引言

北京时间2017年8月8日21时19分，我国四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生M_S7.0地震。根据中国地震台网中心测定，此次地震震中位置为（33.20°N，103.82°E）；根据面波振幅谱确定的震源深度为8.2 km （赵博等，2018）；此次地震的极震区烈度达Ⅸ度以上，受灾范围近3万平方千米。截至2017年9月3日，九寨沟地震震源区发生M_S1.0以上地震2 571次，其中最大主震为M_S7.2。与2008年5月12日汶川M_S8.0地震一样，九寨沟M_S7.0地震也发生在巴颜喀拉地块的边缘地带，是巴颜喀拉地块边界断裂持续活动的结果（邓起东等，2010；张旭等，2017）。巴颜喀拉地块从帕米尔高原一直延伸至龙门山断裂带，地块内部地质构造复杂，历史强震频发。从1976年开始，巴颜喀拉地块已成为整个西部地区M7.0地震的主体活跃区（徐锡伟等，2008；邓起东等，2010，2014；闻学泽等，2011）。

九寨沟M_S7.0地震震中处于巴颜喀拉地块东部岷江断裂、虎牙断裂与塔藏断裂交会区域，震源区内断裂构造交错复杂，区内近南北向的岷江断裂和北西西走向的东昆仑断裂东段分别为巴颜喀拉地块的东边界和北边界（Burchfiel et al，1995 ）。任俊杰等（2017）的研究表明九寨沟地震是左旋走滑的东昆仑断裂带东端继续向东扩展的结果。单新建等（2017）关于InSAR同震形变场的研究结果判定该地震的发震断层为虎牙断裂的北侧延伸分支。杨宜海等（2017）和谢祖军等（2018）的震源机制解反演结果则显示此次地震主要受南南东走向、近直立的左旋走滑断层控制，主压应力轴的优势方向为南东东向。

地震的发生往往伴随着地壳应力的释放，应力释放通常会较大程度地影响周围区域的地震活动、形变场、应力场及断层上的应力积累（Lin，Stein，2004；Stein，2005；黄禄渊等，2017）。一次地震的发生，虽然原因很多且非常复杂，但是地壳应力的变化是其中一个非常重要的因素，把握地震震源区地壳应力场的变化特征对理解地震的发生机制起着重要作用。剪切波分裂现象对地壳应力场的变化极为敏感，因而研究剪切波分裂参数的特征对理解地壳应力场的变化有非常重要的意义。鉴于此，本文利用九寨沟M_S7.0地震震源区（32.8°N—33.6°N，103.5°E—104.3°E）内流动地震台站记录到的地震波形数据进行剪切波分裂参数计算，分析该地区剪切波分裂参数的空间分布特征以及参数随时间的动态变化特征，进而探讨九寨沟地震震源区地壳应力的调整变化，并结合该地区其它地球物理研究结果从各向异性的角度对九寨沟震源区的应力特征予以讨论。

1.   构造背景与地震数据

1.1   构造背景

九寨沟M_S7.0地震震中及邻区构造背景较为复杂，发育有多条断裂（图1a），包括南北向的岷江断裂、北西西走向的东昆仑断裂、塔藏断裂和近南北向的虎牙断裂（张培震等，2003；闻学泽等，2011），其中：东昆仑断裂是青藏高原中北部的一条巨型左旋走滑断层，西起新疆与青海交界的鲸鱼湖以西，向东延伸至甘肃玛曲以东，其地震活动十分强烈，自从1900年有历史记载以来，发生了6次M7.0以上地震（中国地震局震害防御司，1999）；岷江断裂为岷山隆起西边界的主控断层，大致沿岷江西岸向南延伸，总体走向近南北向，断面倾向北西方向；塔藏断裂位于东昆仑断裂东段，总体呈北西走向，西起若尔盖盆地北缘，向北西西向延伸，向东转为北西向，经东北、塔藏、九寨沟，至马家磨转为北西西向（张军龙等，2012）；虎牙断裂为岷山隆起东边界的主控断层，其北段显示兼有逆冲分量的左旋走滑性质（周荣军等，2006）。

