祁连山—六盘山地震带处于印度和欧亚板块碰撞挤压的转折过渡区域,位于阿拉善地块、鄂尔多斯地块与青藏块体的交汇地带。该地区属于构造运动比较活跃的区域,主要受到NE向的现代构造应力场的作用,使之产生强烈的地壳变形和断裂活动,地震活动强烈,地震灾害较为严重(邓起东等,2002)。因此对祁连山—六盘山地震带地区开展剪切波分裂的研究有助于进一步认识区域地壳应力场、地质构造特征和地震活动性。

一般来说,地壳和上地幔介质普遍存在地震各向异性。在应力作用下,引起地壳各向异性的主要原因是由于地壳中充满了大量定向排列的微裂隙,简称EDA(Extensive—dilatancy Anistropy)(Crampin 1981; Crampin,Booth,1985)。剪切波分裂是研究地壳介质各向异性和区域构造应力状态的有效手段之一(Crampin et al,2002; 高原等,2008a,b; 吴晶等,2010)。通常来说,当地震波在各向异性介质传播时,剪切波会分裂成2个近似相互垂直的子波,即快剪切波和慢剪切波。快剪切波的优势方向与裂隙走向一致,即与原地主压应力方向一致(Crampin,1984),因此快剪切波的偏振方向可以较好地反映出研究区域内构造应力的方位(李金等,2015); 慢剪切波的时间延迟不仅能反映介质各向异性的强度,更能够描述区域应力环境的动态特征(Gao et al,1998,2004; Crampin et al,1999; 丁志峰等,2008)。

目前,很多学者使用各种地震学方法对该地区壳幔结构、变形模式以及各向异性进行了大量研究(常利军等,2008; 张辉等,2012; 王琼等,2013; Xu et al,2014; Wu et al,2015; 姜永涛等,2015)。但利用“十五”项目的密集台网数据,针对祁连山—六盘山地震带及邻区更大范围内开展区域地壳各向异性的研究还有待进一步深入探讨。本文利用2010年1月至2015年12月甘肃省测震台网“十五”宽频带数字地震波形资料,基于剪切波分裂原理,计算了祁连山—六盘山地震带地区21个台站下方的地壳各向异性参数,分析了该区地壳各向异性的分布特征,讨论了地壳各向异性与地壳内部构造特征和区域应力分布关系和内在联系。

祁连山—六盘山地震带西起甘肃昌马,东至陕西宝鸡,长约1 200 km,在青藏块体东北部的边缘呈北西向展布,是青藏高原最年轻的构造带之一。由于长期受到印度板块与欧亚板块的碰撞挤压作用,该地震带不断遭受构造隆升并逐渐成为高原的一部分(Tapponnier et al,2001; 邓起东等,2002; 柴炽章等,2003; 袁道阳等,2004)。第四纪以来,祁连山—六盘山地震带的构造活动比较强烈,是中上地壳介质最易形变和流动的地区,其内部发育着多条NWW、NW、NNW向的断层(图1)。区域内不同走向的断裂衔接相交,构成了该区域复杂的孕震环境和构造背景。本区域内的地震活动频度高、震级大、地震灾害严重。自1900年以来,区内发生了1920年海原8.5级、1927年古浪8.0级、1932年昌马7.6级、1954年山丹7.3级等地震。最近的一次是2016年1月21日门源6.4级地震。

根据震源机制解资料(许忠淮,2001; 张辉,2007),得到祁连山—六盘山地震带现代构造应力场的主压应力轴方向为NE至NEE向,区域内地震震源机制类型主要是走滑型和逆断型(崔效锋等,2005)。水压致裂地应力的测量结果也显示祁连山—六盘山地震带现今地壳应力场的主压应力方向为NE至NEE向(王学潮等,2000)。

图1 祁连山—六盘山地震带台站分布和构造背景图
Fig.1 Distribution map of seismic stations and tectonic setting in Qilian Mountains-Liupan Mountains seismic belt

