1. 研究背景与意义
1.1 剪切波分裂现象
- 剪切波（S波）分裂是横波在通过各向异性介质时的一种重要现象。
- 剪切波分裂的本质是S波分裂为两个速度不同的正交偏振波：
- 快波（Fast Wave）：传播速度较快，与介质主轴方向一致。
- 慢波（Slow Wave）：传播速度较慢，与快波正交。
- 应用：
- 地球内部各向异性的研究（如裂隙结构和矿物排列）。
- 构造应力分布分析。
- 地震活动中应力积累与释放规律的研究。
1.2 近场地震与快慢波到时差
- 近场地震特点：
- 传播路径短；
- 横波能量强，易于捕获；
- 各向异性效应显著。
- 快慢波到时差：
- 描述横波分裂的重要参数；
- 反映介质的各向异性强度、厚度以及应力状态。
1.3 测量离散问题
- 成因：
- 地震路径复杂性：多层各向异性介质引发的多次分裂效应。
- 数据处理误差：滤波窗口、震相识别、路径归一化等技术环节。
- 研究目的：
- 提出改进方法（如动态频率滤波与“有效震源距”）；
- 分析各向异性变化的物理规律。
2. 数据与方法
2.1 数据来源与筛选
- 研究区域：新西兰南岛北部KHZ台站区域。
- 数据样本：
- 时间范围：2013年至2017年。
- 初始记录：605条地震记录。
- 筛选标准：
- 信噪比；
- 横波窗内信号质量；
- 震源距小于50 km。
- 最终提取：72条高质量横波分裂参数记录。
2.2 测量方法
- 横波分裂参数提取公式：
$$ Q(t) = A_0 f(t) \cos \phi + B_0 f(t - \delta t) \sin \phi $$
$$ T(t) = A_0 f(t) \sin \phi - B_0 f(t - \delta t) \cos \phi $$
- $Q(t)$：径向分量。
- $T(t)$：横向分量。
- $\phi$：快波极化方向。
- $\delta t$：快慢波时间延迟。
-
数据处理步骤：
- 旋转坐标，优化震相分量。
- 时间校正横向分量，恢复线性偏振状态。
-
路径归一化：
- 传统方法假设震源距等于传播路径。
- 本文提出“有效震源距”方法，减少归一化误差。
-
动态滤波改进：
- 根据每条记录的主频动态调整滤波窗，提高测量精度。
3. 结果与分析
3.1 滤波窗口的影响
相同滤波窗对不同主频横波的滤波作用不同，这与滤波窗上下截止频率与横波主频的相对位置有关。
- 问题：固定频带滤波影响到时差和快波偏振方向的测量结果。
- 改进：动态调整滤波窗，消除噪声干扰，保留信号高频特性，显著减少测量离散性。
3.2 路径归一化的改正
- 传统问题：
- 假设震源距等于传播路径，导致路径归一化“过量”。
- 误差使到时差与震源距呈不合理负相关。
- 改正：
- 采用“有效震源距”代替震源距：
- 更合理地描述横波传播路径。
- 归一化后到时差分布更加符合物理规律。
- 采用“有效震源距”代替震源距：
3.3 多层介质的多次分裂
- 现象： 到时差数据中存在多值现象。
- 解释：
- 基于多层各向异性介质模型：
- KHZ台站下方可能存在三个分裂界面，深度分别为15 km、27 km和37 km。
- 各层分别对应：
- 浅层裂隙排列。
- 深层岩石应力作用。
- 基于多层各向异性介质模型：
3.4 应力变化与地震活动
- 观测现象：
- 在2016年7.8级地震发生前数月，KHZ台站快慢波到时差逐渐增大。
- 地震发生后，到时差迅速减小。
- 解释：
- 到时差变化趋势与应力积累和释放相符。
- 表明横波分裂参数可能成为地震监测的重要前兆指标。
4. 研究意义与贡献
4.1 方法学贡献
- 提出动态滤波和“有效震源距”方法，显著提高横波分裂参数测量精度。
- 系统分析横波分裂测量离散的成因，为后续研究提供了技术框架。
4.2 地震监测应用
- 到时差变化可能作为地震前兆监测的重要工具。
- 横波分裂参数与构造应力场变化的研究为地震预测提供了新思路。
4.3 地质结构研究
- 确认了KHZ台站下方多层各向异性结构。
- 提供了区域地质构造的重要观测证据。
5. 图表支持
- 地震分布图：显示KHZ台站周围震中分布及震源深度。
- 快慢波到时差与震源距关系图：对比归一化前后结果的合理性。
- 多层介质模型图：解释到时差多值现象和分裂界面的分布。
- 到时差时间序列图：揭示到时差与地震活动的时间相关性。
6. 结论
本文在近场地震横波分裂研究中取得以下成果：
- 系统分析了快慢波到时差测量的离散成因。
- 提出了动态滤波和路径归一化改正方法，提高了数据可靠性。
- 揭示了多层介质分裂特性与应力变化的规律。
- 提出了到时差变化作为地震监测和预测的潜在应用价值。
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