安宁河—则木河断裂带及邻区中上地壳各向异性及其含义

刘庚, 吴晶, 周聪, 倪泰山, 魏梦怡, 王松

1 中国地震局第二监测中心, 西安 710054 2 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029 3 云南省红河州地震局, 云南蒙自 661199 4 四川省地震局成都地震监测中心站, 成都 611730

0 引言

地震波传播速度随着偏振方向的不同而存在差异的现象被称为地震各向异性.各向异性现象普遍存在于地球各个圈层(Anderson,1961;Hess,1964;Crampin,1984;Poirier and Price,1999).中上地壳各向异性的物理机制主要是区域应力作用下定向排列的充液微裂隙EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy,Crampin,1978).由于剪切波对各向异性介质敏感,因此近震直达剪切波分裂是研究中上地壳各向异性的常用方法(Crampin,1984;高原等,2018).

当剪切波穿过各向异性介质时,会分裂成为速度不同、偏振方向正交的两列波.先到达的剪切波的偏振方向称为快波偏振方向,后到达的剪切波与先到达的剪切波的时间差称为慢波时间延迟.快波偏振方向与地壳中广泛存在定向排列的微裂隙走向一致,通常反映了台站下方地壳的原地主压应力方向(Crampin and Peacock,2005).近年研究表明:位于断裂带附近的台站快波偏振方向通常与断裂走向一致,这一现象被称为构造各向异性或结构各向异性(吴晶等,2007;刘莎等,2014;Gao et al.,2019).当台站位于地质构造复杂区域,如多条地震带交汇处,其快波偏振方向可能具有一定的离散性(Boness and Zoback,2006;刘庚等,2017;Zhang et al.,2020).因此快波偏振方向可以有效反映区域构造、应力场局部信息(高原和吴晶,2008;刘庚等,2015;郑拓等,2021).慢波时间延迟反映了原地应力和地球内部介质各向异性程度的大小.时间延迟的变化对应区域应力环境的变化,为研究地震发生前后应力场变化提供了有效途径(Gao and Crampin,2004;Crampin and Peacock,2005;郑秀芬等,2008).因此开展地壳各向异性研究,不仅可以分析区域应力状态和局部构造特征等问题,还可以通过剪切波分裂参数的变化,了解地震前后区域地壳应力场的变化特征.

在印度板块与欧亚板块相互碰撞挤压作用下,青藏高原深部物质向东迁移,受到四川盆地坚硬块体的阻挡,使得青藏高原东南缘的川滇菱形块体向南南东方向整体运动和顺时针旋转(徐锡伟等,2003;张培震,2008).安宁河—则木河断裂带是川滇菱形块体东边界的重要组成部分,表现出高速的左旋走滑特征(5～8 mm·a-1,徐锡伟等,2003;魏文薪等,2012),该区是青藏高原壳幔物质由东转向东南方向运移的重要通道,壳幔介质变形可能存在垂直连贯变形特征(常利军等,2008).研究区构造运动剧烈,强震频发,自公元814年以来记载到6级以上地震8次,其中MS≥7地震3次(韩渭宾和蒋国芳,2005).然而,自1970年至今(2023年1月),安宁河—则木河地区出现了长期的MS≥5地震平静(如图1),未来有强震的中-长期危险性(M7专项工作组,2012).

图1 安宁河—则木河断裂带及邻区构造环境和台站分布图F1:鲜水河断裂; F2:汶川—茂汶断裂; F3:丽江—小金河断裂; F4:安宁河断裂; F5:大凉山断裂; F6:则木河断裂.蓝色和橘色线段分别代表1级和2级板块边界.图中地震为中国大陆有史料记载(公元前780年到2022年6月)MS5以上事件.红色和蓝色三角形分别代表固定和流动地震台.绿圈和黄圈分别代表1970年前和1970年后的地震.标识了研究区MS7以上地震的发震时间与震级.白色箭头代表背景主压应力场方向,灰色箭头代表区域主压应力场方向(徐杰,1977;阚荣举等,1997;阮祥等,2010;李君等,2019).Fig.1 Tectonic and station distribution in Anninghe-Zemuhe fault zone and its adjacent areasF1:Xianshuihe fault; F2:Wenchuan-Maowen fault; F3:Lijiang-Xiaojinhe fault; F4:Anninghe fault; F5:Daliangshan fault; F6:Zemuhe fault. The blue and orange lines represent the 1st and 2nd order plate boundaries respectively. The earthquakes are historical earthquakes (from 780 BC to June 2022) with MS≥5 in Chinese mainland. The red and blue triangles represent fixed seismic stations and mobile seismic stations respectively. The green and yellow circles represent earthquakes occurred before and after 1970 respectively. The magnitude and time of earthquakes with MS≥7 are marked. The white arrow represents the direction of the background principal compressive stress field, the gray arrow represents the direction of the regional principal compressive stress field (Xu, 1977; Kan et al., 1997; Ruan et al., 2010; Li et al., 2019).

