基于密集流动地震台网资料研究古冶—滦县地区上地壳各向异性

李枭, 万永革,2,3*, 王晓山, 吴鹏, 张小涛, 余海琳

1 防灾科技学院, 河北三河 065201

2 河北省地震动力学重点实验室, 河北三河 065201

3 河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站, 河北隆尧 055350

4 河北省地震局, 石家庄 050021

5 邯郸地震监测中心站, 河北邯郸 056001

0 引言

古冶—滦县地区处于唐山市东部,位于华北平原北部,是华北地区地震最活跃的地区之一,且一直是1976年唐山MS7.8地震后的老震区.自唐山地区发生7.8地震以来,该区域的构造应力环境和动力学背景受到了重点关注.唐山地震后此区域后续还发生了多次强余震,如2004年1月20日滦县5.0级地震和2010年3月6日滦县4.7级地震(张素欣等,2010)、2012年5月28日滦县与古冶交界处的4.8级地震(张跃刚等,2013)、2015年1月11日滦县3.3级地震(王想等,2016),到2020年7月12日古冶地区的5.1级地震(温瑞智和王宏伟,2020;徐志国等,2021).古冶—滦县地区至今为高频地震区域,地处唐山断裂带北段,位于活动断裂带附近,位置较敏感.本文将通过古冶—滦县地区密集流动地震台网数据,求得该地区上地壳各向异性特征,通过地壳各向异性揭示该区域断裂破碎程度的差异,对后续进行唐山及其周边地区的地震预测和地震危险性评估具有重要意义.

地球介质具有各向异性的特征,地震各向异性在地壳以及上地幔中普遍存在(Crampin,1981;Fukao,1984).剪切波在大量分布EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy)微裂隙的地壳介质中传播会发生分裂现象(Crampin,1978,1981),分裂成快剪切波和慢剪切波两列波.研究发现：剪切波分裂对地壳介质的各向异性极其敏感,分析地壳各向异性的方法之一就是计算剪切波分裂参数,它包括快剪切波(快波)偏振方向和慢剪切波(慢波)时间延迟两个参数(吴鹏等,2020).前人研究表明：快剪切波偏振结果与台站所处位置有关,靠近活动断裂的台站快剪切波偏振方向与断裂走向一致(Crampin et al.,2003;石玉涛等,2006;Boness and Zoback,2006;Gao et al.,2011),而一般情况下,快剪切波偏振方向应与原地主压应力方向一致(吴晶等,2008).慢波时间延迟则可以反映区域各向异性程度的大小和应力状态的变化(Crampin and Peacock,2005;Gao and Crampin,2006,2008;Gao et al.,2011,2012;石玉涛和高原,2022;吕晋妤等,2022).剪切波分裂结果不仅可以讨论地壳介质各向异性,还可以对区域应力状态分布、断层活动性质以及与区域应力之间的关系进行研究(吴晶等,2007a,2007b,2008;Gao et al.,2011,2019;Almqvist and Mainprice,2017;李金等,2021),获得地球深部内部变形信息(Crampin and Peacock,2005).当然,在资料数据允许情况下,使用剪切波波分裂方法,不仅可以研究大范围的地壳介质性质和应力状态,对小尺度的地壳应力环境特征研究也同样有效(石玉涛等,2009;郑拓等,2017;吴鹏等,2020).

断层破碎带是由断层或裂隙密集带所造成的岩石强烈破碎地段.断层裂隙密集带也是断层区域各向异性的主要原因,各向异性结果即快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟不仅可以反映断层区域应力状态,还可以揭示断层裂隙带的密集程度即断层破碎程度.本文通过密集台阵的精细各向异性结果来揭示该古冶—滦县地区周边断裂的断层破碎程度,为后续深入分析该区域断层精细结构和应力分布提供重要依据.

