地震各向異性研究方法綜述|趙新愛 吳晶

介質(zhì)的物理性質(zhì)在不同方向呈現(xiàn)差異的現(xiàn)象被稱為各向異性。地震學(xué)中，也存在這樣的現(xiàn)象，被稱為“地震各向異性”。

1.地震各向異性在物理上如何理解呢？

按照物理成因機(jī)制，它主要指礦物晶格優(yōu)勢定向排列與地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)等的形狀定向排列。地球是一個(gè)物理化學(xué)性質(zhì)均十分復(fù)雜的星球，科學(xué)家為了能夠表述其地球物理特征，通常采用簡化的模型。相近的，地震各向異性對(duì)稱系統(tǒng)模型(六方對(duì)稱晶系)-這樣一個(gè)簡化的模型，可以較好描述地球內(nèi)部巖石結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對(duì)稱軸方向，六方對(duì)稱系統(tǒng)可被簡單劃分為水平對(duì)稱軸的六方對(duì)稱系統(tǒng)(Horizontal Hexagonal Symmetry, HHS)和垂直對(duì)稱軸的六方對(duì)稱系統(tǒng)(Vertical Hexagonal Symmetry, VHS)。盡管傾斜對(duì)稱軸的六方對(duì)稱系統(tǒng)是自然界中常見的結(jié)構(gòu)，但由于其六方系統(tǒng)所需反演參數(shù)繁多，在實(shí)際模型假設(shè)中難以應(yīng)用，一般考慮HHS和VHS兩種模型(圖1)。

圖1 地震各向異性幾何模型示意圖。(a) 定向排列的垂直裂隙形成的水平對(duì)稱軸的六方對(duì)稱各向異性系統(tǒng)(HHS)，θ為地震波傳播方向和對(duì)稱軸的夾角。(b) 水平成層作用形成的垂直對(duì)稱軸的六方對(duì)稱各向異性系統(tǒng)(VHS)，θ同圖1(a)。

HHS模型在地震各向異性研究中較為常見，如中上地殼中定向排列的裂隙、中下地殼中的各向異性礦物(如角閃石)和上地幔中各向異性礦物-橄欖石等。由于HHS模型產(chǎn)生的各向異性特征與地震射線方位角相關(guān)，亦被稱為方位地震各向異性。在VHS模型中，水平面內(nèi)的彈性參數(shù)為常數(shù)，通常也稱這種結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的橫向各向同性模型(Vertical Transverse Isotropy, VTI)。此外，因?qū)ΨQ軸與地球徑向方向平行，呈現(xiàn)徑向?qū)ΨQ現(xiàn)象，故而VHS模型對(duì)應(yīng)徑向各向異性。該模型常被用于擬合粘土、頁巖水平成層排列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各向異性。

2. 了解地震各向異性的物理機(jī)制與幾何模型之后，關(guān)鍵的下一步是如何獲取地震各向異性信息呢？

地震學(xué)中，穿過地球內(nèi)部不同圈層的多樣的震相是解決問題的“百寶箱”，即：選取不同的震相，就等于使用了不同的“工具”，達(dá)到不同的“功效”。

在地震各向異性研究中，依據(jù)使用震相的不同，可分為P波、S波以及面波方法。P波方法，目前以P波各向異性成像方法為主，根據(jù)各向異性類型，可以細(xì)分為方位各向異性成像和徑向各向異性成像。該方法利用從地震資料中拾取的P波走時(shí)數(shù)據(jù)反演區(qū)域內(nèi)三維各向異性結(jié)構(gòu)。而對(duì)于S波來說，剪切波分裂方法是較為直觀有效的方法。剪切波分裂是指當(dāng)S波從各向同性介質(zhì)進(jìn)入各向異性介質(zhì)時(shí)，分裂成速度不同且偏振方向互相垂直的兩列S波(圖2)，它可類比光學(xué)中的雙折射現(xiàn)象，獲取的主要是地球內(nèi)部方位各向異性信息。而面波方法，與體波方法相似，亦可分為方位各向異性成像和徑向各向異性成像，不同之處在于，它主要利用速度和頻率之間的依賴性-頻散現(xiàn)象，來反演各向異性參數(shù)。

