诸多研究表明，地壳及上地幔普遍存在着剪切波分裂现象(Crampin, 1978；姚陈等，1992；Yao et al, 1993; 高原，1995，1999；Zhang et al, 2000；Müller, 2001; Gao, Crampin, 2003). 造成地壳介质地震各向异性的主要原因在于地壳中广泛存在着大范围扩容各向异性(extensive-dilatancy anisotropy，缩写为EDA)微裂隙，而裂隙介质地震各向异性的动态特征可用各向异性孔隙弹性(anisotropy poro-elasticity，缩写为APE)模型来模拟(Zatsepin, Crampin, 1997). 在空间分布上快剪切波偏振优势方向与区域最大主压应力场方向基本一致(高原等，1995)，但对于活动断裂上(或附近)的台站而言，其快剪切波偏振优势方向与断层走向较为一致(Peng, Ben-Zion, 2004；石玉涛等，2006；吴晶等，2007). 在地质结构比较复杂的区域，如不同走向断层的交汇处，台站的快剪切波偏振方向具有一定的离散性. 地震各向异性的复杂性反映了地震和区域构造的局部信息，对于理解实际局部构造和局部应力分布等特征非常有益.

华北地区是我国地质构造较为复杂、破坏性地震多发的区域. 首都圈位于华北地区的北部，区内主要有燕山隆起、太行隆起和华北盆地. 小孔径流动台网记录表明，位于华北的卢龙地区直立平行排列裂隙取向和水平主压应力方向为NE40°(姚陈等，1992). GPS资料分析表明华北地区存在着东西部构造应力作用的明显差异(江在森等，2000)；测深资料则显示太行隆起、燕山隆起的地壳结构比较简单，为稳定古大陆地壳，而华北盆地的地壳结构复杂，横向结构差异明显，为新生地壳(嘉世旭，张先康，2005). 人工地震的上地壳三维层析成像研究表明，北京地区上地壳速度结构、断裂活动和物质性质 之间密切相关(王夫运等，2005). 通过天然地震资料射线追踪反演地壳三维速度结构发现，太行隆起、燕山隆起和华北盆地的速度结构存在明显的不同(黄金莉，赵大鹏，2005). 然而，由于剪切波分裂计算对资料条件的约束以及过去地震观测网络的局限，有关首都圈地区的剪切波分裂研究并不多见. 赖院根等(2006)研究了首都圈地区的地壳各向异性特征，采用了更宽的剪切波窗口选取数据(入射角为55°)，但该研究采用的观测资料持续时间不到一年(首都圈固定台网资料2002年5月至2003年3月，流动台网资料2002年3月至11月). 吴晶等(2007)利用首都圈地震台网两年的资料研究了首都圈西北部地区的地壳地震各向异性. 本文将对首都圈东南部盆地地区的地壳介质地震各向异性进行讨论，并分析剪切波分裂参数与区域构造之间的关系.

首都圈数字地震台网始建于1999年，2001年10月1日开始试运行. 该台网共有107个台站，其中，为了避免噪声影响，位于华北盆地的53个台站内安装了井下短周期地震计，其余54个台站大部分为设在太行隆起与燕山隆起的地面台站. 该台网东西跨度约 500 km，南北跨度约400 km，台间距平均为40 km，是一个比较大型的区域地震台网，也是台网密度比较高的区域台网之一(庄灿涛，1999).

本研究根据首都圈地震目录报告提供的地震定位参数，收集并整理了首都圈台网2002年1月至2005年8月的数据，针对首都圈东南部地区(38.5°N—39.85°N，115.5°E—118.5°E)的地壳介质各向异性特征进行讨论，主要分析该地区24个台站的剪切波分裂参数. 图 1给出了首都圈东南部地区得到剪切波分裂参数的24个台站的分布图(除DOH台是地面台站外，其余23个台站均为井下摆台站)，同时给出该区断层、地质构造等相关信息.

图 1(Fig. 1)

图 1 首都圈东南部地区地质构造与得到 剪切波分裂参数的台站分布图 F1. 唐山—大城断裂； F2. 宝坻断裂；F3. 通县— 南苑断裂；F4. 苍东断裂 Fig. 1 Faults and stations with shear-wave splitting results in the southeastern Capital area F1. Tangshan-Dacheng fault; F2. Baodi fault; F3. Tongxian-Nanyuan fault; F4. Cangdong fault

选取波形时，主要考虑两方面因素，即是否为高信噪比的地震波形与是否满足剪切波窗口内记录的条件. 剪切波窗口是指剪切波相对于地震台站的入射角小于临界角. 由于地表沉积层的存在，实际地震射线往往比理论地震射线的入射角更小(Crampin, Peacock, 2005)，因此本文选用入射角在45°以内的波形记录来进行剪切波各向异性的研究. 图 2为采用Butterworth滤波器滤波后的地震事件波形，地震参数详见图解. 从该图中可看到，该波形信噪比较高，剪切波清晰可见.

