洱源地震台数字地震记录S波分裂研究

邓嘉美 金明培 高 琼 陈 佳 张华英 王 军

（中国大理 671000 中国地震局滇西地震预报实验场办公室）

洱源地震台数字地震记录S波分裂研究

邓嘉美 金明培 高 琼 陈 佳 张华英 王 军

（中国大理 671000 中国地震局滇西地震预报实验场办公室）

利用2008年1月—2013年5月洱源地震台数字地震资料进行S波分裂研究，得到洱源地区应力优势方向和S波延迟时间，结果表明，洱源地区快剪切波偏振优势方向为NE160°，与活动断裂走向一致，与GPS主压应力方向一致，与该区主压应力场方向基本一致。在洱源地震台300km范围内发生M≥4.5地震前，快剪切波偏振方向发生明显偏转。部分地震前，延迟时间增加；部分地震发生前短时间内，延迟时间有减小现象，符合震前应力长时间积累和短时间应力释放的特征。可见，S 波分裂参数可以反映区域应力场的动态变化信息，为应力场研究与地震预测提供有用信息。

S波分裂；快剪切波；偏振方向；延迟时间

0 引言

Crampin（1978）提出S波分裂和张性扩容各向异性（EDA）理论以来，地震学家一直发展着有关理论、实验和观测方法。S波分裂已经成为研究地壳和地幔介质各向异性的有效手段，研究（郑治真，1990；Crampin S and Lovell J H，1991；滕吉文等，2012）表明，地壳和地幔介质广泛存在各向异性，S波分裂是相当普遍的现象。

EDA假设认为，在孕震区里，由于区域应力场增强，地壳中产生大量裂纹，这些近于垂直地表的裂纹沿最大主应力方向排列，形成介质的各向异性，称为有效各向异性。当地震波通过此区域传播时，S波分裂成两个或更多初至，具有不同传播速度和偏振性质，分裂的S波初至把介质特性带入横波波列。若不考虑震源的球面辐射和震源机制影响，平行与裂纹面振动的S波先到达台站，垂直于裂纹面振动的S波后到达台站，该现象称为S波分裂（郑治真，1990）。快S波偏振方向与裂纹分布方向一致，而慢S波则二者垂直（张少泉，1992），因此认为快S波偏振方向与最大水平主压应力方向基本一致。对同一区域和同一路径来说，在震源机制相同条件下，对小地震S波分裂的观测研究，可能成为一种检测原地应力变化和地震预报的有效工具。在地震孕育区较大范围内，可以监测到EDA裂隙变化所产生的各向异性参数：偏振方向和时间延迟变化。近年来，在各种地质构造环境中的S波分裂观测和研究，均证明EDA是地壳中普遍存在的现象，S波分裂可以给应力场和地震预报研究提供有用信息。

云南是中国地震活动频繁地区，普遍存在S波分裂现象，许多学者对该区开展S波分裂研究（李白基，1996，2002；雷军，1997；钱晓东，2002；邬成栋，2004，2006；高原，2004；毛慧玲，2011），得到研究区域内地壳介质各向异性和应力场分布的有效信息。洱源地震台位于云南地区西北部，周围有红河断裂、龙蟠—乔后断裂，鹤庆—洱源断裂、维西—巍山断裂，地质构造复杂。本文将介绍2008年以来，洱源地震台数字地震记录获得的S 波分裂现象，讨论该区域应力状态。

1 研究方法

S波进入各向异性介质后，分裂为具有不同偏振方向和不同速度的两个分量，S波的两种偏振使S波发生分裂。由于S波分裂受裂隙岩石几何形状、排列和状态的影响，因此，通过分析S波分裂信息，可以了解地球内部介质构造及应力状态，此为S波分裂法的实质。

S波分裂的两个参数是快波偏振方向和延迟时间，反映地下主应力变化及裂隙构造和演化情况。一般有两种求取方法：①作图法，通过分析质点运动图求取分裂参数，直观、可靠，被广泛采用，缺点是工作量大，效率低，且伴有人为误差；②数值法，通过某种数值运算求得分裂参数，优点是可实现自动计算，快速、高效，缺点是可靠性不能直观判定，对完全非线性极化难以得到可靠结果。为此，本文两种方法结合使用，相互印证、对比。

数值计算采用纵横比函数法（李白基，2002）。纵横比定义为，在仅包含快S波的时间窗中，一对互相垂直的轴上质点位移的总投影之比，作为垂直于波传播方向平面内投影轴方位角的函数计算。当投影方位上的总位移近于平行椭圆质点运动的主轴时，纵横比最大。因此，最大纵横比表示最大线性质点运动的方位。用该方法可以客观求出快S波的偏振。绘制S波南北和东西分量质点运动图，根据质点运动方向的突然变化，确定快S波和慢S波初动，快波到达后的线性段轨迹表示偏振方向，慢波到达迭加于快波之上，使线性轨迹发生变化，慢波初至与快波初至的时间差即为线性轨迹的持续时间，此段时间即横波分裂时间。