九寨沟M_S7.0地震震源区的构造应力场最大水平主应力方向为近东西向，该区域曾发生走滑型和逆冲型地震（杨宜海等，2017）。九寨沟地震的余震定位结果显示主震和余震沿虎牙断裂北段呈北北西向密集条带分布，密集条带长约36 km，优势方位为330° （图1b）。九寨沟地震的发震断层为北北西向虎牙断裂北段（徐锡伟等，2017）。美国地质调查局的震源机制结果显示此次地震是北北西走向的走滑型地震（USGS，2017），GPS数据研究显示九寨沟地区的水平速度场方向为近似东西向（庞亚瑾等，2017）。

图  1  九寨沟地震震源区及邻区的构造背景（a）和震源区余震及台站分布图（b）

Figure  1.  Tectonic settings of the source region of Jiuzhaigou earthquake and its vicinity （a） as well as distribution of the aftershocks and seismic stations in the source region （b）

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1.2   地震活动性与地震数据

2017年8月8日21时九寨沟地区发生M_S7.0地震，当时距离主震震中30 km范围内没有固定地震台站，无法满足地震监测以及地震精确定位等后期地球物理研究的需要。为了更好地监测余震活动并顺利进行后续的地球物理研究，四川省地震局在震源区架设了4个流动地震台站L5110，L5111，L5112，L5113 （图1b），其中台站L5110，L5111，L5112采用CMG-40TDE短周期地震仪，L5113采用GL-PS2短周期地震仪，频带宽度均为2 s—50 Hz，地震记录采样率均为100 sps。

图1b中的地震定位数据来自于四川省地震局地震台网目录。由图1b可见，九寨沟地震余震序列的震中呈南东向分布，延伸近40 km，4个地震台站围绕余震分布，较好地覆盖了整个震源区。

图2给出了九寨沟地震震源区的余震分布柱状图和M-t图，可见震源区的地震活动性在九寨沟M_S7.0地震前后有较大的变化。九寨沟M_S7.0地震发生在2017年8月8日21时，M-t图显示8月8日在M_S7.0地震发生之前震源区内的地震发生频率较低，M_S7.0地震发生之后，地震活动迅速增强，特别是8月9日，地震次数高达500多次，而且地震震级也相对较高，M_S4.0以上地震有6次（图2b）。在随后的10天内，地震活动依然处于较高水平，每天的地震多达200次以上，M_S3.0以上地震可达46次。8月22日之后，地震活动性明显下降，地震震级也有所降低，地震震级多集中在M_S2.0以下。由此可见，九寨沟M_S7.0地震后，震源区地震活动性迅速增强，而后随着地壳应力的释放，地震活动性和地震强度均有所降低。

图  2  九寨沟震源区余震分布柱状图（a）和M-t图（b）

Figure  2.  Histogram （a） and M-t （b） of the aftershocks in the source region of Jiuzhaigou earthquake

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2.   剪切波分裂分析

剪切波分裂分析旨在识别快波（快剪切波）和慢波（慢剪切波）到时，计算出快波偏振方向和慢波延迟时间。快波偏振方向可用于评估裂隙走向和最大水平主压应力方向，慢波延迟时间则是对应力强度的定性描述。当剪切波入射到地表时，如果入射角大于临界角，剪切波会受到明显的SP转换波的干扰。因此，选取剪切波窗口内的地震波形记录是剪切波分裂计算的前提条件（Crampin，Peacock，2005；刘莎等，2014）。本文挑选出P波和S波到时差小于5 s的波形数据，从中筛选出剪切波波形信噪比高于7.0的数据；用于剪切波分裂计算的地震震级均在M_S1.0—6.0范围内，而且为了消除地表低速层的影响，选用地震震源深度处于5—15 km的地震事件。

