2021年青海瑪多MS7.4地震震源區(qū)橫波分裂變化特征

曹學來, 常利軍, 魯來玉， 吳萍萍, 郭慧麗， 呂苗苗， 丁志峰

中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

地震各向異性是指地震波穿過各向異性介質(zhì)時，波的傳播速度、偏振方向和其他特性會隨傳播方向的改變而發(fā)生變化.大量的地震觀測研究表明，地殼和上地幔廣泛地具有地震各向異性特征(Silver, 1996; 高原等, 2010; Crampin and Gao, 2018; 黃臣宇和常利軍, 2021).一般認為，微裂隙在區(qū)域應(yīng)力場作用下的定向排列是產(chǎn)生中上地殼地震各向異性的主要原因，其形狀與排列方式?jīng)Q定了中上地殼介質(zhì)中的各向異性特征(Crampin and Atkinson, 1985).橫波在微裂隙各向異性介質(zhì)中傳播時會發(fā)生分裂，產(chǎn)生一對偏振方向近似正交且傳播速度不同的快、慢波(姚陳等, 1997).在上地殼近震橫波分裂研究中，通過橫波分裂分析測量所得的各向異性參數(shù)為快波偏振方向和慢波延遲時間，它們所表征的各向異性特征與區(qū)域地殼應(yīng)力場和構(gòu)造活動特征密切相關(guān)，區(qū)域構(gòu)造斷裂的分布和走向、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的活躍性、區(qū)域應(yīng)力場等因素都會影響到相應(yīng)區(qū)域上地殼各向異性的特征(Boness and Zoback, 2006)，特別是強震發(fā)生前后，震源區(qū)的應(yīng)力調(diào)整造成上地殼微裂隙定向排列的趨向性及其程度的變化會造成上地殼各向異性特征在時間和空間上的變化，已在一些強震區(qū)的橫波分裂研究中被發(fā)現(xiàn)(Crampin et al., 1999;丁志峰等, 2008; 吳晶等, 2009; 楊溢和常利軍, 2018; Chang et al., 2018; Jiang et al., 2021).此外，利用跨活動斷裂的密集臺陣觀測資料開展的近震橫波分裂研究，可以詳細地分析斷裂帶內(nèi)外的上地殼各向異性特征及其應(yīng)力場影響，例如近期在跨紅河斷裂和海原斷裂的密集臺陣觀測中，上地殼各向異性研究結(jié)果顯示了橫波分裂結(jié)果的漸變特征，反映了活動斷裂對應(yīng)力場的影響范圍(Gao et al., 2019; Shi et al., 2020).因此，通過強震震源區(qū)近震橫波分裂可以分析震源區(qū)上地殼各向異性時空特征和應(yīng)力場狀態(tài)，結(jié)合震源區(qū)深部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造特征進一步討論與強震孕育有關(guān)的深部動力環(huán)境.

2021年5月22日02時04分(北京時間)，青海省果洛州瑪多縣發(fā)生了MS7.4地震(以下簡稱瑪多地震)，震中位于黃河鄉(xiāng)東側(cè)(98.37°E，34.61°N，如圖1)，震源深度為17 km(中國地震臺網(wǎng)中心，http:∥www.ceic.ac.cn).最新研究顯示瑪多地震發(fā)生在青藏高原東部巴顏喀拉塊體內(nèi)部，此次地震的發(fā)震斷裂為江錯斷裂，該斷裂為巴顏喀拉塊體東北界東昆侖斷裂帶南側(cè)的次級斷裂，此次地震產(chǎn)生了一條整體走向為WNW向的具有左行走滑特征的同震地表破裂帶，并在東西兩段分叉為多支破裂(潘家偉等, 2021; Ren et al., 2022).震源機制結(jié)果顯示瑪多地震是一次典型的左行走滑型事件(張喆和許力生, 2021)，中等余震的震源機制反演揭示發(fā)震斷層較為陡立，15次余震以左旋走滑為主，3次為逆沖型，暗示破裂受到局部異常構(gòu)造影響，應(yīng)力場反演顯示為近EW向擠壓(徐志國等, 2021).震源破裂過程研究表明該地震破裂持續(xù)時間為45 s，主要能量在30 s釋放，破裂方式為雙側(cè)破裂(鄧文澤等，2021).瑪多地震余震序列精定位研究結(jié)果顯示震源區(qū)余震事件非常發(fā)育，震源深度較淺，主要發(fā)生在上地殼，初步揭示了發(fā)震斷裂為WNW向，斷層近垂直，略向北傾斜，在斷層西側(cè)和東側(cè)分別出現(xiàn)分支和馬尾狀分叉特征(王未來等, 2021; 尹欣欣等, 2021).跨巴顏喀拉塊體的人工剖面揭示瑪多地區(qū)上地殼具有雙層速度結(jié)構(gòu)，且存在局部速度異常(張建獅等, 2014; 嘉世旭等, 2017)；大地電磁測深剖面顯示主震位于高阻上層結(jié)構(gòu)與高導(dǎo)下層結(jié)構(gòu)界面附近(詹艷等, 2021).復(fù)雜的深部構(gòu)造背景和應(yīng)力環(huán)境孕育了瑪多地震，本文基于震后地震科考布設(shè)的密集臺陣所記錄的豐富的余震序列波形數(shù)據(jù)提取的近震橫波分裂參數(shù)，分析了震源區(qū)上地殼各向異性特征與區(qū)域構(gòu)造特征和應(yīng)力環(huán)境相關(guān)性，進一步探討了此次強震的深部孕震動力過程.