本文采用剪切波分裂系统分析(SAM)方法(高原等,2004),研究祁连山—六盘山地震带地壳介质的各向异性特征。该方法是在相关函数的基础上提出的一种用于剪切波分裂分析的系统分析方法,具有自我检验的特点,可提高分析结果的可靠性和稳定性,其具体原理和方法可参考高原和郑斯华(1994),高原等(2008a,b),石玉涛等(2008)等。

本文使用了甘肃省测震台网21个台站所记录的2010—2015年祁连山—六盘山地震带区域内的27 855次近场小震的波形数据。在泊松比为0.25的情况下,剪切波窗口一般为约35°的入射角(Crampin,Pacock,2005),但是由于地壳顶部低速沉积层的存在,有效的剪切波窗口一般能拓宽到45°～50°(Gao et al,1998; Crampin,Pacock,2005),在此基础上挑选出波形质量好、可用于近震剪切波分裂分析的波形数据。另外,剪切波分裂计算还要求选取的数据具有较高的信噪比,因此先对数据进行了带通滤波处理,滤波范围为1～15 Hz。图2为采用Butterworth滤波器滤波后的地震三分向记录,2012年9月2日9时46分M_L1.9地震的震源深度为6 km,震中距为6.25 km。从图中可以看到,该地震剪切波清晰

图2 四个山(SGS)台记录到的2012年9月2日ML1.9地震的波形
Fig.2 Waveform of the ML1.9 earthquake on Sep.2,2012 recorded by SGS Station

可见,波形信噪比较高。同时,为了保证截取Sg波段数据的准确性和计算结果的可靠性,避免自动拾取震相时对结果的影响,文中所有的Sg波震相都是人工拾取,同时删除震相不清晰的事件。经统计,大多数地震事件的震源深度在5～20 km之间(图3)。

图4分别给出剪切波偏振图和偏振分析检验图的实例。从图4a中可以看出2列剪切波的质点运动轨迹并不是线性的,在经过波形旋转和时间延迟校正之后,2列剪切波的偏振图表现为接近线性的特征(图4b),这表明计算结果是比较可靠的。

图3 地震个数—震源深度统计图
Fig.3 Histogram of earthquake number focal depth

图4 剪切波分裂分析示意图
Fig.4 Sketch map of shear wave splitting analysis

表1 研究区内台站下方地壳剪切波分裂结果
Tab.1 The results of shear-wave splitting beneath the stations in the study area

由研究区域内各台站快剪切波偏振方向的等面积投影玫瑰图(图5)可以看出,祁连山—六盘山地震带的中部以及东西两侧的各向异性存在明显的分区特征。因此,可将研究区域粗略地划分为4个区域:西缘、中西段、中东段和东缘。从整体上来说,大部分台站的快剪切波偏振方向主要显示为近NE方向,与前人研究结果(张辉等,2012; 郭桂红等,2015)大体一致。

祁连山—六盘山地震带的西缘是阿尔金活动断裂切截祁连山诸构造的交汇区,中强震比较频繁,尤以1932年昌马地震著名。该区域平均快波偏振方向为NE(35.5°±10.88°),平均快慢波时间延迟为(0.79±0.52)ms/km。SBC、CHM台快剪切波偏振方向表现出较好的近NE向,研究结果显示该区域地壳介质主要受到区域主压应力场和阿尔金断裂走滑剪切的双重作用。

中西段地处河西走廊,是青藏块体向阿拉善地块应力传递的过渡区域,包括QTS、JFS、SNT、QIL、MEY、GTA、ZHY、SDT、HXP台。该区域发育多组近平行的断裂:龙首山南缘断裂、榆木山断裂、昌马断裂、祁连山北缘断裂等。根据剪切波分裂分析结果,该区域的快剪切波偏振方向为近NE向,平均偏振方向为46°±11.20°。但本区域内,位于冷龙岭断裂带北西方向的MEY台快波偏振方向为NW向,与断裂的走向斜交,因此可以推测MEY台下方快波偏振方向可能是受到局部构造和主压应力场的双重制约。整体上,该区域台站下方的快剪切波偏振方向一致性较高,表现与河西走廊的主压应力状态一致,受断层的影响较小。本研究认为,可能由于台站附近的断层对该地区地壳各向异性的影响较弱,区域主压应力场起主导作用,也从另一个侧面暗示了该区域在深部构造变形达到一定均衡性,说明该研究区域的应力场分布具有一定的均匀性和一致性。

