断层中部,平均延时小的区域在断层边缘,在断层外的区域口,平均延时最小.由主震的震源机制解和余震序列精定位结果可知,断层走向为119.,倾向为80..马游台在断层的下盘,十分靠近断层;巴拉蚱台在断层的上盘,与断层相对较远(王新岭等,2005).此外,表1中事件较少的3个台站中,苤拉台事件的平均延时最大,官屯台事件的平均延时较小,大河口台事件的平均延时最小,3个台站相对主断层的位置见图1.由上述现象结合选择波形的条件可知:剪切波传播时经过地震活动性强,余震事件密集的区域延时大,经0.0()().(JH【J16NW :j0翌20lO0..7'冬0.000.08(Jl"t/sNW◆JfJ..j1JL'..I.nI'rI一—J图6不同区域的延时分布和玫瑰花瓣图_ I2期王新岭等:2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究127过活动性弱,余震少的区域延时小.上述现象在国外的结果中也曾观测到(Okadaetal,1994:Cochranetal,2003).表2中的R值与图6中玫瑰花瓣图均显示出快波偏振方向要比区域划分前集中,只有区域g出现了明显双峰现象.不同区域相对姚安地震断层位置不同,其平均快波偏振方向也发生改变.由马游台事件划分出的区域n的玫瑰花瓣图为偏北东一西南向,北西一东南向占小部分,区域b～d的玫瑰花瓣图相近,与区域应力场方向一致;区域e的玫瑰花瓣图发生较大的偏转,近南北向占很大部分,与巴拉鲜台事件划分出的区域,和h的相似;区域g的玫瑰花瓣图呈现北西一东南向与近南北向的双峰,但是仔细观察区域g内事件的分布,没有发现偏振方向分别为北西一东南向与近南北向的事件有什么特殊的分布特征.由此可见,姚安地震区的应力场变化复杂,区域口,f与h事件的快波偏振方向受到近南北向的应力场作用;区域b,C与d事件的快波偏振方向受到震区区域应力场的影响;区域事件的快波偏振方向是上述两个应力场之间的过渡应力场作用结果,而区域g事件的快波偏振方向则受近南北向应力场与北西一东南应力场共同控制.图7给出了每个区域以及官屯台,大河口台与苤拉台事件的平均快波偏 振方向与平均延时大小,画在每个区域内地震事件震中的质心位置与台站位置的中心点.由于剪切波传播时经过区域的构造特征与应力场对延时大小与快波偏振方向有较大影响(Crampin,1990;Peng,Yehuda.2OO5),快波偏振方向受区域应力场控制,所以区域平均快波偏振方向的变化反映了每个区域的构造和应力场的差别.图7显示区域6～g与h的平均快波偏振方向以北西一东南向为主,受大的区域应力场方向控制;在主断层上的区域平均快波偏振方向相近,延时较大;n和,区域以及官屯台和大河口台事件的平均快波偏振方向为近图7不同区域的平均快波偏振方向与平均延时线棒的长度依照平均延时大小比例,平行于平均快波偏振方向,画在区域内事件震中的质心位置与台站位置的中心点南北向.由余震事件的震源机制解推测姚安地震还存在一个隐伏的北东一西南向断层活动(毛玉平,万登堡,2001),上述现象可能是两个断层的交错破裂滑动,小范围内构造的变化与应力场调整,造成了各个台站与划分区域事件的平均快波偏振方向不统一.3.4延时与震源深度的关系快慢波之间的延时由于资料,介质差异等条件的限制,延时的大小具有发散性(Crampinetal,2O04),其大小随深度变化的关系很难确定(Gamar,Bernard,l997;Sav— age,1989;Zhang,Schwartz,1994).因马游台与巴拉鲜台的事件较多,地震波的质量也很高,利用上述资料希望能揭示延时与震源深度之间的某种关系.图8给出了延时随震源128地震28卷深度与震中距的变化.图8显示出延时没有随震源深度,震中距增大而增加或者减小,相关性不大(Peng,Yehuda,2004,2005).图8延时与震源深度,震中距的关系.(a)马游台;(b)巴拉鲜台由表1,表2可知,每个台和不同区域的平均延时与平均快波偏振方向有区域性差异.