滕吉文，張永謙，阮小敏，胡國澤，閆雅芬

中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

1 地震各向異性問題的提出與厘定

在人類生息繁衍的地球上，無論是自然界、還是人類社會，均普遍存在著各類復雜系統(tǒng)，對于這些復雜系統(tǒng)的分維、剖析和研究，已經(jīng)并將會繼續(xù)促進一系列新概念、新理論和新論點的產(chǎn)生，并必然要深刻地影響或激勵科學和社會的進步.地球科學的研究和發(fā)展亦必然會遵循這一“框架”.地球物理學，特別是在地球內(nèi)部介質(zhì)、結(jié)構(gòu)與屬性的研究中，在由一維、二維、三維和四維反演的發(fā)展進程中，便是一幅由簡單向復雜不斷變異和深化認識的進化圖像.顯然，當今人們尚難以用一個簡單的、模式化的框架一勞永逸地去認識它和分析它.一些多年來已被人們共識而且已經(jīng)被人們接受下來的概念和模式，又為不斷出現(xiàn)的新資料、新成果和新認識所修正；例如早年的垂直運動學說在地球科學發(fā)展的長河中建立了“功勛”，但在板塊構(gòu)造理論的驅(qū)使下不得不被以“水平運動”為主體的運動體系所取代（盡管有少數(shù)人持有不同見解）.這種新的地球觀大大推進了固體地球科學的發(fā)展，并在地球物理學研究的發(fā)展中占據(jù)了前沿.可是，隨著觀測科技的進步，認識的深化，就必須由宏觀向“微觀”挺進，由定性向定量逼近，特別是地幔熱柱的發(fā)現(xiàn)、大陸和大洋溢流玄武巖的涌現(xiàn)等使得板塊學說受到了新的挑戰(zhàn)，并迫使地球科學家們反過來再去考慮和認識垂直力系的作用以及其與水平運動之間的相互作用和內(nèi)在聯(lián)系.

地球內(nèi)部介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與屬性乃是固體地球物理學領(lǐng)域的核心組構(gòu).由介質(zhì)的各向同性、無限均勻和完全彈性體的假設到逐步深化認識為各向異性、不均勻性和非線性的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歲月，這確實是一次重大的科學進步，因為它是向真正認識或逼近于客觀世界的飛躍，而且在資源、能源、災害與環(huán)境變遷中和深化對地球本體的認識中乃是極其重要的研究導向.

地球內(nèi)部物質(zhì)物理—力學屬性變化的規(guī)律、巖石、礦物演變的過程與其所經(jīng)受的地質(zhì)作用有密切關(guān)系.在深部復雜的熱動力作用下，巖石中發(fā)生著不可逆的顯微結(jié)構(gòu)變化，如造巖礦物顆粒的某種定向排列等，故必會呈現(xiàn)出介質(zhì)物理參數(shù)的各向異性.當今越來越多的高精度地震勘探資料和實驗室?guī)r石樣品測試結(jié)果都證實了地殼上部的沉積巖對地震波速度表現(xiàn)出明顯的地震各向異性[1-3］.為此，在我們討論“地球介質(zhì)和結(jié)構(gòu)各向異性與深層動力過程”之前必須對各向異性的定義、性質(zhì)與特征給出界定.

1）何謂各向異性？不同學科領(lǐng)域或同一學科領(lǐng)域的不同方面或分支對各向異性的定義并不盡相同.廣義上講，如果在同一位置測量介質(zhì)的物理量時會隨方向而變化，則稱介質(zhì)為各向異性介質(zhì).如果地震波速度隨觀測方向的變化而變化，即稱其為地震波速度各向異性.在地球物理學中，一般把各向異性用在波長范圍內(nèi)的探測（均勻介質(zhì)），也就是說是均勻介質(zhì)的性質(zhì)隨方向變化[3］.近來對非均勻各向異性介質(zhì)中地震波的傳播特征也有些研究[4］.地球物理學中介質(zhì)各向異性的尺度是可變的，它與所采用的波長有關(guān)，對于地震波可以是幾十米或上千米，聲波測井為幾分米，而實驗室超聲波測試則僅為幾毫米[5］.

