遼寧南部地區地殼剪切波分裂特征

夏彩韻 張正帥 劉 庚 楊士超

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034 2 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014 3 中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號，710054

剪切波分裂特征研究是深入開展介質各向異性分析的重要基礎[1]。研究表明，剪切波分裂對介質的各向異性較為敏感，快剪切波偏振方向與原主壓應力場方向一致，慢剪切波的時間延遲可較好地反映應力變化，是分析地震孕育過程和構造環境的有效途徑[2]。剪切波分裂特征與區域斷層性質緊密聯系[3]，因此剪切波分裂方法是研究地殼介質各向異性、應力場及斷裂性質的有效技術工具。

自剪切波分裂(SAM)方法提出以來，國內學者[4-5]已取得大量研究地殼各向異性的成果。由于受地震波資料限制，目前對遼南區域的研究工作較少，而近幾年數字波形資料的不斷積累使系統開展遼南地區連續地殼各向異性的研究成為可能。本文利用遼寧省固定地震臺站的波形資料，對遼寧南部地區進行地殼介質各向異性研究，同時結合該地區地質構造信息，探討剪切波分裂特性及其與地震斷層性質的關系，以期為遼寧地區地震預報提供技術支撐。

1 構造背景與地震活動性

遼南地區(39°～42°N, 121°～124°E)位于華北與東北活動地塊交界處，區內主要發育金州斷裂、大洋河-康家嶺斷裂、太子河斷裂、鴨綠江斷裂等(圖1)，該區地震活動與斷裂具有高度相關性。研究表明，金州斷裂為該區規模最大、活動性最強的斷裂構造，其與鴨綠江斷裂等NE-NNE向構造及NW向構造的共軛組合模式影響并控制著遼東半島的地震活動。區內中強地震多發于NE-NNE向構造和NW向構造共軛交匯部位或附近區域，大洋河-康家嶺斷裂為1975年海城MS7.3和1999年岫巖MS5.4地震的主發震斷裂[6]。

1975年海城MS7.3地震發生后，余震區地震活動較為顯著，并在1999年發生岫巖MS5.4地震。此外，蓋州地區自1970年以來共發生4次震群活動，其中3次震群活動具有前兆意義，最近一次震群活動從2012-02開始，主要集中在蓋州青石嶺、蓋州西海域、熊岳盆地3個分區，整個地區的震群活動一直持續至今。精定位分析結果表明[7]，蓋州青石嶺震群活動可能受一條類似海城-大洋河的NW向斷層控制，而青石嶺震群的分布更偏向金州斷裂北段的蓋州北-鞍山南斷裂。總而言之，遼南地區震群活動復雜，發震機理尚不明確，因此系統地計算和分析遼南地區長時間尺度下的剪切波分裂參數特征，對提高發震機理的認識具有重要作用。

圖1 遼寧南部地區地質構造及臺站分布Fig.1 Geological structure and station distribution in southern Liaoning

2 數 據

遼寧數字地震觀測臺網經過“十一五”等建設后，監測能力大幅提高，中部至南部地區臺站相對密集，監測能力可達ML1.5，定位精度小于5 km[8]。本文選用遼南地區10個固定臺站數據，選取2008-01～2018-12記錄的近場小震波形記錄展開研究。為有效防止地面上剪切波全反射的影響，必須對剪切波窗口內的波形記錄進行有效選擇[9]。在利用Sg 波研究中上地殼介質各向異性時，需選取位于S波窗口內的地震事件，且泊松比為0.25 的地殼介質，其臨界角約為35°，即入射角小于35°的Sg波數據才能被使用。但由于地表低速沉積層的存在，該頂角可放寬至45°～50°[3]，即選取的剪切波波形數據應滿足震源深度大于震中距的條件。蓋州-海城地區沉積層較厚，而蓋州震群和海城老震區地震的震源深度多為6～9 km，其沉積層的影響較為顯著[10]，因此本文研究數據中刪除入射角大于50°的地震事件。

3 原理與方法

SAM方法可分為相關性分析、延遲時間校正、偏振分析檢驗3個部分，該方法具有自我檢驗分析的特點，可增強計算結果的穩定性和可靠性，其原理見文獻[3]。

為保障計算結果的可靠性，對缺少近場小震活動記錄、波形數據較差或不滿足剪切波窗口計算條件的地震臺站和地震事件予以剔除，最終挑選出8個能較好地記錄到“剪切波窗口”內數據的臺站，使用盧造勛等[11]給出的遼寧地區一維速度模型進行剪切波分裂計算分析。限于篇幅，本文以GAX臺和YKO臺的波形數據為例，說明剪切波分裂參數的計算過程。

