地震各向异性研究方法综述|赵新爱 吴晶

介质的物理性质在不同方向呈现差异的现象被称为各向异性。地震学中，也存在这样的现象，被称为“地震各向异性”。

1.地震各向异性在物理上如何理解呢？

按照物理成因机制，它主要指矿物晶格优势定向排列与地质构造和结构等的形状定向排列。地球是一个物理化学性质均十分复杂的星球，科学家为了能够表述其地球物理特征，通常采用简化的模型。相近的，地震各向异性对称系统模型(六方对称晶系)-这样一个简化的模型，可以较好描述地球内部岩石结构。

根据对称轴方向，六方对称系统可被简单划分为水平对称轴的六方对称系统(Horizontal Hexagonal Symmetry, HHS)和垂直对称轴的六方对称系统(Vertical Hexagonal Symmetry, VHS)。尽管倾斜对称轴的六方对称系统是自然界中常见的结构，但由于其六方系统所需反演参数繁多，在实际模型假设中难以应用，一般考虑HHS和VHS两种模型(图1)。

图1 地震各向异性几何模型示意图。(a) 定向排列的垂直裂隙形成的水平对称轴的六方对称各向异性系统(HHS)，θ为地震波传播方向和对称轴的夹角。(b) 水平成层作用形成的垂直对称轴的六方对称各向异性系统(VHS)，θ同图1(a)。

HHS模型在地震各向异性研究中较为常见，如中上地壳中定向排列的裂隙、中下地壳中的各向异性矿物(如角闪石)和上地幔中各向异性矿物-橄榄石等。由于HHS模型产生的各向异性特征与地震射线方位角相关，亦被称为方位地震各向异性。在VHS模型中，水平面内的弹性参数为常数，通常也称这种结构为对称的横向各向同性模型(Vertical Transverse Isotropy, VTI)。此外，因对称轴与地球径向方向平行，呈现径向对称现象，故而VHS模型对应径向各向异性。该模型常被用于拟合粘土、页岩水平成层排列结构产生的各向异性。

2. 了解地震各向异性的物理机制与几何模型之后，关键的下一步是如何获取地震各向异性信息呢？

地震学中，穿过地球内部不同圈层的多样的震相是解决问题的“百宝箱”，即：选取不同的震相，就等于使用了不同的“工具”，达到不同的“功效”。

在地震各向异性研究中，依据使用震相的不同，可分为P波、S波以及面波方法。P波方法，目前以P波各向异性成像方法为主，根据各向异性类型，可以细分为方位各向异性成像和径向各向异性成像。该方法利用从地震资料中拾取的P波走时数据反演区域内三维各向异性结构。而对于S波来说，剪切波分裂方法是较为直观有效的方法。剪切波分裂是指当S波从各向同性介质进入各向异性介质时，分裂成速度不同且偏振方向互相垂直的两列S波(图2)，它可类比光学中的双折射现象，获取的主要是地球内部方位各向异性信息。而面波方法，与体波方法相似，亦可分为方位各向异性成像和径向各向异性成像，不同之处在于，它主要利用速度和频率之间的依赖性-频散现象，来反演各向异性参数。

图2 双折射示意图。 (a)光的双折射，入射光线经过各向异性介质时，分解成两列光束，一列垂直偏振线偏振光(o光)，一列水平偏振线偏振光(e光)。(b)地震波的双折射，即剪切波分裂，入射波穿过各向异性介质，分裂成快剪切波和慢剪切波。

3. 既然多种方法可以获取地球内部地震各向异性信息，那么它们之间有什么物理/数学关系吗？

对于不同各向异性研究方法，P波和面波方位各向异性层析成像、剪切波分裂分析，均揭示方位各向异性；P波和面波径向各向异性层析成像则揭示了径向各向异性。了解如上信息很关键，因为在做不同研究方法得到结果的比对时，只有在同为方位各向异性或径向各向异性的基础上，比较才有物理意义，这是地震各向异性研究需要关注的地方。此外，由于不同地震波频带之间有所差异，不同震相在揭示同一深度的各向异性特征可能也会表现出差别，然而目前它们之间具体的理论关系尚不清楚，需要学者们进一步研究。

4.前面已经多次提到地震各向异性的意义，那具体来说地震各向异性已经在哪些领域得到使用呢？

相对于其它地球物理学方法，地震各向异性方法在揭示地球深部介质变形的方向信息，具有独特的优势。它已被广泛应用于研究不同构造背景下的壳幔变形和深部动力学，如克拉通、造山带、俯冲带和大洋中脊等。此外，有研究结果表明，在主震发生前后慢波延迟时间发生变化的现象，并借此进行地震应力预测研究。然而，另有研究发现，剪切波分裂参数和震前震后的应力之间无密切联系，使得基于地震各向异性进行地震预测的研究仍有待于更多的数据加以验证与理论突破。油气勘探是地震各向异性应用的另一个重要方向，这是因为裂缝、孔隙、线理和页理等结构是有机质生烃的重要运移通道和储集区，恰好各向异性研究方法，特别是剪切波分裂对这样的结构较为敏感，可为油气资源勘测提供有力支持。

5. 虽然地震各向异性在许多领域已经被广泛应用研究，但是仍然有很大的进步空间。

地震各向异性的研究方法中，无论是剪切波分裂，还是体波、面波各向异性层析成像方法，每种方法都存在一定的局限性。因此，学者思考如何基于多种方法联合反演来共同约束地球三维精细各向异性结构。此外，随着地震观测数据的积累和计算能力的提升，人工智能技术也开始在地震各向异性研究中发挥重要作用。通过机器学习算法，可以提高地震数据处理效率，降低地震各向异性研究的时间和计算成本。

总之，地震各向异性研究在地球科学领域中具有重要意义，它不仅有助于我们更好地理解地球内部介质结构和动力学机制，还为地震应力预测、火山滑坡动态监测、地震勘探等应用提供了重要支持。随着技术的进步和研究的深入，相信地震各向异性研究将在未来取得更加丰硕的成果。

参考资料

Zhao Xinai, Wu Jing. Major methods of seismic anisotropy.Earthquake Research Advances, 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eqrea.2024.100295.（原文参见左下角“阅读原文”）