圖2 雙折射示意圖。 (a)光的雙折射，入射光線經(jīng)過各向異性介質(zhì)時(shí)，分解成兩列光束，一列垂直偏振線偏振光(o光)，一列水平偏振線偏振光(e光)。(b)地震波的雙折射，即剪切波分裂，入射波穿過各向異性介質(zhì)，分裂成快剪切波和慢剪切波。

3. 既然多種方法可以獲取地球內(nèi)部地震各向異性信息，那么它們之間有什么物理/數(shù)學(xué)關(guān)系嗎？

對(duì)于不同各向異性研究方法，P波和面波方位各向異性層析成像、剪切波分裂分析，均揭示方位各向異性；P波和面波徑向各向異性層析成像則揭示了徑向各向異性。了解如上信息很關(guān)鍵，因?yàn)樵谧霾煌芯糠椒ǖ玫浇Y(jié)果的比對(duì)時(shí)，只有在同為方位各向異性或徑向各向異性的基礎(chǔ)上，比較才有物理意義，這是地震各向異性研究需要關(guān)注的地方。此外，由于不同地震波頻帶之間有所差異，不同震相在揭示同一深度的各向異性特征可能也會(huì)表現(xiàn)出差別，然而目前它們之間具體的理論關(guān)系尚不清楚，需要學(xué)者們進(jìn)一步研究。

4.前面已經(jīng)多次提到地震各向異性的意義，那具體來說地震各向異性已經(jīng)在哪些領(lǐng)域得到使用呢？

相對(duì)于其它地球物理學(xué)方法，地震各向異性方法在揭示地球深部介質(zhì)變形的方向信息，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它已被廣泛應(yīng)用于研究不同構(gòu)造背景下的殼幔變形和深部動(dòng)力學(xué)，如克拉通、造山帶、俯沖帶和大洋中脊等。此外，有研究結(jié)果表明，在主震發(fā)生前后慢波延遲時(shí)間發(fā)生變化的現(xiàn)象，并借此進(jìn)行地震應(yīng)力預(yù)測研究。然而，另有研究發(fā)現(xiàn)，剪切波分裂參數(shù)和震前震后的應(yīng)力之間無密切聯(lián)系，使得基于地震各向異性進(jìn)行地震預(yù)測的研究仍有待于更多的數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證與理論突破。油氣勘探是地震各向異性應(yīng)用的另一個(gè)重要方向，這是因?yàn)榱芽p、孔隙、線理和頁理等結(jié)構(gòu)是有機(jī)質(zhì)生烴的重要運(yùn)移通道和儲(chǔ)集區(qū)，恰好各向異性研究方法，特別是剪切波分裂對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)較為敏感，可為油氣資源勘測提供有力支持。

5. 雖然地震各向異性在許多領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用研究，但是仍然有很大的進(jìn)步空間。

地震各向異性的研究方法中，無論是剪切波分裂，還是體波、面波各向異性層析成像方法，每種方法都存在一定的局限性。因此，學(xué)者思考如何基于多種方法聯(lián)合反演來共同約束地球三維精細(xì)各向異性結(jié)構(gòu)。此外，隨著地震觀測數(shù)據(jù)的積累和計(jì)算能力的提升，人工智能技術(shù)也開始在地震各向異性研究中發(fā)揮重要作用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以提高地震數(shù)據(jù)處理效率，降低地震各向異性研究的時(shí)間和計(jì)算成本。

總之，地震各向異性研究在地球科學(xué)領(lǐng)域中具有重要意義，它不僅有助于我們更好地理解地球內(nèi)部介質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，還為地震應(yīng)力預(yù)測、火山滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測、地震勘探等應(yīng)用提供了重要支持。隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，相信地震各向異性研究將在未來取得更加豐碩的成果。

參考資料

Zhao Xinai, Wu Jing. Major methods of seismic anisotropy.Earthquake Research Advances, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eqrea.2024.100295.（原文參見左下角“閱讀原文”）