图 2(Fig. 2)

图 2 LUT台记录到的2004年10月13日14时1分57秒地震记录(滤波后) 震级ML 2.0，震源深度为22 km，震中距为13.32 km，采样率为50 Hz， 快剪切波偏振方向为145.0°，慢剪切波时间延迟为0.10 s Fig. 2 Filtered waveform of the earthquake of 14h01min57s, Oct.13, 2004 at the station LUT Magnitude: ML 2.0; depth: 20 km; epicentral distance: 13.32 km; sample rate: 50 Hz; polarization of fast shear-wave: 145.0°; time delay of slow shear-wave: 0.10 s

有关分析剪切波分裂参数的方法，国内外学者提出了很多，但基本上都存在着较多不足(Crampin, Gao, 2006). 为了比较精确地研究近场各向异性特征，并增强数据分析的客观性，本文采用剪切波分裂分析方法(systematic analysis method of shear-wave splitting，以下简称SAM方法) (高原等，2004)进行数据处理. SAM方法主要包括相关分析、偏振检验和时间延迟校正3个方面，并具有自我检验的特点.

剪切波穿过各向异性介质时会分裂成两列波，这两列波的偏振方向近似相互垂直，其中速度较快的为快剪切波，速度较慢的为慢剪切波. 快剪切波的偏振方向通常与裂隙定向排列的方向一致，慢剪切波的时间延迟则反映了介质各向异性的程度. 理论上，快剪切波与慢剪切波源于同一列剪切波，故其在波形方面最为相似. 相关分析正是基于此，在给定的剪切波分裂参数区间内，计算每一组参数所对应的两水平分向记录的相关系数，相关系数最大的一组剪切波分裂参数即为所求的解. 这种方法与网格搜索方法的思路一致.

由于地震波形受到台站场地条件、观测环境、局部地质构造等多个因素的影响，采用相关分析所得结果往往并不是最优解. 为了对结果进行检验，采用偏振检验与时间延迟校正作进一步分析. 原始的两水平分向，其质点运动轨迹图通常呈椭圆偏振现象(图 3). 假设快剪切波偏振方向为α角，若将其中N-S分向的剪切波沿顺时针方向旋转α角，旋转后得到的剪切波为快剪切波，垂直方向的另一个剪切波分量则为慢剪切波(图 3). 在此基础上进行时间延迟校正. 如果时间延迟的值为Δt，则将慢剪切波前移一个时间量Δt，此时得到的两列剪切波的偏振图则应表现为更加接近线性偏振(图 3). 通过波形旋转、时间延迟校正与偏振图分析，可以确定通过相关系数计算得到的剪切波分裂结果是否最佳，否则，还需要根据偏振图进行校正.

图 3(Fig. 3)

图 3 剪切波分裂分析 左侧3行分别为E-W分量剪切波(E)、N-S分量剪切波(N)和剪切波偏振图，右侧3行分别为 得到的快剪切波(F)、慢剪切波(S)和经过时间延迟扣除校正后的剪切波偏振图， 其中快剪切波与慢剪切波的位置分别用S1与S2标识 Fig. 3 Shear-wave splitting analysis The three left plots are E-W component, N-S component and particle motion of the original shear-wave. The three right plots are fast shear-wave, slow shear-wave and particle motion of the corrected shear-wave, in which S1 means fast shear-wave and S2 means slow shear-wave

根据SAM方法，本研究共得到首都圈东南部地区24个台站的剪切波分裂参数. 表 1列出了该区24个台站的基本参数与剪切波分裂参数. 在这些台站中，除了4个台站(CGZ，DZG，HBT，YOQ)仅有一条有效分析记录以外，其它台站均有多条有效记录. 其中，11个台站具有5条以上有效记录，DOH台的有效记录多达121条.