2 资料选取

选取2008年1月—2013年5月，洱源地震台记录的数字地震波形资料，每条记录均为三分向记录。原始记录为速度记录，去除仪器响应，经积分得到位移记录（图1）。直观检查地震记录图，查看是否有饱和、高噪声水平和低质量记录，若存在则去掉地震图。为了确定所选记录在横波窗内，作以下限制：①S-P时间差限制在1.5 s内；②初至P波入射角小于45°，角度从垂直面P波质点运动图测量（图2）；③选择P波波列短、S波振幅比P波振幅大的记录，此为横波窗内入射地震波普遍特征。

图1 2009年12月28日0时34分36秒地震记录（a）原始记录（速度）；（b） 积分后位移记录Fig.1 Seismic records on Dec.28，2009（00:34:36）

图2 2009年12月28日0时34分36秒地震P波质点运Fig.2 P wave particle motion diagrams for earthquake on Dec.28，2009（00:34:36）

洱源地震台台基为变质岩，使用CTS -1地震仪，采集器为EDAS-2416，垂直向放大倍数为1.02，东西向放大倍数为1.03，南北向放大倍数为1.03。最终选取S 波窗内，S波分裂现象比较清晰的89条地震记录（图3），其中1.0—1.9 级地震63 次，2.0—2.9级地震12次，3.0—3.9 级地震4 次。

3 结果分析

3.1 快波偏振方向分析

台站下方的偏振方向反映了该地区最大主压应力方向，延迟时间反映了该地区各向异性程度，与介质裂隙密度、裂隙纵横比和裂隙的定向排列有关，可以根据偏振方向和时间延迟大小分析各向异性程度。根据所选取的89个地震得到该地区快剪切波偏振方向，形成等面积玫瑰图（图4），图4中花瓣长度表示快波优势方向的频度。

图3 2008年—2013年5月洱源地震台记录的M≥1.0地震震中分布Fig.3 Distribution of the M≥1.0 earthquakees from 2008 to May 2013

图4 2008—2013年洱源地震台快波偏振方向玫瑰Fig.4 Rose diagram of the polarization direction of fast shear wave at Eryuan Seismic Station from 2008 to 2013

从图4可见，快波偏振方向主要集中在NE132°—NE178°，优势方向是NE160°，该方向即台站附近上地壳中直立排列裂隙的优势走向。与阚荣举等（1977，1983）得出的川滇菱块地区主压应力轴优势方向为NNW吻合；与杨国华（2003）利用GPS测量得到的云南地区的最大主压应力方向为NNW结果基本一致。根据邢全友（1985）对云南大理地区地震构造条件的力学分析，认为作用到该区区域应力的主方向为N15°—20°W，与本研究结果相似。中国地震局发布的洱源5.5级地震的等震线长轴走向为北西向，与发震断裂维西—巍山断裂走向一致，也与洱源地区主压应力方向一致。

进一步分析横波快波偏振方向的时间序列，发现地震发生前，快波偏振方向变化明显（图5），揭示地震发生前后应力场在震源区附近一定空间范围内重新调整的动态过程。此现象在中国及国外其他地区曾发生（雷军，1997；Crampin，1990；Xiong Yangwu，1992）。当偏振方向从低值向高值发生明显偏转，台站300km范围内，一般3个月内将发生MS≥4.5地震，且地震发生后，偏振方向逐渐恢复。2013年3月3日洱源发生5.5级地震，震中距离洱源地震台20km。偏振方向于2012年11月26日发生明显偏转，之后趋于恢复，2013年3月3日2时30分又发生明显偏转，2013年3月3日13时41分发生洱源5.5级地震。在此地震前，监测到距台站10km的一组小震群，持续时间为3月3日0时57分至7时25分，其中3.0—3.9级地震5次，2.0—2.9级地震4次，1.0—1.9级地震22次。对其进行S波分裂，满足S波分裂的有27次，符合S波分裂的地震数增加明显。3月3日5.5级地震后，3月13日偏振方向再次发生偏转，4月17日发生洱源5.0级地震。按EDA介质假定，裂隙的形态（密度、纵横比等）和排列方向与应力大小和方向有关，裂隙的排列方向随主应力方向而变，通常与最小主应力方向垂直。一个地区裂隙方位的平均值应与该地区应力场最大主压应力方向一致，而各个局部裂隙形态主要与该局部应力大小和方向有关。这样，地震发生前后，应力场在局部或整体上的调整、变化必然引起介质裂隙形态及空间分布的改变。在洱源5.5级地震震源附近，应力释放引起横波快波偏振方向的变化犹如弹性回跳，由此看到来源于震源及附近地区的S波分裂不仅携带地震相对平静期应力场的静态信息，而且携带地震孕育、发生和发展过程的应力场信息，可能存在一定短临特征。洱源5.5级地震前几小时内发生的小震群携带大量信息，偏振方向发生明显变化，可以进行S波分裂的地震数明显增多。