图2给出了2009年到2019年该区地震分布.多种观测结果,如地震空区与活动性分析(易桂喜等,2008;江在森等,2005;闻学泽等,2008;刘静伟和吕悦军,2016;李玉江等,2020;李姜一等,2020)、强震地震矩计算(李煜航等,2014)、应力降计算(吴微微等,2017)、地表破裂型地震的离逝率(徐锡伟等,2017),以及库仑应力演化结果(徐晶等,2019)等,均表明安宁河—则木河应变积累强、应力水平强、地震危险性大.因此,开展区域应力场研究对了解区域构造的复杂性具有重要意义.

数值模拟(祝爱玉等,2015)和地壳应力环境基础数据库(Hu et al.,2017)结果均表明安宁河—则木河断裂带附近主压应力场为NW-SE向.震源机制解的相关研究表明:鲜水河—小江断裂带由北向南,主压应力水平方向由WNW向逐渐转为NW向(钟继茂和程万正,2006;Wan,2010;李君等,2019).近场直达剪切波偏振分析结果表明:川滇地区快波优势偏振方向主要为NW-SE向,与青藏高原物质东南逃逸的运动方向一致(石玉涛等,2013;张艺和高原,2017).上述研究主要围绕川滇菱形块体等大的构造单元开展应力场特征研究,均涉及了川滇块体东部安宁河—则木河区域应力状态.然而,由于研究方法、台站分布、数据密集程度等条件的限制,对安宁河—则木河及其邻区应力场研究的分辨率有限.

与以往研究不同,本文具有数据时间跨度长、台站分布密度较高的优势,采用剪切波分裂方法研究该区域中上地壳各向异性时,能够获得研究区较为详尽的各向异性时空参数.众多的研究已经证实剪切波推演的区域主压应力方向,与其他地震学方法(如应力反演、地应力测量和GPS地表测量等)结果有很好的一致性(邵玉平等,2017;高原等,2020;郑拓等,2021).因此本研究能够为获取该区更精细的应力场特征和动力学过程提供重要参考.

1 数据与方法

经过数据的预筛选,我们共获得47个台站的数据.其中,固定台14个,流动台33个.固定台主要采用CMG-3ESPC型地震计,频带范围为60 s～50 Hz,其中MLI、PGE台为BBVS-60型地震计,频带范围为60 s～50 Hz,采样频率均为100 Hz.流动台均采用Guralp CMG-3T型地震计,频带范围为120 s～50 Hz,采样频率为100 Hz,台间距16 km(王松等,2017).

本文利用近场直达剪切波研究中上地壳各向异性,为了防止震相全反射和Ps转换震相的干扰,进行剪切波偏振分析前,需要筛选数据.对于泊松介质,根据i=arcsin(VS/VP),剪切波窗口约为35°(即入射角小于35°).考虑到地表沉积层的影响,剪切波窗口可以扩大到45°(Crampin and Peacock,2005).例如,对于川西地区,邵玉平等(2017)指出单层均匀模型计算得到的52.1°入射角,对应于川西高原速度结构分层模型计算得到的37.1°入射角,因此在研究川西地区中上地壳各向异性时,剪切波窗口可以扩展到52°.