古冶—滦县地区的地壳剪切波分裂研究成果较少,只有部分学者针对唐山整个大区域利用地震波形资料对剪切波分裂参数进行求解(孙勇和郑斯华,1993;高原等,1995).且当时台站布设较稀疏并没有用到更为密集、精细的波形数据,利用剪切波分裂结果来揭示断裂破碎程度还属于研究空缺.地壳各向异性结果的可靠性取决于地震波形的质量和数量(吴鹏等,2020),想要得到精细且可靠的主压应力和各向异性结构,就需要台网覆盖密度较高的台站波形数据(高原等,2018;Li et al.,2021;王想等,2022;石玉涛和高原,2022).由于唐山古冶—滦县地区固定台站数量较少,本文将利用临时架设的73个流动地震台2020年8月—2021年7月的密集台阵观测波形资料,并结合4个固定地震台波形资料,研究古冶—滦县地区上地壳各向异性,分析其周边断裂破碎程度和区域应力特征.

1 构造背景与台站资料

1.1 地质构造背景

本文的古冶—滦县地区指117.75°E—119.28°E,39.64°N—39.88°N的区域.该区域位于冀渤坳陷与燕山坳陷的结合部位(高原等,1995),地质构造极其复杂.此区域一直是唐山7.8级地震的余震频发区,为华北地区地震最为活跃的地区之一.研究区域位于唐山块体周围,唐山块体从整体上来看为一走向ENE向的菱形块体(冉志杰等,2013),周围被多条断裂带包围,是一个强烈的活动断块(图1).从图中可以看出,ENE向的宁河—昌黎断裂、近E-W向的榛子镇断裂、ENE向的丰台—野鸡坨断裂、NW向的滦县—乐亭断裂,以及NW向的蓟运河断裂(此断裂不在本文研究范围内)围成了一个菱形区域,将本文研究区域包围在内(虢顺民等,1977).除了上述断裂外,研究区域内还存在两条均呈NE向展布的唐山断裂带和卢龙断裂.唐山断裂带由3条NE向的子断裂构成(尤惠川等,2002;郭慧等,2011;张跃刚等,2013),分别为唐山—陡河断裂、巍山—长山断裂和唐山—古冶断裂,且三条断裂自北向南平行展布(赖晓玲等,2009).震源机制资料结果表明：唐山地区构造应力场主压应力方向为ENE向(赵建涛等,2002),华北地区主压应力方向为ENE向(李瑞莎等,2008;刘丽等,2017).Wan(2010)利用中国地壳应力数据库和矩心矩张量目录给出的中国现代构造应力场中结果显示：华北地区的主压应力方向也为近水平的ENE向.由此可见,该区域应力环境使得古冶—滦县地区周边断裂主要以北东向和近东西向发育为主,并受到北东向构造的控制(高原等,1995),形成了该地区地质构造的基本轮廓(图1).

图1 地震台站分布及地质构造背景图中白色箭头代表区域背景最大主压应力方向. F1： 榛子镇断裂; F2： 丰台—野鸡坨断裂; F3： 唐山—陡河断裂; F4： 巍山—长山断裂; F5： 唐山—古冶断裂; F6： 宁河—昌黎断裂; F7： 滦县—乐亭断裂; F8： 卢龙断裂; F9： 蓟运河断裂. 灰色圆圈表示古冶—滦县流动台网2020年8月—2021年7月记录到的1174次地震(震级ML1～3级).

图2 地震深度分布图

1.2 地震台站与资料

唐山古冶—滦县地区地震台网于2020年8月开始运行,该台网中包括73个流动地震台和4个固定地震台(图1),其中55个流动台为短周期地震台,18个流动台为宽频带地震台,4个固定地震台均为宽频带地震台.台网东西跨度最长达到约131 km,最短约46.3 km,南北跨度约27 km.各台站东西向平均间距约4.6 km,南北向平均台间距约5.4 km,每台的数据采集器的采样率均为100 Hz.本次布设的古冶—滦县地区流动地震台网密度较高,为得到该地区精细的各向异性结构提供了较全面的数据.