圖2為GAX臺記錄到的2014-09-17 ML2.7地震波形，地震震源深度為8 km，臺站震中距為7.3 km，采樣頻率為50 Hz，其中S1和S2分別代表快、慢剪切波的起點位置。圖2中下圖表示對時間延遲進行校正，即消除時間延遲影響后的快(F)、慢(S)剪切波質點運動軌跡及快、慢剪切波的波形，地震的快波偏振方向為100°，慢波時間延遲為0.03 s。圖3為 YKO臺記錄到的2008-07-14 ML2.2地震波形，地震震源深度為10 km，臺站震中距為6.8 km，采樣頻率為50 Hz，該地震的快波偏振方向為45°，時間延遲為0.02 s。對2次地震事件的慢剪切波進行時間延遲校正后發現，慢剪切波的初至時刻與快剪切波一致，2種剪切波的質點運動均符合線性特征，表明計算結果具有可靠性。根據上述計算過程，表1為8個固定臺站的剪切波分裂參數。

4 結果與分析

4.1 剪切波分裂參數的空間特征

基于表1的剪切波分裂參數，圖4為各臺站快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰花圖，由圖可知，多數臺站的快剪切波偏振的優勢方向為NE、NEE。快剪切波偏振優勢方向與遼寧地區的斷層產狀基本一致，同時也與華北北部地區的最大主應力場方向(約NEE向)一致[12]。研究表明，位于活動斷層上的地震臺站所記錄的快剪切波偏振優勢方向與斷層走向一致[9]，YKO臺位于NE向海城-營口斷裂東側，本文計算的YKO臺快波偏振優勢方向主要為NNE向和近EW向，其中NNE向的偏振優勢方向可能與該斷裂有關。圖1中紅框為YKO臺附近的地震空間分布，從圖中可以看出，臺站下方可能存在近EW向的活動斷裂，而YKO臺下方出現的近EW向快波剪切偏振優勢方向似乎也證明該隱伏斷層存在的可能。GAX臺位于NE向金州斷裂上方，從圖4可以看出，GAX臺快波偏振優勢方向主要為NE向和SEE向，其中NE向偏振方向與金州斷裂走向較為一致。王亮等[7]對蓋州震群的雙差重定位研究結果表明，蓋州震群空間展布近似呈NWW-SEE向，推測GAX臺SEE向的快波偏振優勢方向與該斷裂存在關聯。此外，GAX臺快波偏振優勢方向除NE向和SEE向外，還存在其他方向，該區域在NEE 向近水平主壓應力場作用下發育橫向次級NW向鏟式正斷層，并不斷發生左旋走滑-拉張錯動，造成該地區地震活動性較強[10]，同時也導致斷裂帶內介質更為破碎。初步推斷，GAX臺快波偏振方向較為復雜的原因為相對破碎的介質造成裂隙面分布較為復雜，從而導致剪切波在各向異性地殼介質的偏振優勢方向的分布規律性較差。

橫坐標表示采樣點個數，縱坐標表示振幅，2條豎線表示截出分析剪切波分裂的波形圖2 GAX臺記錄的剪切波分裂分析Fig.2 Analysis of shear-wave splitting recordedby GAX station

橫坐標表示采樣點個數，縱坐標表示振幅，2條豎線表示截出分析剪切波分裂的波形圖3 YKO臺記錄的剪切波分裂分析Fig.3 Analysis of shear-wave splitting recordedby YKO station

表1 研究區內地震臺站的剪切波分裂參數

黑色線段為斷裂，紅色三角形表示臺站圖4 遼寧南部地區快剪切波偏振方向玫瑰花圖Fig.4 The polarization direction rose diagramsof fast wave in southern Liaoning

SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優勢方向多為NNW向及NW向，SNY臺和LHT臺附近發育NE-NNE向依蘭-伊通斷裂、渾河斷裂等多條斷裂，小震活動多以NE-NNE向分布為主、NW向分布為輔的特征，而WFD臺附近發育的NW向熊岳-莊河構造帶、NW向普蘭店-長海構造帶等與NE-NNE向金州斷裂、莊河斷裂等形成共軛交叉構造[6]，故推測SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優勢方向與其他臺站不同的原因可能為受局部地質構造影響，而非受附近主要斷裂帶的控制。圖4中YKO臺、GAX臺的慢剪切波時間延遲相對其他臺站大，可能反映該地區處于盆地與隆起相交處，2個臺站下方的慢剪切波時間延遲反映該地區地殼各向異性較強。其他臺站由于記錄到的有效波形數據較少，偏振方向和時間延遲等數據缺乏可靠的統計特征，在此不作深入分析。總體而言，剪切波分裂參數與構造具有很強的相關性，遼南地區地質構造復雜，地殼各向異性也表現出一定的復雜性。

4.2 剪切波分裂參數時域演化特征

遼寧南部地區為盆地隆、拗相間的構造格局，盆地與隆起交匯邊界的NE向構造斷裂帶上應力更易集中，而NE向斷裂與NW、EW向斷裂交匯區則為應力大量集中和釋放的區域[13]。2012年以來的蓋州震群活動持續至今，地震序列大致呈NW向分布，海城老震區的小震也持續活動。根據滿足計算條件的波形數量， 本文將重點探討不同時間段內YKO臺和GAX臺的剪切波分裂結果在時域內的演化特征。

圖5 海城老震區和蓋州震群M-T圖Fig.5 M-T graphs of the previous Haicheng earthquake area and Gaizhou earthquake swarm

