呼和浩特基準地震臺S波分裂研究

張 暉 高立新 韓曉明 趙鐵鎖 王 鑫 賈彥杰（中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震局）

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呼和浩特基準地震臺S波分裂研究

張 暉 高立新 韓曉明 趙鐵鎖 王 鑫 賈彥杰
（中國呼和浩特010010內蒙古自治區地震局）

摘要選取呼和浩特基準地震臺2008—2015年產出的全球MS6.0以上遠震地震事件資料，使用Splitlab軟件，對遠震震相（SKS、SKKS、SS）綜合分析，運用旋轉相關法和最小能量法，進行S波分裂研究。在計算過程中，使用圖形特征和結果對比的方法，對計算結果的質量進行判定，最終得到快波偏振方向主要集中在-12°—6°，延遲時間主要集中在0.9 s左右，與其他文獻研究結果吻合。通過本次單臺S波分裂研究，為今后更大范圍的S波分裂研究提供了有效方法，也為今后單臺測震學科研究工作提出新的思路。

關鍵詞SKS震相；Splitlab軟件；S波分裂研究；快波偏振方向；延遲時間

0 引言

S波分裂又稱為S波雙折射，是指橫向偏振的S波在通過某種形式的有效彈性各向異性固體傳播時，分裂成兩個近似垂直偏振的震相，這兩個分裂的震相具有不同的傳播速度和不同的振動方向（張少泉，1992）。理論研究表明：在偏振圖上，質點運動軌跡呈現橢圓狀。適當旋轉三分量地震圖可以將分裂的快慢橫波分離出來（Crampin S，1978；Crampin S，1981）。研究表明：在簡單剪切作用下，橄欖石晶體的優勢取向（LPO）只取決于地幔的有限應變，與產生應變的變形過程無關，且LPO平行于應變橢圓的主拉張軸，通常代表當前的地幔變形和流動方向（Ribe N M，1989，1992）。因此，研究地震各向異性可以對地幔變形和流動提供約束。

呼和浩特屬于一級構造單元華北陸地塊，位于大青山—冀北古弧盆系中大青山—涼城陸緣盆地（潘桂堂等，2009），周邊毗鄰大青山山前斷裂、岱海北緣斷裂、和林格爾斷裂等活動斷裂。通過分析呼和浩特地下介質的各向異性，對該地區地下介質的性質、應力場變化及地震活動特征有積極的意義。呼和浩特基準地震臺（臺站代碼HHC）建立于20世紀70年代，臺站測震觀測先后經歷“九五”“十五”改造，積累了多年數字地震觀測資料，自2007年起連續6年獲得“全國測震資料評比”前3名的優異成績，為本次研究提供了高質量的數據基礎。

1 數據與方法

選取呼和浩特基準地震臺2008—2014年產出的MS6.0以上、震中距大于80°的地震事件，對SKS、SKKS、SS震相進行S波分裂研究。為了取得更好的計算結果，對資料進行進一步篩選，發現震中距90.3°—143.3°范圍內的地震事件可以得到清晰的SKS、SKKS、SS震相，由此選取該震中距范圍內的地震事件進行分析。

在計算S波分裂時，主要使用Splitlab軟件（Wustefeld A et al，2008），該軟件同時使用旋轉相關法（以下簡稱RC法）（Bowman J R et al，1987）和最小能量法（以下簡稱SC法）（Silver P G et al，1991）進行S波分裂計算。兩種方法對單個遠震記錄的SKS震相開展偏振分析，求取各向異性參數對（φ,Δt），其中φ表示快波偏振方向，Δt表示快、慢波的到時差。而同時使用兩種方法計算S波分裂，可以有效判定結果中弱各向異性或無效事件（Null）（Wustefeld A et al，2007）。所謂的無效事件是指不產生分裂的地震記錄，無效事件的出現可能與臺站下方的各向同性介質相關，也可能由該事件的方位分布平行或垂直于快波偏振方向所致。

根據Barruol等（1987）和Wustefeld等（2007）關于分裂測量的判別方法，根據原始地震記錄中震相的信噪比、快慢波校正前后的波形、質點運動軌跡及不同測量方法（RC法和SC法）得到的S波分裂參數等，將分裂結果分為高質量有效分裂結果（good Non-Null）、一般（fair Non-Null）、不可靠（poor）、高質量的無效分裂結果（good Null）和質量一般的無效分裂結果（fair Null）5類。從圖形特征和不同方法（RC法和SC法）所得測量結果兩個方面，對所得S波分裂結果進行判定，以尋找高質量的有效分裂結果（good Non-Null）。