2）巖石物理屬性與各向異性.巖石物理性質(zhì)（其中包括介質(zhì)的各彈性模量、地震波速度等）的各向異性有兩種形式[5-6］，即準各向異性（橫向各向同性）和各向異性.準各向異性是表面上的各向異性，在高壓下這種各向異性可以消失，例如由各向同性介質(zhì)的層理引起的各向異性，當壓力高于1GPa時，層理被強烈地壓縮，巖石實際上變成各向同性體了.橫向各向同性介質(zhì)的主要特征是具有一個無窮旋轉(zhuǎn)對稱軸，在垂直于這對稱軸任一方向上的彈性參數(shù)相同，因為介質(zhì)的各向異性與巖石成分中所含礦物的類型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān).介質(zhì)中地震波速度的各向異性主要是由巖石礦物的定向排列引起的，這些礦物的彈性特征在數(shù)值上依測量方向的不同而會有很大差別，如層狀硅酸鹽（黑云母等）礦物，其縱波沿層理傳播的速度往往要比沿垂直層理的方向高.而與巖石中礦物定向排列有關(guān)的速度各向異性在高壓條件下仍可以保存.

3）地震各向異性的表征.當?shù)卣饳M波（S波）入射到各向異性介質(zhì)時，便可分裂產(chǎn)生兩個傳播速度不同的橫波，而且其速度隨方向發(fā)生變化，一個為近似于SV波，稱為快橫波，另一個為近似于各向同性介質(zhì)中的SH波，稱為慢橫波.它們在介質(zhì)中的傳播過程和到時均存在有差異（圖1）.

圖1 地震橫波分裂現(xiàn)象示意圖Fig.1 Schematic diagram for S wave splitting

地震波速各向異性的程度通常是用橫波分裂的兩個速度差除以最大速度或最小速度的百分比來表示；對于縱波，常用它的最大速度與最小速度的差值除以最大速度或最小速度或平均速度.其表達式為

4）地球內(nèi)部介質(zhì)各向異性觀測的波場效應.地球內(nèi)部介質(zhì)的各向異性現(xiàn)象觀測主要集中在地殼、上地幔（淺部220km的范圍內(nèi)）和地核[7-14］.

（1）方位各向異性——地震波速度隨傳播方向發(fā)生變化；

（2）橫波分裂后產(chǎn)生S1波和S2波——兩種偏振的S波以不同時間到達；

（3）勒夫波和瑞利波頻散之間的不一致性；

（4）薄互層與裂隙定向分布產(chǎn)生的視各向異性等.

地震波在各向異性介質(zhì)中的傳播是當今地震學研究中倍受關(guān)注的前沿課題之一，同時也是地震學研究的難點之一[15-16］.地震波各向異性的觀測結(jié)果可以提供地下礦物的性質(zhì)、各向異性介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地球內(nèi)部物質(zhì)的流動和運動方式等多元信息，是對地球內(nèi)部動力學過程響應的反映.因為地震波各向異性與地下構(gòu)造密切相關(guān)，所以它在了解地殼、地幔的演化中起著越來越重要的作用[15，17］.對于地殼和地幔深處巖石縱、橫波各向異性（橫波分裂）現(xiàn)象，不少人都做過實驗研究[7-10］和理論分析[11-13，16］并取得了重要認識.自1975年在巴黎進行了第一屆地震各向異性會議以來，每隔2年左右召開一次全球會議，現(xiàn)已召開了14次，一大批與此相關(guān)的科學家們在促進這一事業(yè)的發(fā)展中付出了艱辛努力[18］.但應當承認，當今對各向異性的理解，特別是應用、推廣和取得效應上還有一段艱難的路要走.

基于上述看法，本文主要討論以下問題：

1）地震各向異性研究和全球歷次地震各向異性會議的主體內(nèi)涵與問題；

2）地震各向異性的成因；

3）地震各向異性的幾個重要方面與響應；

4）地震各向異性研究在地球物理學發(fā)展中的作用和今后任務.

