利用中国地震科学台阵研究青藏高原东南缘地壳各向异性：第一期观测资料的剪切波分裂特征

太龄雪， 高原， 刘庚， 肖卓

中国地震局地震预测研究所， 北京 100036



利用中国地震科学台阵研究青藏高原东南缘地壳各向异性：第一期观测资料的剪切波分裂特征

太龄雪， 高原*， 刘庚， 肖卓

中国地震局地震预测研究所， 北京 100036

中国地震科学台阵第一期(2011—2013年)布设在南北地震带南段，本研究利用中国地震科学台阵布设在云南及相邻地区的部分流动台站记录到的2011年6月至2013年3月的数字地震波形资料,开展地壳各向异性分析.本文使用剪切波分裂系统分析方法(SAM方法)，获得了研究区内67个台站的剪切波分裂参数.研究结果表明，受到云南及周边地区复杂的构造、应力环境和纵横交错的断裂分布的影响，该地区快剪切波偏振方向(PAZ)整体上显示出NNE向和NE向的优势取向，但在空间分布上比较复杂，虽然大部分台站的PAZ与构造应力场方向一致，但部分断裂附近台站的PAZ受到断裂的影响.结果显示，本研究区内不同区域的PAZ有一定差异性.本研究划分了5个子区，西部3个不同区域的PAZ从北到南分别为NNW向、近N-S向和NE向，有顺时针旋转的趋势，而东部的2个区域PAZ分别为NEE向和NNW向.研究证实，青藏东南缘地区的地壳各向异性空间分布虽然非常复杂，但大体上与区域内的主压应力的方向和断裂分布相关.

青藏高原东南缘； 地壳各向异性； 剪切波分裂； 快剪切波偏振方向(PAZ)； 慢剪切波时间延迟(δt)； 主压应力； 中国地震科学台阵

1 引言

开展地球深部结构、介质特性和应力环境等研究常常需要探讨地震各向异性问题.地壳各向异性有多种起因，但最主要的原因是地壳中存在着大量的应力诱发的定向排列的平行微裂隙，当剪切波在这种结构中传播时，会发生分裂.地壳各向异性主要由两个参数来反映，即快剪切波偏振方向(PAZ)和慢剪切波时间延迟(δt).研究已经发现，PAZ与原地主压应力方向一致(Gao et al., 2012)，因此，剪切波分裂参数可以被用来分析地壳应力状态及变化(高原等，1995；Gao et al.,1998;太龄雪等，2008，2011).近年的研究还发现，PAZ受到复杂地质结构及断裂分布等因素的影响，对于活动的走滑断裂上的台站，其PAZ与断裂走向较一致(Cochran et al., 2006; Gao et al.,2011)，与区域应力场方向有明显差异.δt是一个反映介质的各向异性程度的参数(Shi et al., 2012)，在地震发生前后δt可能会出现一系列变化(太龄雪等,2008).目前，国内已有不少学者在不同区域利用固定台站或流动台站的观测资料进行了关于区域地壳各向异性的研究，提供了地壳介质的很多有价值的信息.

青藏高原东南缘基本上位于南北地震带的南段，区域构造复杂，地震活动频繁，是我国大陆内部地震活动最强地区之一.查小慧和雷建设(2013)采用H-κ叠加方法得到了云南地区地壳厚度和泊松比，杨国华等(2003)利用云南地区100多个测站的GPS资料，获得了该地区现今水平运动与形变的特征图像，吴建平等(2004)、崔效锋等(2006)和钱晓东等(2011)则采用震源机制解方法分析了云南地区现代构造应力场方向，认为该区具有非常复杂的应力场环境.研究已经发现，走滑断裂的走向强烈影响地壳剪切波分裂的PAZ(Shi et al., 2012)，而逆冲断裂对剪切波分裂有不同的影响(石玉涛等,2009).在云南地区也开展过一些剪切波分裂研究，研究者曾对1995年武定6.5级地震(李白基等, 2002)、2000年姚安6.5级地震(王新岭等, 2006; 钱晓东等, 2002)、2001年施甸5.9级地震(高原等, 2004)和2001年永胜6.0级地震(邬成栋等,2004)进行了针对强震震源区的剪切波分裂的研究.采用云南区域地震台网的地震波形资料研究得到的区域地壳各向异性结果认为，PAZ与区域主压应力方向一致,或受到断裂走向的影响(高原等, 1995; 石玉涛等,2006)，而利用Pms震相得到的下地壳各向异性研究表明，该地区的下地壳各向异性与大型断裂带走向一致(孙长青等,2013).

