汶川地震断裂带科学深钻WFSD-3附近上地壳S波分裂特征

为配合汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）,中国地震局地球物理研究所在四川省绵竹市天池乡和灌县—安县断裂附近分别架设了15套微震仪器和17个短周期地震台.基于WFSD-3附近的微震、短周期和区域台网的固定台站记录的近震数据,通过横波窗内S波分裂计算,得到其上地壳各向异性参数,即快波偏振方向和慢波的时间延迟,并分析了研究区的上地壳各向异性特征.结果显示,研究区大部分区域的快波偏振方向为NE向,与龙门山断裂带走向一致,但在研究区微震台阵布设小区域内,快波偏振方向表现出东西分区特征,东部为NE向,西部为NW向.上地壳各向异性主要是受到岩层中随应力分布排列的微裂隙和岩石或矿物结构的影响,研究区内快波偏振方向主要表现为NE方向,与断裂走向一致,反映了研究区上地壳各向异性主要受控于结构控制的各向异性,局部区域的快波偏振方向为NW向,与区域最大主压应力方向一致,说明区域应力场对研究区上地壳各向异性也有影响.通过分析微震台阵的归一化时间延迟随时间的变化情况可以反映区域应力场的变化情况.微震台阵的慢S波时间延迟在2012、2013年较为离散,在2014年有收敛的趋势,反映了强震后区域应力场逐渐稳定的趋势.

     

四川宜宾地区S波分裂特征

本文采用纵横比与偏振分析相结合的方法测定了2013年4月25日~2015年12月31日四川宜宾地区10个台站S波分裂参数,即快波偏振方向和慢波延迟时间。结果表明,华蓥山断裂两侧台站呈现不同的快波偏振优势方向,断裂带以西的台站偏振优势方向为NW向,与区域应力场方向一致;位于断裂带以东的台站优势偏振方向为NE向,与断裂走向一致。在地震密集分布区域内的CNI台的优势偏振方向为NE向,与台站附近的断裂带走向基本一致。研究区域南段的3个台站(JLI、YAJ、XWE)优势偏振方向近NS向。各个台站平均慢波延迟时间在3.07~11.95ms/km范围内,慢波延迟时间最大的台站是CNI台,距离2013年4月25日06时10分M_L5.2地震震中位置最近,这反映出震源区地震波各向异性程度较强。CNI台站的慢波延迟时间显示,在2015年2月7日M_L4.8地震前观测到慢波延迟时间有明显的上升趋势。     

青海地区S波分裂研究

本文利用国家地震台网及中国地震局“十五”期间在青海布设的30个宽频带地震台站记录到的远震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法对SKS、SKKS和PKS波震相进行了偏振分析,计算了台站下方介质的各向异性分裂参数：快波的偏振方向（φ）和慢波延迟时间（δt）.本文研究结果表明,研究区多数台站下方的地震各向异性参数都表现出随方位角变化而变化的特征,可以用双层各向异性模型来解释.其中上层各向异性的快波偏振方向位于N65°E～N95°E之间,可能与中下地壳物质的流动有关;而下层各向异性的快波偏振方向位于N105°E～N135°E之间,可能为祁连块体NEE向的推移及导致的岩石圈缩短有关.此外,我们还发现,与周边的台站下方各向异性分裂参数相比,昆仑断裂附近两个台站GOM和DAW的各向异性特征急剧变化,其快波方向都与该断层近乎平行,这很可能暗示昆仑断裂已经切穿整个岩石圈;阿尔金断裂附近两个台站（LEH和HTG）无效分裂事件的方位分布与阿尔金断裂走向缺乏相关性,我们推测研究区内阿尔金断裂可能为地壳尺度的断裂.     

