云南地区位于青藏高原、印支地块和扬子地台相互作用的交汇部分,区域内地震活动性较高,宾川地区位于云南西部。该地区位于川滇菱形块体的西北部,丽江—小金河断裂带与金沙江—红河断裂在此处汇集,块内活动断裂发育,地震活动强烈,无论是横向还是纵向的地壳各向异性明显(皇甫岗等,2007; 罗睿洁等,2015; 王双绪等,2013),是探讨地震活动性与地壳各向异性的理想地区。

地球介质内部应力积累是地震孕育和发生过程的重要因素,通过研究地壳内各向异性可监测地球内部微弱的变化,从而为分析地震发生过程甚至寻找地震的前兆提供了可能(Aggarwal et al,1973)。相对于地球介质结构的研究,目前对地球介质变化的研究还处于初步阶段,由于很难直接深入地球内部进行测量,只能通过分析地震波来研究地球内部的变化(王宝善等,2011)。近年来,利用主动源激发的地震波来研究地下各向异性,并试图找出其与地震活动相关性的研究一直在进行。结合气枪主动源数据和前人的研究成果,本文拟采用剪切波分裂的参数快波方向和快慢波到时差来描述地壳各向异性的时空变化。

Crampin等(2004)研究发现,当剪切波在各向异性介质中传播时,会分裂成两个波,速度较快的为快剪切波,速度较慢的为慢剪切波,两列剪切波的偏振方向相互垂直(吴晶,2007)。自这个现象得到土耳其扩容计划项目研究结果的确认以来,地震波各向异性的研究已成为理论地震学、勘探地震学、地球动力学研究以及地震灾害预测中的热点(常利军等,2008)。剪切波分裂参数的变化主要受区域内的压应力和断裂活动控制,地震活动性与其相关性较高,因此可以通过研究地震前后剪切波分裂参数的变化来预报地震。国际上,计算剪切波分裂参数用的是PS转换波震相,随着观测技术的提升,SKS、SKKS和PKS等震相也被用于剪切波分裂研究,从而将剪切波研究范围从地壳推向了上地幔。在应用领域,由于剪切波分裂特性对地壳应力场的微小变化敏感,Crampin等(2004)将其应用于临震预报,其中最为成功的一次是对冰岛6.6级地震的临震观测。在国内,剪切波分裂应用最早是研究华北地区地壳各向异性,采用的是固定台站的数据,随着数据来源和质量的提高,剪切波分裂研究地下介质各向异性在中国大陆都有进行。具体到本研究区域,孙长青等(2013)使用云南地区21个宽频带地震台记录到的370个远震事件的接收函数,得到宾川地区的快波偏振方向为100.33°,估算上地壳慢波延迟时间为0.200 s。由于计算中使用台站较少,数据主要是M_L≥6.0天然远震事件,对结果分析有较大的限制。前人研究剪切波分裂主要使用的天然地震(王椿镛等,1997; 刘志等,2000),但是,天然地震的频率低,定位也存在较大的误差,因此,将人工地震引入剪切波分裂研究介质应力分布及其变化具有重要的意义。近年来,随着陆地气枪技术的应用,利用剪切波分裂分析气枪产生的地震波获得了成功(张尉等,2009; 赵雯佳等,2013)。

2011年初以来,中国地震局地球物理所与云南省地震局合作在宾川地区开展主动源项目,布置了40个流动地震台,收获了大量的数据。本文利用这些数据,分析云南宾川地区的浅部地壳各向异性分布特点。

2010—2016年,中国地震局地球物理所与云南省地震局在云南宾川地区联合开展主动源项目,图1为研究区域部分台站分布及主要断裂分布。主动源系统由两部分组成:一部分是激发地震波的

气枪震源,主要由4支气枪组成,每支气枪的容量为2 000 L,沉放在项目基地的湖水中,沉放深度为10 m,目前的实验频率是每天进行一组实验,每组实验约16次; 另一部分是40个流动地震台组

图1 研究区域背景及流动地震台站示意图
Fig.1 Tectonic setting of the study area and distribution of portable seismic stations

图2 天然地震和气枪震源产生的S波比较
Fig.2 Comparison of the shear wave from airguns and natural earthquakes

成信号接收系统,使用的是Guralp40T短周期地震计,Reftek130B数据采集器,采样率是100 Hz。该套系统制造的震源具有可重复性高、低成本、环保等特点(杨微等,2013)。在2015年11月18日至12月16日期间,气枪震源在宾川水库中定时激发,生成了大量高质量的数据,积累大量的资料。根据前人的研究,气枪每一次激发高度相似,但气枪所置水深、枪内压力、枪所在区域水库底部地形等因素都能影响气枪信号重复性。为了避免气枪源的变化对结果的影响,我们选择合适的实验时段,尽可能保证水库水位稳定,以提高气枪震源的重复性。本文拟用该时间段记录到的943个事件,选取信噪比较高的事件进行计算。

将台站接收的气枪信号按震中距排列,主动震源信号高度重复性,但能量较小,根据林建民等(2010)的研究,单次激发的能量相当于M_L0.7天然地震,部分台站在震中距120 km处可见单次激发信号。对实验期间的事件进行滤波并叠加,再按震中距排列,可在震中距110 km处观察到清晰的剪切波,如图3所示。由于本研究试图寻找剪切波分裂参数在时间轴上的变化,因此选择参与计算的台站震中距在50 km以内,以保证单次激发的数据有较高的信噪比,可以清晰地读取到剪切波起跳。