中国地震科学台阵探测项目于2010-2013年在南北地震带南段布设了流动地震台阵(鲁来玉等, 2014)，中国地震局地球物理研究所在云南、四川、贵州和广西地区布设了约350个流动地震观测台站.本研究采用此流动地震台阵(图1)在云南及周边地区所记录到的地震波形资料，利用剪切波分裂分析方法，探讨青藏东南缘地区的地壳介质各向异性空间分布特征、剪切波分裂参数与应力场和断裂分布的关系.

图1 本研究使用的流动地震台阵的台站分布和断裂分布

2 构造背景

青藏高原东南缘(主要在云南境内)位于南北地震带南段，印度板块与欧亚板块碰撞带的东侧，构造运动十分剧烈，不同走向、规模和性质的断裂纵横交错，强震活动频繁，地震灾害严重(王阎昭等,2008).该区域内北西向、北东向和南北向断裂非常发育，北西向断裂呈现集束-撒开的空间形态，呈右行斜滑运动，如红河断裂等；南北向断裂呈左行斜滑，如小江断裂等；北东向断裂呈左行斜滑，如丽江—剑川断裂等.在青藏东南缘，地震沿北西、北东和南北向呈带状分布，与活动断裂带分布一致，互为直接的因果关系(马杏垣, 1989).

青藏东南缘主要受到来自三个方面的力的作用：一是印度板块与欧亚板块碰撞；二是印度板块向东经缅甸对云南地区的侧向挤压力；三是来自华南地块的NW、NNW向应力的作用.这三个方面的力的共同作用，使云南地区成为了地质构造复杂、地震活动强烈的地区(钱晓东等, 2011)，同时也使该地区的应力环境具有复杂、区域性强的特征.

2000年以来，南北地震带南段的区域地震活动非常强烈，共发生5级以上地震59次、6级以上地震14次，其中有3次是发生在2014年，分别为2014年5月30日发生的盈江6.1级地震、8月3日发生的鲁甸6.5级地震和10月7日发生的景谷6.6级地震，特别是鲁甸6.5级地震造成了严重的人员伤亡和经济损失.该地区地震发生频度高、震级大的特征，可能与青藏东南缘受到的板块之间的相互作用和来自深部的力的作用有关.

3 方法和数据

本文利用中国地震科学台阵探测项目在南北地震带南段布设的流动地震台站(图1)(即ChinArray第一期观测台站)记录到的地震波形资料，使用剪切波分裂系统分析方法——SAM方法，对云南及周边地区进行了地壳各向异性研究.SAM方法主要由相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验等三个部分组成.首先截取两个水平分量波形并对其进行旋转，计算其相关函数，再根据相关函数最大值所对应的旋转角度和时间差，得到PAZ和δt的初步结果.然后，根据相关函数计算得到的初步结果，对两个水平波列进行时间延迟校正和偏振分析检验，若经过时间延迟校正后的偏振图接近线性，则认为计算结果具有可靠性，并将这一结果作为最终结果.

图2 三分向地震波形

剪切波分裂分析方法对挑选地震波形资料的要求比较严格.当剪切波入射到地表时，如果入射角大于临界角就会发生全反射现象.为了提高计算结果的可靠性，避免全反射现象对数据分析结果的影响，在分析过程中只能选用剪切波窗口内的数据.在理论上，对于泊松介质(泊松比为0.25)，临界角约为35°.但在实际分析过程中，如果计算入射角时将介质简单地按近似单层计算，则选择入射角小于或等于45°的波形资料就可以满足剪切波窗口的约束条件(Crampin and Peacock, 2005).

本研究搜集并整理了2011年6月至2013年3月期间研究区内由301个流动地震台站(其中云南240个、四川60个、贵州1个)记录到的共31903条数字地震波形记录，得到了剪切波窗口内(入射角小于或等于45°)的数据共2655条，不过由于波形质量等方面的原因，在本研究中使用的台站共有67个(其中云南62个、四川4个、贵州1个)(图1)，使用的有效地震记录共826条.云南和四川地区的地震计型号为CMG-3ESPC(60S)，数采型号为REFTEK-130，采样率为100 Hz；贵州地区的地震计型号为CMG-40T(30S)，数采型号为REFTEK-130，采样率为100 Hz.

图3 水平分量剪切波偏振图

图4 偏振分析检验

图2中的4个波形为1017台记录到的原始三分向地震波形，从图2中的三分向地震波形截取了100个采样点，并对此数据进行了相应的计算.图3为水平分量剪切波偏振图，图4是偏振分析检验图.从图中可以看到经过波形旋转和时间延迟校正以后的偏振图更接近线性.