S波分裂分析方法可分为自动分析方法和可视化测量两类.近场直达剪切波具有周期小、干扰因素多等特征,自动化分析对于S波波段长短以及起始位置的选择十分敏感,得到的结果往往不够稳定.可视化测量虽然工作量大,但是分析结果更加精确(吴晶等,2010;钱旗伟等,2017),本文采用的SAM方法属于可视化测量方法(高原等,2008).该方法包含相关函数计算、时间延迟矫正和偏振分析检验,能够客观的得到快波偏振方向和慢波时间延迟.

我们选用的数据震中距小于震源深度,对应于单层速度模型入射角小于45°的地震事件.在进行剪切波偏振分析前,需要对波形进行1～10 Hz带通滤波处理.图3给出了SMI(石棉)台数据分析实例.此次研究中流动台站XC34与固定台站SCH相距不足50 m,从图4、5和表1可以看出,二者之间平均偏振方向、台站快波偏振方向和时间延迟几乎一致.

表1 台站与剪切波分裂参数Table 1 Parameters of stations and shear-wave splitting

图3 SMI(石棉)台记录波形数据的剪切波分裂分析示例发震时间为2014年1月21日,SMI记录到的ML1.6地震波形,震源深度9.6 km,震中距8.92 km,采样率100 Hz. (a) 东西、南北和垂直向的波形. (b) 南北(NS)和东西(EW)方向分量的质点运动轨迹图与剪切波波形,图中S1和S2分别表示快波和慢波到时. (c) 已消除时间延迟影响后的快(F)和慢(S)剪切波的质点运动轨迹图与快、慢波波形以及慢波时间延迟(delay time),其中横坐标表示采样点个数,纵坐标表示振幅.两条竖线标识出绘制偏振图的剪切波部分.本次事件的快波偏振方向为155°,慢波时间延迟为0.04 s.Fig.3 Shear-wave splitting analysis at station SMI This event occurred on Jan.21, 2014, recorded by station SMI, with a magnitude (ML) 1.6, the focal depth 9.6 km, the epicenter distance 8.92 km, the sampling rate 100 Hz. (a) The original three components waveforms. (b) The particle motion (Upper) and waveforms (Lower) in north-south and east-west directions. The S1 and S2 indicate the start position of fast and slow shear-waves. (c) The particle motion of fast and slow shear-waves with corrected delay-time (Upper) and waveforms of fast/slow shear-waves (Lower). The ordinate is the count value of amplitude. The abscissa is the number of sampling points. Two vertical lines mean the time-window used in particle motion diagram. The polarization of fast shear-wave and time delay of slow shear-wave are 155° and 0.04 s respectively.

2 研究结果与分析

本文分析了安宁河—则木河及邻区2013年1月到2019年12月的小震波形数据,共获得42个台的1832条有效数据,每个台站得到的有效数据均不少于3条,其中10个台站记录到的有效波形记录大于80条(表1).我们将从3个方面展示研究结果:(1)安宁河—则木河及其邻区快波偏振方向空间分布特征;(2)研究区域慢波时间延迟空间分布特征;(3)康定地震(2014年11月22日)和石棉地震(2018年5月16日)前后快波偏振方向的变化特征.

2.1 安宁河—则木河及其邻区快波偏振方向空间分布特征

图4给出了各个台站平均偏振方向空间分布.按照中更新世以来升降构造运动强度和性质的差异,安宁河断裂带以冕宁为界可以划分为南北两段(何宏林和池田安隆,2007;冉勇康等,2008a,b).快波优势偏振得到的结果与研究人员给出安宁河的分段特征非常一致.结合安宁河断裂带自然分段特征和快波偏振特征,本文将研究区分为3个区域(图4):A区(A1为安宁河北段及其邻区;A2为鲜水河和龙门山断裂交汇区),B区(B1为安宁河南段及其邻区;B2为大凉山断裂中段区域)和C区(C1为则木河北段及其邻区;C2为丽江—小金河断裂带木里分段地区;C3为则木河断裂带普格分段处),分别讨论三个区域内台站快波偏振特征.