1.1 圖形特征判定S波分裂結果質量

可通過以下圖形特征判定S波分裂結果質量：①初始信號質量高，包含水平向信噪比（SNRT）＞3及S波可能干擾的排除；②在各向異性水平層中，質點運動呈橢圓形態；③去除各向異性的水平層中，質點運動呈線性形態；④快慢波波形的一致性程度。

滿足以上4個條件的為高質量的有效分裂結果（good Non-Null），滿足以上3個條件為高質量的一般分裂結果（fair Non-Null）；滿足以上2個條件為不可靠的分裂結果（poor）。

1.2 RC法和SC法分裂結果綜合判定結果質量

利用以下兩點判定高質量的分裂結果（Non-Null）：①兩種不同算法延時時間比率ρ；②兩種不同算法快波偏振方向差的絕對值Δφ。

本次研究選取滿足以上兩點，且0.8＜ρ＜1.1、 |Δφ| ＜8°的為高質量有效分裂結果（good Non-Null）；0.7＜ρ＜1.2、 |Δφ| ＜15°為一般分裂結果（fair Non-Null）。為提高遠震記錄中震相信噪比，在計算各向異性參數前對數據進行帶通濾波處理。多數情況下，選擇0.02—0.2 Hz濾波器，少數情況下（僅2008年地震資料），采用0.01—0.1 Hz濾波器。

在使用SKKS和SS震相計算過程中并未得到高質量有效分裂結果，僅在使用SKS震相時才可以得到高質量的有效分裂結果，而利用SKS研究地震波各向異性有其獨特的優勢（呂慶田等，1996）：①根據切向分量是否為零容易判別速度各向異性的存在與否。因為在核幔邊界上由P波轉換為S波時，SKS波徑向偏振，若SKS穿過各向同性介質，則切向分量為零；反之若穿過各向異性介質則切向分量不為零；②近垂直人射的SKS波直接反映臺站下方的速度各向異性，提供很高的橫向分辨率；③計算結果可靠，幾乎沒有多解性。因此本次研究重點使用SKS震相計算所得的S波分裂結果。目前，一般認為S波分裂測量方法中，利用最小能量法(SC法)測量得到的結果相對更加可靠和穩定（Vecsey L et al，2008；Gao S S et al，2009），因此雖然綜合使用了RC法和SC法，但對于有效分裂結果的討論和分析，我們將利用最小能量法（SC法）測量得到的結果。

2 剪切波分裂結果

選取呼和浩特基準地震臺2008—2014年震中距90.3°—143.3°的118個遠震地震事件，使用SKS震相進行S波分裂研究。根據上述分析判定方法，得到18個高質量有效分裂結果（good Non-Null），見表1。由表1可見：①呼和浩特地震臺快波偏振方向主要集中在-12°—6°范圍內，即NW方向，快波偏振方向直方圖見圖1；②延遲時間主要集中在0.9 s左右，見圖2，與常利軍等（2011，2012）取得的研究結果基本一致。

進一步分析發現，呼和浩特地震臺臺址下方介質的各向異性參數，尤其是快波偏振方向并非隨機分布，而主要集中于兩個范圍內的反方位角區域，即26°—37°和114°—126°的反方位角范圍中，可能與參與計算的地震事件方位分布（圖3）有關，同時反映臺站下方介質復雜的各向異性結構。

圖1　快波偏振方向Fig.1 Fast polarization direction histogram

圖2　延遲時間Fig.2 Delay time histograms

表1　呼和浩特地震臺S波分裂高質量結果Table 1 S wave splitting quality results of Hohhot Seismic Station

圖3　高質量有效SKS分裂結果地震分布Fig.3 Earthquake distribution of high-quality SKS splitting results