图3 800次气枪信号叠加并按震中距排列
Fig.3 Waveform from stacked result of 800 airgun signals arranged based on epicentral distances

本文研究所用分析软件Splitlab可以采用旋转相关法、最小能量法和特征值法3种方法计算剪切波分裂。其中,特征值法的周期跳跃效应严重,最小能量法对干扰敏感,而本文数据来自流动地震台,相对于固定台干扰较多,选择较远台站时信噪比较低(张尉等,2009,赵雯佳等,2013)。为了保证计算精度,在计算中使用旋转相关法和最小能量法,结合计算结果综合考量,在最后分析中选取的结果是旋转相关法得到的。此方法结果相对其他方法稳定,不易突跳,抗干扰能力较强。

如图2所示,水库气枪震源产生的剪切波不同于天然地震或者陆上爆炸震源,其频率偏低,但3个分量上的S波振幅均大于P波,与地震相似。水库气枪震源的S波是P波在震源附近的水底固液界面产生的转换波,传播路径与P波大致相同。由于剪切波分裂测量中需提供S波到达时间,S波窗的选择直接关系计算结果的准确性,因此识别S波到时是一个重要的工作。本文主要根据两点来识别S波,一是根据震相分析,二是根据理论模型计算S波的理论到达时间,所选理论地壳模型见表1。

表1 采用的速度模型
Tab.1 Velocity model used in this study

根据上述模型,计算每个台站的剪切波理论到达时间,并结合理论到时前后水平向质点振动轨迹,选定剪切波分裂窗,如图4所示。在实际计算中,为了减小误差,根据震中距调整剪切波分裂窗长,一般震中距小于15 km时选择时窗长为0.5 s,超过20 km时窗长为1 s。同一个台站所有事件选择的分裂窗长度相同。根据张尉等(2009)的研究,气枪信号S波中心频率主要集中在3～8 Hz,计算前对选用的事件进行相应的滤波。

根据上述方法选定时间窗,对每一个事件进行计算。由于主动源信号能量较小,震中距较远的接收台站信号干扰较大。在开始计算之前,对所有数据进去倾、去噪和挑选等工作。在实际的

研究中发现,剪切波分裂受到入射角的限制,对于泊松比为0.25的介质,剪切波入射角大于35°时,剪切波入射到地表时会产生畸变,影响计算精度。为了提高结果可靠性,我们计算了所有台站的入射角,放弃入射角大于45°的台站数据。入射角的计算是以表1为地壳P波速度模型,根据Snell定理,对剖面进行射线追踪,如果只计算PS震相,震中距小于15 km均符合要求,对于较远的台站,选择多次反射波进行计算,使其入射角符合要求,其入射角计算同理。由于震源在地球表面,射线所走路径较短,所积累的分裂参数较小,我们对事件进行了重采样,将采样率提高1 000 Hz,以保证结果精度。为了检验计算结果,选择

图4 53261台事件波形及选定时间窗
Fig.4 The waveform for earthquake events recorded by station 53261 and the selected time windows

了实验期间宾川地区发生的3次天然地震作为对比,计算过程同上,部分台站结果略有误差,大部分台站计算结果相同。

对35个台记录的943个事件进行计算,排除入射角不符合要求的,发现只有12台站能得到稳定的结果。所得结果如表2所示,宾川地区的快波偏振方向分布在-9°～66°之间,平均偏振方向为25.1°,各向异性强度在0.012 ～0.145 s之间。根据孙长青等(2013)的计算,宾川地区快波方向平均为35°,这与本次研究所有台站的平均结果相近。由于震源在地表,将震中距视作射线路径,得到平均延迟量。除两个台站明显偏大外,其余台站平均延迟量在0.002 7～0.005 4 s/km之间。高原和Crampin(2009)认为,云南地区平均延迟时间约为(1.8±1.2)ms/km,这里给出的平均延迟量是整个地壳的平均,而一般认为,下地壳平均延迟量较小,上地壳平延迟量较大,本研究的结果验证了这种说法。

如图5所示,宾川地区的快波偏振方向变化剧烈,大部分台站的偏振方向受红河断裂、程海断裂影响。台站的偏振方向在程海断裂及其右侧,偏振方向较一致,而在红河断裂与程海断裂包夹的中间块体,偏振方向振荡极大。

图5 快波方向及实验期间发生的M≥1.0地震
Fig.5 Fast wave direction and earthquakes occur between the tests

表2 宾川地区分裂参数
Tab.2 The splitting parameters beneath the Binchuan region

通过计算2015年11月18日至12月16日期间的943个主动源地震事件的剪切波分裂参数,结果显示:宾川地区的剪切波平均快波偏振方向为25.1°,橫向变化极大,这可能与程海断裂与红河断裂在此区域的汇集有关。程海断裂左侧与红河断裂汇合的区域剪切波快波方向极不稳定,显示出该块体由于和海断裂与红河断裂在该区域的碰撞导致块体破碎,块体内形成众多的小结构导致主应力方向多变。从时间上看,快波方向和慢波到时差均呈现出一定规律的变化,这种变化没有受到小震的影响。

本研究使用了云南宾川地震信号发射台的气枪震源激发记录资料,感谢王宝善研究员的帮助。