宁河地震前后S波分裂变化

本研究利用宁河周围４个地震台的ＤＤ－１型短周期三分向记录图,对１９７６年１１月１５日宁河Ｍｓ６．９地震前后５个月内,距主震１０￣１５ｋｍ范围的８８个前震及余震进行Ｓ波分裂分析,根据Ｓ波分裂的时间延迟Δｔ变化发现,宁河主震前Ｓ波分裂的相位移动显著增高,且高值出现在主震震中附近并随主震距离增大而减小;异常始于主震前２５天左右,震源区异常时间更早些,异常值为４０￣８０ｍｓ,震后恢复到正常水平１０￣３５ｍ     

各向异性与S波分裂及其在地震预报中的含意

近十年来世界在地震各向异性与S波分裂研究领域取得的长足进展,特别是英国科学家将S波分裂理论与观测实验技术逐步引向地震预报研究的努力,说明S波分裂作为体波在各向异性介质中传播的最显著特征,可望提供地震波穿过岩石内部结构最可靠的信息,而震前应力变化最直接的效应将会改变裂纹的几何图象。S波分裂研究是伴随通讯革命在地球物理学领域内发展起来的前沿学科,其形成的高技术反过来又可能产生重大经济效益,特别对石油、地热、煤炭、工程等部门更是如此。通过对国内外大量有关文献的分析、比较和筛选,对无序的情报信息作了有序的浓缩加工,本文将看重概述地震各向异性与S波分裂研究领域的发展历史、S波分裂机理及近期研究成果、S波分裂在地震预报研究中的应用、以及各向异性与S波分裂研究的前景,并给予相应评述。     

中国陆区S波分裂与上地幔地震各向异性

本文利用中国大陆区共8个台站所观测到地震事件的S波数据，采用相关分析的手段以及对观测数据重建的技术，进行了S波分裂参数—快慢波延迟时间与快波偏振方向的计算，并分析了S波分裂参数与中国陆区上地幔物质运动的相互关系．研究结果表明：兰州台下的S波分裂时差最小，北京台下的最大．中国东部地区上地幔运动方向以西北向为主，西部地区以北偏西为优势．     

2020年济南ML4.4地震前后近场S波分裂变化特征

利用山东省地震局布设的流动地震台站和区域台网固定台站记录的2020年济南M_L4.4地震序列资料,通过横波窗内的近震S波分裂计算,获取了各台站上地壳各向异性空间分布和时间变化的结果,对上地壳变形特征以及S波分裂参数(快S波偏振方向和慢S波时间延迟)的时空变化现象进行了分析.结果表明,上地壳各向异性在空间分布上存在分区特征,并且表现出随时间的趋势性变化特征.发震断层东侧的台站LJIN和L3704只有一个快S波优势偏振方向NW向,其上地壳各向异性主要受控于断裂结构;发震断层西侧的L3705台,以及震源区外的FEIC和PYI台主要表现为NE向,反映出区域应力场控制的上地壳各向异性;而靠近长清断裂带的L3706和CHQ台,表现出两个近于垂直的快S波偏振方向,反映了不同射线路径上S波分裂的不同特征.震源区内台站的慢S波时间延迟平均值大于震源区外各台站,表明济南M_L4.4地震孕育过程中震源区的应力积累水平高于周边地区.震源区内CHQ台的慢S波时间延迟在主震前较低,在主震后迅速增大,一段时间后逐渐减小并趋于恢复到震前水平,反映了济南M_L...     

龙门山断裂带中上地壳速度结构的短周期环境噪声成像

本文利用在龙门山断裂带周边布设的57个台站自2008年11月至2009年11月为期一年的垂直分量连续地震环境噪声数据,通过短周期地震环境噪声成像方法,获得了龙门山断裂带中北段地壳25 km深度范围的S波精细速度结构.结果表明: (1)龙门山断裂带周边区域10 km以上的速度结构与地表断裂的分布形态具有良好的一致性,速度结构控制了龙门山主要断层的深部延展特征;在15 km及以下深度,S波速度结构呈现沿龙门山和沿岷山隆起走向的交叉构造格局,由此造成的速度结构差异可能影响了汶川地震的破裂过程; (2)速度结构随深度的分布特征为龙门山断裂带主要断层的深部延伸形态给出了良好的约束,结果进一步确认了龙门山断裂中段的高角度铲型断裂构造特征; (3)研究区的南端发现了龙门山断裂下方20 km以下深度具有与松潘地块中地壳低速层相关的低速结构的迹象,这可能是汶川地震破裂带南段22 km左右深度存在脆韧转换带的一个证据.研究结果显示出密集台阵和短周期环境噪声成像方法在地壳浅部精细结构和断层探测研究中具有巨大潜力.     