本次台网记录到2020年8月—2021年7月地震共1174次(图2).根据剪切波窗口的约束条件,对其进行滤波筛选,筛选出在剪切波窗口内的波形条数共15359条.剪切波窗口是指：地震波在传播过程中,经过界面时会发生反射.为保证波形的完整性,需计算出发生全反射时的临界入射角,这个角度即为剪切波窗口角度.当介质泊松比为0.25时,剪切波窗口约为35°,也就是只有入射角在小于35°范围内的剪切波记录才能使用(吴晶,2007).但是,由于地表沉积层等低速层的存在,地震射线在地表实际入射角要比理论入射角更小(Crampin and Peacock,2005).一般情况下,地表入射角要小于震源处的离源角(万永革,2016),根据地震射线传播定律,并参考Crampin和Peacock(2005)数据选择规则,本文选用离源角小于45°范围内的波形记录即可满足剪切波窗口条件.

2 研究方法和结果分析

2.1 研究方法

本研究使用SAM系统分析法(高原等,2004)研究古冶—滦县地区上地壳各向异性.SAM综合分析法包括相关函数计算、偏振检验和时间延迟校正三个步骤,其优势在于具有自我检验的特点(Gao and Zheng, 1995;Gao et al.,1998;高原等,2004).快剪切波和慢剪切波来自同一波源,具有一定相关性(刘庚等,2015),但快剪切波与慢剪切波速度和方位不同,存在角度之差和走时差.对于两个时间函数,根据定义,相关函数为

图3 快剪切波偏振方向与剪切波各分量的关系图中f轴是快剪切波偏振方向,与N轴成α度,An是剪切波在N轴(北)上的投影,Af是剪切波在f轴上的投影,Ae是剪切波在E(东)轴上的投影,Ag是剪切波在g轴上的投影.

(1)

其中t为时间,Δt为两个时间函数之间的差值.在区分快、慢剪切波时,需要对剪切波的两个水平分量进行重新投影(旋转)(图3),得到两个新的波列.然后分别计算不同时间延迟和不同方位上的两个水平方向波列的相关函数.

Af(α,t)=Ae(t)·sin(α)+An(t)·cos(α),

(2)

Ag(α,t)=Ae(t)·cos(α)-An(t)·sin(α),

(3)

(4)

在计算时,选取震中距最小的波形,并截取波形最开始一段进行计算.以N-S向为初始方向,以步长为5°在180°内顺时针旋转,时间延迟从0到某个时间之间选择.改变旋转角度α和时间延迟Δt,计算相关函数值.最大相关函数值所对应的旋转角度α和时间延迟Δt即为快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟(吴晶等,2007a,2007b).

然而由于地表地形和地壳内部等干扰因素的影响,需要对计算结果进行偏振检验.图4为T06台记录到的ML2.0地震的波形.在此波形图中可以看出,地震波的垂直向分量要远小于水平向分量,P波在垂直分量中占比重较大,而S波在水平分量中所占比重较大,并且由于直达波射线路径与垂向夹角较小,所以垂直分量的地震波形对剪切波分裂结果的影响不大.在图5可知,快剪切波初至点为S1,慢剪切波初至点为S2.此时S1质点运动轨迹与正北方向的夹角α(图5左图中波形快波偏振角度为130°)即为快剪切波偏振方向.将波形旋转α后进行时间延迟校正得到图5(右)(图5右图中慢波时间延迟为0.02 s).从图5(右)可知两列波质点偏振轨迹比校正前更接近于线性偏振,验证了此条波形结果的可靠性.这种自我检验的处理技术是SAM方法的中心思路(高原等,1995,2004).

图4 T06台站波形记录图台站T06记录到的2020年10月19日ML2.0地震波形, 震源深度14.9 km, 震中距8.17 km. 从上至下分别是东西(EW), 北南(NS)和垂直(UD)向三分量地震波形.