4 研究结果

本研究采用SAM方法对云南及周边地区67个流动地震台站记录到的826条数字地震波形记录进行了分析，共有47个台站的有效数据在2条及以下，有20个台站获得3条及以上有效记录，其中有

8个台站的有效记录超过10条，得到的剪切波分裂参数结果主要是PAZ和δt，其中PAZ的单位记为北偏东多少度(表1).

分析记录到的剪切波窗口内地震事件，本研究共得到研究区内67个台站的平均PAZ和δt分布(图5).从图5中可以看到，由于受到复杂的局部构造和应力场的影响，该地区的PAZ在空间分布上比较复杂，而且平均δt的差异也较大，其值在0.60～12.77 ms·km-1之间，有12个台站的平均δt大于或等于7.00 ms·km-1.根据得到的每个地震台站的计算结果，依据台站和断裂分布的区域性及得到的剪切波分裂结果，我们把得到的结果分为五个更小的区域来讨论，即A区、B区、C区、D区和E区(图5).

表1 流动台阵资料得到的剪切波分裂参数(67个台站)Table 1 Shear-wave splitting parameters of temporary seismic array (67 stations)

A区位于研究区的西北部，共有21个台站(图6)，大部分台站位于川滇菱形块体内部，区内分布着大量NNW或近N-S向的断裂，该地区的PAZ比较复杂，主要为NW向、NE向和NEE向.台站3008位于N-S向中甸断裂与NW向断裂交汇处，PAZ为NW向，与断裂走向基本一致，也与钱晓东等(2011)得到的该地区构造应力场方向较一致.台站1055、1054和3053位于NW向断裂的两侧，PAZ为NW向，与NW向断裂的走向一致，与构造应力场方向一致.台站3029位于N-S向中甸断裂与NE向断裂交汇处，该台站的PAZ为NE向，说明该地区的应力主要受NE向断裂的影响.台站3030、3034和3059位于NE向丽江—剑川断裂与程海断裂附近，而这3个台站的PAZ为NW或NWW向，与该地区主压应力方向较一致(崔效锋等, 2006; 钱晓东等,2011)，并没有受到断裂的影响.该区域内大部分台站的有效数据为1～2条，还需要更多资料的证实.

B区位于研究区的西部，该区内共有21个台站(图7)，断裂主要呈现NEE向和NNW向.台站3096位于NE向南汀河断裂和一条N-S向断裂的交汇处，该台站的PAZ为近N-S向，与南汀河断裂的走向不一致，而与N-S向断裂的走向较一致，说明该台站受N-S向断裂带的控制，而非南汀河断裂带或区域应力场的影响.台站3072、3073和3088位于NW向澜沧江断裂附近，这3个台站的PAZ为NW向，与断裂的走向基本一致.台站3064、3080、3084、3085和3070位于2条NE向断裂周围，PAZ也都具有NE向的优势方向，与这2条断裂的走向基本一致，与主压应力方向较一致.该区内的PAZ比较离散，部分台站的PAZ为NE或NEE向，与区域应力场方向较一致，但也有一部分台站的PAZ为近N-S向或NNW向，可能与该地区复杂的局部构造环境有关.

图5 PAZ空间分布

图6 A区PAZ

图8 C区PAZ, 其他说明同图6Fig.8 PAZ in area C. Others are same as Fig.6

图10 E区PAZ, 其他说明同图6Fig.10 PAZ in area E. Others are same as Fig.6

图11 不同区域PAZ.图中的A、B、C、D和E分别代表A区、B区、C区、D区和E区内所有台站的PAZ的统计结果，括号中的数字是有效记录条数，最右侧的YN表示整个研究区内所有台站的PAZ的综合统计Fig.11 PAZ in the different areas. A, B, C,D and E represent for the statistical results of the PAZ of the whole stations in the area A, area B, area C, area D and area E respectively, the figure in parentheses is the available number of records, YN is the comprehensive statistics of the PAZ of the all stations in the study area

C区位于研究区的西南部，共有9个台站(图8)，分布的断裂主要有NE向和NW向两个走向.该区内大部分台站的PAZ为NE向，有个别台站的PAZ为近E-W向，该地区处于应力转换带，以无量山断裂为界，构造应力场的主压应力方向由东向西从NNW向转为NNE向(吴建平等，2004；崔效锋等，2006)，应力环境比较复杂.从PAZ结果来看，NW向断裂几乎对结果没有影响，而NE向断裂可能有一定的影响.

