1999年台湾集集地震余震区󰀁󰀁󰀁嘉义地区地震的

剪切波分裂参数随时间变化的研究

郑秀芬1,2,陈朝辉2,张春贺3*

1中国地震局地球物理研究所,北京󰀂100081

2台湾中正大学地震研究所,嘉义󰀂62102

3国土资源部油气资源战略研究中心,北京󰀂100034

摘󰀂要󰀂本文利用台湾中央气象局布设的嘉义台CHY、民雄台CHN2和义竹台CHN8记录的地震波形资料,使用波

形互相关的SAM分析方法(剪切波分裂系统分析方法),对发生在1999年9月20日台湾集集大地震(MW7󰀁6)余震

区的嘉义ML6󰀁4和ML6󰀁0级地震的震前序列,开展了长达22个月的大震前近场源剪切波分裂参数随时间变化的

应力预测研究.研究结果表明,在正常情况下,快剪切波的偏振方向大致近东西向,与嘉义地区最大主压应力场的

方向一致,表明该区的各向异性受区域构造应力场控制;根据剪切波分裂参数󰀁󰀁󰀁快剪切波偏振方向和慢剪切波

时间延迟随时间的变化,我们认为,临震期慢剪切波时间延迟的快速下降和快剪切波偏振方向90 跳跃事件的频繁

发生,可以作为临震期大震应力预测的前兆指标.近场源剪切波分裂参数随时间的变化在揭示震源区应力变化方

面将发挥重大作用.

关键词󰀂台湾集集地震,余震区,嘉义地震,地震各向异性,剪切波分裂,应力预测前兆,快剪切波偏振方向,慢剪切

波时间延迟

文章编号󰀂0001-5733(2008)01-0149-09中图分类号󰀂P315收稿日期󰀂2007-01-15,2007-08-27收修定稿

基金项目󰀂中国台湾科学委员会博士后基金项目(NSC󰀂94󰀂2119󰀂M󰀂194󰀂004)及项目(NSC󰀂92󰀂2816󰀂M󰀂194󰀂0003󰀂6)资助.

中国地震局地球物理研究所论著编号:07AC1020󰀁

作者简介󰀂郑秀芬,女,1967年生,博士,中国地震局地球物理研究所副研究员,主要从事实时地震学的理论与方法研究.

E󰀂mail:zhengxf@cea󰀂igp.ac.cn

*通讯作者󰀂张春贺,男,1966年生,博士,主要从事油气地球物理勘探技术应用研究.E󰀂mail:chunhezh@yahoo.com.cnStudyontemporalvariationsofshear󰀂wavesplittingintheChiayi

area,aftershockzoneof1999Chichiearthquake,Taiwan

ZHENGXiu󰀂Fen1,2,CHENChao󰀂Hui2,ZHANGChun󰀂He3*

1InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China

2InstituteofSeismology,NationalChungChengUniversity,Chiayi62102,Taiwan,China

3StrategicResearchCentreforOilandGasResources,MinistryofLandandResources,Beijing100034,China

Abstract󰀂BasedonthedatafromthreeseismicstationsCHY,CHN2andCHN8ofTaiwanCentralWeather

BureauSeismicNetwork(CWBSN),thesystematicanalysismethod(SAM)ofshear󰀂wavesplittinghasbeen

usedtodothenear󰀂sourcestress󰀂forecastresearchoftemporalpreseismicvariationsofpolarizationdirectionsand

timedelaysinnearly22monthsbefore1999ML6󰀁4andML6󰀁0earthquakesintheChiayiarea,theaftershock

zoneofMW7󰀁6Chichi,TaiwanearthquakeofSeptember20,1999󰀁Theresultshowsthatthenormal

polarizationdirectionsofstationCHY,CHN2andCHN8areapproximatelyEW,ingoodagreementwiththe

directionofmaximumcompressionalstress,suggestingthattheanisotropyinthisareaiscontrolledbylocal

tectonicstressfield.Theresultsstronglyindicatethatinthestresscriticalstage,thepolarization90 -flips

occurredfrequently,andthattherewereabruptdecreasesintimedelaysshortlybeforetheChichimainshock第51卷第1期2008年1月地󰀂球󰀂物󰀂理󰀂学󰀂报

CHINESE󰀂JOURNAL󰀂OF󰀂GEOPHYSICSVol.51,No.1Jan.,2008andtwoChiayiearthquakes.Thesecanbeconsideredastwoprecursorsofstress󰀂forecast.Wethinkthatthe

temporalvariationsofshear󰀂wavesplittingareofgreatimportance,sincetheyprovideinformationaboutsource

stressprocessesandcriticalwarninginformationbeforelargeearthquakes.

Keywords󰀂1999Chichiearthquake,Aftershockzone,Chiayiarea,Anisotropy,Shear󰀂wavesplitting,Stress󰀂

forecastprecursor,Polarizationoffastshear󰀂wave,Timedelayofslowshear󰀂wave

1󰀂引󰀂󰀂言

󰀂󰀂穿过各向异性介质的剪切波会产生分裂现象.

