基于地殼介質各向異性分析山東地區構造應力特征

苗慶杰 劉希強 石玉燕 曲均浩 鄭建常 田鳳東

山東省地震局，濟南市歷城區港西路2066號 250102

0 引言

大量研究證實 （Crampin et al，2003；Silver，1996；Woodhouse et al，1986；Morelli et al，1986；Creager，1992），地震各向異性的情況在地殼內普遍存在，于是，人們用不同的模式解釋所觀察到的地震各向異性，這些模式包括：主壓應力方向排列的微裂隙、活動斷層附近的裂縫、沉積物中巖石的成層、巖石結構中的葉理以及晶體優先排列的方向等。Crampin（1978）提出EDA理論，該理論提出影響地震各向異性的來源主要是近地表呈垂直、充滿流體的平行排列的微裂隙，主要分布在上地殼。這些裂隙由于偏應力的作用不均勻地成行排列，這種受力成行排列的裂隙將展現出地震各向異性，因此，應力的影響可以通過引起各向異性的裂隙對地震波的影響進行監測。當剪切波在含定向排列的微裂隙中傳播時會產生分裂現象（Crampin et al，1985a、1985b、1986、1991；Evans et al，1987；Chen et al，1987；Daley et al，1988；Kaneshima et al，1989；Buchbinder，1985；高原等，1993、1995；姚陳等，1992），分裂為分別以不同的速度前進的兩列波，傳播速度較快的波稱為快波，傳播速度較慢的波稱為慢波。這兩列波振動方向近乎垂直，其中，所產生的快波的偏振方向跟大地應力的方向、構造和斷層走向以及礦物微裂隙排列方向有關，與微裂隙的排列走向一致，與所在地最大主壓應力方向一致，而慢波的延遲時間則跟地殼介質的各向異性程度和裂隙密度有關（Crampin，1999；Gao et al，2011；shi et al，2015）。地球內部應力場的改變會改變微裂隙的幾何參數，由此會引起剪切波分裂參數的變化（Crampin et al，1997；Gao et al，2004；Zhang et al，2009；高原等，1995、1996；石玉濤等，2006；吳晶等，2007a、2007b）。因此，追蹤研究剪切波分裂參數的時、空信息變化，對探索地震孕育的過程和發震機理，預測即將發生地震的時間、地點和震級具有應用前景（高原等，1996；Crampin，2001；Crampin et al，1999，2003，2008）。活動斷裂帶附近臺站的快剪切波偏振方向與斷裂的走向密切相關，在活動斷層交匯處，快剪切波偏振方向明顯離散化。另外，通過地震各向異性研究，可以了解研究區的內部構造及動力機制，尤其在地質勘探中，地震各向異性對于尋找儲油層和地熱資源以及在工程上采取防范措施和災害評估起到很大的幫助（Evans et al，1995）。

本文利用山東地震臺網記錄到的2009年1月至2015年6月地震波形數據，擬基于剪切波分裂研究，通過計算得到各個臺站的剪切波分裂參數，來分析探討山東地區的應力分布特征。

1 構造背景、資料和方法

山東位于華北構造區的東南部，是一個多地震的地區之一，曾發生以上地震70多次。山東地區的斷裂構造非常復雜，主要發育有NE、NNE、NW、NWW和近SN向幾組斷裂構造，這些斷裂構造系統在中生代及老第三紀時期具有強烈運動。新第三紀時期由于構造應力場的轉變，大部分斷裂的活動性質發生了改變，活動強度減弱。進入第四紀早、中期，大部分斷裂逐漸停止活動，特別是在第四紀晚更新世、全新世時期，大部分斷裂已停止活動。這一時期僅在塊體邊緣深大斷裂帶上持續有較強的活動，如NNE向的沂沐斷裂帶、NE向聊考斷裂帶以及NW向的渤海-威海斷裂帶等。

魯東、魯中南、魯西北幾個新構造區的內部斷裂活動性質和最新活動時代是不同的。魯東地區進入第四紀早、中期，大部分斷裂逐漸停止活動，僅在個別地段發現晚更新世活動斷層，如海陽斷裂。魯中南地區大部分NW向斷裂直到晚更新世時期仍有活動，但活動規模縮小，強度減弱，未發現全新世時期活動跡象。魯西北平原沉降區內，大部分斷裂在第四紀早、中期逐漸停止活動。僅在魯西南地區發現有晚更新世活動斷裂段，如鄆城斷裂（晁洪太等，1997）。

對地球表面臺站記錄的剪切波要施加一些嚴密的約束，以入射角大于臨界角入射到達自由表面的剪切波，由于相位變化、振型轉換、以及前驅震相的產生和主S波后續至震相的干擾而復雜化。這一性能使徑向、橫向和垂直向位移之間產生差別，容易將此錯誤地解釋為各向異性引起的剪切波分裂。為了避免發生全反射造成的波形畸變，需要選擇在剪切波窗口內的波形數據。對于泊松介質（泊松比為0.25），剪切波窗口約為35°。但是由于地表沉積層的影響，可簡單選擇入射角≤45°（甚至達到50°）的波形資料。根據這個原則，假設上地殼是單一的速度結構，則簡單計算入射角并選用入射角≤45°的波形資料，可以確保所有波形記錄都在剪切波窗口以內（Crampin et al，2005）。