2 地震各向異性研究方法、內(nèi)涵和世界上各次地震各向異性會議的主體內(nèi)涵與問題

在地震各向異性研究中，地殼和上地幔介質(zhì)組分與地震波速度各向異性程度取決于巖石中顆粒的形狀、結(jié)晶的優(yōu)選方位、裂隙的尺度、形態(tài)和空間分布、以及不均勻成層性等決定著地球內(nèi)部介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的各向異性.為此，不論是在理論、還是觀測、還是實驗等方面，各國地球物理學家們均做了大量工作.這是由于沉積建造、地殼和上地幔介質(zhì)均具有彈性波速度各向異性和晶格的優(yōu)選方位.

2.1 地球內(nèi)部介質(zhì)與結(jié)構(gòu)地震各向異性研究的方法與途徑

1）在地震波速度各向異性方面主要是要進行高精度的三分量地震觀測或多方位的地震觀測以取得高采樣率和高分辨率信息.為此可利用多波多分量觀測以取得不同方位的觀測記錄到的地震波場響應；利用不同方位記錄的地震P波和S波進行偏振效應和速度計算，以求得地震波場的各向異性程度.2）在礦物晶格優(yōu)選方位與地震波傳播速度各向異性研究中的常用方法為，高溫高壓條件下直接測量天然變形巖石樣本在幾個不同方向上的超聲波速度，利用單晶體彈性剛度系數(shù)和礦物晶格優(yōu)選方位（組構(gòu)）計算在礦物集合體上的地震波速度變化.

3）地震各向異性的主要應用領(lǐng)域為：地球內(nèi)部層、圈介質(zhì)與結(jié)構(gòu)，高精度油、氣、煤的地震勘探和開發(fā)（包括裂縫和油井壓裂效應的甄別）；在工程與國防建設中，如大型工程建設的基底穩(wěn)定性、橋梁涵洞和核電站、海底軍事工程、實驗與核儲藏……等.

2.2 世界上各次地震各向異性會議的主體內(nèi)涵和問題

這里簡單概述一下世界上各次地震各向異性會議（WSA）的基本內(nèi)涵，以了解這一學科領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展沿革[18］.

1）IWSA-1.第一次會議1975年在巴黎召開，1977年由美國地球物理學會在Journal of Geophysical Research（JGR）上出版文集匯編，主要研究內(nèi)容為：（1）成層各向異性介質(zhì)模型的理論地震圖；（2）兩個海域地區(qū)Pn波速度結(jié)構(gòu)與上地幔各向異性觀測；（3）高階面波頻散與各向異性觀測；（4）理論地震圖與S波分裂的首次提出.

2）IWSA-2.1982年在前蘇聯(lián)蘇茲達爾（Suzdal.USSR）召開，1984年由美國地球物理學會在JGR上出版文集匯編，主要研究內(nèi)容為：（1）P波速度各向異性的野外和實驗觀測；（2）彈性介質(zhì)的破裂鏈計算；（3）識別小地震剪切波窗的重要性；（4）提出在很多地殼巖石中存在微破裂鏈；（5）破裂介質(zhì)中地震波傳播行為的檢驗；（6）破裂介質(zhì)理論地震圖中S波分裂顯示；（7）地殼與上地幔介質(zhì)中的S波分裂觀測.

3）IWSA-3.1986年在前蘇聯(lián)莫斯科（Moscow.USSR）召開，1987年由美國地球物理學會在JGR上出版文集匯編.主要研究內(nèi)容為：（1）地殼中的P波各向異性觀測；（2）怎樣利用S波分裂進行地震預報的思考；（3）地震勘探中Thomson參數(shù)的確定；（4）三維各向異性層中波傳播的雙重積分法.

（4）IWSA-4.1988年在美國伯克利召開，1990年由美國地球物理學會在JGR上出版文集匯編.主要研究內(nèi)容為：（1）在野外和實驗室進行各向異性研究；（2）第一次嘗試S波分裂的自動測量；（3）第一次提出流體介質(zhì)中微破裂與破裂之間的關(guān)系和范圍；（4）兩次地震前S波分裂時的延時增加；（5）各向異性層狀介質(zhì)模型理論地震圖的雙重積分.