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景及地震臺站、地震震中分布 黑線為主要斷裂：F1瑪多—甘德斷裂，F(xiàn)2江錯斷裂，F(xiàn)3甘德南緣斷裂，F(xiàn)4達日斷裂.黃線為地表破裂(Ren et al., 2022).藍色圓為郭慧麗等(2022)通過機器學習和hypoDD精定位結(jié)果的余震分布圖.黑色震源機制解為呂苗苗等(2022)基于本圖中臺陣數(shù)據(jù)反演結(jié)果.紅色震源機制解為瑪多MS7.4地震結(jié)果(張喆和許力生，2021).右上角插圖為青藏高原東部構(gòu)造背景，黃色 五角星為瑪多MS7.4地震位置.Fig.1 Regional geologic setting in the study area and distribution of seismic stations and epicenters Black lines show main faults: F1Madoi-Gande fault, F2 Jiangcuo fault, F3 Gande southern margin fault, F4 Dari fault. The yellow line is the surface rupture (Ren et al., 2022). The blue circles show aftershocks obtained by Guo et al. (2022) through machine learning and hypoDD precision positioning. The black focal mechanism solutions are calculated by Lü et al. (2022) based on seismic data of the dense array in this Figure. The red focal mechanism solution is the result of the Madoi MS7.4 earthquake (Zhang and Xu, 2021). Inset shows the regional geologic setting of the eastern Tibetan Plateau, the yellow star shows the location of the Madoi MS7.4 earthquake.

1 資料和方法

瑪多地震發(fā)生后，中國地震局地球物理研究所在震源區(qū)布設(shè)了由150臺短周期地震儀組成的密集臺陣，數(shù)據(jù)采集為2021年6月3日到7月5日一個月的連續(xù)記錄，短周期地震儀為Smartsolo(IGU-16HR)型號，采樣率設(shè)置為250 Hz，臺站分布情況如圖1紅色三角形所示.臺陣主要包括兩條垂直主破裂帶的南北向剖面MA線(55個臺站)和MB線(63個臺站)，以及面上分布的MS(32個臺站).其中MA和MB兩條測線自北向南跨越了瑪多—甘德斷裂、江錯斷裂以及甘德南緣斷裂，跨發(fā)震斷裂——江錯斷裂的臺站間距為0.5～1 km，測線兩端的臺站間距為1～2 km.MS有13個臺站分布在江錯斷裂上，橫向面上臺站間距為3～5 km.為研究震源區(qū)上地殼近震橫波分裂變化特征，本文收集了上述流動臺陣各臺站記錄的近震波形資料，此外，為了解跨主震的橫波分裂隨時間變化特征，我們還收集了震源區(qū)附近的固定臺站(MAD，如圖1黑色三角形)的波形資料(地震記錄為2020年11月22日至2021年8月22日).開展近震橫波分裂測量上地殼各向異性參數(shù)時，要求近震事件記錄處于橫波窗內(nèi).因此，在橫波分裂測量時，為避免入射到地表的橫波發(fā)生全反射而造成波形畸變，從而導(dǎo)致無法準確反映臺站下方上地殼各向異性，要求橫波的入射角小于臨界角.對于上地殼(泊松介質(zhì)，泊松比為0.25)而言，橫波窗的大小約為35°.青藏高原東北緣的人工地震測深剖面探測結(jié)果顯示瑪多地區(qū)存在近地表低速層和上地殼層狀速度結(jié)構(gòu)(郭文斌等, 2016; 嘉世旭等, 2017)，基于上述人工測深結(jié)果，郭慧麗等(2022)通過精定位方法進一步改進了瑪多地區(qū)的一維層狀速度模型，這種層狀速度模型會使地震射線彎曲，進而可以拓展橫波窗(Booth and Crampin, 1985).本文基于郭慧麗等(2022)的速度模型，將本研究的橫波窗由35°擴展至45°.

近震橫波分裂參數(shù)可以通過可視化分析測量方法(Bowman and Ando, 1987; Peacock et al., 1988; 丁志峰等, 2008；常利軍等, 2010)，也可以應(yīng)用計算機程序測量方法(Shih et al., 1989; Savage et al., 2010; Teanby et al., 2004)求取.上述兩類方法已在國內(nèi)外被獨立或綜合應(yīng)用于多個研究地區(qū)并且獲得了較為可靠的結(jié)果(Gao et al., 2006; 吳晶等, 2009; Li Z F et al., 2015; Wu et al., 2019; 王凱悅等, 2021; Li Y et al., 2021).為了獲取可靠的橫波分裂參數(shù)結(jié)果，本研究同時利用可視化分析測量(丁志峰等, 2008; 常利軍等, 2010)和計算機程序MFAST(Teanby et al., 2004；Savage et al., 2010)兩種方法開展了瑪多地震震源區(qū)近震橫波分裂分析測量工作，并綜合兩種方法的測量結(jié)果給出每個臺站的橫波分裂參數(shù)結(jié)果.

可視化測量方法是分析測量過程中輔以人工干預(yù)，對資料的篩選和各個步驟計算結(jié)果的判定，全程進行人工檢驗以獲取準確的橫波分裂參數(shù).下面以臺站MB22在2021年6月27日02時03分記錄的一次近震事件為例，具體介紹利用三分量地震波形資料開展的橫波分裂可視化測量過程(丁志峰等, 2008; 常利軍等, 2010)：

(1)為提高數(shù)據(jù)波形的信噪比，首先對地震記錄波形進行1～30 Hz的帶通濾波.

(2)選取位于橫波分裂窗內(nèi)且信噪比高的事件波形(圖2a)，為保證選取的近震事件波形記錄位于橫波窗內(nèi)，選取P波初動信號的能量大于水平分量的兩倍以上(圖2b).

(3)根據(jù)橫波的頻譜特征，選取合適的時間窗對兩水平分量波形進行截取，至少包含一個完整的橫波及其前面至少半個橫波周期的噪聲波形，并且要求窗口內(nèi)橫波的信噪比較高(圖2c).