表1(Table 1)

表1 首都圈台网东南部地区24个台站基本参数与剪切波分裂参数Table 1 Station parameters and results of shear-wave splitting of 24 stations in southeastern Capital area 台站名称 台站代码 λE/° φN/° 有效记录个数 快剪切波偏振方向/° 偏振方向标准差/° 慢剪切波时间延迟/ms·km-1 时间延迟标准差/(±ms·km-1) 安康医院 ANK 117.2 39.2 2 60.00 10.00 2.05 0.46 宝坻 BAD 117.3 39.7 16 94.69 31.45 4.77 6.41 北塘 BET 117.7 39.1 3 161.67 4.71 0.98 0.34 糙甸 CAD 117.5 39.6 19 95.11 28.18 3.57 2.26 长虹公园 CHH 117.2 39.1 3 96.67 9.43 2.43 0.50 赤土 CHT 117.4 39.2 5 93.00 31.24 2.20 0.86 陡河 DOH 118.3 39.7 121 90.12 33.83 3.88 2.93 尔王庄 EWZ 117.4 39.4 2 110.00 0.00 3.53 1.14 丰台镇 FTZ 117.8 39.6 11 80.91 37.10 1.99 1.11 汉沽 HAG 117.8 39.2 18 83.89 29.89 3.93 2.05 静海 JIH 116.9 38.9 6 179.67 30.26 2.78 0.31 芦台 LUT 117.7 39.4 22 124.77 27.41 3.91 2.31 南河镇 NHZ 117.1 39.0 4 47.50 43.95 3.98 2.96 青光 QIG 117.0 39.2 6 154.17 39.20 2.12 1.63 塘23 T23 117.5 39.1 2 5.00 35.00 1.90 0.65 王匡 WAK 116.9 38.8 3 45.00 21.21 1.76 0.19 文安 WEA 116.5 38.8 3 123.33 6.24 4.53 1.45 新安镇 XAZ 117.5 39.8 13 90.62 30.67 1.96 0.91 榆垡 YUF 116.3 39.5 2 90.00 30.00 5.94 0.06 朱唐庄 ZTZ 117.2 39.3 5 87.00 20.64 3.03 0.98 蔡公庄 CGZ 117.1 38.8 1 5.00 3.54 大直沽 DZG 117.2 39.1 1 50.00 0.79 河北屯 HBT 117.1 39.6 1 90.00 1.60 永清 YOQ 116.4 39.2 1 155.00 1.76

表1 首都圈台网东南部地区24个台站基本参数与剪切波分裂参数 Table 1 Station parameters and results of shear-wave splitting of 24 stations in southeastern Capital area

通过对首都圈东南部地区剪切波分裂计算结果的统计，本研究得到该区的快剪切波平均偏振方向为(90.0°±39.2°)(图 4)，慢剪切波平均时间延迟标准化参数为(3.53±2.92) ms/km.

图 4(Fig. 4)

图 4 首都圈东南部地区24个台站快剪切波偏振 方向几何投影玫瑰图(2002年1月至2005年8月) Fig. 4 Rose diagram of the geometric project of fast shear-wave polarizations from 24 stations in southeastern Capital area from Jan.2002 to Aug.2005

首都圈西北部地区快剪切波平均偏振方向为(69.9°±44.5°)(吴晶等，2007). 与此相比，首都圈东南部地区快剪切波平均偏振方向与西北部相差约20°. 该偏振方向与华北地区最大主压应力场方向(许忠淮，2001)相近，与华北地区最大主压应变方向(张国民等， 2004)也较为一致，这表明快剪切波平均偏振方向 较好地反映了区域内的原地主压应力方向. 然而，东南部地区的快剪切波平均偏振方向的标准差小于西北部地区的标准差(图 4).

首都圈西北部地区的慢剪切波平均时间延迟为(4.44±2.93)ms/km(吴晶等，2007). 本文得到的首都圈东南部地区慢剪切波时间延迟与这一结果有稍许差异，东南部地区的结果稍低一些.

首都圈东南部地区24个台站的快剪切波偏振方向如图 5所示. 图 5给出每个台站快剪切波偏振方向的下半球等面积投影玫瑰图，显示出在每个台站获得的快剪切波偏振方向结果. 该图中，台站位于圆心位置，每条线段中点的方位代表震中相对台 站的方位角，线段中点距离圆心的距离正比于地震射线入射角的大小(圆圈边缘为剪切波窗口，即剪切波的入射角为45°)，线段方向则代表由该条地震记录分析得到的快剪切波偏振方向.