图5 质点运动轨迹偏振图左图中S1、S2分别为快、慢剪切波初至点. 下图分别为对应台站NS、EW向分量剪切波波形, 波形中两线段中间部分为计算剪切波偏振方向和时间延迟所用的波形段. 从图中可知此波形快剪切波偏振方向为130°.右图为经过旋转之后的快、慢波波形.

2.2 结果分析

在确定剪切波分裂参数为一个有效记录结果时,需满足两个条件：第一是波形S波初动清晰,第二是质点轨迹偏振图呈线性趋势明显.本文采用剪切波分裂SAM系统分析法,为了保证结果的可靠性,只保留快、慢两列波波形相关系数为1时的波形记录,得到古冶—滦县地区55个台站共421条有效波形的剪切波分裂参数(表1).结果表明：其中有12个台站仅有1条有效记录结果,43个台站有至少3条及以上的有效记录结果.三条记录结果以上的台站约占80%,所得结果可信度较高.

表1 古冶—滦县地区55个台站剪切波分裂结果Table 1 Shear wave splitting results of 55 stations in Guye—Luanxian area

续表1

3 结果与讨论

3.1 古冶—滦县地区剪切波分裂结果

计算分析得到(图6)：55个台站的快剪切波偏振方向的平均值为NE86.2°±27.8°,这一结果与前人利用钻孔和震源机制资料反演得到唐山地区主压应力场方向一致(郭启良等,1986;赵建涛等,2002);与多位学者研究得到华北地区主压应力方向一致(李瑞莎等,2008;高原等,2010;Wan,2010;刘丽等,2017);高原等(1995)以及孙勇和郑斯华(1993)在对唐山地区的各向异性研究结果中(图6下图)显示该区域快剪切波偏振方向为近东西向,从图中可看出该结果与本文结果接近,但本文覆盖度明显较高;高原等(2010)利用近场波形资料反演得到华北北部地区的快剪切波平均偏振方向为NE85.7°±41.0°,在数值上与本文结果基本相符.图6上图显示出地区快剪切波偏振方向具有两个优势方向,第一优势方向为ENE近E-W向,第二优势方向为NE方向.第一优势方向与区域水平主压应力方向一致(郭启良等,1986;刘丽等,2017);从地质构造可知,研究区域以NE向构造发育为主,与区域快剪切波偏振第二优势方向相对应,表明该区域快剪切波偏振方向在受到应力场影响的同时还受到断裂的影响;快剪切波第二优势方向揭示了该区域断裂主要以NE向为发育的构造意义.

图6 快剪切波偏振方向综合结果与前人研究结果图

根据图7可知,大部分台站的快剪切波偏振优势方向为ENE近E-W方向,例如LUX、T06、T07、T09、T10、T12、T24,T26等台站;多数台站的快剪切波偏振方向优势取向(包括第二优势方向)为NE方向,例如T06、T07、T40、T44,T46等台站;部分台站快剪切波偏振优势方向为NW方向,显示出这种结果的台站主要是T14、T61、T73和T74台站;共9个台站的快剪切波偏振方向有两个优势方向,是LUX、T06、T07、T14、T35、T44、T55、T61和T73台站.

由于每个地震的震中距和震源深度不同,每条波形记录计算出来的时间延迟不能进行比较.需要将各台站慢剪切波时间延迟统一标准化到单位距离的时间值(ms·km-1)(Crampin and Peacock,2005),计算每个台站在单位距离上的慢剪切波时间延迟.计算得到55个台站的平均慢剪切波时间延迟为2.37±1.25 ms·km-1.从表1可知,单个记录台站的慢剪切波时间延迟范围在0.47～5.32 ms·km-1以内;3条及以上记录的台站慢剪切波平均时间延迟范围在0.92～3.74 ms·km-1以内;其中时间延迟较大的台站为T11、T12、T35,T39等台站,主要位于台网的东部区域;时间延迟较小的台站主要是T13、T29、T31,T75等台站,主要位于台网的东南部区域.

