在地壳中产生各向异性的主要因素是大量充满液体的定向排列的微裂隙，当剪切波穿过这种各向异性介质传播时会分裂为快剪切波和慢剪切波^[1].快剪切波的优势偏振方向与裂隙走向一致，与原地主压应力方向一致；慢剪切波的时间延迟与介质的各向异性程度有关.地壳的各向异性特征，受到地质构造、岩相、断裂分布和应力环境等因素的影响，并与地壳运动特征密切相关，区域性很强^{[2, 3]}.由于快剪切波偏振方向反映了地震台站下方地壳的主压应力的方向，因而可以用来研究地壳应力状态及应力场的变化^{[1, 4]}.研究表明，复杂的地质构造会造成剪切波偏振方向的不同^{[2, 5~8]}.最近的研究显示，利用地壳介质各向异性特征还可以研究断层的性质^{[6, 7]}.利用天然地震作为信号源得到的剪切波分裂参数随时间的变化，可以显示出应力场与地壳裂隙结构随时间的动态变化，这个特征对于地震预测具有重要意义^[9~12].

台湾地区由于复杂的地质构造和频繁的地震活动，一直受到地震学家们的关注.Chang 等^[13]，Bos等^[14]和郝金来等^[15]利用1990~1995 年间的GPS观测资料对整个台湾地区的主应力、主应变率和旋转率的分布进行了研究，结果表明由于受到菲律宾板块向北西俯冲到欧亚板块的作用，台湾大部分地区的主压应变为NW-SE 方向，且主压应变方向呈扇形分布，与主压应力的分布基本一致.Liu等^[16]和郑秀芬等^[12]分别对集集地震震源区附近的剪切波分裂特征进行了研究，两个研究在快剪切波偏振方向上是一致的，均为近E-W 向，但在集集地震前的时间延迟特征上有一些分歧，Liu等^[16]没有发现时间延迟在集集地震发生前增加和下降过程，而郑秀芬等^[12]的数据分析结果则显示出明显的时间延迟的增加和下降过程.Rau 等^[17]采用震源较深、震级较大地震的S 和ScS 震相对整个台湾岛进行了研究，结果表明大部分台站的快剪切波偏振方向为 NEE 向，与区域地质构造的走向一致，垂直于地幔流的方向和台湾造山带下的地壳消减方向.Huang等^[18]采用SKS震相对台湾南部地区进行的研究也显示快剪切波偏振方向为NEE 向.而根据Chang等^[19]采用S波进行的各向异性研究表明，在变形前缘的西部，快剪切波偏振方向为NW-SE 向，而在变形前缘的东部快剪切波偏振方向为NE-SW 向.以上研究的对象主要是集集地震震源区附近或整个台湾岛，但在北部地区使用的台站较少，台站分布也不均匀.

本研究主要使用台湾地区固定地震台网记录的近震波形资料，通过剪切波分裂分析，研究台湾北部地区的地壳介质地震各向异性(图 1)，分析台湾北部地区地壳各向异性的空间分布特征和应力场的关系，对各向异性分布的空间不一致性进行讨论.

图 1

Fig. 1

图 1 本研究使用的有数据记录的台湾北部13个地震台站及剪切波窗口内地震分布图 F1小油坑断层；F2南莰断层；F3双连坡断层；F4狮潭断层；F5神桌山断层；F6礁溪断层；F7梨山断层.三角形代表台站，圆点代表地震. Fig. 1 Distribution of the 13 stations in north Taiwan with usable records and earthquakes in shear-wave window F1 Xiaoyoukeng fault； F2 Nankan fault； F3 Shuanglianpo fault； F4 Shitan fault； F5 Shenzhuoshan

台湾岛位于中国大陆的东南部，环太平洋地震带西侧，欧亚板块和菲律宾板块的交界处，是我国唯一处于现代沟-弧-盆体系内的地区.台湾本岛呈纺锤形，长轴呈北北东向展布，南北最长385km, 东西最大宽度144km, 面积为35795km^2[20].在台湾的东北部，菲律宾板块向北西俯冲到欧亚板块之下，而在其西南部，欧亚板块向东俯冲到菲律宾板块之下.菲律宾板块向欧亚板块每年以70~80 mm 的速度往N306°E 方向运动^[21].由于板块的俯冲及碰撞作用，台湾地区地震活动十分频繁，是世界上地震活动最频繁的地区之一.研究结果表明，北部地区(包括海域)按纬度方向分布的地震与菲律宾板块向琉球岛弧的俯冲有关，而东部的高密集地震带则与欧亚板块和菲律宾板块的碰撞以及由于碰撞而引起的一板块向另一板块之下的俯冲有关^[22].台湾岛内断裂构造发育，有NNE 向、N-S向、E-W 向和NW 向等，第四纪以来均有不同程度的活动，其中以NNE 向断裂构造分布最广、规模最大、活动性最强，与地震关系最密切^[23].菲律宾海板块沿着琉球海沟向北俯冲到欧亚大陆板块之下，形成了台湾东部的琉球弧沟系统.台湾北部地区正处于台湾岛弧与琉球岛弧的接合部位，存在一个发育良好的贝尼奥夫地震带.由于菲律宾海板块在做NW 向运动时，向西与欧亚板块在台东纵谷发生碰撞，向北沿琉球海沟俯冲到了欧亚板块之下，这样就形成了一种特殊的应力场环境，从最南部的近E-W 向，逐渐变为NW-SE 向，再到最北部的近N-S向^[24].

