Abstract

研究基于 1995-2014 年南加州地震网络（SCSN） 记录的 33 万次局地地震，提取剪切波分裂（SWS）参数（快波方向 $\phi$ 和时间延迟 $\delta t$）。

数据集包括 232,000 个 SWS 测量值，其中 90,000 个高质量数据，构建了南加州局地 SWS 统一数据库。
研究发现，多数地区快波方向 $\phi$ 与区域最大水平压应力 $\sigma_{Hmax}$ 方向一致，但部分区域存在明显偏差。

1.引言（Introduction）

1.1 剪切波分裂与地壳各向异性

SWS 现象：剪切波在各向异性介质中分裂为两个正交极化波。
应力诱导各向异性：由最大水平压应力（$\sigma_{Hmax}$）控制，裂隙沿该方向优先开裂。
结构诱导各向异性：
- 断层控制：快波方向通常平行于断层走向。
- 矿物排列：矿物取向影响波速。
- 沉积层结构：沉积层理影响传播特性。

1.2 南加州 SWS 研究

由于构造复杂、地震活跃、台站密集，南加州是研究 SWS 的理想区域。
研究发现：
- 大范围 SWS 受应力控制（$\phi \approx \sigma_{Hmax}$）。
- 断层区 SWS 受断层控制（$\phi \parallel$ 断层）。

2.方法与数据（Method and Data）

2.1 自动化流程

主要基于 Li et al. (2015)，使用 STP、PSIR、MFAST 自动化计算剪切波分裂参数。
网格搜索 + 聚类分析 提高 SWS 结果可靠性。

2.2 数据来源

数据集：SCSN 1995-2014 年 记录的 33 万次地震。
分析范围：限定剪切波窗口（45° 圆锥），避免 P/S 转换相干扰。

2.3质量控制标准

信噪比（SNR）> 3，确保信号清晰。
$\delta t < 0.4 s$，误差 < 0.1 s。
快波方向误差 < 15°。
仅使用 A/B 级数据。
快波极化角 20° - 70°。

2.4TESSA 空间反演

网格大小 5 × 5 km。
二维各向异性强度估计（$\delta t$ / km）。
假设时间延迟沿射线路径累积，忽略非线性效应。

3.结论（Result）

3.1 数据统计与质量筛选

本研究共获得 232,000 组 剪切波分裂 (SWS) 测量数据，其中 90,000 组 为高质量数据。
仅使用高质量数据进行后续分析，以确保研究的可靠性和可重复性。

3.2 站点个例分析

KNW 站点：
- 20 年测量数据保持稳定（尽管存在小幅波动）。
- 快波方向 (φ) 平均北偏西 35°，与以往研究一致（Aster et al., 1990; Crampin et al., 1990; Peacock et al., 1988; Yang et al., 2011）。
FRD 站点：
- 距 KNW 仅 20 km，但在 M5 级地震（2001, 2005） 发生后，SWS 参数出现明显变化。
- 可能的影响因素：
  - 地震活动导致上地壳各向异性参数变化（Liu et al., 2004）。
  - 不同地震震源位置导致不同的空间采样效应（Peng & Ben-Zion, 2004）。
研究重点：
- 本研究主要关注 空间分布模式，并分析 20 年平均数据，以减少短期变化的影响。

3.3 SWS 快波方向与区域应力的关系

多数台站 的 快波方向 与 区域最大水平应力 ($\sigma_{Hmax}$) 一致（Yang & Hauksson, 2013）。
局部区域存在偏差：
- 洛杉矶盆地 (Los Angeles Basin)
- 萨尔顿海 (Salton Sea) 附近
- 南圣安德烈亚斯断层 (Southern San Andreas Fault) 东北侧
可能的机制：
- 这些区域的 SWS 可能受局部构造、岩性或流体活动影响，而非仅由区域应力控制。

3.4 SWS 空间分布模式

主要断层区 的 SWS 方向 平行或次平行于断层走向：
- 圣安德烈亚斯断层 (San Andreas Fault)
- 圣哈辛托断层 (San Jacinto Fault)
- 埃尔西诺断层 (Elsinore Fault)
- 圣莫尼卡断层 (Santa Monica Fault)
- 圣加布里埃尔断层 (San Gabriel Fault)
洛杉矶盆地 (Los Angeles Basin)：
- 快波方向为 NNE，呈现从西向东的微弱旋转。
南圣安德烈亚斯断层 (Southern San Andreas Fault) 两侧对比：
- NE 侧 → NNE 方向
- SW 侧 → NW 方向
- 说明该区域存在显著的 各向异性变化。

3.5 各向异性强度

在 数据覆盖较好的区域，各向异性强度 (Anisotropy Strength) 相对均匀。
Coso 火山区 和 半岛山脉南部 观测到 高各向异性强度，可能与岩浆活动或断层应力集中相关。

4. 讨论 (Discussions)

4.1 SWS 数据库的重要性

本研究基于 20 年的局地地震数据，建立了 南加州最完整的 SWS 数据库。
采用 自动化处理流程 和 客观筛选标准，确保数据的 可重复性。
该数据库可用于 分析地壳各向异性的物理机制 及其与 区域应力 ($\sigma_{Hmax}$) 的关系。

4.2 SWS vs. 地幔各向异性

SWS（地壳）高度不均匀，而 SKS（地幔）方向一致（E-W）（Liu et al., 1995; Özalaybey & Savage, 1995）。
说明 地壳和地幔的各向异性机制不同：
- 地壳 → 受 局地应力、断层构造、岩性影响。
- 地幔 → 受 地幔流动控制。

4.3 局地构造与各向异性

在 多个区域，快波方向与 $\sigma_{Hmax}$ 不一致，表明局地构造可能是 SWS 主要控制因素。
圣安德烈亚斯断层：
- 快波方向 ≈ 断层方向，但在 圣贝纳迪诺山脉 附近终止。
- 接近萨尔顿海 时，快波方向 转变为 $\sigma_{Hmax}$ 平行，表明应力场调整。

4.4 断层损伤与地震影响

1857 年 M7.9 Fort Tejon 地震 可能导致 断层损伤，影响 SWS。
研究发现：
- 大地震可引起长期断层带各向异性变化（Li et al., 2014; Peng & Ben-Zion, 2004）。
- 但与 神户地震后的快速恢复模式 不同（Tadokoro et al., 1999）。

4.5 其他控制因素

Coso 火山区：
- 岩浆侵入与迁移 扰动应力场，影响 SWS 方向（Johnson et al., 2011）。
圣哈辛托断层附近：
- 混合岩性（花岗岩 + 沉积岩） 可能影响裂隙取向。
- 矿物排列受变形控制（Okaya et al., 2016）。

4.6 研究结论

区域应力和断层结构无法完全解释 SWS 模式。
岩性、沉积作用和岩浆活动可能起更重要作用。
未来应重点研究 SWS 的深度变化和时间变化。

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