3.2 快剪切波偏振方向分布特征

研究结果显示(图8),分布在台网西北部的台站快剪切波偏振方向主要以近E-W方向为主,与当地水平主压应力方向一致,周边断裂为榛子镇断裂和丰台—野鸡坨断裂.分布在台网西部的大多数台站快剪切波偏振方向表现出两个优势方向,一个为E-W向,另一个为NE-SW方向,周边断裂为唐山断裂带;区域大部分台站快剪切波偏振方向表现出较好的一致性,与当地主压应力方向一致,也从侧面说明此区域的应力场分布较为均匀.分布在台网东部的台站快剪切波偏振方向表现较为复杂,主要优势方向表现为E-W向、NW向和NE向,且多个台站表现出多个优势方向;周边断裂为滦县—乐亭断裂、卢龙断裂,以及宁河—昌黎三大断裂,且三条断裂交错分布;复杂的快剪切波偏振方向分布可能与该区域局部构造分布和地形有关.此次布设台网没有覆盖到宁河—昌黎断裂,这里暂不做讨论.以上结果可以看到,位于不同断裂附近的台站快剪切波偏振方向各不相同,大多台站与区域主压应力方向一致.研究表明,快剪切波偏振方向不仅受到原地应力的影响,还会受到局部断裂的影响(高原等,1999; Zinke and Zoback,2000; Peng and Ben-Zion,2004; Cochran et al.,2006;赖院根等,2006).断层破碎带主要由断层和裂隙带组成(杜凯等,2020;展亚太等,2020),地壳内部存在的裂隙是各向异性的主要来源(Crampin,1978,1981),断裂运动发生破碎产生的裂隙会直接影响到S波偏振方向,利用断裂附近台站快剪切波偏振结果可以来揭示其断裂破碎程度.

唐山断裂带位于研究区域台网西部,由唐山—陡河断裂、巍山—长山断裂和唐山—古冶断裂三条子断裂组成,三条断裂自北向南平行展布(赖晓玲等,2009),走向均为NE走向.区域内大多数台站都表现出两个优势方向.台站T44和T55位于唐山—陡河断裂和巍山—长山断裂之间,其快剪切波偏振第一优势方向为E-W向,与区域主压应力方向一致;第二优势方向为NE向,与断裂走向一致.台站T06和T07位于巍山—长山断裂和唐山—古冶断裂之间,其快剪切波偏振第一优势方向为ENE向,与区域主压应力方向一致;第二优势方向为NE向,与断裂走向一致.位于三条断裂附近的其他台站还有T32、T33、T34、T54和T45台站.T32、T33和T45台站,其快剪切波偏振优势方向均为ENE向,与区域主压应力方向一致;以上结果表明：唐山断裂北段区域的台站快剪切波偏振方向受到断裂的影响较大,三条子断裂均沿NE向破裂,断裂带破碎程度较强,使得区域台站快剪切波偏振方向均显示出NE向的第二优势方向.

