地壳岩石中的微裂隙对岩石地球物理现象起着至关重要的作用^{[1， 2]}.地壳介质的各向异性主要是由大量充满流体的微裂隙的定向排列引起的，剪切波穿过这种含有微裂隙的介质时会产生分裂现象^[3]，其中速度较快的波列称为快剪切波，速度较慢的波列称为慢剪切波.利用剪切波分裂现象，能够有效地研究地壳介质的各向异性特征.

剪切波分裂参数对区域地壳应力场分布特点的研究有重要意义.研究发现，快剪切波偏振方向与原地的主压应力方向一致^[4~9]，而在活动断层附近，快剪切波偏振方向与断层分布有关^{[5， 10~18]}.在地质结构复杂的地区，例如不同走向断层交汇处、不同构造单元交汇区等，快剪切波偏振方向呈现出明显的离散性^{[4， 5， 11~21]}，地形的复杂也会造成快剪切波偏振方向的离散^[22].

在华北地区北部有一条WNW 向的地震活动带，称为张家口-渤海地震带(以下简称张渤带).张渤带的西端，位于华北盆地、燕山隆起和太行山隆起三个构造单元的交界处.NNE 向的山西断裂带的北端延伸至此，与张渤地震带在此交汇，区域地质构造比较复杂，主要受WNW 向和NNE 向的地质构造和断裂的影响.该区域内最近的一次造成损失的地震是1998年1月10日发生的6.2级张北地震.

研究区域中，太行山隆起与燕山隆起交汇区内的固定台站数量较少，在区域内开展地壳各向异性和应力分析则需要补充更多观测资料.流动台网的布设，正好弥补了固定台站空间分布的不足.本研究将利用张渤带西端流动地震台网(ZBnet-W)(共12个流动台站，观测时间:2008 年7 月~2009 年11月)和位于河北地区北部的区域数字地震台网(图 1)记录到的近场直达S波波形数据，利用剪切波分裂分析张渤带西端的地壳介质各向异性，讨论区域内地壳应力的空间分布.

第四纪以来华北地区的构造活动比较活跃，其主压应力轴近于水平的ENE-WSW 向^[23].根据华北地区震源机制解资料，研究者们对该地区构造应力场进行了分析，认为华北地区的最大主应力方向为近NE 至ENE^[26~29].由GPS资料得出的华北地区块体运动变化特征最大主压应变方向为85°^[24].

张渤带是华北平原北部、山西高原东北部一系列不连续的活动构造带的总称，其西端分布着多条NE、ENE 向和NW、WNW 向的断层.该区最近的一次大震是1998年1月10日发生的6.2级张北地震.区域内北东走向的断层主要是山西地震带北部NE 走向的天镇盆地北缘断裂，六眣山前断裂以及口泉断裂延伸至该区域的部分，进入河北后又有一系列NE 走向的断层如新开口断裂、怀安盆地北缘断裂、怀逐断裂、蔚县-延庆断裂等.近EW 向的张家口-北漂断裂，NW 向的张家口断裂，怀安-化稍营断裂，施庄断裂等(如图 1).综观其总体构造格局，区域内EW、NE、NW 向断裂相交和切割，构成了该区复杂的孕震构造格局^[30].

2008年7月，中国地震局地震预测研究所在张家口地区布设了一个流动地震观测台网，张渤带西端流动地震台网(即ZBnet-W)，台网分布如图 1 所示，ZBnet-W 由12个宽频带流动地震台站组成.台站从2008年7月开始观测到2009年11月为止，收集了一系列地震波形数据将用于该区域的分析研究.应用的地震仪是CMG-3ESP、BKD 两种宽频带型号的仪器.CMG-3ESP 宽频带地震仪的采样率为100Hz, BKD 宽频带地震仪的采样率为62.5Hz.台网的选址充分考虑了当地的地质环境以及与其他各类固定台网或流动台网的互补性.除了使用本研究项目布设的ZBnet-W 记录的资料之外，本文还使用其他地震台网的记录来充实本研究的数据，这里主要使用河北省北部和首都圈西北部的固定台站(固定台站共12个)^[31].