(4)繪制兩水平分量的質(zhì)點運動圖，如圖2d，通常質(zhì)點運動圖呈現(xiàn)出一個近似橢圓的形狀，說明具有明顯的橫波分裂特征，我們可以從橫波初動的質(zhì)點運動判斷出WNW向的快波偏振方向(106°)，以及隨后到達的與其近似垂直的NNE向的慢波方向.

(5)將兩水平分量旋轉(zhuǎn)至快、慢波框架內(nèi)，如圖2e可以清晰地看到兩列波形相似但到時不同步的波形，即快、慢波的波形，此時，我們可以直接測量兩列波的初動得到兩列波的到時差(0.045 ms)，即慢波延遲時間.

圖2 可視化測量分析過程：以MB22臺的一次余震記錄為例 (a) 原始波形的E、N、Z三分量記錄圖； (b) P波初動窗口放大后的E、N、Z三分量記錄圖； (c) 橫波的兩水平分量的地震記錄圖； (d) 兩水平面分量的橫波質(zhì)點運動圖； (e) 旋轉(zhuǎn)至快、慢波方向的地震圖； (f) 橫波分裂測量選取的近震事件震源深度分布.Fig.2 An example of shear wave splitting analysis using the visual technique for an aftershock recording at station MB22 (a) Original waveform of E, N and Z component seismograms; (b) Amplified three-component seismograms of P wave in Fig.(a); (c) Two horizontal component seismograms of shear wave; (d) Shear wave particle motion in two horizontal component; (e) Seismograms rotated to the fast and slow wave directions; (f) The focal depth statistics of the local earthquakes used in shear wave splitting measurement.

計算機程序測量方法采用了MFAST Manual V2.2程序(Savage et al., 2010)對近震事件的直達S波波形記錄進行橫波分裂測量，通過聚類分析方法篩選出相關(guān)性最大的分裂結(jié)果.該方法為Teanby等(2004) 基于SC91算法(Silver and Chan, 1991)，利用聚類分析方法實現(xiàn)對橫波分裂窗口的自動選擇以及對橫波分裂結(jié)果的自動評級，并最終獲得橫波分裂參數(shù)最優(yōu)解的自動測量程序.如圖3所示，為利用MFAST Manual V2.2自動計算程序方法對臺站MB22在2021年6月27日02時03分記錄的一次近震事件進行測量的示例，選取的事件與圖2中可視化方法分析的事件為同一事件.具體步驟如下：

圖3 MFAST計算程序法分析過程：以MB22臺的一次余震記錄為例 (a) 原始波形的E、N、Z三分量記錄圖，黑色直線為手動標記的S波到時，虛線表示橫波分裂窗口的搜索區(qū)間，灰色區(qū)域為最佳橫波分裂分析窗口； (b) 上邊兩波形為S波的徑向和切向分量，下邊兩波形為校正后的徑向和切向分量，從圖中可看出經(jīng)校正后切向分量的能量已經(jīng)變得很小； (c) 不同橫波分析窗口的測量結(jié)果，可以看出該結(jié)果非常平穩(wěn)且誤差較小； (d) 不同S波分析窗口測量結(jié)果的分布圖，藍色十字表示最佳結(jié)果的位置，可以看出橫波分裂結(jié)果分布集中且較穩(wěn)定； (e) 兩水平分量在校正前后的地震記錄圖與質(zhì)點運動圖，左側(cè)為校正前的波形與質(zhì)點運動圖，右側(cè)為校正后的波形與質(zhì)點運動圖，可以看出經(jīng)校正后水平面內(nèi)的質(zhì)點運動圖由近似橢圓變?yōu)?近似線性，且快慢波波形擬合度較高； (f) 協(xié)方差矩陣最小特征值的等值線圖，藍色十字位于等值線收斂區(qū)域說明結(jié)果較為穩(wěn)定.Fig.3 An example of shear wave splitting analysis using MFAST for an aftershock recording at station MB22 (a) Three-component records (E, N and Z) of original seismic waveform. The black line represents the hand-picked shear wave arrived time. The dashed lines indicate the search range of the shear wave splitting window. The gray area is the best shear wave splitting analysis window. (b) The upper two waveforms are the radial and tangential components of the shear wave. The lower two waveforms are the corrected radial and tangential components, the energy of the corrected tangential component has been minimum. (c) Different measurement results of each shear wave analysis windows. It can be seen that the result is very stable and the error is small. (d) The distribution of the measurement results in different S wave analysis windows, the blue cross is the best result. It can be seen that the shear wave splitting results are concentrated and relatively stable. (e) Two horizontal component records and particle motion of the shear wave. The left side is the waveform and particle motion before correction, the right is the corrected waveform and particle motion. It can be seen that the particle motion in horizontal changes from approximately ellipse to approximately linear after correction, and the fast and slow wave waveforms fit well. (f) Contour plot of the smallest eigenvalue of the covariance matrix. The blue cross is located in the convergence area of the contour, indicating that the result is stable.

(1)對地震事件進行預(yù)處理，通過E、N和Z三分量能量大小(P波初動能量大于水平分量的兩倍以上)篩選出橫波分裂窗口內(nèi)的地震記錄，分別在N向分量與Z向分量中標記S波與P波初動到時.

(2)通過MFAST Manual V2.2程序中預(yù)設(shè)的14個帶通濾波器(14個濾波器的濾波范圍分別設(shè)置為0.5～10 Hz、0.5～15 Hz、0.5～20 Hz、0.5～25 Hz、0.5～30 Hz、0.5～35 Hz、0.5～40 Hz、1～10 Hz、1～15 Hz、1～20 Hz、1～25 Hz、1～30 Hz、1～35 Hz和1～40 Hz)對原始波形濾波并計算信噪比，優(yōu)選出信噪比最高的結(jié)果作為后續(xù)橫波分裂測量程序的輸入波形(圖3a).