5）IWSA-5.1990年在英國愛丁堡召開，1991年由美國地球物理學會在JGR上出版文集匯編，主要研究內(nèi)容為：（1）10年來S波分裂研究的回顧；（2）地震波在介質(zhì)破裂鏈中傳播的綜述；（3）VIT裂隙各向異性介質(zhì)中S波異常識別；（4）S波異常理論地震圖標示的90°跳躍和振幅異常；（5）巴黎盆地井中VSP觀測和S波異常效應模擬；（6）S波分裂和P波速度各向異性觀測論文大量提出；（7）S波分裂用于大量破裂巖石中的水平鉆井導向；（8）各向異性記錄剖面處理與線性轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展.

6）IWSA-6.1992年在加拿大班府（Banff.Canada）召開，1993年由美國地球物理學會在JGR上出版文集匯編，主要研究內(nèi)容為：（1）提出微破裂和裂隙乃是S波分裂之源；（2）破裂鏈綜合效應的參量域；（3）多項計算理論地震圖技術(shù)的提出；（4）S波分裂與碳氫化合物預測的相關(guān)度；（5）井中VSP測量和理論地震圖計算與各向異性歧點.

7）IWSA-7.1994年在挪威特龍黑姆（Trondheim.Norway）召開，1995年由Seismic Anisotropy Soc.出版文集匯編（Expl.Geophys.：1—763），主要研究內(nèi)容為：（1）Lord Kelvin水平背景；（2）提出研究狀況的數(shù)字；（3）S波分裂的非線性響應比常規(guī)的波速和模量更敏感.

8）IWSA-8.1996年在美國邁阿密召開，2001年由Adamancy Anisotropy Soc.出版文集匯編（Expl.Geophys.Open File Publ 5：1—322），主要研究內(nèi)容為：（1）各向異性頻率響應，在超聲頻和常頻（Walkway VSPs）下頁巖內(nèi)在各向異性之間的綜合差異；（2）各種理論和實驗研究.

9）IWSA-9.1998年在法國布塞恩斯（Boussens.France）召開，1998年出版文集匯編（Rev.Inst.France.Pet 53：539—763），主要內(nèi)容為：（1）地震波傳播的理論和處理技術(shù)；（2）提出空間裂隙關(guān)閉的臨界系統(tǒng).

10）IWSA-10.2000年在美國休斯頓召開，由Adamancy Anisotropy出版文集匯編“Fracture，Converted Waves and Case Studies”（Soc.Expl.Geophys.Open File Publ 6：1—425），主要內(nèi)容為：（1）振幅變化與補償和P波轉(zhuǎn)換為S波（文章多）；（2）TIV介質(zhì)中的數(shù)據(jù)處理（文章多）；（3）冰島西南M5地震斷層的時間偏移與應力預測；（4）破裂空間范圍與支撐證據(jù)的臨界系統(tǒng).

11）IWSA-11.2002年在德國圖青（Tutzing.Germay）召開，由 Appl.Geophys.（54：161—454）出版專集，主要內(nèi)容有：（1）頻率域各向異性理論和觀測；（2）典型鉆孔應力監(jiān)控形成的敏感性臨界系統(tǒng)證據(jù).

12）IWSA-12.2004年在加拿大紐芬蘭召開，于2006年出版地球物理摘要集（2006Abstracts in Geophysics，71：13JF-29JF）.主要內(nèi)容有：（1）各向異性頻散理論；（2）黏彈性介質(zhì)中地震波的傳播；（3）破裂介質(zhì)中地震波傳播；（4）SMS的敏感性表明GEMS為全球SMS觀測臺網(wǎng)與破壞預測.