图 1

Fig. 1

图 1 研究区域断层、台站分布及华北地区北部构造单元 小附图为华北地区北部构造地形图，图中方框内的区域为张渤带西端研究区域，黑色箭头表示华北地区主压应力方向[23],[24]，红色箭头表 示华北地区背景主压应力方向[8].五角星为ZBnet-W流动台网，三角形为区域固定台网.大图中：F1张家口一北漂断裂，F2新开口断裂， F3怀安盆地北缘断裂，F4张家口断裂，F5天镇盆地北缘断裂，F6六棱山前断裂，F7 口泉断裂，F8蔚广盆地南缘断裂，F9怀安一化稍营断 裂，F1G怀涿断裂，F11延矾盆地北缘断裂，F12新保安一沙城断裂，F13施庄断裂，F14南口山前断裂，F15南口一孙河断裂，F16 紫金关断裂，F17黄庄一髙丽营断裂，F18孙庄子一乌龙河断裂，F19东垒子一涞水断裂，F20和林格尔断裂.断层数据来自徐杰等的研究[25]. Fig. 1 The distribution of faults and station in research area and the tectonic units The small insert map is tectonic units in North China. Black arrow is the direction of the principal compressive stress, and red arrow is the direction of background principal stress . Stars are temporary seismic stations of ZBnet-W, and triangles are permanent seismc stations .F1 Zhangjiakou - Beipiao fault, F2 Xinkaikou fault, F3 Iluaian fault，F4 Zhangjiakou fault, F5 Tianzhen fault, F6 Liulengshanqian fault , F7 Kouquan fault , F8 Yuguan fault , F9 Huaian - huashaoying fault , F10 Huaizhuo fault , F11 Yanfan fault , F12 Xinbaoan - Shachen fault , F13 Shizhuang fault , F14 Nankoushan fault , F15 Nankou-Sunhe fault , F16 Zijinguan fault , F17 Huangzhuang-Gaoliying fault ,F18 Sunzhuangzi-Wulonghe fault , F19 Dongleizi-Laishui fault , F20 Helingeer fault.

本研究采用SAM 方法^{[32， 33]}对张渤带西端的流动台网和固定台网记录到的地震波形数据进行剪切波分裂分析.SAM 方法即是剪切波分裂系统分析方法，以相关函数法为基础，包括三个部分:相关函数计算、时间延迟校正、偏振分析检验.该方法可以自我检验，提高了分析结果的准确性.

图 2是HUA 台站记录到的一次剪切波窗口内的原始波形数据.用SAM 软件对其进行滤波处理并选取含完整S波列的南北分量和东西分量，产生剪切波质点运动轨迹(如图 3(a、b)).SAM 法最大的优点是可以自我检验，提高结果的准确性.图 3(c、d)即为偏振分析检验.图 3c为快、慢剪切波波形图，将慢剪切波按得到的时间延迟值前移，本例的地震计采样率为50Hz, 则1个采样点为0.02s.慢波提前0.04s后，剪切波质点运动轨迹(图 3d)显示出线性关系.

图 2

Fig. 2

图 2 地震事件原始三分量波形记录 HUA台站于2007-07-10记录到的一次震源深度为6. 7 km，震 级为ML1.7的地震事件记录，IIUA台站的采样率为0.02 Hz.(a)垂直向；（b)南北向；（c)东西向信号分量. Fig. 2 Records of seismic waveform of three components of an earthquake The waveform is recorded at station HUA which sampling rate is 0. 02 Hz. This earthquake is ML 1.7 on July 10，2007 and the depth s at 6.7 km. From top to bottom， seismic records are shown respectively as vertical (a)， north-south (b)， and east-west (c）component.

图 3

Fig. 3

图 3 剪切波分裂分析 (a) NS和EW分量剪切波波形图，箭头表示剪切波开始位置；（b)剪切波质点运动轨迹，SI，S2分别表示快、慢剪切波起始 位置；（c)快剪切波F和慢剪切波S的波形图，箭头表示快、慢剪切波到达；（d)消除时间延迟后剪切波质点运动轨迹. Fig. 3 Shear-wave splitting analysis (a) The record of share-waves in NS and EW components, and the red arrows are the starting positions of shear-waves.(b) Particle motion of share-wave. SI and S2 is respectively the fast and slow shear-wave. (c) F means fast shear-wave and S means slow shear-wave. (d) particle motion after corrections of time-delay of shear-wave splitting.

应用SAM 方法对ZBnet-W 地震台网和区域固定台站记录的波形数据进行分析，得到研究区域内各台站下方及附近地壳剪切波分裂参数(如表 1).

表 1(Table 1)

表 1 张渤带西端流动台站和和固定台站基本参数与剪切波分裂参数 Table 1 The parameters of the temporary seismic station in ZBnet-W and the share-wares splitling

表 1 张渤带西端流动台站和和固定台站基本参数与剪切波分裂参数 Table 1 The parameters of the temporary seismic station in ZBnet-W and the share-wares splitling

研究区域位于张家口-渤海地震带和山西地震带交汇处，区域内地质条件复杂.