川滇应力区东边界(应力转换带)基本上与川滇菱形块体的东边界相吻合,安宁河—则木河断裂带位于川滇菱形块体东边界带上(崔效锋等,2006),因此决定了安宁河—则木河断裂带复杂的应力环境.震源机制结果表明以丽江—小金河断裂为界,川滇菱形块体北部的区域主压应力为WNW-ESE到近EW向,川滇菱形块体南部的区域主压应力由北向南从近EW到NW-SE、NNW-SSE(徐杰,1977;阚荣举等,1977).基于接收函数方法反映的全地壳各向异性表明沿安宁河—则木河断裂带的快波方向分布复杂(Huang et al.,2022).华南地块平均主压应力方向为NW-SE向(徐锡伟等,2003;刘平江等,2007).A1区为安宁河北段及其邻区(图4、图5),台站所在区域分布的断层从西到东分别为NNE-SSW向的丽江—小金河断裂北段、近乎N-S向的安宁河断裂带北段和NNW-SSE向的大凉山断裂带北段.A1区大部分台站快波偏振方向为NW-SE和WNW-ESE(图4,图5),与川滇块体南部以及华南地块主压应力方向一致,表明区域应力场对中上地壳各向异性起主要约束作用.A1区中部相邻的XC06和XC09台除了较强的NW-SE向偏振方向外,同时表现出近E-W向的偏振方向,图4中震源机制得到的压应力方向同样表明XC06和XC09台附近压应力方向不同于周边,反映出XC06和XC09台站所在地各向异性和应力环境相较于周边地区存在差异.XGP台拥有129条有效数据,事件主要集中在台站西南侧,快剪切波优势偏振方向较为复杂,以NW-SE向为主,同时又可以看出明显的近N-S向和近E-W向,反映出该区既受到区域应力场的约束,同时受到区域复杂构造影响.XC08和XC11台相邻,均表现出了NE-SW向的快波偏振方向,不同于A1区大部分台站快波偏振方向,反映出该区具有差异性的局部构造特征和应力环境.XC11台快波优势偏振方向为NW-SE向,同时具有较强的NE-SW向快波偏振方向,反映出XC11台各向异性主要受控于区域主压应力,同时受到与XC08台相似的局部构造影响.石玉涛等(2013)得到SMI(石棉)台快波偏振方向为WNW-ESE向,近E-W向,本文SMI台快波优势偏振方向为NW-SE向.本文数据筛选条件要求震中距小于震源深度(即入射角小于45°),获得窗口内数据有93个.石玉涛等(2013)根据地震目录和研究区域速度结构进行筛选(结合邵玉平等(2017)川西速度模型得到的结果,其选择的入射角小于52°),窗口内数据有32个.从本文SMI快波偏振方向图中(图5),可以看到该台除具备第一优势偏振方向为NW-SE向,同时具备第二优势偏振方向E-W到WNW-ESE,其中第二优势偏振方向与石玉涛等(2013)结论相符.所以二者研究结果不矛盾,只是本文受益于有效记录更多、筛选条件更严格、揭示了更多的信息.此外,李君等(2019)应用震源机制反演了区域应力场,SMI台附近的压应力则更接近于NW-SE向(图4),这一结果与本文SMI台揭示的第一优势偏振方向一致.

图5 A区及其邻区台站快波偏振方向空间分布图等面积投影玫瑰图展示出快波偏振方向. 玫瑰图上为台站名及台站所记录到的有效波形个数. 其他同图1.Fig.5 Spatial distribution of fast shear-wave polarizations beneath the stations in A subzone and its adjacent area Equal-area projection rose diagram shows the polarization of fast shear-wave. The name of the station and the number of effective recordings are shown on the rose diagram. Others are same as Fig.1.

A2区为鲜水河和龙门山断裂交汇区,存在AJWA、HCP和XC01三个台站.AJWA台快波偏振方向为NNE-SSW近N-S向,HCP台快波偏振方向复杂、以NE-SW和NW-SE向为主,XC01台快波偏振方向为WNW-ESE向近E-W向.高原等(2018)推断鲜水河东南端、龙门山西南端和安宁河断裂带形成的“Y”字型典型构造的主压应力方向为近EW向,震源机制同样表明该区主压应力方向为近EW向(李君等,2019).XC01台的快波偏振方向与该区主压应力场方向一致,反映出区域应力场控制的中上地壳各向异性.AJWA台位于龙门山西南段NNE-SSW向断裂上,快波偏振方向与断裂走向一致,反映出其中上地壳各向异性主要受控于断裂结构.HCP台位于鲜水河东南段NNW-SSE向断裂和龙门山断裂带西南段NNE-SSW向断裂的交汇处,快波偏振方向较为复杂.尹迪等(2022)通过地震危险性数值分析指出,龙门山断裂带西南段与鲜水河断裂交汇处是本文研究区发震概率最大区域,对应于HCP台所在位置.