由于此次研究主要使用SKS震相，各向異性信息主要針對上地幔以上介質。上地幔各向異性是由形變導致地幔橄欖巖中的晶格優勢排列引起的， 因此橫波分裂測量結果直接反映了上地幔變形和地幔流動場的特征（Long M D et al，2008）。一些學者認為，各向異性主要是現今地幔流引起的（Silver P G et al，1996；Vinnik L P et al，1992）。在構造穩定區，各向異性被認為是該區最后一次大規模構造運動遺留在巖石圈中的“化石”各向異性；在構造活動區，各向異性反映了正在進行的構造運動（Silver P G et al，1991）。在現代板塊聚合帶附近區域，各向異性主軸平行于板塊邊界；在裂谷區，各向異性主軸平行于地殼裂谷的拉伸方向；在造山帶，各向異性主軸與山脈走向平行，在大型走滑斷裂帶附近，與斷裂帶的走向平行（Vinnik L P et al，1992）。 此外，絕對板塊運動方向（APM）與各向異性快波方向一致，說明巖石圈下的地幔流對各向異性具有重要作用（Vinnik L P et al，1992）。

本研究的快波偏振方向與常利軍等（2011，2012）研究結果基本一致，見圖4。分析本研究快波偏振方向的結果發現，所得方向既不平行于APM方向，也不平行于NE或NNE趨向的區域地表構造走向。本次研究應該反映了“化石”各向異性，即主要存在于大陸構造穩定的單元，保留了地幔變形歷史信息。

由于本研究僅使用一個臺站記錄，不能有效得出呼和浩特及周邊地區各向異性層厚度，需要做S波分裂研究，利用所得結果才可以得出較大范圍的各向異性層厚度（鄭秀芬等，2006）。

圖4　呼和浩特地震臺SKS分裂研究結果Fig.4 Results of Hohhot seismological SKS splitting

3 結論

通過對呼和浩特地震臺記錄進行S波分裂研究，尤其在使用SKS震相進行分裂研究時，對資料選取有一個清晰認識，今后將重點選取震中距90°—140°的MS6.0地震進行SKS分裂研究。同時，通過本研究也能熟練使用Splitlab軟件，綜合運用旋轉相關法和最小能量法，通過波形特征的定性限定及兩種方法所取得結果的定量限定，從而取得高質量的有效SKS分裂結果，為今后更大范圍和區域內使用更多臺站數據進行S波分裂研究起到很鋪墊作用。

本次研究結果發現，呼和浩特地區SKS分裂主要反映上地幔各向異性，其中快波偏振方向主要集中在-12°—6°范圍內，即NW方向，而取得快波偏振方向所使用的地震事件并非隨機分布，主要集中分布在26°—37°和114°—126°的反方位角范圍中，可能與參與計算的地震事件方位分布有關，同時反映臺站下方介質復雜的各向異性結構；延遲時間主要集中在0.9 s左右。所得研究結果與前人研究結果基本一致，即快波方向既不與絕對板塊運動方向一致，也不與構造走向一致，反映的各向異性可能是遺留在古老克拉通的厚的巖石圈內“化石”各向異性的表現。而由于本次僅僅使用一個臺站記錄的數據，所以所取得的延時時間不能準確反映呼和浩特地區各向異性層的厚度，需要在今后工作中加入更多臺站數據進行研究。

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S wave splitting study at Hohhot Seismic Station

Zhang Hui，Gao Lixin，Han Xiaoming，Zhao Tiesuo，Wang Xin and Jia Yanjie
(Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010010， China)

Abstract

In this paper， using rotational correlation and minimum energy methods provided in Splitlab software package， a comprehensive S wave splitting study of teleseismic phase (SKS， SKKS，SS) data selected from global MS6.0 event waveform record by Hohhot Reference Seismic Station during 2008—2015. In the calculation process， the quality of calculating results is evaluated by use of graphical features and comparison method. The fi nally results show that the fast polarization directions are mainly concentrated in -12°—6°， and delay times， mainly in about 0.9 s， which is agree with those of other literature studies. Through this S wave splitting research of single station， a wider range of effective methods for the S wave splitting is presented for the future study， also put forward new ideas for the future single seismic disciplinary research work.

Key words：SKS phases，Splitlab software，S wave splitting study，fast polarization direction，delay time

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 007

基金項目：中國地震局三結合項目（編號：150503）及中國地震局科技星火計劃青年項目（編號：XH15009Y）資助

作者簡介：張暉（1982—），男，碩士研究生，工程師，主要負責地震監測預報工作。E-mail：zhandyg@163.com

本文收到日期：2015-08-16