张家口-北漂断裂(F1)以北地区，是1998年1月10日发生的6.2级张北地震震区.区域内为汉诺贝玄武岩覆盖区^[34]，自张北向西至山西地震带北端，中新生代以来有过多期以裂隙式喷发为主的岩浆活动^[35].该区域内分布的台站有ZHB、Z02、Z03、Z04，这4个台的快剪切波平均偏振方向为ENE-近EW.其中ZHB、Z02、Z03三台的平均快波偏振方向分别是85.0°、83.0°和71.0°与张北地震ENE 主压应力轴方向有一致性.Z04 台的平均快剪切波偏振方向为100.0°，该台位于近EW 走向张家口-北漂断裂带上，分析得到的Z04台快剪切波平均偏振方向与张家口-北漂断裂带走向一致.

图 4

Fig. 4

图 4 张渤带西端各台站快剪切波偏振方向下半球等面积投影与等面积投影玫瑰图 图中各台站剪切波分裂分析所用的波形数据的人射角＜40%图中短线段方向为相应台站记录的 每个地震事件的快剪切板偏振方向，最外的大圆是剪切波窗口（40°) Fig. 4 Equal-area project rose diagram of fast shear-wave polarizations of each station in the west of Zhangjiakou-Bohai seismic belt The incidence angle of the seismic wave is smaller than 40 degree. The directions of the short lines in each diagram are polarizations of the fast shear-wave at station. The big circles are the shear-wave windows.

图 5

Fig. 5

图 5 张渤带西端快剪切波偏振方向空间分布 （a)各台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图；（b)各台站快剪切波偏振平均方向，红色小条方向为 快剪切波偏振平均方向，蓝色小条方向为ZJK、Z09、Z10台站的第二个优势方向. Fig. 5 The spatial distribution of fast shear-wave polarizations in the west of Zhangjiakou-Bohai seismic belt (a) Equal-area project of fast shear-wave polarizations of each station； (b) Average polarization of fast shear-wave,red bars show average polarizations, blue bars show second predominant polarizations (e. g. ZJK，Z09, Z10).

位于怀安盆地西北缘的台站有Z05、Z07、Z08、HUA 等台站.其中，Z05台位于新开口断裂(F2)附近，其快剪切波平均偏振方向为77.5°，与新开口断层走向一致.Z07台的平均偏振方向为61.8°.位于怀安盆地北缘断裂和新开口断裂附近的Z08、HUA两台站，在地理位置上比较接近，但是这两个台站的快波偏振方向却有差别.局部的复杂构造是造成差别的一个可能原因.此外，Z08 的记录条数比较少，且记录都属于窗口边缘的数据，分析结果显示的快剪切波偏振方向比较离散，其平均方向为31.4°；HUA 台站分析得到的快波偏振方向与怀安盆地北缘断裂走向基本一致为64.2°.该区域是怀安盆地的西北部边缘，地形构造比较复杂，还需要更多的地震波形记录数据进行分析，以得到更准确的结果.

此外，怀安盆地周边部分台站表现出两个偏振优势方向.其中，位于怀安盆地西南边缘的台站有Z09、Z10台，地质条件复杂，快剪切波偏振方向表现出WNW(近EW)和NE两个优势方向.盆地东北部的ZJK 台站的偏振方向也表现出两个优势方向，一个是WNW(近EW)方向，另一个是NE 向.这可能与华北平原地壳伸展因子的深度相关性有关^[36]，也可能反映了局部构造的强烈影响，是区域主压应力和局部走滑断裂的双重作用^[15].

Z12、YAY、LIQ、ZHL、XBZ等台站位于一系列NE 走向的断层附近，例如六眣山前断裂、怀涿断裂、蔚县-延庆断裂、南口山前断裂等，这些断裂处于NE-NNE 向的山西地震带的北部.位于这些地区的台站，其快波偏振方向与断层走向基本一致是NE 或NNE 向.其中LAY 台的平均偏振方向表现为近EW，这与华北地区的主压应力场方向一致，没有受断层影响，这有可能是因为该台站附近的断层对其影响较弱，区域主压应力场起主导作用所致.另外，LAY 台站记录到的有效数据仅有两条，还需要更多数据的证实或修正.

