祁連山—六盤山地震帶地殼各向異性特征初步研究

潘宇航+程建武+鮑子文+蒲舉

摘要：利用2010年1月至2015年12月甘肅省測震臺網的地震波形資料，使用SAM方法，獲得了祁連山—六盤山地震帶地區21個臺站的快剪切波偏振方向和慢剪切波的時間延遲，分析討論了該地震帶地殼介質各向異性空間分布特征。結果表明：大部分臺站的快波偏振優勢方向明顯與區域內的主壓應力方向一致，呈近NE-NEE方向，表明來自印度板塊和歐亞板塊的NNE或NE向的水平擠壓應力控制了祁連山—六盤山地震帶的中上地殼應力場。但局部區域的快剪切波偏振方向與斷裂走向一致，表明該區各向異性具有差異性，主要是由復雜的活動構造所造成。

關鍵詞：地殼各向異性；剪切波分裂；偏振；主壓應力

中圖分類號：P3153文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0122-07

0引言

祁連山—六盤山地震帶處于印度和歐亞板塊碰撞擠壓的轉折過渡區域，位于阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊與青藏塊體的交匯地帶。該地區屬于構造運動比較活躍的區域，主要受到NE向的現代構造應力場的作用，使之產生強烈的地殼變形和斷裂活動，地震活動強烈，地震災害較為嚴重（鄧起東等，2002）。因此對祁連山—六盤山地震帶地區開展剪切波分裂的研究有助于進一步認識區域地殼應力場、地質構造特征和地震活動性。

一般來說，地殼和上地幔介質普遍存在地震各向異性。在應力作用下，引起地殼各向異性的主要原因是由于地殼中充滿了大量定向排列的微裂隙，簡稱EDA（Extensive—dilatancy Anistropy）（Crampin 1981；Crampin，Booth，1985）。剪切波分裂是研究地殼介質各向異性和區域構造應力狀態的有效手段之一（Crampin et al，2002；高原等，2008a，b；吳晶等，2010）。通常來說，當地震波在各向異性介質傳播時，剪切波會分裂成2個近似相互垂直的子波，即快剪切波和慢剪切波。快剪切波的優勢方向與裂隙走向一致，即與原地主壓應力方向一致（Crampin，1984），因此快剪切波的偏振方向可以較好地反映出研究區域內構造應力的方位（李金等，2015）；慢剪切波的時間延遲不僅能反映介質各向異性的強度，更能夠描述區域應力環境的動態特征（Gao et al，1998，2004；Crampin et al，1999；丁志峰等，2008）。

目前，很多學者使用各種地震學方法對該地區殼幔結構、變形模式以及各向異性進行了大量研究（常利軍等，2008；張輝等，2012；王瓊等，2013；Xu et al，2014；Wu et al，2015；姜永濤等，2015）。但利用“十五”項目的密集臺網數據，針對祁連山—六盤山地震帶及鄰區更大范圍內開展區域地殼各向異性的研究還有待進一步深入探討。本文利用2010年1月至2015年12月甘肅省測震臺網“十五”寬頻帶數字地震波形資料，基于剪切波分裂原理，計算了祁連山—六盤山地震帶地區21個臺站下方的地殼各向異性參數，分析了該區地殼各向異性的分布特征，討論了地殼各向異性與地殼內部構造特征和區域應力分布關系和內在聯系。

1構造背景概況

祁連山—六盤山地震帶西起甘肅昌馬，東至陜西寶雞，長約1 200 km，在青藏塊體東北部的邊緣呈北西向展布，是青藏高原最年輕的構造帶之一。由于長期受到印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓作用，該地震帶不斷遭受構造隆升并逐漸成為高原的一部分（Tapponnier et al，2001；鄧起東等，2002；柴熾章等，2003；袁道陽等，2004）。第四紀以來，祁連山—六盤山地震帶的構造活動比較強烈，是中上地殼介質最易形變和流動的地區，其內部發育著多條NWW、NW、NNW向的斷層（圖1）。區域內不同走向的斷裂銜接相交，構成了該區域復雜的孕震環境和構造背景。本區域內的地震活動頻度高、震級大、地震災害嚴重。自1900年以來，區內發生了1920年海原85級、1927年古浪80級、1932年昌馬76級、1954年山丹73級等地震。最近的一次是2016年1月21日門源64級地震。