B1区为安宁河南段及其邻区(图4、图6),区域内的台站整体表现出了NE-SW向的优势偏振方向.区域内台站的偏振方向与川滇菱形块体以及华南地块的背景主压应力方向垂直,表现出差异性的局部优势偏振方向,揭示了块体之间相互作用产生局部复杂构造特征和应力分布特点,可能反映了该区受局部NE-SW向挤压作用影响.XC17台位于断裂上,快波偏振方向与断裂走向一致,表现出构造各向异性特征.B2区的XC16和XC36台分别表现出NW-SE向和NE-SW向快波偏振方向.XC16台远离安宁河南段,快波偏振方向与周边大凉山断裂走向一致,反映出断裂构造控制的中上地壳各向异性.XC36台NE-SW向的偏振方向与B1区台站的优势偏振方向一致,反映出受局部应力控制的各向异性.

图6 B区及其邻区台站快波偏振方向空间分布图 等面积投影玫瑰图展示了快波偏振方向. 玫瑰图上为台站名及台站所记录到的有效波形个数.其他同图1.Fig.6 Spatial distribution of fast shear-wave polarizations beneath the stations in the B subzone and its adjacent area Equal-area projection rose diagram shows the polarization of fast shear-wave. The name of the station and the number of effective recordings are shown on the rose diagram. Others are same as Fig.1.

C1区为则木河北段及其邻区(图4、图7),台站所在区域分布的断层主要以近NS向和NW-SE向为主.剪切波偏振分析得到的C1区大部分台站快波偏振方向为NW-SE和WNW-ESE(图7),与川滇菱形块体南段和华南地块主压应力方向一致,反映了区域主压应力方向.与此同时,我们注意到C1区中的YYC和XC32台位于NW-SE走向的则木河断裂带附近,快波偏振方向与断裂带走向一致,或许表明这些台站偏振方向既反映了区域主压应力方向,又受到了断裂带产生的微裂隙影响.C2为丽江—小金河断裂带木里分段地区,MLI台和YYU台分别表现出NNW-SSE和ENE-WSW向的快波偏振方向.邵玉平等(2017)得到MLI台快波偏振方向为NNW-SSE向,与本文的研究结果一致.MLI台的快波偏振方向与川滇菱形块体南部背景主压应力方向一致,反映了区域主压应力方向.YYU台位于近EW向断裂附近,表现出来的ENE-WSW向的偏振方向,与背景主压应力方向垂直,其各向异性主要受到附近断裂影响.C3为则木河断裂带普格分段处,PGE台表现出NW-SE和NE-SW向两个偏振方向.快波偏振方向复杂,反映出区域构造的复杂.

2.2 安宁河—则木河及其邻区慢波时延空间分布特征

研究表明,鲜水河—小江断裂带的左旋走滑由NW向转变为近SN向,断裂强烈转折区吸收了部分走滑分量并转化为应变积累,呈高应力分布特征(万永魁等,2021).图8给出了各台站慢波时间延迟分布特征,可以看出XC27台(西昌附近)和HCP(XC02)台位于鲜水河—小江断裂带中走向不同断裂带的转折区,各向异性程度较强,与万永魁等(2021)研究结论有很好的对应关系.本文计算了各个区的归一化时间延迟.A1区时间延迟平均值为1.4 ms·km-1;B1区时间延迟平均值为1.5 ms·km-1;C1区(除XC27、YYC、XSB台外)时间延迟平均值为1.5 ms·km-1;C1区北部的安宁河和则木河交汇处西昌附近(XC27、YYC、XSB台)时间延迟平均值为3.5 ms·km-1;A2区的XC01、AJWA、HCP台时间延迟平均值为2.9 ms·km-1;B2区的XC36台时间延迟平均值为3.19 ms·km-1;C2区的MLI台时间延迟平均值为3.93 ms·km-1;C3区的PGE台时间延迟平均值为3.26 ms·km-1;时间延迟较大区域主要位于断裂交汇区(XC27、YYC、XSB、XC01、AJWA、HCP台)和断裂带不连续处(MLI、PGE、XC36台),反映出中上地壳各向异性程度与区域构造密切相关.