A 区为山西地震带的北端，属于太行山隆起块体，区域内断层走向多为NNE-NE.区域内的台站有:Z12、YAY、LIQ、LAY、ZHL、ZHT、XBZ.A 区内全部台站的快波偏振玫瑰图显示该区域快剪切波偏振方向与断层走向基本一致(如图 6b).经统计，这个区域的快剪切波偏振优势取向为:35.4°±24.7°.B区位于张渤带西端的北部，属于燕山隆起块体.区域内分布有近EW 向的张家口-北漂断裂，台站有ZHB、CHC、Z02、Z03、Z04、Z05、Z06等.B 区内全部台站的快剪切波偏振玫瑰图显示该区域快剪切波偏振方向为近EW 向(如图 6c).经统计得到该区快波偏振优势取向为:87.0°±23.5°.

图 6

Fig. 6

图 6 研究区域南部和北部快剪切波偏振方向 (a)方框A区域为太行山隆起块体;方框B区域为燕山隆起块体；（b) A区内所有 台站快剪切波偏振方向玫瑰图；（c)B区内所有台站快剪切波偏振方向玫瑰图. Fig. 6 Polarizations of fastshear-waves n the south and north of research area (a) Zone A isTaihang uplift，and zone B isYanshan uplitt. (b) and (c) are rose diagrams in the two zones .

由图 7可以看出，通过对张渤带西端所有台站的剪切波资料进行分析，该区域的快波偏振方向有两个优势取向，分别为:93.7°±15.7°和35.0°±17.2°.这两个优势取向中，93.7°±15.7°与背景主压应力方向一致^[8]，与GPS资料给出华北地区块体运动变化特征最大主压应变方向为85.0°基本一致^[24].另一个35.0°±17.2°取向与NE-NEN 走向的山西地震带方向一致.

图 7

Fig. 7

图 7 张渤带西端所有台站快波偏振方向玫瑰图 Fig. 7 Rose diagram of fast shear-wave polarizations of all station in Zhangjiakou-Bohai seismic belt

如果将背景主压应力场和区域地质构造综合考虑，不细分两个优势取向，只做简单的平均，得到的快剪切波平均偏振方向为N67.2°±33.5°E.有研究认为华北地区的震源机制结果，反映了整个华北是一个一致性良好的统一的地壳应力场^{[37， 38]}，对张渤带西端分析得到的最大压应力主轴方向N67°~77°E^{[29， 39]}.许忠淮^[40]根据震源资料和深井钻探资料指出，华北地区平均最大主压应力方向为N71.6°E.华北地区的水平主压应力方向为ENE 向^{[18， 24， 40， 41]}.这与本研究的快剪切波平均偏振方向基本一致.

(1) 如图 6，整个研究区域的南部A 区是太行山隆起块体，该区域快剪切波偏振方向与山西地震带北部NNE-NE 向的断层一致.B 区是燕山隆起块体，其快剪切波偏振方向与华北地区近EW 向的主压应力场方向一致^[41].A 区和B 区之间的部分，大都位于局部隆起与凹陷的交汇地区(如怀安盆地边缘等)，这里的台站快剪切波偏振方向通常呈现为两个优势方向，反映了局部构造的强烈影响，可能是区域主压应力和局部走滑断裂的双重作用.

(2) 本研究中在与山西地震活动带北端相交的张渤带西端及周边地区(如图 7)，由地壳剪切波分裂分析得到的快剪切波偏振总体优势方向可以分为两个:一个优势取向为93.7°±15.7°方向，另一个优势取向约为35.0°±17.2°方向.近EW优势方向与高原等^[8]得到的该区域的“背景"主压应力方向较一致，与用GPS得到的区域主压应变场方向85.0°一致^[24].第二个优势方向N35.0°±17.2°E 则反映了区域内分布的NNE 或NE 方向断裂的影响，这个结果与吴晶等^[18]早期的初步研究一致.

如果不区分这两个优势方向，只把全部数据进行简单平均，也即是综合考虑区域“背景"主压应力和局部地质构造的影响，得到的平均快剪切波偏振方向为:67.2°±33.5°，平均值67.2°及超过30多度的较大的标准偏差都与吴晶等^[18]一致.这与华北地区水平主压应力方向ENE 基本一致^{[18， 24， 40， 41]}.

本研究使用了中国科学院地质与地球物理研究所地震台阵探测实验室仪器采集的数据.张家口中心地震台的张彦清、马利军、王长江、武吉斌，河北省地震局翟彦忠等在流动台网布设中给予了通力合作和帮助.感谢中国科学院地质与地球物理研究所的艾印双研究员和侯广兵博士给予的设备支持、仪器维护及数据服务上的帮助.感谢中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心"为本研究提供部分地震波形数据.