本研究主要使用台湾固定地震台网在台湾北部的地震台站，采用剪切波分裂系统分析方法，即 SAM分析方法^{[25, 26]}，分析了台湾北部地区地壳介质地震各向异性(图 1).SAM 方法主要包括三个部分:相关函数计算，时间延迟校正和偏振分析检验.根据两个水平分量波形的旋转和相关函数计算，得到相关函数最大时对应的旋转角度和时间延迟，通过对时间延迟校正前后的两个水平波列进行偏振分析检验，最后得到快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟.如果经过时间延迟校正的偏振图更为接近线性，则表明计算结果具有较高可靠性，否则需要重新计算剪切波分裂参数，并重新检验计算结果^[27].

使用地表台站记录波形分析剪切波分裂时，要求地震射线满足剪切波窗口的约束条件.剪切波入射到地表时，若入射角大于临界角会发生全反射现象.为了避免发生全反射现象，在挑选数据时应选择剪切波窗口内的数据.在理论上，对于泊松介质(泊松比为0.25)，临界角约为35°.根据对大量实际资料的分析可知，如果使用近似单层介质计算入射角，则选择入射角≤45°的波形资料即可满足剪切波窗口的约束条件^[28].

本文搜集并整理了台湾北部地区1991 年7 月至2002年12月的共5143条数字地震波形记录，得到了剪切波窗口内(入射角≤45°)共1176 条数据，鉴于波形质量等方面的因素，最终挑选出13个台站的282条有效记录，并进行剪切波分裂的计算(图 1).这些地震事件的震源深度分布在3.8~29.3km范围内，平均震源深度为14.82km, 震级为M_L1.1~M_L3.6，数据的采样率为50Hz或100Hz.

图 2a为台湾地震台网EAN 台记录到的2000年1月8 日震级为M_L1.4，震源深度为5.7km 的一个地震事件的波形.图 2b 为NSK 台记录到的1999年10月17日震级为M_L2.2，震源深度为12.3km的一个地震事件的波形.从原始三分向地震波形中截取了70个采样点的数据，并对数据进行了相关函数计算.图 3显示了相关函数计算的过程和初步结果.

图 2

Fig. 2

图 2 三分向地震波形图中横坐标是采样点数，数据采样率为50Hz. Fig. 2 Three-component seismic waveforms Abscissa denotes sample number, sampling rate is 50 Hz.

图 3

Fig. 3

图 3 相关函数计算结果 图中的(a)和(b)分别对应于图 2中的(a)和(b)中的两个地震事件.在每一个波形计算结果图中，左上图为不同偏振方向和时间延迟的相关函数等值线图，黑色实心圆表示相关函数最大值的位置；右上图为相关函数最大值和最小值分布图；下图为三分量剪切波的波形图，图中横坐标是采样点数(同图 2).(a)图显示的快剪切波偏振方向为15°，慢剪切波时间延迟为0.08s；(b)图显示的快剪切波偏振方向为170°，慢剪切波时间延迟为0.12s. Fig. 3 Calculation result of cross-correlation function (a) and (b) correspond to the two earthquakes (a) and (b) showed in Fig.2， respectively.On each sub-figure, the top lett plot gives is olines of cross-correlation with different polarizations and time delays, the black solid circle marks position of the maximum crosscorrelation function value.Top right plot shows distribution of t^he maximum and t^he minimum values of cross-correlation function.Lower plot displays the three-component shear-waveform, with abscissa denoting the numberof samples (same as Fig.2).(a) Polarization of fast shear-wave is 15° and time delay is 0.08 s； (b) Polarization of fast shear-wave is 170° and time delay is 0.12 s.