滦县—乐亭断裂与卢龙断裂位于研究区域台网东部,其走向分别为NW向和NE向,且两条断裂交叉展布形成Y字状(陈文彬等,2020).位于两条断裂交汇处附近的台站快剪切波偏振方向呈现出复杂的特征.T12和T41台站快剪切波偏振优势方向为E-W向,与区域主压应力方向一致.T13、T30和T40台站快剪切波偏振优势方向为NE向,与卢龙断裂走向一致.T39台站快剪切波偏振方向为NW向,与滦县—乐亭断裂走向一致.LUX台站表现出两个优势方向,第一优势方向为ENE向,与区域主压应力方向一致;第二优势方向为NEN近N-S向,与区域应力和两条断裂走向均不一致.部分位于断裂交汇处东北部的台站都表现出两个优势方向,这些台站为T14、T61和T73台站.其中T61台站由于偏振结果过于离散,没有确定的快剪切波平均偏振方向,但也存在两个明显的优势方向.T14和T61台站的快剪切波偏振的两个优势方向均为WNW向和NW向.T73台站的快剪切波偏振的两个优势方向为ENE向和NW向.可以看出三个台站存在相同的偏振优势方向为NW向,并包括只显示出一个优势方向为NW向的T74台站在内,台站优势方向与滦县—乐亭断裂走向一致.滦县—乐亭断裂为一条走向NW、断面倾向NE方向的高角度断层(冉志杰,2013;王想等,2021),以上4个台站均位于断裂的东北侧,其S波偏振也很可能受到滦县—乐亭断裂的影响.以上结果表明：滦县—乐亭断裂和卢龙断裂对周边台站的快剪切波偏振方向影响较大.两条活动断裂的交汇作用可能造成了复杂的地壳破裂裂隙结构,断裂破碎程度较高,导致S波在传播过程中会沿多个裂隙面发生偏振,使得区域台站出现了复杂的偏振结果.

(图7续)

图7 55个台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图图中玫瑰图表示地震台站的快剪切波偏振方向, 玫瑰图下方为台站代码名称, 括号里数字代表台站所记录到的有效波形结果条数.

图8 古冶—滦县地区各台站快剪切波平均偏振方向分布图黑色线段表示快剪切波偏振方向第一优势取向, 红色线段快剪切波偏振方向第二优势取向, 绿色线段表示只有一条有效记录结果的快剪切波偏振方向. 线段长度正比于慢剪切波时间延迟大小. 其它含义同图1.

丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂位于研究区域台网的西北部,其走向分别为NE向和ENE向,附近台站有T52、T63、T64,以及T65台站,四个台站中T63和T65台站仅有一条有效波形记录结果.台站T52位于丰台—野鸡坨断裂的南侧,其快剪切波偏振优势方向为ENE近E-W向,与区域主压应力方向一致,与断裂走向不一致.台站T63、T64,T65位于榛子镇断裂的南侧,T63台站快剪切波偏振优势方向为WNW向近E-W 向,T64和T65台站快剪切波平均偏振方向均表现为E-W向,均与区域主压应力方向接近,与断裂走向相关性不大.以上结果表明,丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂对周边台站快剪切波偏振方向影响不大,两条断裂内部裂隙可能存在愈合的现象,断裂破碎程度较弱,S波偏振方向表现为与主压应力方向一致.位于丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂附近的4个台站中,虽然T63和T65台站仅有一条有效记录结果,但其快剪切波偏振方向与其它台站的快剪切波偏振方向有较好的一致性,也可以同周边台站相结合一起反映原地区域的一个主压应力环境.

还有许多靠近断裂带的台站快剪切波偏振方向与断裂走向并不一致,与区域主压应力也不一致.如位于唐山断裂带附近的T54台站、位于卢龙断裂附近的T14和T74台站,其快剪切波偏振优势方向均为WNW方向,与断裂走向和区域主压应力方向均不一致.从地形上看,T54、T14和T74台站周围地势结构较为复杂,皆处于地形隆起区,快波偏振方向的不同可能与所处位置地形有关,表面地形起伏对快剪切波偏振方向的影响非常显著(Gao and Crampin,2006;吴晶等,2007a).从断裂构造来看,唐山断裂带和卢龙断裂还可能存在未被探测到的NW向断裂分支结构,使得周边台站快剪切波偏振方向呈现出WNW向,这还需要更多地质资料加以验证.另外,本文研究区域位于冀渤坳陷与燕山坳陷的结合部位,燕山运动的造山作用是地壳强烈的水平运动所造成的,而这地壳的构造动力来自西北方向(尤惠川等,2002).这种强烈的地壳构造动力所形成的复杂地壳构造结构也很有可能影响到研究区域台站的快剪切波偏振优势方向.