13）IWSA-13.2006年會議在中國北京召開，于2009年由J.Seism （13：181—311）和J.Seism.Explor.出版文集匯編，主要內(nèi)容集中在：（1）多篇文章為VTI介質(zhì)各向異性效應的數(shù)據(jù)處理和分析；（2）方位資料的擴展與共偏移距—共方位；（3）吸收介質(zhì)差異各向異性的信息的走時測量；（4）地球物理學研究中的新方向與地殼介質(zhì)地震各向異性（飽和流體中微破裂和碳氫化合物測量）及綜述.

14）IWSA-14.2008年會議在美國科羅拉多礦業(yè)學院召開.會議主要討論了7個方面的議題：（1）巖石物理學及裂縫模擬；（2）射線理論以及方位各向異性中的P波處理；（3）衰減各向異性和尺度效應；（4）各向異性的理論與歷史；（5）TI成像和速度分析；（6）應力誘導地震各向異性和時間推移；（7）微地震和剪切波分裂.

這14次地震各向異性會議的簡單內(nèi)涵和發(fā)展概況說明：地震各向異性有其本身的發(fā)展沿革和內(nèi)涵的深化過程，如今已受到地球物理學界的關(guān)注，而且由理論逐漸向應用和取得實效發(fā)展.深化認識地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、屬性和其在油、氣勘探中的效應將會是這一領(lǐng)域的主導.同時人們也應當看到，每次參加會議的人數(shù)基本上保持在30～50人左右，且多偏重于基礎(chǔ)研究與方法探討.盡管在應用方面已逐漸提及，但在總體上尚未取得實質(zhì)性的成效和應用.

那么，為什么會出現(xiàn)這樣的一種格局呢？從認識論來分析，主要是由于：

1）科學本身發(fā)展的階段性、研究的深入度和其本身尚存在著一定的局限性，即不論是在觀測上、反演方法上、還是在解釋技術(shù)上尚未形成可供操作的適宜體系或模塊.

2）科學發(fā)展與實踐需求的緊迫度尚未完全到位，所獲信息尚不能使人們從中提取急需的“必然”要素，如提高對構(gòu)造和巖性的分辨率，對油、氣開采采收率的效應等.

3）人們在認識上的必然過程和對科學發(fā)展動向預見性方面的傳統(tǒng)框架與約束.

基于上述，在建立地球基本模型的基礎(chǔ)上，在地球深部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，深層過程及其動力學的研究和探索中，各向異性的存在及其所給出的地球內(nèi)部復雜介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的圖像已不可忽視.在當今國內(nèi)、外的地球物理研究中，在金屬礦產(chǎn)資源，油、氣、煤能源，強烈地震活動以及核幔邊界的動力學研究中已分別或局部顯示出各向異性效應的作用[19］.當今，我們可以預測：在21世紀的中葉前后，在地球科學領(lǐng)域里，介質(zhì)屬性與各向異性必將會成為資源勘查和殼、幔、核介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地幔對流和深部物質(zhì)與能量的交換及其深層地球動力過程研究中的前沿和生長點之一！當必會引起更多的地球物理學乃至地球科學界的廣為關(guān)注和應用.

3 地震各向異性的成因分析

沉積建造和地殼介質(zhì)中S波分裂主要是由裂隙和充滿流體的裂隙造成的.分裂參數(shù)不僅具有橫向變化，且隨著深度而改變，這是由于裂隙尺度小且剛度低，故對局部反應敏感所致.引起地幔巖石介質(zhì)彈性各向異性的物理機制主要取決于晶格的優(yōu)勢取向（LPO）、特殊熔融物質(zhì)中巖漿囊的優(yōu)勢分布和巖漿運移，而橄欖巖中的LPO則應為上地幔各向異性的主要原因.但至今人們對其物理機制尚不十分清楚[15，17］.

地球介質(zhì)的各向異性本身恰表征著介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的復雜性和其在力系作用下的變異.從高溫高壓實驗方面來看，礦物晶格的優(yōu)選方位是產(chǎn)生地殼和上地幔地震波速各向異性的根本原因，而裂隙及孔隙流體對波速的影響顯著[5-6，21］，即是另一方面的原因.