图 4和图 5给出的分别是水平分量剪切波偏振图和偏振分析检验图.从图 4 中可以看出两列剪切波的质点运动轨迹并不是线性的，不过经过波形旋转和时间延迟校正以后偏振图更接近线性特征(图 5)，这表明计算结果是比较可靠的.

图 4

Fig. 4

图 4 水平分量剪切波偏振图 图中的(a)和(b)分别对应于图 3中的(a)和(b)中的两个地震事件.在每一个分析图中，从上而下分别为剪切波质点运动轨迹图、北南(N-S)分向剪切波波形和东西(E-W)分向剪切波波形，其中S1与S2分别代表快剪切波与慢剪切波的开始位置. Fig. 4 Horizontal shear-wave polarization (a) and (b) correspond to the two earthquakes (a) and (b) in Fig.3， respectively.On each sub-figure, the upper plot shows the trail of shear-wave particle motion, the middle is N-S component shear-waveform, and the lower is E-W component.S1 and S2 indicate the start position of fast and slow shear-wave, respectively.

表 1(Table 1)

表 1 台湾台网13个台站剪切波分裂参数 Table 1 Shear-wave splitting parameters for 13 stations of Taiwan network

表 1 台湾台网13个台站剪切波分裂参数 Table 1 Shear-wave splitting parameters for 13 stations of Taiwan network

图 5

Fig. 5

图 5 偏振分析检验 图中的(a)和(b)分别对应图 4中的(a)和(b)中的两个地震事件.在每一个分析图中，从上而下分别为经过时间延迟校正后的剪切波偏振图、快剪切波波形和慢剪切波波形，其中S1与S2分别代表快剪切波与慢剪切波的位置.经过偏振分析检验后得到的最终结果为:(a)快剪切波偏振方向为50°，慢剪切波时间延迟为0.02s；(b)快剪切波偏振方向为0°，慢剪切波时间延迟为0.02s Fig. 5 Polarization analysis check (a) and (b) correspond to the two earthquakes (a) and (b) in Fig.4， respectively.On each sub-figure, the upper shows shear-wave polarization with time delay eliminated.The middle is fast shear-waveform and the lower is slow shear-waveform.S1 and S2 indicate the start position of fast and slow shear-waves respectively.The final result after polarization analysis check s: (a) Polarization of fast shea-wave is 50° and time delay is 0.02 s； (b) Polarization of fast shear-wave is 0° and time delay is 0.02 s.

本研究采用SAM 方法对台湾北部13 个地震台站记录的1991年7月至2002年12月的共282条数字地震波形记录进行了分析，其中有10 个台站获得3条以上有效记录，有4 个台站的有效记录超过15条.

台湾北部13个台站记录到的剪切波窗口内地震事件的快剪切波偏振方向如图 6 所示.图 6 给出每个台站快剪切波偏振方向下半球等面积极射投影与等面积投影玫瑰图，显示出每个台站获得的快剪切波偏振方向结果.

图 6

Fig. 6

图 6 快剪切波偏振方向下半球等面积极射投影与等面积投影玫瑰图 Fig. 6 Equal-area lower hemisphere project diagrams and equal-area project rose diagrams of fast shear-wave polarizations

台湾地区由于受到复杂地质构造的作用，主应力和主应变的分布也比较复杂.根据其他学者的研究结果^[13~15]，在东部海岸山脉区的主压应力和主压应变方向都为NW 向，与板块碰撞方向一致；在东部中央山脉区，南部主张应变方向为近E-W 向，向北呈逆时针方向偏转，主张应变方向为近NW 向；在西部地区，南部主压应变率较大，而北部主压应变率较小，主压应变方向为WNW 近E-W 向.台湾北部的主应变方向较复杂，Chang 等^[13]，Bos等^[14]和郝金来等^[15]得出的主应变方向有一定差异.

台湾北部地区区域地质构造总体形态为NNE向的条带状.从西向东可以分为西部麓山带、雪山山脉和中央山脉，共3个构造带.3个主体构造单元均呈向琉球岛弧倾斜的趋势.下面根据本研究得出的结果，并结合台湾地区的主应力和主应变特征及断裂分布情况，对台湾北部地区的各向异性空间分布特征进行分析.