根据本文结果可知：唐山断裂北段区域台站快剪切波偏振优势方向为ENE向和NE向,与唐山地区(赵建涛等,2002)和华北地区(李瑞莎等,2008;刘丽等,2017)现代构造应力场方向一致,表明1976年唐山MS7.8地震序列引发的尖端效应(张之立等,1980)在唐山断裂带北段应力集中区的应力场并没有发生改变.万永革等(2008)根据前人对1976年唐山地震破裂、地壳速度等研究资料计算了唐山地震对其后续地震断层的库伦破裂应力变化,得到唐山主震在古冶—滦县地区产生的库伦破裂应力变化在0.05～0.2 MPa之间,这也表明了唐山主震后在唐山断裂带北段此区域地壳应力的变化极其微小,无法改变比地震产生的应力变化大几个量级的背景构造应力场.且2020年古冶MS5.1地震(徐志国等,2021)发生在唐山断裂带北段,其地震序列沿NE-SW方向展布,与唐山断裂走向一致;震源区主压应力轴方位为95°,倾角18°,也与唐山地区主压应力方向一致.唐山断裂至今都为一条较活跃的断裂,且断裂北段为应力集中区,应是当今做好地震预测和地震危险性评估的重点关注区域.

综上可知,唐山断裂、滦县—乐亭断裂以及卢龙断裂对周边台站的快剪切波偏振方向影响较大,其断裂破碎程度要强于榛子镇断裂和丰台—野鸡坨断裂.从本文流动台网记录到的地震来看(图1),大多数地震都集中在唐山断裂带北段以及滦县—乐亭断裂和卢龙断裂交汇处附近.刘亢等(2015)采用双差定位法对华北地区1978—2011年发生的中小震进行定位研究,结果表明古冶、滦县地区小震主要集中在滦县—乐亭断裂中段以及卢龙断裂分布,尤其是在滦县附近和唐山断裂带的东北部区域,此结果与本文所记录地震位置一致.通过对比可知,唐山断裂带、滦县—乐亭断裂和卢龙断裂附近地震活跃度较高,这也从侧面表明了断裂破碎程度较高.丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂附近无明显地震活动,断裂破碎程度则较弱,并结合剪切波偏振结果来看,两条断裂是早期形成的,内部可能存在愈合,与周围区分不明显.

3.3 慢剪切波时间延迟分布特征

慢剪切波时间延迟是反映地壳各向异性程度大小的物理量.计算得到古冶—滦县地区55个台站的慢剪切波平均时间延迟为2.37±1.25 ms·km-1.表1给出了单个台站的慢剪切波平均时间延迟,忽略掉仅有一条有效记录的台站,大部分台站时间延迟分布在0.92～3.74 ms·km-1范围内.慢剪切波平均时间延迟最大的台站是T39台,为3.74 ms·km-1;最小的台站是T31台,为0.92 ms·km-1,且台站都位于滦县—乐亭断裂和卢龙断裂附近.

从图8中可得知唐山断裂带区域台站慢剪切波时间延迟分布较均匀,各台站时间延迟大小差异较小,大部分台站时间延迟均在2.09～2.63 ms·km-1之间.滦县—乐亭断裂和卢龙断裂交汇处附近台站慢剪切波时间延迟呈不均匀分布,各台站时间延迟大小差异较大,台站时间延迟大小在0.85～3.74 ms·km-1范围内.丰台野鸡坨断裂和榛子镇断裂附近台站慢剪切波时间延迟最小,其范围在1.25～2.02 ms·km-1之间.唐山断裂带、滦县—乐亭断裂和卢龙断裂附近台站表现出多个偏振优势方向,而丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂附近台站偏振方向较单一.从快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟可知：唐山断裂带、滦县—乐亭断裂和卢龙断裂地壳各向异性程度要强于榛子镇断裂和丰台—野鸡坨断裂.