图8 慢波时间延迟分布特征及康定地震、石棉地震空间位置分布 红色圆圈和蓝色圆圈分别代表固定台和流动台的时间延迟,圆的大小表示时间延迟的大小.图中的地震分别为康定MS6.4、 泸定MS6.8、石棉MS4.5、石棉MS4.3.其他同图1.Fig.8 Spatial distribution of delay time of slow shear-wave and Kangding, Shimian mainshocks The red and blue circles represent the delay time of slow shear-wave at permanent and temporary stations, and the size of the circle is proportional to delay-time. The earthquakes in green stars are Kangding MS6.4, Luding MS6.8, Shimian MS4.5 and Shimian MS4.3 respectively. Others are same as Fig.1.

2.3 康定地震和石棉地震前后快波偏振方向的时间变化

图8中标示了石棉地震、康定地震和台站位置的空间分布.石棉地区处于巴颜喀拉块体、川滇块体和华南地块3个块体交汇处,发育着安宁河断裂和大凉山断裂2条近NS向的断裂(如图1,徐锡伟等,2017).2018年5月16日,石棉地区连续发生的MS4.3、MS4.5是本文研究区域两次较大地震.研究区最近的一次强震为2014年11月22日康定MS6.4地震,解朝娣等(2021)通过研究康定地震的应力触发,指出鲜水河断裂带南段和安宁河断裂带受到了一定的应力加载作用,未来地震活动的趋势可能会加强.为探索地震发生前后区域应力特征变化,本文以康定地震和石棉地震为界,分析了位于石棉县附近的XC04、XC05、SMI、XMI、XGP、XC06、XC07、XC09共8个台站2013年1月到2019年12月的快波偏振方向变化特征.文中所指2018年5月16日石棉地震以MS4.5为代表.表2给出了台站与两次地震之间的距离,石棉周边台站到石棉MS4.5地震的距离为3.9～25.2 km,到康定MS6.4地震的距离为128.8～155.6 km.

表2 相关台站与两次主震的距离Table 2 Epicenter distance between the stations and two major mainshocks

图9给出了石棉附近8个台站的快波偏振方向的时间分段与时间变化图,可看到所选地震的深度分布和偏振方向随时间的变化情况.为了分析地震前后快波偏振方向的变化,表3统计了两次地震前后8个台站快波偏振方向的平均值,并把相应的平均值绘制在图9中.可看出XC04、XC05、XC06、XC09台的快波偏振方向平均值在两次地震前后出现了先逆时针变化后顺时针变化的趋势;XC07台为不断顺时针变化的趋势;SMI、XMI台为先顺时针后逆时针变化的趋势;XGP台为不断逆时针变化的趋势.通过平均值获得的这种变化趋势在不同阶段的快波偏振方向中也有显示(图9),以展现出相同变化趋势的XC04、XC05、XC06、XC09台的快波偏振方向为例:XC04台在石棉地震前的优势偏振方向以NW-SE为主,同时显现出较为明显的WNW-ESE向,石棉地震后则主要显现出NW-SE向的优势偏振方向,可以看出石棉地震前后从WNW-ESE向到NW-SE向顺时针变化的趋势;XC05台在康定地震前后快波优势偏振方向分别为NNW-SSE向和从NW-SE到NNW-SSE向,可以看出明显的逆时针变化趋势,石棉地震后N-S方向的偏振方向明显增强,表现出明显的顺时针变化趋势.XC06台在康定地震前快波优势偏振方向为NW-SE向,近E-W向也有较强分布,康定地震后(石棉地震前)快波优势偏振方向为E-W向,可以看出明显的逆时针变化趋势,石棉地震后NW-SE向偏振方向明显增强,表现出明显的顺时针变化趋势.XC09台在康定地震前快波优势偏振方向为NW-SE向和近E-W向,康定地震后(石棉地震前)快波优势偏振方向以E-W向为主,表现出逆时针变化趋势,石棉地震后NW-SE向偏振方向增强,表现出顺时针变化趋势.从台站分布图(图4)上可以看出XC04、XC05、XC06、XC09台总体位于所分析的8个台站的西侧,更靠近安宁河断裂带北段的石棉—冕宁段断裂带.SMI台和XMI台位于石棉县的东西两侧,更靠近大凉山断裂带的北部.XC07台同样位于大凉山断裂带的北部,只不过比SMI台和XMI台偏南一些.XGP台相较于其他7个台站,距离断裂带更远,快波偏振方向更为复杂.从上面8个台站快波偏振方向的时间分段与时间变化图(图9)可以看出,具有相同偏振方向变化特征的台站在位置上具有一定的规律,如靠近安宁河断裂带北段的石棉—冕宁段断裂带的台站变化趋势一致,位于石棉左右两侧的SMI台和XMI台的变化趋势一致.