临界窗口外S波分裂的初步研究

本文在详细讨论了自由界面对入射Ｓ波的影响的基础上，首次提出一种对临界窗口之外的Ｓ波分裂资料的处理方法。首先对径向和竖向记录资料进行振幅和相位矫正，进而利用最大特征值和波形识别算子法（刘希强，１９９２）对资料进行分析。利用本文提出的方法对天水爆破资料进行了分析，结果表明，爆破资料显示了比较明显的Ｓ波震相，且产生了明显的Ｓ波分裂。     

龙门山前山断裂北段晚第四纪活动性研究

5月12日汶川8.0级地震沿龙门山断裂带中央断裂映秀—石坎段、前山断裂白鹿—汉旺段形成了典型的逆断层-褶皱地震地表形变带,两侧构筑物遭受了毁灭性的破坏。中央断裂地震地表形变带突破了以往所认识的断裂活动分段边界,向北扩展了约60km,余震亦具有从中段向北段迁移的趋势。龙门山断裂带北段在此次地震中地表有什么影响或破坏?该段晚第四纪是否有过地震活动?在前人工作的基础上,我们对前山断裂北段的地震地表特征和晚第四纪活动性进行了详细的地质地貌调查,并重点选择2个影像线性特征清晰、震害较强烈的疑似地点进行了探槽揭露,以期为解决这些问题以及灾后重建积累翔实可靠的基础资料及获得相应的初步认识。主要结论是:前山断裂北段地质地貌、构造、5月12日汶川8.0级地震的地表表现等与其南侧的灌县-安县断裂(中段)均存在显著差异,晚第四纪活动迹象不明显,前山断裂晚第四纪活动段可能终止在永安镇往南一带;永安镇一带前人认为的"活动断裂陡坎"应为侵蚀河岸     

S-wave splitting intensity analysis and inversion

Analysing S-wave splitting has become a routine step in processing multicomponent data. Typically, this analysis leads to determining the principal directions of a transversely isotropic medium with a horizontal symmetry axis, which is assumed to be responsible for azimuthal anisotropy, and to the time delays between the fast and slow S-waves. These parameters are commonly estimated layer-by-layer from the top. Errors in layer stripping occurring in shallow layers might propagate to deeper layers. We propose a method for S-wave splitting analysis and compensation that consists of inverting interval values of splitting intensity to obtain a model of anisotropic parameters that vary with time and/or depth. Splitting intensity is a robust attribute with respect to structural variations and is commutative, which means that it can be summed along a ray (or throughout a sensitivity kernel volume) and can be linearly related to anisotropic perturbations at depth. Therefore, it is possible to estimate anisotropic properties within a geological formation (e.g. the reservoir) by analysing the differences of splitting intensity measured at the top and at the bottom of the layer. This allows us to avoid layer stripping, in particular, for shallow layers where anisotropic parameters are difficult to estimate due to poor coverage, and it makes S-wave splitting analysis simpler to apply. We demonstrate this method on synthetic and real data. Because the splitting intensity attribute shows usefulness in S-wave splitting analysis in transversely isotropic media, we extend the splitting intensity theory to lower symmetry classes. It enables the characterization of tilted transversely isotropic and tilted orthorhombic media, opening new opportunities for anisotropic model building.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