剪切波分裂各向异性在偏振图上的特点是质点振动方向突然发生垂直变化，因此，由剪切波质点偏振图可以直观地展示剪切波分裂现象，并可测量出快波偏振方向和慢波延迟时间（Crampin，Gao，2006）。本文截取剪切波到时前20个采样点和到时后40个采样点的一段波形数据进行剪切波分裂计算，通过分析这60个采样点数据的质点偏振图特征获得两个剪切波的分裂参数，结果如图3所示。由于地壳中各向异性介质的存在，剪切波质点偏振图显示有两个偏振方向相互垂直的地震波。根据剪切波偏振方向的转变来确定快慢波的到达时间，然后测量快、慢剪切波到时差，该差值即为慢波延迟时间（图3b）。

图  3  L5112台站记录的地震数据剪切波分裂分析

所记录事件的发震时间为2017年8月10日20时12分59秒；震中位于（33.31°N，103.74°N），震源深度为7 km；震级为M_S1.2；震中距为6.5 km。 （a） 三分量地震波行记录，两条红色竖虚线是截取的用于质点偏振图分析的剪切波段；（b） 质点偏振图，箭头标示了快慢波的质点运动方向，红点标记了快慢波的到达

Figure  3.  The shear wave splitting analyses of the earthquakes recorded by station L5112

The earthquake with M_S1.2 occurred at 20:12:59 on 10 August 2017，the epicenter is located at （33.31°N，103.74°E） with focal depth 7 km and epicentral distance 6.5 km。 （a） Three-component seismic waveforms，where the two red vertical dashed lines delineate the scope of shear wave shown in polarization figure；（b） Particle trail where the arrows are their particle motion directions of fast and slow waves，and red dots mark their arrivals

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3.   剪切波分裂分析结果

经过剪切波分裂计算获得了九寨沟地区4个流动台站的剪切波分裂参数，共计583对结果（表1），特别是距离余震序列较近的L5111和L5112两个台站，均获得了200对以上剪切波分裂参数，这两个台站的快波偏振方向误差均在30°以内，慢波延迟时间误差在2.5 ms/km以内。L5110和L5113台站分别获得了4对和58对剪切波分裂参数，虽然位于剪切波窗口内的事件数目较少，但二者的快波偏振方向误差均在20°以内，快波偏振方向结果的一致性较高，慢波延迟时间误差也均2.0 ms/km左右。

表  1  九寨沟地区4个流动台站的剪切波分裂参数

Table  1.  Parameters of shear wave splitting at the four portable seismic stations in Jiuzhaigou area

台站	窗口内波形个数	平均偏振方向/°	偏振方向误差/°	平均慢波延时 /（ms·km−1）	慢波延时误差 /（ms·km−1）
L5110	4	104	6.9	4.23	1.63
L5111	217	97	26.7	5.35	2.35
L5112	304	99	23.8	5.08	2.18
L5113	58	82	19.5	4.76	2.14

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4个台站的快波偏振方向等面积投影玫瑰图显示，九寨沟M_S7.0地震震源区的快波偏振方向多为南东东向（图4），4个台站快波偏振方向的平均值为98°。图4显示了各台站位于剪切波窗口内用于计算剪切波分裂参数的地震分布。L5110台站的快波偏振方向只有4条结果，但是误差较小，均显示为南东向；L5111台站的快波偏振方向结果较多，有217条，快波偏振优势方向显示为南东东向；L5112台站获得了最多的剪切波分裂参数结果，304条结果显示快波偏振优势方向有两个，即近东西向和南东东向；L5113台站获得了58条快波偏振方向结果，快波偏振优势方向为北东东向。研究区域内慢波延迟时间的平均值为5.04 ms/km，其中慢波延迟时间最大值源于距离主震震中位置最近的L5111台站，最小值来自L5110台站，可见距离主震震中越近，慢波延迟时间相对较大，表明其各向异性程度相对较强。

图  4  研究区域内4个台站快波偏振方向等面积投影玫瑰图

Figure  4.  The homolographic projection rose diagrams of the fast shear wave polarizations at four seismic stations