图 5(Fig. 5)

图 5 首都圈东南部地区快剪切波偏振方向下半球等面积投影玫瑰图 (数据记录时间为2002年1月至2005年8月) (a) 多条有效记录的台站；(b) 仅有一条有效记录的台站 Fig. 5 Rose diagram of lower hemisphere equal-area project of fast shear-wave polarizations in southeastern Capital area based on the data from Jan.2002 to Aug.2005 (a) Stations with more effective records; (b) Stations with only one effective records

图 6给出了首都圈东南部地区各台站快剪切波平均偏振方向的空间分布特征，条带方向代表偏振方向，条带长度正比于慢剪切波时间延迟. 从图 6中可以发现，快剪切波偏振方向在空间分布上主要呈现出如下特征.

图 6(Fig. 6)

图 6 首都圈东南部地区各台站快剪切波平均偏振方向分布图 条带走向表示快剪切波平均偏振方向，条带长度代表慢剪切波时间延迟的大小. 带灰度条带 表示各台站的快剪切波平均偏振方向观测结果，带斜纹条带表示仅有一条有效记录台站的快剪切波 偏振方向，空白条带表示台站的快剪切波平均偏振方向结果的可信度较低. 其它符号意义同图 1 Fig. 6 Average fast shear-wave polarization at stations in southeastern Capital area The direction of the bar shows the average fast shear-wave polarization, the length of the bar corresponds to the average value of slow shear-wave time delays. The gray bar means station with two or more records, while the bar with slash means station with only one record. The hollow bar means the average polarization of fast shear-waves with high errors. Others are same as Figure 1

在该研究区的北部区域，台站的快剪切波偏振平均方向主要呈现近E-W方向的特征，各台站的快剪切波偏振方向比较一致(图 6)，如BAD, XAZ, HBT, CAD, FTZ和 DOH台.在靠近研究区中部的区域，尽管台站EWZ和LUT呈现WNW或NW方向的快剪切波偏振平均方向，台站HAG呈现ENE方向的快剪切波偏振平均方向，但总体上该区域的快剪切波偏振平均方向还是表现出近E-W方向(图 6). 靠近中部的台站ZTZ和CHT, 其快剪切波偏振平均方向也显示出近E-W方向，只是CHT台的快剪切波偏振方向值的离散度要稍大些(图 5). YUF台只有两条有效记录，快剪切波偏振方向值差别较大，但其平 均值也近似为E-W方向(图 5、图 6). 这些台站的快剪切波偏振平均方向与华北地区最大主压应力场方向(NE71.6°)相差约20°，从结果上看两者还是比较一致的(图 6).

在本研究区的南部区域，台站的快剪切波偏振平均方向相对来说比较杂乱(图 6). 除了CHH台的快剪切波平均偏振方向为近E-W方向外，在南部区域靠东的地区，大多数台站的快剪切波平均偏振方向为近N-S方向(如JIH，CGZ，T23和BET台)或N-E方向(如ANK，WAK，DZG和NHZ台). 西边的WEA和YOQ台显示为近似N-W方向的快剪切波平均偏振方向，QIG台则显示出离散的快剪切波偏振方向(图 5)，其快剪切波平均偏振方向可信度较低(图 6).

在本研究得到的剪切波分裂参数结果的24个台站中，有4个台站仅有一条有效记录，即CGZ，DZG，YOQ和HBT台. 由图 6可见，CGZ，DZG和HBT三个台站的快剪切波偏振方向与其周边台站的快剪切波偏振方向比较一致，与周围台站相结合能够较好地反映周边的主压应力环境. YOQ台的快剪切波偏振方向与附近断层的走向不一致，显示出有效记录太少的缺陷，这里暂不作讨论.

在具有多条有效分析记录的20个台站中，大部分台站的快剪切波偏振方向一致性比较好，优势方向明显(图 5). 但部分台站的快剪切波偏振方向非常离散，因此计算得到的快剪切波平均偏振方向的标准偏差比较大，如CHT，NHZ，QIG，T23和YUF台(图 5、图 6). 在某些台站上，如BAD，CAD，DOH，FTZ和HAG台等，有个别记录来自S波窗口边缘，这也会影响到快剪切波偏振方向的计算结果(图 5). 此外，两条交汇断层附近的应力场非常复杂，加上断层本身的影响，皆会导致快剪切波偏振方向的复杂化. 近E-W向和近N-S向断层的交汇可能是造成T23和NHZ台偏振方向复杂化的主要原因(图 6). QIG台的快剪切波偏振方向非常复杂(图 5)，原因尚不明了. 但由于有效数据记录较多，离散现象对该台快剪切波优势偏振方向的影响并不显著(图 4、图 6).