(3)利用三分量記錄計算出徑向與切向分量并對兩分量進行旋轉(zhuǎn)和時間校正，利用聚類分析方法搜索出切向能量最小且兩水平分量波形相似性最大時對應(yīng)的方位與延遲時間，即快波偏振方向(109°)與慢波延遲時間(0.042 ms)，如圖3b、圖3c、圖3d和圖3f所示.

(4)檢驗兩水平波形校正前后的質(zhì)點運動圖是否從橢圓變?yōu)橹本€.圖3e中的兩水平分量的原始波形(左上)的質(zhì)點運動圖(左下)為橢圓，校正后的波形(右上)的質(zhì)點運動圖(右下)變?yōu)榻浦本€，證明了結(jié)果的可靠性.

圖2和圖3給出了臺站MB22記錄的同一個近震事件，分別采用上述兩種方法進行橫波分裂分析測量的示例，采用可視化測量方法得到的分裂參數(shù)為(106°, 0.045 ms)，采用MFAST Manual V2.2自動計算程序法獲得的分裂參數(shù)為(109°, 0.042 ms)，兩種方法的測量結(jié)果一致性很好，說明在近震波形數(shù)據(jù)滿足高信噪比情況下，上述兩種方法測量的結(jié)果的可靠性和一致性都比較好.例如，Volti和Crampin(2003)在冰島開展的橫波分裂研究也顯示，在近震波形具有較高信噪比的情況下，可視化測量方法和計算機程序測量方法均可以獲得較好的結(jié)果，且一致性較好.瑪多MS7.4地震余震序列十分發(fā)育，且瑪多科考臺陣高密度地覆蓋了余震區(qū)，這為開展震源區(qū)橫波分裂測量提供了大量高信噪比的近震波形記錄.因此，本文基于震源區(qū)高信噪比的近震波形資料，采用上述兩種方法開展了上地殼近震橫波分裂測量，獲得了震源區(qū)各臺站的各向異性參數(shù)結(jié)果.

郭慧麗等(2022)基于瑪多7.4級地震科考密集臺陣數(shù)據(jù)得到了高分辨率地震目錄，定位結(jié)果顯示余震深度主要分布在2～15 km，定位結(jié)果的平均水平誤差和平均深度誤差分別為55.9 m和71.9 m.本文基于上述精定位結(jié)果計算了震源到臺站的路徑長度，并對慢波延遲時間進行了歸一化處理.

2 結(jié)果

本研究基于瑪多地震科考流動臺陣150個地震臺站所記錄的海量余震序列波形數(shù)據(jù)，按照橫波分裂分析測量的要求進行嚴格篩選，選取了符合如圖2和圖3流程的近震事件波形開展橫波分裂測量.對于震源區(qū)密集臺陣所包含的150個流動臺站，除了臺站MA28和MA40由于儀器故障沒有數(shù)據(jù)未獲得有效分裂結(jié)果，以及臺站MA48和MB63由于距余震密集區(qū)較遠和自身近震波形信噪比較低而沒有找到合適的近震波形記錄，從而未獲得有效分裂結(jié)果外，其余146個臺站都得到了有效分裂結(jié)果，146個臺站最終得到了共計22518對有效事件波形記錄的橫波分裂參數(shù)結(jié)果.此外，從距主震半徑100 km范圍內(nèi)唯一的固定臺站MAD跨主震9個月的近震波形記錄中獲得了14對有效的橫波分裂結(jié)果.表1給出了各臺站的基本參數(shù)和所得到的快波偏振方向與慢波延遲時間的平均結(jié)果，以及各臺站所得到的有效分裂結(jié)果個數(shù)統(tǒng)計表.圖4和圖5給出了各臺站橫波分裂參數(shù)的統(tǒng)計分布圖.

根據(jù)圖4和圖5的各向異性結(jié)果分布，以及表1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，由于受橫波分裂窗口的限制，各區(qū)域的臺站所獲得的有效分裂結(jié)果對數(shù)差異較大.在密集臺陣約1個月的波形記錄中，位于主破裂附近的余震區(qū)范圍內(nèi)的臺站所得到的有效分裂結(jié)果數(shù)較多，至少在100對以上，其中位于主震東側(cè)的余震密集區(qū)內(nèi)的一些臺站獲得的有效分裂結(jié)果超過1000對，而隨著距主破裂余震區(qū)距離的增大，臺站所獲得的有效分裂個數(shù)迅速減少，到南北兩側(cè)較遠的臺站下降到個位數(shù).如位于主震東側(cè)的余震密集區(qū)內(nèi)的臺站MB22獲得了高達1072對有效分裂結(jié)果，余震區(qū)外臺站MB59和MS01臺由于距余震區(qū)較遠只得到了1對有效分裂結(jié)果，固定臺站MAD從9個月的波形記錄中僅獲得了14個有效記錄.

圖4給出了震源區(qū)各臺站橫波分裂參數(shù)的平均結(jié)果和不同區(qū)塊內(nèi)快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖.從圖4可以看出，不同區(qū)塊內(nèi)快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖(黑色)顯示各區(qū)塊內(nèi)快波偏振優(yōu)勢方向突出，同時各區(qū)塊之間的快波偏振優(yōu)勢方向存在著差異.沿主破裂帶余震密集區(qū)劃分為三個區(qū)塊，即主破裂帶西段(WR)、中段(MR)和東段(ER)，自西向東，區(qū)塊WR的快波偏振優(yōu)勢方向為近EW向，區(qū)塊MR和ER的快波偏振優(yōu)勢方向為WNW向，但區(qū)塊ER相較于MR的快波偏振優(yōu)勢方向數(shù)值較小，趨向水平；西測線MA自北向南的三個區(qū)塊(A1、MR和A2)的快波偏振優(yōu)勢方向基本一致，整體為WNW向；圖中紅色玫瑰圖顯示，震源區(qū)快波偏振方向為WNW向；東測線MB各區(qū)塊的快波偏振優(yōu)勢方向變化較大，自北向南，區(qū)塊B1為NW向，ER為WNW向，B2為ENE向，B3為WNW向，并且臨近主破裂帶兩側(cè)區(qū)塊B1和B2的快波偏振方向由遠及近都趨向于向主破裂帶的快波偏振方向聚攏的特征；主破裂中段兩側(cè)的區(qū)塊S1和S2的快波偏振優(yōu)勢方向分別為WNW向和ENE向，其中區(qū)塊S1內(nèi)的臺站基本沿瑪多—甘德斷裂分布，區(qū)塊S2內(nèi)的臺站分布在主破裂帶和甘德南緣斷裂的中間.圖4中左下角紅色玫瑰圖為研究區(qū)所有臺站得到的快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖，整體上快波偏振優(yōu)勢方向為WNW向，與區(qū)域構(gòu)造走向和余震序列分布一致.