川西龙门山及邻区地壳上地幔远震P波层析成像

本文利用川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和非线性层析成像算法,获得龙门山地区400 km深度范围内的三维P波速度结构.为了适应川西地区复杂的地质结构,本文的层析成像方法采用了快速行进三维走时计算算法和Tarantola非线性反演算法.我们的结果揭示了川滇地块、松潘—甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异及该区深部动力学特征.本文的研究表明：1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘—甘孜地块和川滇地块岩石圈速度较低,四川盆地岩石圈速度较高,四川盆地的岩石圈厚度从南250 km向北逐渐减薄至100 km.松潘—甘孜地块上地幔存在地幔上涌的特征.2）川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在龙门山地区四川盆地前缘存在减薄的现象,并伴随松潘—甘孜地块上地幔低速物质有侵入四川盆地岩石圈下方的特征,这显示了四川盆地与松潘—甘孜地块和川滇地块的动力学关系的差异.3）以映秀为界,龙门山断裂带被从松潘—甘孜侵入的低速异常分为南北两段：龙门山南段和龙门山北段,汶川大地震及其余震序列均分布在龙门山断裂带的北段.在青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用下造成松潘—甘孜地块隆升,由于汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中.这些因素可能是汶川MS8.0地震的基本动力学背景.本文的结果不支持四川盆地的俯冲及层间流动的动力学模型.     

日本上地壳S波衰减成像

地球介质的衰减特性可以从地震波中的频谱信息中获取,并且能够提供地球内部结构非均匀性的重要信息.与大量的速度结构研究相比,对衰减结构的研究却较少,且大多仅对日本群岛局部地区做研究.本文运用ML振幅层析成像技术反演获得了整个日本群岛上地壳的品质因子Q0值（1 Hz时的Q值）.计算中共利用了日本Hi-net台网971个台站记录到的5559个地震事件,超过60000 条Sg波最大振幅-频率数据,并且满足震中距小于2°、震源深度小于10 km.计算结果表明,低Q0值区域主要存在于日本群岛的中央火山带,与日本新生代以来的火山分布非常一致;同时,位于从神户到京都东北地区、以及四国岛东部等地的非火山区,断层密集,对应的Q0值也很低;另外,西太平洋俯冲海沟与日本群岛东海岸之间的区域也是低Q0值区,这说明高温、岩石强烈破碎、深厚的沉积物是造成地震波强烈衰减的主要原因.高Q0值主要分布在中央火山带前缘与日本东海岸之间.     

九江-瑞昌5.7级地震余震的S波分裂研究

利用在九江-瑞昌MS5.7地震震中附近架设的丁家山台(DJS)、狮子洞台(SZD)和武蛟台(WUJ)的地震波形资料,采用S波分裂系统分析方法,对余震进行了S波分裂分析。结果表明,震中距较小、台站附近断层分布复杂的丁家山台(DJS)的慢波时间延迟相对较大,快波偏振方向不太集中。台站附近断裂分布单一的武蛟台(WUJ)快波偏振优势方向与断裂走向角度相差约35°,与区域主压应力方向也不一致。台站附近无断层通过的狮子洞台(SZD)快波偏振优势方向接近区域主压应力方向。慢波时间延迟大小与震源深度没有明显的规律性关系。     

华北地区地壳上地幔速度各向异性研究

本文介绍面波反演得到的华北地区地壳上地幔速度各向异性分布图像,并与S波分裂的结果作初步的定性比较.不同周期瑞利波群速度的方位各向异性图像呈现显著的横向变化,与华北地区地壳上地幔的构造分块和垂直分层结构有比较密切的联系.在鄂尔多斯和阿拉善等稳定地块中,岩石圈地幔到160 km深度都保持比较一致的显著各向异性;而在发生过岩石圈减薄的华北克拉通东部,大约80~150 km深度范围内基本没有探测到方位各向异性,可能说明岩石圈减薄过程抹去了原有的各向异性印迹而且没有显著的水平构造运动造成新的方位各向异性.地球介质的各向异性具有明显的分层特征,面波的反演结果是如此,而S波分裂测量所表现的离散性,也可能是由各向异性的分层差异和倾斜的各向异性对称轴等因素引起.采用多层的各向异性模型,在多数情况下可以定性地解释面波反演和S波分裂结果之间的差异.进一步的工作要求增大面波的探测深度和改善分辨能力,获取更多的S波分裂测量资料,从而建立定量或半定量的三维各向异性模型.     