D区位于研究区的东北部，共有5个台站(图9)，该区内的断裂走向主要为NE向和NNW向.北部3个台站1017、1024、3235的PAZ为NEE向，与NW向主压应力方向有较大差异.南部的2个台站3228和2026台的结果与其他三个台站的结果有差异.台站3228的PAZ有2个，分别为近N-S向和NE向，台站3228被夹在2条NE向断裂的中间，周边也有一系列NNW向的断裂，该结果可能是受到NNW向主压应力和NE向断裂的双重控制.2026台的PAZ为NW向，与该地区主压应力方向较一致，与台站东部NW向断裂的走向较一致.

E区位于研究区的东南部，共有11个台站(图10)，云南地区内两条最大的断裂红河断裂带和小江断裂带在此区域内交汇，并形成了川滇菱形块体的南边界.台站的PAZ的一致性比较好，大部分台站的PAZ为NNW向，与该地区主压应力方向较一致.北部的2个台站3159和3216的PAZ为近N-S向，可能与周边发育有大量的近N-S向断裂有关.

图11为A、B、C、D、E和整个研究区的PAZ玫瑰图.从图11中可以看出研究区西部(A区，B区和C区)的PAZ从北到南由NNW向逐渐转变为NE向，有顺时针旋转的趋势.D区的PAZ为NEE向，可能是受到该区域内分布的NE向断裂的影响导致的结果.E区的PAZ为NNW向，与该区域的构造应力场方向较一致，可能与该区域内分布的大量近N-S向和NW向断裂也有一定关系.研究区整体的PAZ为NNE向和NE向，与该地区NNW向和NE向构造应力场方向差别不大.

Shi等(2012)采用云南地区固定台站的近场波形数据和远场波形数据分别进行了地壳和地幔各向异性的研究，结果表明，(1)该地区地壳剪切波分裂的PAZ优势方向为近N-S向，与该地区主压应力方向有很好的一致性，台站的PAZ受断裂走向和局部构造的影响，与本文得到的结果基本一致；(2)对于SKS、PKS和SKKS分裂得到的上地幔各向异性，其快波方向显示出区域性，大约以北纬26°为界，北部地区几个台站的快波方向总体上为N-S向，南部地区则为近E-W向.这可能表明，由于印度板块与欧亚板块的挤压，下地壳与上地幔物质的流变导致了这种结果.

常利军等(2014)利用中国地震科学探测台阵一期和中国地震台网固定台站记录，同样使用SKS、PKS和SKKS分裂得到了上地幔各向异性，其分布特征与Shi等(2012)的结果基本一致，即研究区北部的快波方向近N-S方向，而南部的快波方向近E-W方向.但由于台站覆盖更密集，常利军等(2014)的结果给出了更清晰的空间分布图像，他们认为北部的地表变形与深部上地幔变形特征是一致的，其岩石圈变形是一种垂直连贯变形模式，而南部的快波方向由于受到缅甸和巽达板片的后撤/回转的作用，产生了指向西南的软流圈地幔流，从而产生了近E-W方向的各向异性.

对比壳幔各向同性的异同，显示出研究区北部壳幔快波方向一致性较好，但南部的壳幔快波方向则近似正交，与Shi等(2012)的结果一致.我们认为，虽然南部的上地壳与上地幔的快波方向不同，但这并非是壳幔垂直非连续变形的充要条件，还需要更多的证据.

5 讨论与结论

本研究采用剪切波分裂分析方法，对青藏高原东南缘地区获得的67个流动地震台站记录到的2011年6月至2013年3月的共826条近场地震波形进行了分析，得到了该地区地壳各向异性特征和剪切波分裂参数的空间分布特征.

结果表明，由于受到复杂的局部构造、应力场及大量断裂的影响，青藏高原东南缘地区地壳各向异性在空间分布上呈现非常复杂的特点.由于受到区域构造应力场的控制，大部分台站的PAZ与区域构造应力的主压应力方向有一致性，部分位于走滑断裂附近的台站则受到断裂的影响，PAZ与断裂的走向趋向一致.PAZ也显示出一定的区域性，研究区西部的A区、B区和C区的PAZ分别为NNW方向、NNE近N-S方向和NE方向，从北到南似有顺时针旋转的趋势.研究区东北部的D区PAZ为NEE向，可能与区域内分布有大量NE向断裂有关.而西南部E区的PAZ为NNW向，与该地区主压应力方向较为一致.

本研究的结果较之早前基于固定地震台站的结果(高原等，1995；石玉涛等，2006)呈现出更多的区域性分布的细节,不过由于大部分台站的有效数据量较少，这一结果仍需要更多资料的支持与证实.