根據震源機制解資料（許忠淮，2001；張輝，2007），得到祁連山—六盤山地震帶現代構造應力場的主壓應力軸方向為NE至NEE向，區域內地震震源機制類型主要是走滑型和逆斷型（崔效鋒等，2005）。水壓致裂地應力的測量結果也顯示祁連山—六盤山地震帶現今地殼應力場的主壓應力方向為NE至NEE向（王學潮等，2000）。

本文采用剪切波分裂系統分析（SAM）方法（高原等，2004），研究祁連山—六盤山地震帶地殼介質的各向異性特征。該方法是在相關函數的基礎上提出的一種用于剪切波分裂分析的系統分析方法，具有自我檢驗的特點，可提高分析結果的可靠性和穩定性，其具體原理和方法可參考高原和鄭斯華（1994），高原等（2008a，b），石玉濤等（2008）等。

本文使用了甘肅省測震臺網21個臺站所記錄的2010—2015年祁連山—六盤山地震帶區域內的27 855次近場小震的波形數據。在泊松比為025的情況下，剪切波窗口一般為約35°的入射角（Crampin，Pacock，2005），但是由于地殼頂部低速沉積層的存在，有效的剪切波窗口一般能拓寬到45°～50°（Gao et al，1998；Crampin，Pacock，2005），在此基礎上挑選出波形質量好、可用于近震剪切波分裂分析的波形數據。另外，剪切波分裂計算還要求選取的數據具有較高的信噪比，因此先對數據進行了帶通濾波處理，濾波范圍為1～15 Hz。圖2為采用Butterworth濾波器濾波后的地震三分向記錄，2012年9月2日9時46分ML19地震的震源深度為6 km，震中距為625 km。從圖中可以看到，該地震剪切波清晰可見，波形信噪比較高。同時，為了保證截取Sg波段數據的準確性和計算結果的可靠性，避免自動拾取震相時對結果的影響，文中所有的Sg波震相都是人工拾取，同時刪除震相不清晰的事件。經統計，大多數地震事件的震源深度在5～20 km之間（圖3）。

圖4分別給出剪切波偏振圖和偏振分析檢驗圖的實例。從圖4a中可以看出2列剪切波的質點運動軌跡并不是線性的，在經過波形旋轉和時間延遲校正之后，2列剪切波的偏振圖表現為接近線性的特征（圖4b），這表明計算結果是比較可靠的。

3結果與分析

由研究區域內各臺站快剪切波偏振方向的等面積投影玫瑰圖（圖5）可以看出，祁連山—六盤山地震帶的中部以及東西兩側的各向異性存在明顯的分區特征。因此，可將研究區域粗略地劃分為4個區域：西緣、中西段、中東段和東緣。從整體上來說，大部分臺站的快剪切波偏振方向主要顯示為近NE方向，與前人研究結果（張輝等，2012；郭桂紅等，2015）大體一致。

祁連山—六盤山地震帶的西緣是阿爾金活動斷裂切截祁連山諸構造的交匯區，中強震比較頻繁，尤以1932年昌馬地震著名。該區域平均快波偏振方向為NE（355°±1088°），平均快慢波時間延遲為（079±052）ms/km。SBC、CHM臺快剪切波偏振方向表現出較好的近NE向，研究結果顯示該區域地殼介質主要受到區域主壓應力場和阿爾金斷裂走滑剪切的雙重作用。