图9给出了马游与巴拉鲜两个台站在45.剪切波窗内存在剪切波分裂事件的空间位置与快波偏振方向.图9显示出相同震源区同一地震事件的剪切波到达不同台站的快波偏振方向与延时不一致,说明延时大小,快波偏振方向与剪切波传播时经过的介质性质密切相关(Zhang,Schwartz,1994;Munsonelal,1995;Liuelal,2004;Cochranelal,2003;Peng,Yehuda,2004,2005).但是由于延时大小受活断层下高孔隙压及小区域内地表构造特征等多种因素影响(Crampin,1990;Crampinelal,2004),要确定上地壳那部分介质对延时起决定性作用,还需进行实验,观察与研究.图3与图8均显示延时以0.1S为界限分为上,下两部分,官屯台,大河口台与巴拉鲜台事件的结果尤其明显.Peng和Yehuda(2004)研究1999年土耳其Mw7.4与Mw7.1地震的余震剪切波分裂时,很多台站的结果也存在此现象.仔细观察事件比较多的马游台与巴 拉鲜台延时大于0.1S的事件与延时小于0.1S的事件空间位置分布,没有发现比较特殊的分布特征(图4,5,9).这种现象究竟是由于上地壳的介质差异,还是其它因素造成的,值得深入探讨.2期王新岭等:2000年姚安地震余震序列的剪切波分裂研究里嫩图9马游台与巴拉蚱台地震事件的截面分布与快波偏振方向(a)截面AA;(b)截面BB.线棒长度依照延时的大小比例,方向平行于快波偏振方向,画在震源位置;红色线棒为马游台结果,蓝色线棒为巴拉鲜台结果;截面位置见图14结论地壳内定向排列的微裂隙造成的各向异性已被理论和实验研究所验证(Hudson,1980,1981),剪切波分裂是上地壳介质各向异性的一种体现.微裂隙排列机制产生的各向异性受构造应力场所控制(Nur,1971;Crampin,1987),快波偏振方向与裂隙的方向平行,区域内的应力场和构造特征决定了快波偏振方向与延时的大小(Crampin,1990;Peng,Yehuda,2005).由上述观测到的事实说明,姚安地震区上地壳内大范围的存在各向异性的介质,姚安地震余震序列的剪切波分裂主要有以下特征:1)马游台与巴拉鲜台事件的平均快波偏振方向与区域应力场方向相近,与断层走向相差较大,表明余震区大范围快波偏振方向受区域应力场方向控制.2)姚安余震区的应力场复杂,不同区域的快波偏振方向发生偏转,由与区域应力场平行的方向变化偏转为近似南北方向. 3)快波偏振方向和延时大小与剪切波传播时经过的各向异性介质密切相关.推测由于主断层与隐伏断层的交错破裂滑动,区域内构造的变化,以及应力场调整,使各个台站与划分区域事件的平均快波偏振方向与平均延时不一致.4)每个台站与划分区域的事件平均延时相对于断层位置的变化而不同,剪切波传播时经过地震活动性强,破裂彻底的区域延时大,经过活动性弱,不完全破裂的区域延时小.本研究采用了云南省地震局秦嘉政,苏有锦等提供的地震波资料,河北省地震局高景春修改过的双差定位法程序,美国南加州大学PengZhigang提供的图形绘制程序;中国地震局地震预测研究所郑斯华,高原给予了很多原理上的帮助.在此一并表示衷心感谢.参考文献高原,李世愚,周蕙兰,等.1999.大理岩的剪切波分裂对差应力变化响应的实验研究[J].地球物理,42(6):77813O地震28卷～l84高原,郑斯华.孙勇.1995.唐山地区地壳裂隙各向异性[J].地震.17(3):283~293高原,郑斯华.1994.唐山地区剪切波分裂研究(1I)——相关函数分析法[J].中国地震,10(9):22~32毛玉平,万登堡.2001.2000年云南姚安6.5级地震[M].昆明:云南科技出版社,256～259钱晓东,李白基,秦嘉政.2002.2000年云南姚安Ms6.5地震余震序列S波分裂研究[J].中国地震,18(2):157～165 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