台站ANP、NCU 和NST 位于西部麓山带.ANP台的右侧有一条NE 向的小油坑断层，该活动断层为正断层.该台的快剪切波优势偏振方向为 ENE 向，与Rau 等^[17]采用S 波得到的快剪切波优势方向一致，但与该地区的主压应力和主压应变方向不一致，与断层走向有一定差异.研究表明，复杂的局部构造或断裂分布会造成应力的复杂化，可能使断层两侧的各向异性特性产生明显差异^[8]，使快剪切波偏振方向偏离区域主压应力方向，特别是台站位于活动的走滑断层附近时，快剪切波优势偏振方向与断层走向一致^{[6, 7, 29]}，不过由于小油坑断层是正断层，快剪切波优势偏振方向是否受到该断层的影响还需要进行进一步的研究.NCU台位于ENE 向的双连坡断层上，该断层为逆断层.NCU 台的快剪切波优势偏振方向为NNE近N-S向，近垂直于断层走向，与Chang等^[13]用钻孔崩落资料得到的最大水平应力方向一致.NST 台位于NNE 向的狮潭断层和神桌山断层附近，这两条断层是逆断层.该台的快剪切波优势偏振方向为NNE 近N-S 向，与断层走向基本一致，与Chang等^[13]用钻孔崩落资料得到的最大水平应力方向一致.从这三个台站的结果来看，西部麓山带的快剪切波偏振方向由北到南从ENE 向变为NNE 近N-S向.

TAP台位于台北盆地内，该盆地是新生代发育起来的一个小型盆地，其基底属于台湾造山带西部麓山带的渐新世、中新世已经褶皱的地层，台北盆地在NW 方向上呈明显的半地堑形态，盆地的西缘沉降最深，而西南侧沉降最小^[30].该台的快剪切波偏振方向为NE 向，与Chang等^[13]用钻孔崩落资料得到的最大水平应力方向一致，与Rau等^[17]得到的S波的快剪切波优势方向一致，不过由于TAP 台只有1条有效数据，还需要更多资料的证实.

TWU 和NSK 台位于雪山山脉.TWU 台的快剪切波优势偏振方向为NE 向，与TAP台的结果一致，也与Chang等^[13]在该台站偏北一点的地方由钻孔崩落得到的主压应力方向一致.NSK 台的快剪切波优势偏振方向为NNE 向，与该地区主压应变方向基本一致，与NCU 台和NST 台的结果一致.但 Chang等^[19]的研究显示出在NST 台附近的几条记录的快剪切波偏振方向为WNW 或NW 向，与本文得到的NNE 向的研究结果有明显差异，不过 Chang等^[19]的结果来自更偏向西边海岸的位置，在变形前缘以西，本研究的台站位置稍稍偏东一些，从地形上可以看到NSK 台站位于NNE 走向的变形构造区，本研究的结果与Chang等^[13]的钻孔崩落结果在该区域显示的特征相符合.

ILA、TWE、ENT 和TWC 台位于梨山断层的右侧、宜兰平原内.ILA 台的快剪切波优势偏振方向为ENE 向，与原地主压应变方向基本一致.TWE台的快剪切波优势偏振方向为WNW 向，近垂直于区域主压应变方向.TWC 台的快剪切波优势偏振方向也为WNW 向，但TWC 台的结果较离散，除了 WNW 向快剪切波优势方向外，还清楚地显示出 NNE 向的第二快剪切波优势偏振方向.ENT 台只有2条数据，快剪切波偏振方向分别为ENE 向和 NW 向，虽然数据只有两条，但如此大的离散，也反映出ENT 台站位置地质构造和应力环境的复杂性，事实上ENT 台位于宜兰平原的边缘，在与中央山脉隆起区的交界区域.位于宜兰平原内的TWE和TWC 这两个台站的平均快剪切波偏振方向为 WNW 向，与Chang等^[19]用S波得到的偏振方向一致，也与Rau 等^[17]用ScS 震相得到的研究结果一致.在宜兰平原及边缘区域的这四个台站，显示出极其复杂的偏振分布特征，特别是TWE 和TWC 两个台WNW 方向的快剪切波偏振，揭示了宜兰平原下方的地壳主压应力与周边区域的情况不同，造成这样结果的详细的力学分布现在还不知道，但GPS地表变形及空间差值模拟显示宜兰平原处于主压应变和主张应变都剧烈变化的区域.

EGS台位于龟山岛，龟山岛是一个火山岛，其位置比较特殊，位于台湾断层系和冲绳海槽南部裂谷系延伸交接部位.该台的快剪切波优势偏振方向为NNE 向，近垂直于原地主压应力方向，从偏振方向的等面积投影玫瑰图(见图 6)也看到有几条记录的快剪切波偏振是WNW 方向.

ENA 和EHC 台位于中央山脉，该地区主要构造线，包括地层走向及断裂和褶皱等，均呈NNE向，与基本弧形构造相一致.ENA 和EHC 台的快剪切波优势偏振方向为NNE 向，与Chang等^[19]的研究结果一致，与Rau等^[17]用ScS震相得到的结果基本一致，而Chang 等^[13]和Bos等^[14]得出的该地区应变场方向为NE 向，与这两个台站的快剪切波偏振结果差异不大.但是，也要注意到这两个台都有第二个优势偏振方向，方向分别为WNW 和NW向，虽然EHC 台只有一条记录显示(见图 6).