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4.   震源区地壳应力场的讨论

4.1   快波偏振方向与构造背景

剪切波分裂现象对地壳应力环境的变化非常敏感，尤其是对探讨小尺度应力环境特征非常有效（Gao，Crampin，2004；赖院根等，2006）。快剪切波偏振方向近似平行于裂隙面的走向和区域最大水平压应力方向，反映了区域应力场的作用方向（Zatsepin，Crampin，1997）。地壳各向异性分布除与区域构造活动、地壳应力特征密切相关以外，还会受到断裂分布、地质结构和应力场等因素的影响（高原等，2010；Gao et al，2011 ），而且位于活动断裂上的台站快波偏振方向往往受活动断裂的影响较大（高原，吴晶，2008）。

图5将震源区内4个台站的快波偏振方向绘制于九寨沟地震余震分布图上，可见快波偏振方向与断裂走向以及余震的展布方向均存在一定夹角。L5110台站的快波偏振方向为南东向，与塔藏断裂走向一致；L5111台站距离主震震中位置最近，快波偏振方向为南东东向，虽然该台站位于塔藏断裂上，但其快波偏振方向与断裂走向呈一定角度；L5112台站位于塔藏断裂与岷江断裂交叉口内，快波偏振方向为南东东向，与断裂走向斜交；L5113台站位于岷江断裂上，快波偏振方向为北东东向，与岷江断裂斜交。另外，L5112台站的快波偏振方向与L5111台站的一致。

图  5  九寨沟震源区各台站快波偏振方向等面积投影玫瑰图分布

Figure  5.  The distribution of the homolographic projection rose diagrams at stations in Jiuzhaigou focal area

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GPS观测数据资料揭示了现今地壳变形的细节特征。根据GPS测量得到的主压应变方向为南东东向，与快波偏振方向一致（Gan et al，2007 ）。震源机制解反映了震源的破裂过程以及深部构造应力场的重要信息（Yang et al，2017 ），由浅源地震的震源机制得到的区域主压应力方向与本文所得的快波偏振方向相同（许忠淮，2001）。九寨沟M_S7.0地震序列的震源机制解反演结果显示九寨沟地震序列主要受南南东走向、近似直立的左旋走滑断层控制，压应力轴方向为南东东向，与塔藏断裂和虎牙断裂大概呈30°—45°夹角，符合走滑断层的应力特征（杨宜海等，2017）。九寨沟地区区域应力场近似东西向（徐纪人，赵志新，2006），L5111，L5112和L5113台站的快波偏振方向与其一致，这与巴颜喀拉地块向东推挤的动力学背景一致。但是L5110台站距离震源区相对较远，快波偏振方向为南东向，与塔藏断裂的走向一致，反映了该台站快波偏振方向受周围活动断裂的影响相对较大。

4.2   慢波延迟时间的变化

选取有200条以上慢波延迟时间结果的L5111和L5112台站来分析震源区地壳应力的变化特征，结果如图6所示。在剪切波分裂研究中，慢波延迟时间通常表现出较高的离散，这是由压力分布状况、微裂隙的方向和密度分布、孔隙压强、地质构造、震源深度等多方面因素造成的（Crampin，1999）。但是慢波延迟时间的变化趋势能够反映出区域应力的变化特征，尤其是大地震发生前后慢波延迟时间会表现出明显的变化（常利军等，2015）。本文采用慢波延迟时间7点滑动平均结果来表示慢波延迟时间的变化趋势。由图6可见：L5111台站的慢波延迟时间自8月10日明显下降，8月17日降至4 ms/km后有所回升，20日之后慢波延迟时间波动较小；L5112台站的慢波延迟时间自8月10日有所下降，但下降幅度相对较缓，直到8月15日出现了小幅度的回升。可见，距离主震震中较近的L5111台站的慢波延迟时间变化程度比L5112台站大，震源区应力积累和释放对其影响也相对较大。