中东段处于青藏块体、阿拉善地块和鄂尔多斯地块的交汇区域,位于陇中盆地西北缘,该区域地质条件复杂,多条断层发育,包括NW走向的海原断裂、NNW走向的庄浪河断裂和皇城—双塔断裂、EW走向的武威—天祝断裂等。其中,SGT、GLT、JTA、YDT台的快剪切波平均偏振方向显示出2个优势方向:NE向和NW向。快剪切波偏振方向的第一优势取向反映了该区域的水平主压应力方向,快剪切波偏振方向的第二优势取向揭示了NWW的局部构造意义,表明快波偏振方向受本区 NW向断裂带的影响。例如,武威—天祝断裂和皇城—双塔断裂交汇部分的SGT台,其快剪切波偏振方向出现NE和NW两个优势方向,SGT台的第一优势方向NE向与区域构造应力背景一致(谢富仁等,2004),而NW向的优势方向则受到了皇城—双塔断裂和武威—天祝断裂构造运动的影响。

东缘位于鄂尔多斯西南缘,是海原断裂和六盘山断裂的衔接区域,包括JTA、HYU、XJI、GYU台。根据区内各台站获得的剪切波分裂结果,得到研究区内台站的优势偏振方向为近NW向。区域内XJI台的快剪切波的偏振方向与紧邻台站的快剪切波偏振方向差异较大,显示出明显NE向,导致这一现象的原因可能与XJI台所处的区域应力场环境有关。统计得到,除XJI台之外,研究区IV区的快剪切波的平均偏振方向为135°±8.96°,平均慢剪切波时间延迟为(1.10±0.81)ms/km。

图5 祁连山—六盘山地震带各台站快剪切波平均偏振方向的空间分布及其等面积投影玫瑰图
Fig.5 Spatial distribution of average fast shear wave polarizations of stations in Qilian Mountains-Liupan Mountains seismic belt and their equal area project rose diagrams

通过对祁连山—六盘山地震带地区21个台站的剪切波分裂的研究,得到如下结论:

大部分台站的优势方向明显与区域内的主压应力的方向一致,呈近NE-NEE向,表明来自印度板块和欧亚板块的NNE或NE向的水平挤压应力控制了祁连山—六盘山地震带的中上地壳应力场。但局部区域的快剪切波偏振方向与断裂走向一致,表明该区各向异性具有差异性,主要是由活动构造影响造成的。研究区域快剪切波偏振方向由西至东表现为:西缘地区快剪切波偏振方向为近NE向,产生各向异性的原因可能是区域主压应力场和阿尔金断裂走滑剪切的共同作用; 中西段快剪切波偏振方向与区域主压应力方向一致性较好,受断层的影响较小,推测该区域深部构造变形达到一定的均衡性,进而使该区域应力场具有均匀性和一致性特征; 中东段快剪切波偏振方向则显示出复杂的分布,对应了该地区受到多个地块互相作用、山区盆地交错出现、多条断裂相交的多重因素的制约,使快剪切偏振方向具有一定的离散性; 东缘区域快波偏振方向为近NW向,在空间上具有明显的沿顺时针方向旋转的特征。

本研究使用的波形资料和地震目录由甘肃省地震局提供,中国地震局地震预测研究所高原研究员课题组提供SAM软件,北京大学冀战波博士、新疆维吾尔自治区地震局苏金波和中国科学院大学崔辉辉博士对本文给予了悉心指导与帮助,在此一并表示感谢。