圖6 YKO臺分年份快剪切波偏振玫瑰花圖Fig.6 The fast shear-wave polarization rose diagrams by year of YKO station

根據遼寧地區地震目錄最小完整性震級分析研究[8]，本文取震級下限為ML1.5，圖5為2012-01～2018-12海城老震區和蓋州震群的地震時序(M-T)圖。海城老震區2012年以來僅發生2015-11-23 ML4.5和2018-12-19 ML4.8兩次ML4.0以上地震，地震活動頻度變化不明顯。根據YKO臺逐年等面積投影玫瑰花圖變化特征(圖6和表2)可知，2009～2011年YKO臺快波偏振優勢方向為NNE向(N33.02°±7.73°)；2012年以后，海城地區小震活動增強，快波的偏振優勢方向由平均偏振方向變為NEE-SWW向(N72.54°±4.72°)，并且直至2018年偏振優勢方向基本趨于一致，這與2012年之后平穩的地震活動現象較為一致。該區域偏振優勢方向與華北地區近EW向的主壓應力場方向一致[9]，這一結果與前人的研究成果[4]基本吻合，表明2012年以來YKO臺附近構造應力場較為穩定或處于應力均勻加載狀態。

表2 2009～2018年YKO臺剪切波分裂參數統計

圖7為GAX臺逐年等面積投影玫瑰花圖，從圖中可以看出，GAX臺整體的剪切波分裂參數演化較為復雜，2009～2011年快波偏振優勢方向為NNE向和近EW向；2012年快波偏振優勢方向為NNE向和NNW向；2013年以后快波偏振優勢方向為近EW向；2015～2018年偏振優勢方向又變為NE向。從蓋州地區地震活動性來看，蓋州震群在2012年地震活動頻度較低，2013-04地震頻度有所升高，2013-12頻度顯著升高。相比于2009～2012年，GAX臺的快剪切波偏振優勢方向在2013年發生近90°翻轉，隨后2014年地震活動性顯著增強，該現象的產生機理有待深入研究。Crampin等[14]在研究冰島地區剪切波參數時也發現快剪切波偏振方向發生90°轉換的現象，認為該現象可能與地震射線在穿過地下裂隙過程中受孔隙流體壓力影響有關。遼東半島西側水文地質條件多為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，存在海水入侵和海水侵蝕等地質災害[15]。蓋州震群在2013年地震活動性增強，可能使活動斷裂周邊的破碎介質在流體入侵的影響下造成孔隙壓力增加，從而引起GAX臺快剪切波偏振方向發生90°翻轉變化。隨著2015-01地震活動性減弱，快波偏振優勢方向略微向NE向偏轉。由此可知，地震的發生與區域應力的調整有密切聯系，YKO臺和GAX臺剪切波分裂參數隨時間的演化與地震活動性存在一定關系，表明區域應力的變化可通過剪切波分裂參數進行反映。

圖7 GAX臺分年份快剪切波偏振玫瑰花圖Fig.7 The fast shear wave polarization rose chartby year of GAX station

5 結 語

本文采用剪切波分裂(SAM)方法系統分析2008-01～2018-12遼寧南部地區8個臺站的快剪切波偏振方向和慢剪切波時間延遲，并深入分析YKO臺和GAX臺剪切波分裂參數的空間特征和時域演化特點，結合精定位結果、構造特征等綜合分析，得出以下結論：

1)SNY臺、LHT臺和WFD臺快剪切波的偏振優勢方向為NNW向、NW向，與附近區域主要斷裂的方向并不一致，而與NE-NEE向斷裂共軛的NW向構造一致，可能反映其附近的地震活動主要發生在偏向NW向的構造帶附近。FSH臺、BXI臺、XYN臺、YKO臺及GAX臺等臺站的快剪切波偏振優勢方向主要以NE向和NEE向為主，與該區域斷裂構造形態及華北北部地區的最大主應力場方向基本一致。

2)YKO臺快波偏振優勢方向主要為NNE向和近EW向，GAX臺快波偏振優勢方向為NE向和SEE向，其中NNE向和NE向的優勢方向與海城-營口斷裂、金州斷裂特征較為一致。地震精定位結果表明，YKO臺近EW向和GAX臺SEE向的快波偏振優勢方向反映臺站下方均可能存在近EW向隱伏斷裂。

3)剪切波分裂參數隨時間的演化與地震活動存在一定關系。YKO臺剪切波偏振優勢方向自2012年起基本趨于一致，表明YKO臺附近構造應力場較為穩定或處于應力均勻加載過程。蓋州震群自2013年起活動頻度有所升高，GAX臺剪切波偏振優勢方向在2013年發生近90°偏轉，隨后在2014年蓋州震群活動顯著增強，推測可能為渤海海水入侵造成海城-營口斷裂西南端、金州斷裂東北端等多條活動斷裂周邊破碎介質中含水率升高，導致介質孔隙壓力增加，從而引起GAX臺快剪切波偏振方向發生翻轉。

致謝：感謝中國地震局地震預測研究所高原研究員提供SAM計算程序。