Savage等(1990)研究表明：断层错动等作用引起的断裂内部结构变化和在断裂附近产生的裂隙造成了地壳的不均匀性,对地壳各向异性有很大影响.且靠近断裂的台站记录到的地震波在经过断裂裂隙段传到台站时,慢剪切波时间延迟会受到较大影响,断裂运动产生的裂隙是各向异性的主要来源.这也从侧面解释了台站慢剪切波时间延迟在不同破碎程度断裂上的差异性,断裂破碎产生的裂隙带会使得慢剪切波到达台站的时间延迟发生改变.

唐山断裂带附近台站慢剪切波时间延迟较大,各台站慢剪切波时间延迟差异较小,表明唐山断裂带破碎程度较强,三条子断裂平行展布,破碎较均匀.滦县—乐亭断裂与卢龙断裂交汇处附近台站慢剪切波时间延迟较大,时间延迟最大值和最小值均在此区域,各台站慢剪切波时间延迟差异较大,表明两条断裂破碎程度较强,破碎不均匀,两条活动断裂的交汇作用产生了复杂的破裂结构,引起了地壳内部破裂的不均匀分布.丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂附近台站慢剪切波时间延迟最小,表明断裂破碎程度较弱,断裂内部裂隙均可能存在愈合的现象.台站慢剪切波时间延迟结果所揭示的断裂破碎程度与前文快剪切波偏振结果所得结论一致,此结果不仅反映了断裂分布的复杂程度与地壳各向异性之间的关系,还揭示了地壳各向异性在不同破碎程度断裂上的差异.

4 结论

本文采用SAM系统分析法,使用古冶—滦县地区密集流动地震台网2020年8月—2021年7月一年的波形记录数据,计算了该区域55个台站的剪切波分裂结果,结果显示3条及以上有效记录波形结果的台站共43个.本文由此结果得到了古冶—滦县地区上地壳各向异性空间分布特征,分析了该区域断裂破碎程度和应力特征,得到了以下结论：

(1) 古冶—滦县地区快剪切波平均偏振方向为NE86.2°±27.8°,慢剪切波平均时间延迟为2.37±1.25 ms·km-1快剪切波偏振方向与区域主压应力方向一致,且快剪切波偏振方向存在第二优势方向为NE向,该方向揭示了该区域断裂主要以NE向为发育的构造意义.

(2) 唐山断裂带附近台站快剪切波偏振方向均显示出NE向的第二优势方向,与断裂走向一致.断裂附近台站慢剪切波时间延迟较高,各台站时间延迟差异较小,表明区域各向异性程度较强,三条子断裂沿NE向破碎程度较强且破碎较均匀.

(3) 滦县—乐亭断裂和卢龙断裂附近台站快剪切波偏振方向显示出复杂性,表明两条活动断裂的交汇在地壳内部产生了复杂的地壳破裂裂隙结构.断裂附近台站慢剪切波时间延迟较高,各台站时间延迟差异较大,表明区域各向异性和断裂破碎程度较强,且破碎不均匀.

(4) 丰台—野鸡坨断裂和榛子镇断裂对其附近台站快剪切波偏振方向与区域主压应力方向一致,慢剪切波时间延迟最小,表明断裂对其附近台站快剪切波偏振方向影响不大,区域各向异性和断裂破碎程度较弱,断裂内部裂隙可能存在愈合的现象.

本文通过古冶—滦县地区密集流动台网资料得到了该地区上地壳各向异性结果,并揭示了周边断裂破碎程度的差异.研究结果不仅反映了断裂分布的复杂程度与地壳各向异性的关系,还揭示了地壳各向异性在不同破碎程度断裂上的差异,对后续进行该地区各向异性和断裂活动性等进一步研究具有一定参考意义.

致谢中国地震局地震预测研究所的高原研究员为本研究提供了SAM软件,并为本研究提供了建设性指导意见;本文图形采用GMT、Matlab和SAC绘制,特此致谢!