中西段地處河西走廊，是青藏塊體向阿拉善地塊應力傳遞的過渡區域，包括QTS、JFS、SNT、QIL、MEY、GTA、ZHY、SDT、HXP臺。該區域發育多組近平行的斷裂：龍首山南緣斷裂、榆木山斷裂、昌馬斷裂、祁連山北緣斷裂等。根據剪切波分裂分析結果，該區域的快剪切波偏振方向為近NE向，平均偏振方向為46°±1120°。但本區域內，位于冷龍嶺斷裂帶北西方向的MEY臺快波偏振方向為NW向，與斷裂的走向斜交，因此可以推測MEY臺下方快波偏振方向可能是受到局部構造和主壓應力場的雙重制約。整體上，該區域臺站下方的快剪切波偏振方向一致性較高，表現與河西走廊的主壓應力狀態一致，受斷層的影響較小。本研究認為，可能由于臺站附近的斷層對該地區地殼各向異性的影響較弱，區域主壓應力場起主導作用，也從另一個側面暗示了該區域在深部構造變形達到一定均衡性，說明該研究區域的應力場分布具有一定的均勻性和一致性。

中東段處于青藏塊體、阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊的交匯區域，位于隴中盆地西北緣，該區域地質條件復雜，多條斷層發育，包括NW走向的海原斷裂、NNW走向的莊浪河斷裂和皇城—雙塔斷裂、EW走向的武威—天祝斷裂等。其中，SGT、GLT、JTA、YDT臺的快剪切波平均偏振方向顯示出2個優勢方向：NE向和NW向。快剪切波偏振方向的第一優勢取向反映了該區域的水平主壓應力方向，快剪切波偏振方向的第二優勢取向揭示了NWW的局部構造意義，表明快波偏振方向受本區 NW向斷裂帶的影響。例如，武威—天祝斷裂和皇城—雙塔斷裂交匯部分的SGT臺，其快剪切波偏振方向出現NE和NW兩個優勢方向，SGT臺的第一優勢方向NE向與區域構造應力背景一致（謝富仁等，2004），而NW向的優勢方向則受到了皇城—雙塔斷裂和武威—天祝斷裂構造運動的影響。

東緣位于鄂爾多斯西南緣，是海原斷裂和六盤山斷裂的銜接區域，包括JTA、HYU、XJI、GYU臺。根據區內各臺站獲得的剪切波分裂結果，得到研究區內臺站的優勢偏振方向為近NW向。區域內XJI臺的快剪切波的偏振方向與緊鄰臺站的快剪切波偏振方向差異較大，顯示出明顯NE向，導致這一現象的原因可能與XJI臺所處的區域應力場環境有關。統計得到，除XJI臺之外，研究區IV區的快剪切波的平均偏振方向為135°±896°，平均慢剪切波時間延遲為（110±081）ms/km。

4結論

通過對祁連山—六盤山地震帶地區21個臺站的剪切波分裂的研究，得到如下結論：

大部分臺站的優勢方向明顯與區域內的主壓應力的方向一致，呈近NE-NEE向，表明來自印度板塊和歐亞板塊的NNE或NE向的水平擠壓應力控制了祁連山—六盤山地震帶的中上地殼應力場。但局部區域的快剪切波偏振方向與斷裂走向一致，表明該區各向異性具有差異性，主要是由活動構造影響造成的。研究區域快剪切波偏振方向由西至東表現為：西緣地區快剪切波偏振方向為近NE向，產生各向異性的原因可能是區域主壓應力場和阿爾金斷裂走滑剪切的共同作用；中西段快剪切波偏振方向與區域主壓應力方向一致性較好，受斷層的影響較小，推測該區域深部構造變形達到一定的均衡性，進而使該區域應力場具有均勻性和一致性特征；中東段快剪切波偏振方向則顯示出復雜的分布，對應了該地區受到多個地塊互相作用、山區盆地交錯出現、多條斷裂相交的多重因素的制約，使快剪切偏振方向具有一定的離散性；東緣區域快波偏振方向為近NW向，在空間上具有明顯的沿順時針方向旋轉的特征。

本研究使用的波形資料和地震目錄由甘肅省地震局提供，中國地震局地震預測研究所高原研究員課題組提供SAM軟件，北京大學冀戰波博士、新疆維吾爾自治區地震局蘇金波和中國科學院大學崔輝輝博士對本文給予了悉心指導與幫助，在此一并表示感謝。

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