表3 两次地震前后快波平均偏振方向(°)Table 3 The average polarizations of fast shear-wave in two mainshocks (°)

3 讨论

3.1 安宁河—则木河断裂带中上地壳各向异性的分段性

安宁河北段和南段形变闭锁深度分别为6.2±3.6 km和16.8±2.0 km,南段闭锁深度大于北段,南段的应力积累强于北段(易桂喜等,2004;李姜一等,2020).GPS水平速度场结果(Li et al.,2023)表明:安宁河北段与安宁河南段水平运动方向存在差异,安宁河北段及其邻区为由NW向SE方向运动,而安宁河南段及其邻区为由NNW向SSE运动.图1和图2表明:历史强震主要发生在安宁河南段,而近期地震则主要分布在安宁河北段.上述前人研究表明:安宁河北段与南段在地震分布、应力状态、运动方向及闭锁状态存在明显差异.快波偏振结果(图4、图5、图6、图7)表明:安宁河断裂带以冕宁为界,安宁河北段快波优势偏振方向为NW-SE向,与区域主压应力场方向一致,南段快波优势偏振方向为NE-SW向,与区域主压应力场方向近乎垂直,因此安宁河北段和南段各向异性结果存在明显差异.由于安宁河南北两段闭锁深度差异较大,近期地震主要发生在安宁河北段,因此震源机制得到的最大主压应力P轴方向结果也主要分布于安宁河北段,很难获得安宁河南段震源机制结果(图1).各向异性的结果揭示了安宁河南段差异性局部构造特征和应力环境,可能反映了该区主要受局部NE-SW向挤压作用影响.安宁河断裂带和龙门山断裂带地震各向异性研究结果有很强的相似性:龙门山断裂带北东段上多数台站快波偏振方向为北东向,与断裂带走向以及压应力方向平行;龙门山西南段上大多数台站的快波偏振方向为北西向,与断裂带走向以及压应力方向垂直(石玉涛等,2013).则木河断裂带北段表现出和安宁河北段一致的快波优势偏振方向(NW-SE向),同样反映了区域应力场控制的中上地壳各向异性.大部分台站的偏振方向具有区域一致性,HCP、XGP和PGE台站偏振方向较为复杂,我们发现HCP台位于WNW-ESE向鲜水河断裂带和NE-SW向龙门山断裂带交汇处,PGE台位于则木河断裂带的分段处,XGP台地震事件主要集中在西南侧,而西南侧区域存在明显的地形差异.剪切波分裂的研究表明,复杂的区域构造和区域断裂的影响都会引起剪切波偏振方向的复杂(高原等,2013),说明这三个台站可能受到复杂环境的影响.AJWA、XC16台位于断裂带附近,快波偏振方向与断裂走向一致,反映了偏振方向主要受附近构造的影响,不受区域应力场控制.YYU台位于近E-W向断裂附近,快波偏振方向不同于周边台站,为ENE-WSW向.