通过区域地震台网记录到的近场源地震的剪切波分

裂而开展的上地壳地震各向异性的研究,已经取得

了一定的进展.在解释上地壳各向异性的理论中,被

大家普遍接受并得到广泛应用的是Crampin等人的

EDA理论(ExtensiveDilatancyAnisotropy)[1],以及后

来改进的APE理论(AnisotropicPoro󰀂Elasticity)[2,3].

该理论认为影响各向异性的主要因素为近地表呈垂

直且充满流体的平行排列微裂隙,大致分布在上地

壳.当剪切波通过这些裂隙分布的区域时,会分裂成

两个相互垂直的剪切波,分别以不同的速度前进,其

中快剪切波偏振方向平行于最大水平压应力方向,

而慢剪切波时间延迟,主要与裂隙的密度有关.根据

裂隙在空间和时间上的分布及其变化情况,该理论

为开展地壳应力的相关研究,提供了很好的理论基

础和应用前景.

由于地震各向异性与应力的关系,使得地震各

向异性研究中最令人感兴趣的在于它随时间的变

化.Peacock等[4]利用加州Anza地震台网的资料得

到了慢剪切波时间延迟随时间的变化;Booth等[5]展

示了阿肯色州的一个震群在大地震前后剪切波时间

延迟的变化情况.慢剪切波时间延迟在大震前随时

间的变化在中国、北美和欧洲的一些地方也有报

道[6~12].值得一提的是,Crampin等[13]在1998年提出

了!应力预测∀的概念,利用监测剪切波分裂在地震

前的变化,可以得到!应力建构∀的效应,他们藉此成

功地预测了一个M5󰀁0级的冰岛地震[14].Wu等[15]

利用发生在冰岛地区震源附近的小地震也开展了相

关的应力预测研究.

APE理论认为[3],当应力处于破裂的临界状态

时,平行于应力方向排列的微裂隙中充满了高压孔

隙流体,使得快、慢剪切波交换其偏振方向,导致快

剪切波偏振方向发生90 跳跃的现象.这样的偏振方

向90 跳跃对于与应力场有关的孔隙流体压力极其敏感[16].在报道中快剪切波偏振方向发生90 跳跃的现象出现在以下情况中:向Caucasus油田储油层

中过量加压时[17];向碳酸盐储油层中高压注入二氧

化碳时[18];圣安德列斯断层上的小地震中[8,10];冰岛

中北部H󰀁sav󰀂k󰀂Flatey断层上的地震中[19];Hyogo󰀂ken

Nanbu地震发生时破裂的Nojima断层区[20];新西兰

的MountRuapehu地区在火山爆发前,由于岩浆喷发

前的高压造成了快剪切波偏振方向的改变[21],以及

印度Bhuj地区发生的地震中[22].此外,在相关的理

论模型研究中,也同样存在快剪切波偏振方向发生

90 跳跃的现象[23].剪切波偏振方向的改变意味着火

山爆发和大地震前的高孔隙流体压力,因此,确实可

以通过地震的各向异性来监测火山和活动断层,并

在探讨地震的震源机制中发挥重要作用.利用快剪

切波偏振方向除了可以开展上述应力预测前兆研究

和实际应用外,还可以进行地壳介质地震各向异性

特征和地壳应力场特征等方面的相关研究.近年来,

高原等[24]、吴晶等[25]、赖院根等[26,27]和雷军等[28]在

唐山地区、首都圈西北地区、首都圈地区、新疆伽师

强震区和云南剑川等地区利用近场源数字地震资料

开展了这方面的研究,取得了一定的成果.

长期以来,一直认为应力会持续累积,直到地震

发生时才会释放.实际上,应力在地震发生前的十几

分钟到几个月的时间就开始释放了[29].实验研究结

果同样表明,在大理岩岩石样本破裂前,同样观察到

了剪切波时间延迟的下降[6,30].一些研究提供了在

下列时期震前剪切波时间延迟快速下降的证据:美

国Enola震群M3󰀁8级地震前的2个小时[5];冰岛西

南部M5级地震前的4天[11],以及NorthPalmSprings

M6级地震前的25天[4,8]等等.当地震发生前有足够

的地震活动时,就有可能观测到剪切波时间延迟的

快速下降,这样的剪切波时间延迟的快速下降意味

着孕震区区域压应力的释放,可以作为震前应力预

测的前兆.

众所周知,台湾地处环太平洋地震带的西侧,是

一个大地震频繁发生的地区.从1898年到现在,台

湾地区约有130次的灾害性大地震发生,而发生次

数最为频繁的地区,就是经济发达、人口众多、位于

台湾西南部的嘉义地区,且嘉义地区发生的地震多150地球物理学报(ChineseJ.Geophys.)51卷󰀂