引起快剪切波偏振方向离散的原因比较复杂. 地壳岩石是一个临界系统，剪切波分裂参数对介质应力环境的敏感变化会引起快剪切波偏振方向离散的现象，这可能是最重要的影响因素之一(Crampin, Peacock, 2005). 波形记录受到噪声干扰以及地表不可见的深部断裂都会影响到快剪切波偏振方向的测量结果，这涉及到观测资料质量、地震分布及震源性质、局部复杂地质结构、地表地形等因素. 快剪切波偏振方向复杂性是值得继续研究的一个问题，包括对QIG和NHZ台观测到的初步复杂现象，而解决这些问题需要更多资料的积累.

本研究表明，研究区域的北部台站的快剪切波偏振方向一致性比较好，大都为近E-W方向(图 6). 在该区北部，有近E-W走向的宝坻断裂，BAD，XAZ，HBT，CAD，FTZ和DOH台均位于宝坻断裂附近的区域，这些台站的快剪切波偏振方向非常一致，也与断层走向一致. 甚至可信度较低的YUF台的快剪切波平均偏振方向也与这些台站的结果一致. 近似E-W方向的快剪切波偏振方向与ENE方向的区域主压应力场方向相差不大. 这个结果也支持位于活动断层上及其附近的台站，其快剪切波偏振方向可能与活动断层走向一致(Crampin et al, 2002；Peng, Ben-Zion, 2004；石玉涛等，2006；吴晶等，2007).

研究区南部地区的快剪切波平均(或优势)偏振方向在空间上存在明显差异(图 5、图 6)，这暗示了本研究区存在局部的构造差异，一个明显的现象是NNE或近N-S走向的断层穿过研究区的南部，这必然会对周边台站(例如JIH，WAK，CGZ，NHZ，T23，CHH，QIG和ANK台)的观测结果产生影响. 虽然该区南部各台站快剪切波的偏振方向分布较为杂乱，但是NNE或近N-S方向的快剪切波优势偏振方向分布比较明显，这表明NNE或近N-S走向的断层对局部构造应力环境有很大的影响，造成大多数台站的快剪切波偏振方向与断层走向相近或一致，而与区域主压应力场方向不同. 位于研究区西南角的WEA台，其快剪切波优势偏振方向(123.33°±6.24°)与区域主压应力场方向不同. 目前尚不知在WEA台附近是否存在WNW走向的活动断层与这个结果对应，但WEA台的快剪切波偏振优势方向与其它台站不同的这个现象，可能与2006年文安5.1级地震有关.

值得注意的是，研究区内快剪切波偏振方向为近E-W方向的一组台站的存在，是否暗示了该区可能存在尚未被探测到的近E-W走向的活动断层，目前尚为不知. 更深入的讨论还需要更为细致的工作.

根据首都圈台网2002—2005年的数据，本研究采用SAM剪切波分裂系统分析方法，分析并得到了首都圈东南部地区剪切波分裂参数. 综合24个台站的计算结果，得到该区快剪切波偏振方向为NE(90.0°±39.2°)，慢剪切波平均时间延迟为(3.53±2.92) ms/km.

全部台站的快剪切波偏振方向近E-W方向的平均结果，与华北地区最大主压应力方向相差不大，与该区GPS测量得到的最大主压应变方向一致，这表明快剪切波偏振方向能够很好地描述主压应力方向，并能准确地反映该区的最大主压应变方向.

不同的构造可能会引起剪切波分裂观测结果的不同. 首都圈东南部地区的慢剪切波平均时间延迟为3.53 ms/km，小于西北部地区的4.44 ms/km，这可能暗示了两个研究区的各向异性程度的差异；而首都圈东南部地区的快剪切波偏振方向的标准偏差小于西北部地区，可能表明在这两个研究区内，西北部的隆起—盆地构造结合区的地质构造及应力场分布要比东南部的盆地地区更为复杂.

本研究再次证实了局部构造对剪切波分裂观测结果的影响. 快剪切波偏振优势方向反映了原地主压应力方向，慢剪切波时间延迟反映了原地的应力和各向异性状态，台站附近的断层分布状态对观测结果影响很大，复杂的断层分布也会加剧剪切波分裂测量结果的离散程度.

本研究区南部的台站与北部台站的快剪切波偏振方向存在较大差异，显示出该区南部与北部的构造及应力环境存在较大差异. 特别是北部地区台站非常一致的快剪切波偏振方向，可能暗示了该区尚有近E-W向的具有一定规模的构造存在.

本研究得到中国地震局地震预测研究所黄金莉研究员、高占武博士和中国地震台网中心刘瑞丰研究员的帮助，在此深表谢意.