慢波时间延迟与裂隙的密度有关,用来描述介质各向异性的强弱.研究区内时间延迟较大的地区有5个(图8),从大到小分别是:XC27>MLI>HCP>PGE>XC36.慢波时间延迟较大,揭示出这些区域具有较大的各向异性程度.5个地区均位于断裂带交汇处和断裂带分段处,或许暗示着这些断裂活动性较强.

XC27台(西昌地区)所在地区是安宁河断裂和则木河断裂的转折区域,也是快波偏振方向的转折区域,同时还是区域各向异性程度最大的地区,因此是各向异性研究中值得关注的地区.HCP、PGE台既是快波偏振方向复杂区又是慢波时间延迟较大区域,同样值得关注.近年,针对该区的地震危险性研究不鲜见,如地震危险性数值分析(尹迪等,2022)指出龙门山断裂带西南段与鲜水河断裂带交汇处是本文研究区发震概率最大区域,对应于HCP台所在位置.万永革等(2009)的研究表明,汶川地震后,普格附近的闭锁程度明显加强,则木河断裂中段应变积累能力得到加强.2022年9月5日四川泸定发生MS6.8地震,该地震就位于HCP台附近(如图8).MLI、XC36台同样具有较大的时间延迟,偏振方向不同于周边台站,同样是值得关注的地区.

3.2 地震前后各向异性参数的变化特征

安宁河北部石棉—冕宁段附近的台站(XC04、XC05、XC06、XC09台)快波偏振方向平均值在两次地震(康定地震和石棉地震)前后有先逆时针变化后顺时针变化的趋势;大凉山断裂带的北部的SMI和XMI台为先顺时针后逆时针变化的趋势;同样位于大凉山断裂带的北部,比SMI和XMI台偏南一些的XC07台为不断顺时针变化的趋势;XGP台相较于其他7个台站,距离石棉地震和周边断裂带的空间距离更远,其快波偏振方向复杂,为不断逆时针变化的趋势.相似偏振方向变化的台站在空间分布上具有一定的一致性,表明快波偏振方向变化特征与台站所在位置密切相关,通过平均值获得的这种变化趋势在不同阶段的快波偏振方向中也可以反映出来(见2.3节).反映了地震对不同区域的影响不同,与台站周边构造密切相关.考虑到康定地震和石棉地震深度、发震位置存在差异,分析地震前后偏振方向的变化时,空间尺度不均同样值得重点考虑.

4 结论

本文获取了安宁河—则木河断裂及邻区各向异性时空分布特征.结果表明:以冕宁为界,安宁河断裂北段区域应力场对中上地壳各向异性起主要约束作用;安宁河断裂南段的各向异性结果揭示了安宁河南段受局部构造和应力影响,可能反映了该区受局部NE-SW向挤压作用;则木河北段地震各向异性与区域最大主应力方向一致.

研究区存在时间延迟较大的5个区域,从大到小为:XC27>MLI>HCP>PGE>XC36.这5个台站均表现出快波偏振方向的差异,表现出较强的各向异性特征,其中2022年9月5日四川泸定发生MS6.8地震,就位于HCP台附近.安宁河北部石棉—冕宁段附近的台站的地震各向异性参数在两次地震(康定地震和石棉地震)前后呈现变化趋势,暗示中上地壳各向异性特征受到地震应力积累与释放过程的影响.由于康定地震和石棉地震深度、发震位置存在差异,因此不排除空间位置差异引起这种变化.

则木河断裂的西昌到普格段有较好的台站分布,普格到巧家段几乎没有台站,因此本文无法给出普格到巧家段中上地壳各向异性特征.此外,剪切波分裂参数(慢波时间延迟)随时间的变化也是各向异性研究较为主要的一个研究方向,限于本文的篇幅,我们将另文做更为详尽的分析与讨论.

致谢感谢中国地震局地球物理研究所“中国地震科学探测台阵数据中心”为本研究提供地震波形数据(doi:10.12001/ChinArray.Data),本研究使用了中国地震局地震预测研究所高原研究员团队研发的剪切波分裂SAM软件,特此致谢.感谢审稿专家对论文提出的宝贵修改意见和建议.