致谢 丁志峰研究员、吴建平研究员和石玉涛博士为本研究提供了重要的支持，感谢中国地震局地球物理研究所“中国地震科学台阵探测数据中心”为本研究提供地震波形数据，在此一并感谢.

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(本文编辑 胡素芳)

Crustal seismic anisotropy in the southeastern margin of Tibetan Plateau by ChinArray data: shear-wave splitting from temporary observations of the first phase

TAI Ling-Xue, GAO Yuan*, LIU Geng, XIAO Zhuo

InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China

The southeastern margin of Tibetan Plateau has relatively complex tectonic movement and strong tectonic deformation, which grows deep fracture and shattered crust. In order to investigate the crustal deformation mechanism in this region, the study uses data obtained from temporary stations in the south part of North-South Seismic Belt set up under the project ChinArray Phase I from June 2011 to March 2013, to compute the seismic anisotropy applying Systematic Analysis Method of shear-wave splitting (SAM method).

SAM method is a comprehensive analysis technique for crustal shear-wave splitting, and it divides into three principal phases: calculation of cross-correlation function, time delay correction and polarization analysis check. Firstly, intercept two horizontal components of the waves, and rotate them to calculate the correlation function. When the correlation function reaches a maximum value, the corresponding rotation angle and time delay can be treated as the preliminary polarization of fast shear-wave (PAZ) and time delay of slow shear-wave (δt). Then, according to the preliminary result, do the time delay correction and polarization analysis check. When the polarization pattern is close to the linear after the time delay correction, the calculation results are acceptable and will be the final result.

We analyzed 826 data recorded from 67 stations of ChinArray. According to the regional distribution of stations, faults and the result of shear-wave splitting, we divided the study zone into 5 sub areas, A, B, C, D and E. Area A locates at northwest of the study region, including 21 stations. PAZ in this area are relatively complicated, which trend NW, NE, and NEE; area B is on the west of the study region, and also includes 21 stations, PAZ in this area strike to nearly N-S or NEE; area C locates at southwest of the study region, and includes 9 stations, PAZ of most stations are in direction of NE; area D is on the northeast of the study region, and contains 5 stations, PAZ in this area strike to NE or NW; area E locates at northeast of the study region, and includes 11 stations, PAZ of most stations are in direction of NNW. The PAZ in area A, B and C which locate at west of study region, are in direction of NNW, nearly N-S and NE from north to south, which show a trend of clockwise rotation. While D and E area at eastern part strike to NEE and NNW respectively, PAZ in area D may be influenced by the NE strike fault in the region, and PAZ in area E are consistent with the tectonic stress field, also may be affected by the mass faults strikes to N-S or NW. PAZ at most stations strike to the direction of NNE and NE, consistent with the direction of tectonic stress field, but at some stations near faults are affected by the strike of the faults. The result shows that PAZ is varied with the different areas.

Complex tectonics and crisscrossed distributions of faults results in complex PAZ spatial distribution. PAZ at most stations are consistent with the direction of tectonic compressive stress field, while at other stations, they are consistent with the direction of fault strike. This study finally obtained more regional distribution details than the early results such as Shi et al.(2006; 2012), who used the permanent stations. However, due to the complicated geological features, characteristics of shear-wave splitting in the crust in this region still need more data and studies to sustain and verify.

Southeastern margin of Tibet plateau； Crustal seismic anisotropy； Shear-wave splitting； Polarization of fast shear-wave(PAZ)； Slow shear-wave time delay(δt)； Principal compressive stress； China Seismic Array (ChinArray)

10.6038/cjg20151116.

国家自然科学基金(41174042)和地震行业科研专项(201008001，201308011)共同资助.

太龄雪，女，1982年生，中国地震局地震预测研究所助理研究员，从事地震各向异性研究.E-mail: tailingxue@163.com

*通讯作者 高原，男，1964年生，研究员，目前主要从事地震各向异性和壳幔构造等方面的研究. E-mail: gaoyuan@cea-ies.ac.cn

10.6038/cjg20151116

P315

2015-01-15，2015-07-09收修定稿

太龄雪， 高原， 刘庚等. 2015. 利用中国地震科学台阵研究青藏高原东南缘地壳各向异性：第一期观测资料的剪切波分裂特征.地球物理学报，58(11):4079-4091,

Tai L X, Gao Y, Liu G, et al. 2015. Crustal seismic anisotropy in the southeastern margin of Tibetan Plateau by ChinArray data: shear-wave splitting from temporary observations of the first phase.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(11):4079-4091,doi:10.6038/cjg20151116.