图5 洱源地震台快波偏振方向时间分布Fig.5 Temporal curve of the polarization direction of fast shear wave at Eryuan Seismic Station

3.2 延迟时间分析

慢波延迟时间是地震前后应力积累和释放的动态反应，即将延迟时间进行标准化处理，换算为单位长度路径上的时间，传播距离以S-P为8.2km/s计算，得到每千米传播路径上的延迟时间随时间的变化值。

对洱源地震台慢波归一化延迟时间（图6）进行分析，2008年2月18日漾濞4.8级、2010年2月25日禄丰5.1级、2010年8月29日巧家4.8级、2011年8月9日腾冲5.2级、2013年3月3日洱源5.5级地震前，慢波延迟时间出现增加，震后减小。Peacock（1988）等也曾观测到震前分裂S波的间隔时间增加，震后减小的现象。究其原因，可能是由于地震前随着应力的增强，饱含流体微裂的几何形状发生变化导致延迟时间增加，震后由于应力释放，导致EDA微裂宽度“变窄”，所以S波分裂时间减小。

由图6可见，2008年8月30日会理6.1级、2009年7月9日姚安6.0级、2011年6月20日腾冲5.2级地震前，延迟时间先增加，后减小，可能是因为地震孕育过程中应力增强，延迟时间增加，临震前存在部分应力释放而导致延迟时间减小。邬成栋（2006）在2003年大姚6.2级、6.1级地震的几次强余震前，均观测到延迟时间增加特征，且有几次地震临震前短时间内观测到延迟时间减小现象。此现象符合震前应力长时间积累和短时间应力释放的结论，时间延迟在强震前出现下降，从而具有地震短临预测意义。2013年3月3日发生的洱源5.5级地震前的几个小时里，首先是延迟时间增加，后面存在延迟时间减小的短临特征。因而认为，慢波延迟时间的分析研究可能对地震预测有一定帮助，需将S波分裂常态化，及时处理信息，监视台站变化，从而对地震预测的时间、地点起到一定指示作用。当然，地震的孕育与发生是一个复杂过程，需要借助更多手段和方法做地震预测预报分析的基础工作。

图6 洱源地震台归一化慢波延迟时间变化Fig.6 Charge of time delay and earthquake sequence with time at Eryuan Seismic Station

4 结束语

由洱源地区S波分裂分析结果可知，该区快波偏振方向主要集中在NE132°—NE178°范围，优势方向是NE160°，与该区域构造应力场主压应力方向一致。在洱源300km范围内发生M≥4.5地震，S波分裂参数的偏振方向和延迟时间均出现明显变化，可见S波分裂参数能反映震前应力积累和临震前应力释放过程，并可用于地震预测。随着地震台网分布加密，地震台与地震台间距越来越小，对各个地区开展连续的S 波分裂跟踪，研究地区应力场变化和地震短临预测、临震预测，具有一定意义。

感谢云南省地震局邬成栋副研究员在做S波分裂时给予的指导和帮助。

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About shear wave splitting of seismic recording at Eryuan Seismic Station

Deng Jiamei，Jin Mingpei，Gao Qiong，Chen Jia，Zhang Huaying and Wang Jun
（Office of Western Yunnan Earthquake Prediction Study Area，China Earthquake Administration，Dali 671000，China）

Using the digital data recorded by Eryuan Seismic Station from January 2008 to May 2013，we conducted a shear wave splitting and obtained the predominant direction of stress and the delay time of shear wave in this stages.Further，we found that the predominant polarization direction of fast shear wave was in NE160°，consistent with the strike of active faults.It is also consistent with directions of regional principal compressive strains measured from GPS data，and basically consistent with regional principal compressive stress.Before M ≥ 4.5 earthquakes occurred around Eryuan Seismic Station less than 250km，we observed that predominant polarization of fast shear-waves have changed obviously，because regional or holistic stress field adjustment which can cause the shape and spatial distribution of the fracture media changed.Further，before part of earthquakes，we can observed that the time delay would basically increase.However，the time delay abruptly decreased immediately before several earthquakes.The result suggests that the parameters of shear wave splitting may reflect the dynamic change of region stress field.It accords with the conclusion that long term stress accumulation and short term stress relaxation is existed before earthquakes.The result provides useful information for the study of stress field and earthquake prediction.

shear wave splitting，the fast shear wave，polarization direction，time delay

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.006

邓嘉美（1978—），女，工程师，主要从事地震监测预报和数字地震学研究工作。E-mail：dengjiamei0102@sina.com

中国地震局地震监测、预报、科研三结合课题（152505）资助

本文收到日期：2015-05-25