从图 6中可以看出，4个位于海边(TWC、ENA和EHC)或小岛上(EGS)的台站，其快剪切波优势偏振方向都显示出NNE 向(如台站:EGS、ENA 和 EHC)，或明显的两个快剪切波优势偏振方向之一为NNE 向(如台站:TWC).有研究表明，若台站位于海边或岛上，快剪切波偏振方向较为离散^[7].这4个位于海边或小岛上的台站的快剪切波偏振结果比较离散，可能与不规则的地形或复杂的局部构造有关.

图 7是台湾北部13个台的平均快剪切波偏振方向和平均慢剪切波时间延迟分布图.台湾北部地区的快剪切波偏振方向在空间分布上具有一定的区域性，西部的NCU 和NST 台的快剪切波偏振方向为近N-S向；中部的ANP、TAP 和TWU 台的快剪切波偏振方向为ENE 向或NE 向；宜兰平原内的 ILA 和TWE 台的快剪切波偏振方向为ENE 向或近E-W 向；ENT 台的快剪切波偏振方向两条数据的离散结果还需要增加更多资料；而位于或靠近海边的TWC、ENA 和EHC 台，以及小岛上的EGS台，除了TWC 台有一个近E-W 向的快剪切波偏振方向，其他台站都有NNE 向的平均偏振方向.

图 7

Fig. 7

图 7 平均快剪切波偏振方向和平均慢剪切波时间延迟分布图图中黑色直线段方向表示3条以上有效数据的平均快剪切波偏振方向，直线段长度表示平均慢剪切波时间延迟的大小.白色直线段表示有效数据少于3条的分析结果，黄色直线段表示无法确定时间延迟的分析结果. Fig. 7 Distribution of average polarizations of fast shear-waves and average time delay of slow shear-waves Direction of the black line shows the average fast shear-wave polarization, and the length of the line shows the average value of slow shear-wave time delay.White line denotes analysis result with less than 3 available data, and yellow line shows the result can not confirm time delay.

台湾北部13个台站的慢剪切波时间延迟的平均值差别较大，其范围在1.69~13.04ms/km 之间.其中平均慢剪切波时间延迟较大(≥7.00ms/km)的台站共有5 个.从时间延迟的空间分布来看，以 TWE 台为界，TWE 台及以北的7个台站的慢剪切波时间延迟大于南部的6个台站的慢剪切波时间延迟，这可能意味着TWE 台及以北的各向异性强度大于南部.

本研究采用剪切波分裂分析方法，主要分析了台湾北部地区13个台站记录的1991年7月~2002年12月的数字地震波形资料，得到了台湾北部地区地壳各向异性的初步结果和剪切波分裂参数的空间变化特征.

本研究结果表明，在台湾北部地区，西部和东部沿岸或小岛上的台站的快剪切波优势偏振方向主要为N-S向或NNE 向；中部地区从南往北，快剪切波优势偏振方向从NNE 似乎转向为NE 方向；这个特征与该区域内的应力特征、GPS地表主压应变特征和构造较一致.从空间分布来看，位于宜兰盆地里的台站的快剪切波优势偏振方向有着近E-W 方向的特征，由于台站基本位于盆地与山脉交界区或在海边，偏振方向呈现复杂的特征，揭示出复杂地质构造和应力场对剪切波分裂参数的影响；而位于山脉(西部麓山带、雪山山脉和中央山脉)的台站的快剪切波优势偏振方向大致为近N-S向、NNE 向或NE向.从总体特征上，快剪切波偏振方向与主压应力方向一致，或与局部构造相关.特别是，位于东部的海边或小岛上的台站，都显示出NNE 向的快剪切波优势偏振方向，但每个台站又显示出部分记录 WNW 或NW 向的快剪切波偏振方向，这种复杂特征可能与不规则的地形或复杂的局部构造有关.

从时间延迟的空间分布来看，以TWE 台为界，TWE 台及以北的慢剪切波时间延迟大于南部的慢剪切波时间延迟，这可能意味着TWE 台及以北的各向异性强度大于南部.但由于部分台站的有效波形数据较少，以上结果还需要更多资料的支持和证实.

感谢“台湾中央大学"邀请本文作者访问，就相关学术问题开展了有益交流.“台湾中央气象局地震测报中心"提供了地震资料供本研究使用.感谢匿名评审专家和编辑对本文的评审建议和帮助.