地震各向異性研究方法綜述|趙新愛 吳晶

介質的物理性質在不同方向呈現差異的現象被稱為各向異性。地震學中，也存在這樣的現象，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？

按照物理成因機制，它主要指礦物晶格優勢定向排列與地質構造和結構等的形狀定向排列。地球是一個物理化學性質均十分復雜的星球，科學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，地震各向異性對稱系統模型(六方對稱晶系)-這樣一個簡化的模型，可以較好描述地球內部巖石結構。

根據對稱軸方向，六方對稱系統可被簡單劃分為水平對稱軸的六方對稱系統(Horizontal Hexagonal Symmetry, HHS)和垂直對稱軸的六方對稱系統(Vertical Hexagonal Symmetry, VHS)。盡管傾斜對稱軸的六方對稱系統是自然界中常見的結構，但由于其六方系統所需反演參數繁多，在實際模型假設中難以應用，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稱軸的六方對稱各向異性系統(HHS)，θ為地震波傳播方向和對稱軸的夾角。(b) 水平成層作用形成的垂直對稱軸的六方對稱各向異性系統(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模型產生的各向異性特征與地震射線方位角相關，亦被稱為方位地震各向異性。在VHS模型中，水平面內的彈性參數為常數，通常也稱這種結構為對稱的橫向各向同性模型(Vertical Transverse Isotropy, VTI)。此外，因對稱軸與地球徑向方向平行，呈現徑向對稱現象，故而VHS模型對應徑向各向異性。該模型常被用于擬合粘土、頁巖水平成層排列結構產生的各向異性。

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

地震學中，穿過地球內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”，達到不同的“功效”。

在地震各向異性研究中，依據使用震相的不同，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，根據各向異性類型，可以細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波走時數據反演區域內三維各向異性結構。而對于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S波從各向同性介質進入各向異性介質時，分裂成速度不同且偏振方向互相垂直的兩列S波(圖2)，它可類比光學中的雙折射現象，獲取的主要是地球內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-頻散現象，來反演各向異性參數。

圖2 雙折射示意圖。 (a)光的雙折射，入射光線經過各向異性介質時，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，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部地震各向異性信息，那么它們之間有什么物理/數學關系嗎？

對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。了解如上信息很關鍵，因為在做不同研究方法得到結果的比對時，只有在同為方位各向異性或徑向各向異性的基礎上，比較才有物理意義，這是地震各向異性研究需要關注的地方。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表現出差別，然而目前它們之間具體的理論關系尚不清楚，需要學者們進一步研究。

4.前面已經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在哪些領域得到使用呢？

相對于其它地球物理學方法，地震各向異性方法在揭示地球深部介質變形的方向信息，具有獨特的優勢。它已被廣泛應用于研究不同構造背景下的殼幔變形和深部動力學，如克拉通、造山帶、俯沖帶和大洋中脊等。此外，有研究結果表明，在主震發生前后慢波延遲時間發生變化的現象，并借此進行地震應力預測研究。然而，另有研究發現，剪切波分裂參數和震前震后的應力之間無密切聯系，使得基于地震各向異性進行地震預測的研究仍有待于更多的數據加以驗證與理論突破。油氣勘探是地震各向異性應用的另一個重要方向，這是因為裂縫、孔隙、線理和頁理等結構是有機質生烴的重要運移通道和儲集區，恰好各向異性研究方法，特別是剪切波分裂對這樣的結構較為敏感，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域已經被廣泛應用研究，但是仍然有很大的進步空間。

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，學者思考如何基于多種方法聯合反演來共同約束地球三維精細各向異性結構。此外，隨著地震觀測數據的積累和計算能力的提升，人工智能技術也開始在地震各向異性研究中發揮重要作用。通過機器學習算法，可以提高地震數據處理效率，降低地震各向異性研究的時間和計算成本。

總之，地震各向異性研究在地球科學領域中具有重要意義，它不僅有助于我們更好地理解地球內部介質結構和動力學機制，還為地震應力預測、火山滑坡動態監測、地震勘探等應用提供了重要支持。隨著技術的進步和研究的深入，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”）