图  6  L5111和L5112台站慢波延迟时间变化结果

黑点为慢波延迟时间计算值，红色曲线为7点滑动平均结果

Figure  6.  The delay time changes of slow wave at the seismic stations L5111 and L5112

The black dots denote the time delay of slow shear wave，and red lines are the results of 7 points moving average

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地震是在一定的构造应力场条件下断层相对运动的结果，断层活动通常会使得邻区的应力状态发生改变（缪淼，朱守彪，2012）。剪切波分裂现象对地壳应力的特征性变化非常敏感，通过慢波延迟时间的变化来监测地壳应力的变化已广泛应用于地震、火山地区地壳应力变化的研究（Gao，Crampin，2008；Liu et al，2014 ）。由于流动台站是在8月8日九寨沟M_S7.0地震之后架设的，故不能观测主震发生之前的地壳应力变化。8月10日之后观测到慢波延迟时间持续降低，表明主震发生之后震源区的地壳应力不断释放，且随着余震的不断发生，地壳应力一直处于调整状态，后期逐渐减小最后趋于稳定；但是慢波延迟时间在震后的变化程度并不大，而且8月底震源区内的地震活动水平趋于平缓，揭示了此次九寨沟M_S7.0地震之后未发生大规模的应力调整。谢祖军等（2018）关于九寨沟地震库仑应力场变化的研究结果表明，本次地震库仑应力影响的范围较小，主要是增强了塔藏断裂南段及虎牙断裂上的应力积累。杨宜海等（2017）的震源机制解结果则反映了此次地震不存在复杂的断层活动和大规模应力调整。本文的剪切波分裂结果与上述结果吻合，表明九寨沟M_S7.0地震之后地壳应力调整的规模并不大。

5.   讨论与结论

本文对2017年8月8日九寨沟M_S7.0地震之后震源区的地震活动性和地壳应力场特征进行了初步分析。九寨沟地震震源区在M_S7.0地震发生之后，余震序列沿虎牙断裂北段呈北北西向密集条带展布。通过对剪切波分裂参数特征性变化的研究，获得了震源区地壳应力场的特征。

2017年8月8日九寨沟M_S7.0地震发生之后，地震活动迅速增强，特别是8月9日，地震频次高达500多，地震震级也相对较高。在随后的10天内，地震活动依然处于较高水平，每天的地震多达200次以上；8月22日之后，地震活动水平有所下降，地震震级也有所降低，多集中在M_S2.0以下。

通过对九寨沟地震震源区4个流动台站记录的地震数据进行剪切波分裂计算，获得了震源区的剪切波分裂参数特征。L5111，L5112和L5113台站的快波偏振方向为近似东西向，与GPS测量结果和震源机制解结果一致，反映了九寨沟M_S7.0地震震源区区域主压应力方向为近似东西向。L5110台站的快波偏振方向为南东向，与塔藏断裂走向一致。震源区慢波延迟时间均值为5.04 ms/km。距离主震震中位置最近的L5111台站慢波延迟时间最长，而距离主震震中位置最远的L5110台站慢波延迟时间最短。从L5111和L5112台站的慢波延迟时间变化可以看出，慢波延迟时间在主震发生后的短时间内持续降低，表明地壳应力的释放与调整。慢波延迟时间在8月底趋于平缓，而且地震活动水平也明显降低，进一步推断震源区地壳应力场逐渐减小并趋于稳定。

九寨沟地区的剪切波分裂结果表明九寨沟M_S7.0地震之后，随着余震的发生，发震断裂一直处于应力调整阶段，直到8月底，地壳应力场方趋于稳定。由于文中并未探讨九寨沟M_S7.0地震之前地壳应力场的状态，因此无法对比M_S7.0地震发生前后地壳应力的变化。一次大地震的发生是一个相对复杂的过程，剪切波分裂方法获得的应力场结果相对单一，在下一步的工作中还需要结合其它研究结果综合评价地壳应力场的变化特征。

感谢四川省地震局提供九寨沟地震目录，感谢两位审稿专家提出建设性的意见与建议。