表1 各臺站參數(shù)和橫波分裂結(jié)果Table 1 Station parameters and shear wave splitting results by station

圖4 瑪多MS7.4地震震源區(qū)橫波分裂結(jié)果分布圖 圖中紅色線段為橫波分裂參數(shù)：線段的方向為快波偏振方向，線段的長度正比于平均慢波延遲時間.黑色玫瑰圖為不同區(qū)域快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖，紅色玫瑰圖為研究區(qū)所有臺站快波偏振方向的等面積投影玫瑰圖，玫瑰圖中的數(shù)字為各個區(qū)塊內(nèi)有效分裂 結(jié)果的個數(shù).Fig.4 Distribution of the shear wave splitting results in the source region of the Madoi MS7.4 earthquake The red bars are the shear wave splitting results, the direction and length of the bar represent the fast wave polarization direction and the slow wave delay time, respectively; The black rose diagrams are the homolographic projection rose diagrams of the fast wave polarization directions in different regions, the red rose diagram shows the homolographic projection of the fast wave polarization directions of all stations in the study area. The number of valid splitting results in each block marks in each rose diagram.

圖5 瑪多MS7.4地震震源區(qū)各臺站慢波延遲時間分布圖 圖中慢波延遲時間的大小用圓的大小和顏色表示.白色文本框給出了各區(qū)塊的慢波延遲時間的平均結(jié)果.Fig.5 Distribution of slow wave delay times in the source region of the Madoi MS7.4 earthquake The size and color of the circle are proportional to the slow wave delay times. The average result of the slow wave delay times in each block shows in the white text box.

圖5給出了震源區(qū)各臺站的慢波延遲時間平均值的空間分布，以及對應(yīng)圖4的各個區(qū)塊的慢波延遲時間平均值.圖5顯示震源區(qū)不同區(qū)域慢波延遲時間相差較大，據(jù)表1可知各臺站慢波延遲時間范圍為1.1～5.9 ms·km-1，沿主破裂余震密集區(qū)內(nèi)的臺站所得到的慢波延遲時間較大，整體平均值在3.5 ms·km-1以上，特別是區(qū)塊ER內(nèi)臺站的慢波延遲時間最大，最大值可達5.9 ms·km-1，整體平均值為4.7 ms·km-1.主破裂兩側(cè)臺站的慢波延遲時間隨著臺站與主破裂距離的增大而逐漸減少，到一定距離后絕大部分臺站的慢波延遲時間小于2 ms·km-1，變得基本穩(wěn)定.

3 討論

3.1 震源區(qū)地殼各向異性深度分布及構(gòu)造背景

印度板塊向青藏高原不斷推擠過程中，巖石圈有效彈性厚度相對低值的巴顏喀拉塊體在高值的柴達木塊體和羌塘塊體南北“夾持”下發(fā)生物質(zhì)東向運動(張培震等, 2003; 胡敏章等, 2021)，造成塊體南北邊界及內(nèi)部發(fā)育大量左行走滑性質(zhì)的斷裂，走向以NW和WNW向為主.瑪多MS7.4地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體東北邊界東昆侖斷裂的次級斷裂——江錯斷裂，此次地震是21世紀圍繞巴顏喀拉塊體邊界帶，繼昆侖山MS8.1地震(2001年)和汶川MS8.0地震(2008年)之后發(fā)生的最大一次地震.此次地震的余震序列非常發(fā)育，震后約10天內(nèi)的固定臺站精定位結(jié)果顯示余震序列整體呈WNW向展布，震源深度較淺，主要分布于5～15 km(王未來等, 2021; 徐志國等, 2021).郭慧麗等(2022)基于深度學習和瑪多地震科考密集臺陣數(shù)據(jù)(震后第14天至第43天)構(gòu)建了此次地震震源區(qū)高分辨率地震分布(圖1)，整體上沿地表破裂呈現(xiàn)WNW向的條帶狀展布，集中分布于破裂帶偏北一側(cè)，發(fā)震深度主要集中在2～15 km.跨越瑪多地區(qū)的人工深部地震探測剖面揭示了該區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)特征，瑪多地震震源區(qū)地殼厚度約為60 km，上地殼底界埋深約為25 km(張建獅等, 2014; 嘉世旭等, 2017; 宋向輝等, 2021).因此，瑪多地震余震主要發(fā)生在上地殼.

近垂直入射的橫波所得到的分裂參數(shù)表示震源到地表接收臺站的綜合效應(yīng).本文基于瑪多地震科考密集臺陣獲取的地震目錄(郭慧麗等, 2022)篩選的用于橫波分裂有效近震事件的震源深度主要分布在6～15 km(圖2f)，所以瑪多地震余震序列橫波分裂測量所得到的分裂結(jié)果反映了震源區(qū)上地殼各向異性的特征.

3.2 震源區(qū)上地殼各向異性變化特征

圖4和圖5給出了震源區(qū)上地殼各向異性快波偏振方向和慢波延遲時間的空間統(tǒng)計分布圖，可以看出，快波偏振方向和慢波延遲時間分布具有明顯的空間分區(qū)特征，特別是沿主破裂帶顯示出各向異性與地表破裂帶和余震序列展布密切的相關(guān)性特征.