2017年九寨沟MS7.0地震震源区横波分裂变化特征

对2017年九寨沟M_S7.0地震序列的横波分裂的时空变化特征进行了分析.通过横波窗内S波质点运动图的分析,从九寨沟地震震源区各个地震台站的近震横波记录中提取了横波分裂的快波偏振方向和慢波延迟时间.观测结果显示,震源区各台站的上地壳各向异性在空间上存在分区特征,时间上有随时间的趋势性变化特征.空间上,位于震源区北部余震区内的3个台站中,发震断层东面的台站L5112和L5111只有一个突出的快波偏振优势方向（NNE向）,而西面的L6202台有两个快波偏振优势方向（除了NNE向,还有一个近EW向）,体现了余震区剧烈调整的地壳应力和构造复杂断裂的综合作用;余震区外的3个台站中,震源区东部靠近塔藏断裂（东）附近的JZG台的快波偏振优势方向为NW向,与塔藏断裂（东）的走向一致,南部的台站L5110和L5113的快波偏振优势方向为近EW向,与区域主压应力方向一致;余震区内各台站的平均慢波延迟时间大于余震区外各台站,反映了九寨沟地震孕育过程中余震区的应力积累强于其周边区域.时间上,快波偏振方向在主震后前期离散度较大,随着时间的推移,离散度在后期有逐渐变小的趋势;慢波延迟时间在主震后较大,但随着时间的推移,也表现出逐渐减小,趋于稳定.横波分裂随时间逐渐减小和趋于稳定的变化特征反映了九寨沟地震在孕震中积累的应力,随着主震和余震的发生而导致的应力释放和调整,应力大小和调整幅度逐渐减小,后期趋于稳定.

     

安宁河—则木河断裂带及邻区中上地壳各向异性及其含义

本文采用剪切波分裂分析方法, 使用安宁河—则木河断裂带及邻区的42个流动和固定地震台站2013年1月到2019年12月的近震波形记录, 获得了各个台站的剪切波分裂参数结果.由于区域主压应力场以及局部地质构造的影响, 该区快波偏振方向的空间分布具有明显的分区特征: 以冕宁为界, 安宁河北段石棉—冕宁段周边表现出NW-SE快波优势偏振方向, 与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; 安宁河南段冕宁—西昌段周边表现出差异性的局部快波优势偏振方向, 为NE-SW, 与其他区域明显不同, 揭示了该区具有局部构造特征和应力环境; 则木河断裂带北段快波优势偏振方向与安宁河北段优势偏振方向一致, 为NW-SE向, 表明区域最大主压应力方向的优势作用.安宁河北段的石棉—冕宁段附近台站, 在康定M_S6.4和石棉M_S4.5地震前后, 快波偏振方向均有变化, 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.此外, 位于安宁河断裂和则木河断裂交界处的西昌地区(XC27台), 既是构造交汇区, 也是各向异性特征分段的边界, 具有最大的慢波时间延迟, 说明该区构造复杂、各向异性程度最强, 值得关注; 木里县(MLI台)、普格县(PGE台)、鲜水河断裂和龙门山断裂交汇处(HCP台)以及美姑县(XC36台)均具有较高的慢波时间延迟, 且快波偏振方向与周围台站不同, 考虑到这些台站位于断裂带交汇或分段的端部, 亦是值得关注的地方.

     

三峡水库坝址及邻区中上地壳S波速度结构

利用三峡数字地震台网记录的Sg波到时资料,采用地震层析成像技术,重建了三峡水库坝址及邻区中上地壳的三维速度图象,研究了地壳深部构造,主要结论是:①黄陵背斜的岩性具有固结程度高、岩体均匀完整、埋藏深度至少达14 km的特征;②秭归盆地与边缘构造由于岩层一致,而速度结构相同;构造变形的强度决定了秭归盆地及周缘区域沉积层的厚...