本文采用SAM方法（高原等，2004）對山東地震臺網記錄的2009年1月至2015年6月剪切波窗口內的地震波形數據進行剪切波分裂計算，該方法包括相關函數計算、時間延遲校正和偏振分析檢驗3個部分。

以下是對乳山臺站（RSH）記錄的地震事件（2014-01-29 12：18）的分析過程，圖1為該事件的地震波形。

圖1 地震事件（2014-01-29 12：18）的垂直、SN和EW向的地震波形

對數字地震波形進行濾波，截取剪切波開始的一段地震波形數據，進行相關函數計算，圖2為沒有對剪切波進行偏振方向及時間延遲校正的質點偏振圖及剪切波波形。

圖2 地震剪切波偏振圖

從圖2可看出剪切波質點的運動軌跡并非線性偏振，經過偏振方向及延遲時間校正后，剪切波質點的偏振圖呈線性偏振（圖3），說明所求的剪切波分裂參數是正確可靠的。

2 研究結果

圖3 偏振分析檢驗

通過對山東地區的地震波形數據進行分析計算，得到了山東地區15個臺站的剪切波分裂參數，其中，10個臺站只有 1條有效記錄，1個臺站有2條有效記錄。為了研究結果的可靠性，本文選擇至少有3條可靠記錄的臺站進行分析，滿足這個條件的臺站共有4個（表1）。根據這4個臺站的剪切波分裂參數，給出每個臺站快剪切波偏振方向的等面積玫瑰圖（圖4、圖5）。從圖4、圖5中可以看出，所有臺站的快剪切波的偏振優勢方向比較明顯，由圖6可看出，山東地區的快剪切波優勢偏振平均方向為近NE方向，該優勢偏振方向與筆者利用體波和面波聯合反演的CAP方法求出的研究區內發生的3次顯著性地震的震源機制解的P軸的方向基本一致，這3次顯著性地震分別是萊州ML5.0、乳山ML4.7和ML4.5地震（圖7），與該地區主壓應力方向基本一致，CHD臺和LIS臺表現出了2個優勢偏振方向。CHD臺位于海島上，處于 NNE向和WNW向斷裂帶的交匯處，其明確顯示出NNE和WNW二個快剪切波優勢偏振方向。有研究表明，若臺站位于海島上，其快剪切波的偏振方向比較離散（吳晶等，2007a、2007b；孫進等，2013），可能與不規則的地形和復雜的局部結構有關。LIS臺的快剪切波偏振方向出現近NE和WNW二個優勢方向，近NE優勢方向與背景構造應力一致，而WNW向的優勢方向可能受到局部斷裂和構造的影響，表明該臺受到區域背景構造應力及局部地質構造的雙重影響，其他2個臺站具有較好的一致性，優勢方向為近NE方向，與區域背景構造主壓應力方向一致。根據以往研究表明，即使局部構造及斷裂的分布對快剪切波的優勢偏振方向產生影響，但剪切波的優勢偏振方向總體上總是與區域主壓應力場的方向一致。

表1 山東地震臺網4個臺站剪切波分裂參數

圖4 4個臺站快剪切波偏振方向玫瑰圖

圖5 研究區域內4個臺站快剪切波偏振方向空間分布圖

圖6 山東地區快剪切波偏振方向玫瑰圖

圖7 利用CAP方法求出的3次地震震源機制解

3 討論和結論

利用山東地震臺網記錄到的剪切波窗口內的地震數據，通過剪切波分裂分析計算，研究了山東地區的剪切波分裂特征，進而分析了該研究區構造應力特征。

考慮到山東地震臺網記錄的剪切波窗口內的地震數據進行分析計算后所得結果的可靠性，最后選擇至少有3條有效分析記錄的4個臺站進行分析，結果顯示各個臺站的剪切波偏振優勢方向較為明顯。分析4個臺站全部有效記錄的剪切波分裂參數，顯示出山東地區的快剪切波優勢偏振平均方向為近NE，與山東半島地區的主壓應力方向基本一致，與筆者利用體波和面波聯合反演的CAP方法求出的研究區內發生的3次顯著性地震的震源機制解的P軸的方向基本一致。位于東部海島上的CHD臺站，處于NNE走向和WNW走向斷裂帶的交匯處，即顯示出NNE向的快剪切波偏振優勢方向，又顯示出WNW向的快剪切波偏振優勢方向。LIS臺的快剪切波偏振方向出現近NE和WNW二個優勢方向，近NE向的優勢方向與背景構造應力一致，而WNW向的優勢方向則可能受到局部斷裂和構造的影響。CHD臺和LIS臺顯示出2個快剪切波偏振優勢方向，說明地殼介質各向異性受到區域背景構造應力和局部斷裂構造的雙重制約，揭示出局部構造（主要是斷層所控制）和大地應力場對剪切波分裂參數的影響。

由于該研究區的西部地區有效記錄不多，需要積累更多的資料來進一步分析山東西部地區的各向異性特征。

致謝：中國地震局地震預測研究所高原老師提供SAM軟件及技術思路指導，審稿老師給出寶貴的修改建議，在此深表感謝！