圖6 沿主破裂余震、震源機制結(jié)果、速度剖面和橫波分裂參數(shù)分布 (a) 沿主破裂余震事件統(tǒng)計個數(shù)分布(郭慧麗等, 2022)； (b) 沿主破裂的速度剖面(吳萍萍等, 2022)、余震分布(郭慧麗等, 2022)和震源機制結(jié)果分布(呂苗苗等, 2022)； (c) 沿主破裂各臺站快波偏振方向分布； (d) 沿主破裂各臺站慢波延遲時間分布.橫坐標為 剖面上各點與主震震中之間的距離，以主震位置為零點，向西為負，向東為正.兩個黑色箭頭將沿主破裂余震密集區(qū)分為3個區(qū)塊.Fig.6 Distribution of aftershocks, focal mechanisms, velocity slice, and shear wave splitting parameters along the main rupture (a) Statistical numbers of aftershocks along the main rupture (Guo et al., 2022); (b) Velocity slice (Wu et al., 2022), distribution of aftershocks (Guo et al., 2022) and focal mechanisms (Lü et al., 2022) along the surface rupture; (c) Distribution of fast wave polarization directions along the surface rupture; (d) Distribution of slow wave delay times along the surface rupture. The distance between each point and the mainshock epicenter shows in the horizontal axis, the center point of mainshock epicenter is zero, the west numbers are negative, and the east numbers are positive. The region of dense aftershocks along the rupture is divided into three blocks by the two black arrows.

3.2.1 沿主破裂帶地殼各向異性變化特征

瑪多地震主破裂帶與余震序列展布呈現(xiàn)出明顯的分段特征，根據(jù)其走向和展布特征自西向東可分為WR、MR和ER三個區(qū)塊，在各個區(qū)塊內(nèi)，各向異性快波偏振方向、破裂帶走向和余震序列展布具有高度一致性.在主破裂帶中段區(qū)塊MR，地表破裂帶與江錯斷裂重合，并且快波偏振方向和余震序列展布都與WNW向的破裂帶和江錯斷裂走向一致；而在主破裂帶的東西兩段，地表破裂帶并未繼續(xù)沿江錯斷裂破裂，在西段區(qū)塊WR地表破裂帶由WNW向轉(zhuǎn)向近EW向，在東段區(qū)塊ER地表破裂帶并未沿NW走向的江錯斷裂轉(zhuǎn)向，而是在中部區(qū)塊MR和東部區(qū)塊ER之間發(fā)生錯斷和北移，繼續(xù)保持WNW向的破裂，與此同時，東西兩段的區(qū)塊WR和ER的各向異性快波偏振方向也與主破裂帶的地表破裂方向一致，在西段區(qū)塊WR轉(zhuǎn)向近EW向，在東段區(qū)塊繼續(xù)保持WNW向.呂苗苗等(2022)基于瑪多地震科考密集臺陣數(shù)據(jù)反演了觀測期內(nèi)中小型余震的震源機制解結(jié)果(圖1和圖6b)，沿主破裂帶主要以左行走滑型地震為主，但在主破裂帶三個區(qū)塊之間的兩個分界處分別出現(xiàn)了1個逆沖型地震，揭示了主破裂帶具有高傾角左旋走滑性質(zhì)，且沿破裂帶具有分段性差異，表明發(fā)震斷層構(gòu)造形態(tài)的復(fù)雜性.吳萍萍等(2022)基于瑪多地震科考臺陣記錄的近震P波走時數(shù)據(jù)反演得到了震源區(qū)三維精細速度結(jié)構(gòu)，沿主破裂的速度剖面圖(圖6b)顯示三個區(qū)塊之間的分界位于高速區(qū)域與低速區(qū)域交界處.圖4和圖6顯示了快波偏振方向、地表破裂帶、余震序列、震源機制解和三維精細速度結(jié)構(gòu)具有一致的分段性和對應(yīng)特征.

圖5顯示了震源區(qū)各向異性慢波延遲時間分布，可以看出，最突出的特征是沿主破裂余震密集區(qū)內(nèi)的臺站所得到的慢波延遲時間明顯大于南北兩側(cè)余震密集區(qū)外臺站的慢波延遲時間，且主破裂東段區(qū)塊ER的慢波延遲時間明顯大于中段區(qū)塊MR和西段區(qū)塊WR的值.沿主破裂余震密集區(qū)，整體上慢波延遲時間平均值在3.5 ms·km-1以上，特別是東段區(qū)塊ER的慢波延遲時間表現(xiàn)突出，最大值為臺站MB23得到的1000余個有效結(jié)果的平均慢波延遲時間可達5.9 ms·km-1(表1)，整體平均值為4.7 ms·km-1，而離開主破裂余震密集區(qū)一定距離的絕大部分臺站所得到的慢波延遲時間小于2 ms·km-1，明顯小于沿主破裂余震密集區(qū)的慢波延遲時間.從圖6a可以看出，東段區(qū)塊ER的地震數(shù)量明顯多于中段區(qū)塊MR和西段區(qū)塊WR，對應(yīng)了圖6d和圖5中東段區(qū)塊ER的慢波延遲時間明顯大于中段區(qū)塊MR和西段區(qū)塊WR的特征，并且瑪多地震主震也發(fā)生在東段區(qū)塊ER內(nèi)，鑒于上地殼各向異性慢波延遲時間對區(qū)域應(yīng)力場的敏感性，說明瑪多地震孕震過程中東段區(qū)塊ER的應(yīng)力積累大于中段區(qū)塊MR和西段區(qū)塊WR.圖5中沿主破裂的余震序列集中分布在地表破裂帶的北側(cè).圖7給出了震源區(qū)各臺站慢波延遲時間隨臺站與主破裂帶距離的分布，無論從整體面上分布特征(圖7a)，還是垂直并跨越主破裂的兩條剖面西線MA(圖7b)和東線MB(圖7c)的分布特征，可以看出，主破裂帶附近北側(cè)的慢波延遲時間明顯大于南側(cè)，且主破裂南側(cè)各臺站平均慢波延遲時間隨臺站與主破裂距離增加而減小的速率大于北側(cè).瑪多地震余震序列定位和震源機制結(jié)果顯示發(fā)震斷裂的斷裂面陡峭且略向北傾(王未來等, 2021; 徐志國等, 2021; 張喆和許力生, 2021；郭慧麗等, 2022；呂苗苗等, 2022).綜合主破裂帶附近區(qū)域北側(cè)的慢波延遲時間大于南側(cè)、余震序列集中分布在主破裂北側(cè)和發(fā)震斷裂的斷裂面略向北傾的特征，說明瑪多地震孕震過程中，主破裂北側(cè)的應(yīng)力積累強于南側(cè).

圖7 各臺站慢波延遲時間隨臺站與主破裂距離的變化圖 (a) 震源區(qū)所有臺站慢波延遲時間隨臺站與主破裂距離的變化圖； (b) MA測線各臺站慢波延遲時間隨臺站與主破裂距離的變化圖； (c) MB測線各臺站的慢波延遲時間隨臺站與主破裂距離的變化圖.圖中橫坐標表示臺站與主破裂之間 的距離：以主破裂為零點，向南為負，向北為正.Fig.7 Variation of slow wave delay times with the distance between each station and the surface rupture (a) Variation of slow wave delay times with the distance between each station and the surface rupture at all stations in the source region; (b) Variation of slow wave delay times with the distance between each station and the surface rupture at stations along MA array; (c) Variation of slow wave delay times with the distance between each station and the surface rupture at stations along MB array. The distance between each station and the surface rupture shows in the horizontal axis, the vertical line marks the zero point, i.e, the location of the surface rupture, the south numbers are negative, and the north numbers are positive.

3.2.2 主破裂帶兩側(cè)地殼各向異性變化特征

沿主破裂余震密集區(qū)外的兩側(cè)區(qū)域，主要包括西線MA(區(qū)塊A1和A2)、東線MB(區(qū)塊B1、B2和B3)和面上區(qū)塊S1和S2.由圖4的快波偏振方向分布可以看出，對于西線MA，北側(cè)區(qū)塊A1和南側(cè)區(qū)塊A2的快波偏振方向整體上為WNW向，與處于主破裂余震密集區(qū)的西線MA的中部區(qū)塊MR的快波偏振方向一致，并與西線MA跨越的4條WNW走向且近似平行的瑪多—甘德斷裂、江錯斷裂、甘德南緣斷裂和達日斷裂基本平行；而對于東線MB各區(qū)塊的快波偏振方向變化較大，以東線MB的中部區(qū)塊ER為中心，與其相鄰的北側(cè)區(qū)塊B1為NW向，南側(cè)區(qū)塊B2為ENE向，這兩個區(qū)塊的快波偏振方向都趨向于主破裂WNW向的破裂方向收斂的特征，此外，與區(qū)塊ER和B2相鄰的區(qū)塊S2的快波偏振方向也為ENE向，它和區(qū)塊B2的快波偏振方向都未與相近的江錯斷裂和甘德南緣斷裂平行，而是一起向主破裂的破裂方向收斂，這反映了包括主震在內(nèi)的區(qū)塊ER是這次瑪多地震應(yīng)力積累最強的區(qū)域，并且影響到相鄰區(qū)塊B1、B2和S2的各向異性特征.東線MB南段距主破裂較遠的區(qū)塊B3快波偏振方向為WNW向，與其跨越的甘德南緣斷裂的WNW走向一致.距主破裂較遠且位于北側(cè)的區(qū)塊S1的快波偏振方向為WNW向，區(qū)塊S1內(nèi)的臺站基本沿瑪多—甘德斷裂分布，其快波偏振方向與瑪多—甘德斷裂走向一致.

由圖5中震源區(qū)慢波延遲時間分布可以看出，主破裂余震密集區(qū)外兩側(cè)的慢波延遲時間相較于余震密集區(qū)內(nèi)的慢波延遲時間明顯變小，結(jié)合圖7可知，主破裂余震密集區(qū)外兩側(cè)臺站的慢波延遲時間隨著臺站與主破裂距離的增大而逐漸減少，到一定距離后，慢波延遲時間趨于穩(wěn)定，絕大部分臺站的慢波延遲時間小于2 ms·km-1.由圖5和圖7可以看出，主破裂兩側(cè)臺站的慢波延遲時間隨著臺站與主破裂距離的增大而逐漸減少，到一定距離后絕大部分臺站的慢波延遲時間小于2 ms·km-1，變得基本穩(wěn)定.這反映了瑪多地震孕震過程中，應(yīng)力積累主要集中在主破裂余震密集區(qū)，隨著距主破裂距離的增大，這種應(yīng)力積累效應(yīng)逐漸減弱，到一定距離后，各向異性快波偏振方向和慢波延遲時間趨于穩(wěn)定，受瑪多地震的影響變得很弱.

3.2.3 震源區(qū)橫波分裂參數(shù)隨時間的變化特征

圖8給出了沿主破裂余震密集區(qū)三個區(qū)塊(WR、MR和ER)和固定臺站MAD的橫波分裂參數(shù)隨時間的變化趨勢.從圖8可以看出，震后第12天至第43天期間，區(qū)塊WR、MR和ER的快波偏振方向和慢波延遲時間兩個各向異性參數(shù)都未表現(xiàn)出隨時間的規(guī)律性變化特征.一般強震發(fā)生后隨著主震和余震能量的釋放，震源區(qū)積累的應(yīng)力也會逐步釋放，相應(yīng)橫波分裂參數(shù)會發(fā)生規(guī)律性變化，特別是慢波延遲時間會逐漸變小的特征，這種變化特征已在多次強震的余震序列橫波分裂測量中被證實，如汶川MS8.0地震(丁志峰等, 2008)、蘆山MS7.0地震(Chang et al., 2018).本文在瑪多MS7.4地震震源區(qū)一個月的觀測期內(nèi)未能觀測到橫波分裂參數(shù)規(guī)律性的變化，主要因為科考流動臺陣在震后第12天才開始布設(shè)并投入觀測，這時主震和大部分強余震已經(jīng)發(fā)生，并且中小地震的最高峰也過去，根據(jù)郭慧麗等(2022)基于瑪多科考臺陣數(shù)據(jù)的余震序列分析，觀測期內(nèi)余震頻次趨于穩(wěn)定，說明震源區(qū)瑪多地震孕震過程中積累的應(yīng)力尚未釋放完全，應(yīng)力釋放和調(diào)整過程還將持續(xù)一段時間.臺站MAD的記錄跨越了主震前后，本文在震前的第119天、第43天和第1天獲得了3對有效橫波分裂參數(shù)，在震后2個月獲得11對有效橫波分裂參數(shù).無論震前還是震后，臺站MAD的橫波分裂參數(shù)未表現(xiàn)出隨時間的規(guī)律性變化特征，并且其慢波延遲時間很小，只有1.6 ms·km-1，主要原因是臺站MAD距離主破裂余震密集區(qū)較遠，瑪多地震孕震過程中應(yīng)力積累和調(diào)整對其影響已經(jīng)變得很弱.

4 結(jié)論

本文基于瑪多地震科考密集臺陣和固定臺站MAD的近震波形數(shù)據(jù)測量得到的橫波分裂參數(shù)，分析了震源區(qū)上地殼的各向異性變化特征，獲得了如下認識：

(1)從地表破裂帶走向、余震序列展布、中小型地震震源機制和上地殼三維精細結(jié)構(gòu)結(jié)果來看，主破裂與余震序列展布具有一致性，且沿主破裂余震密集區(qū)具有明顯的分段性，本文得到的快波偏振方向也表現(xiàn)出與主破裂和余震序列展布較好的一致性，且自西向東也呈現(xiàn)出分段性特征.

(2)沿主破裂余震密集區(qū)的慢波延遲時間明顯大于兩側(cè)，特別是包括主震和高密度余震分布的主破裂東段的慢波延遲時間最大，主破裂附近區(qū)域北側(cè)的慢波延遲時間大于南側(cè)，主破裂余震密集區(qū)外兩側(cè)臺站的慢波延遲時間隨著臺站與主破裂距離的增大而逐漸減少，到一定距離后，變得基本穩(wěn)定.

圖8 橫波分裂參數(shù)的隨時間變化特征 圖中給出了沿主破裂余震密集區(qū)三個區(qū)塊(WR、MR和ER)和固定臺站MAD的橫波分裂參數(shù)隨時間的變化趨勢. 豎線標示了瑪多MS7.4地震，各圖的橫坐標以瑪多MS7.4地震發(fā)震的日期為零點，主震之后為正，主震之前為負.Fig.8 Temporal changes of shear wave splitting parameters Temporal changes of shear wave splitting parameters in the blocks (WR, MR and ER) along the main rupture and permanent station MAD. The vertical line marks the occurrence of the Madoi MS7.4 earthquake. The number of days show in the horizontal axis, the date of the Madoi MS7.4 earthquake is zero, the number of days after the mainshock is positive, and the number of days before the mainshock is negative.

(3)余震密集區(qū)外，臺陣東線MB以中部跨主破裂余震密集區(qū)的區(qū)塊ER為中心，北側(cè)和南側(cè)的快波偏振方向表現(xiàn)出趨向于主破裂收斂的特征，其他距主震和主破裂較遠區(qū)域的快波偏振方向基本為WNW向，與其所在區(qū)塊內(nèi)的斷裂走向一致.

(4)震源區(qū)上地殼各向異性空間展布反映了瑪多地震孕育過程中，應(yīng)力積累主要集中在沿主破裂余震密集區(qū)，且主破裂東段的應(yīng)力積累要強于中段和西段，主破裂附近的應(yīng)力積累北側(cè)強于南側(cè)，隨著距主破裂距離的增加，應(yīng)力積累效應(yīng)減弱，到一定距離后變得很弱.

(5)震源區(qū)橫波分裂參數(shù)未能呈現(xiàn)出隨時間的變化特征，主要由于密集臺陣在主震后第12天才開始布設(shè)并投入觀測，這時主震和大部分強余震已經(jīng)發(fā)生，并且中小地震的最高峰也過去，觀測期內(nèi)余震頻次趨于穩(wěn)定，孕震過程中積累的應(yīng)力尚未釋放完全，應(yīng)力釋放和調(diào)整過程還將持續(xù)一段時間.

(6)盡管臺站MAD的記錄跨越了主震前后，但它的橫波分裂參數(shù)也未表現(xiàn)出隨時間的規(guī)律性變化特征，且其慢波延遲時間很小，反映了其距離主破裂余震密集區(qū)較遠，瑪多地震孕震過程中應(yīng)力積累和調(diào)整對其影響很弱.

致謝感謝青海瑪多7.4級地震科考地震深部構(gòu)造環(huán)境組現(xiàn)場科考隊為獲取高質(zhì)量的地震觀測數(shù)據(jù)付出的艱辛.感謝中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(doi:10.11998/SeisDmc/SN)、中國地震臺網(wǎng)中心和青海地震臺網(wǎng)為本研究提供MAD臺地震波形數(shù)據(jù).感謝審稿人提出的寶貴意見和建議.