3.1 固有的各向異性

它是介質(zhì)本身的結(jié)晶排列導致的各向異性，或是巖性與巖相各向異性產(chǎn)生的.但什么樣的機制能使晶粒形成優(yōu)勢取向呢？高溫高壓巖石學的研究結(jié)果表明：當巖石的變形主要是通過擴散蠕變進行時，巖石內(nèi)部的礦物不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，即不存在晶格優(yōu)選方向；但是當巖石變形是受位錯蠕變機制控制時，晶體的方位將會存在沿某一方向的優(yōu)勢排列.

圖2 上地幔橄欖石和斜方輝石的取向[26］Fig.2 Orientation of olivine and OPX in upper mantle[26］

1）地震波各向異性在很大程度上受地幔礦物晶格優(yōu)選方位的影響，優(yōu)選方位又受到礦物所處的應力、應變以及流動方向等條件的制約[25］.上地幔（淺部約220km深度范圍內(nèi)）介質(zhì)中最豐富、最主要的礦物是橄欖石，橄欖石晶體有明顯的速度各向異性，在常溫常壓下a[100］、b[010］和c[001］軸的P波 速 度 分 別為9.89km／s、7.72km／s和8.43km／s（圖2a）.在地球內(nèi)部某種橫向流動（板塊運動、地幔對流環(huán)的水平流向部分）的作用下，當巖石變形受位錯蠕變機制控制時，橄欖石晶粒會形成優(yōu)勢取向，其[010］軸與地球半徑平行，而[100］與[001］軸與地球半徑垂直，且[100］方向與流動方向一致，于是在地震觀測中就發(fā)現(xiàn)了地震波速各向異性——垂直方向要比水平方向低.但觀測到的波速各向異性與實驗室測得的橄欖石的波速各向異性有差異，這主要是由于斜方輝石礦物的存在造成的.

2）斜方輝石也是上地幔的主要礦物之一，它具有很大的P波各向異性和相對小的S波各向異性.斜方輝石三個主軸，即a[100］、b[010］和c[001］軸方向的P波速度分別為8.25km／s、6.92km／s和7.92km／s（圖2b）.橄欖石的c軸和斜方輝石b軸的近似平行于在Moho界面的平行平面內(nèi)，即其所推測的大洋中脊軸，橄欖石的a軸和斜方輝石的c軸近似平行于所推斷的海底擴張方向；橄欖石的b軸和斜方輝石的a軸則近似垂直于Moho界面.

3）控制上地幔介質(zhì)各向異性的礦物元素.以上結(jié)果表明，垂直方向上的壓縮波（P波）速度隨斜方輝石含量的增加而增加，而在水平方向上的速度和各向異性則隨斜方輝石的增加而降低.在天然橄欖巖中，橄欖石的優(yōu)勢取向比其它礦物都要顯著；同時由實驗研究和天然變形巖石的微觀結(jié)構(gòu)分析表明：在一個很寬范圍的條件下，橄欖石是最易變形和易于取向的上地幔礦物[21］，因此它控制著上地幔介質(zhì)的地震各向異性.

4）沉積建造與地震各向異性.對陸相和海相沉積巖（如頁巖等）來說[26］，巖性各向異性是產(chǎn)生地震波各向異性的主要機制.在重力作用下、在沉積過程中的物質(zhì)流動或塑性變形等條件的制約下，被拉長、壓平的晶粒將會產(chǎn)生優(yōu)勢排列，從而使我們在地震觀測中看到橫向各向同性的現(xiàn)象.

3.2 次生各向異性

當裂隙和孔隙的分布具有方向性，則會產(chǎn)生次生的各向異性.

在地殼淺層（3～5km），由于巖石中存在大量的裂隙及孔隙流體，它們對地震波速度的影響很顯著.在構(gòu)造力系作用下，地殼淺層的裂縫和孔隙通常均具有某種優(yōu)勢方向，故會導致地震波速度沿不同方位的變化.例如，呈線狀分布的微裂隙是產(chǎn)生地殼地震波速度各向異性的主要原因.對花崗閃長巖和石英巖的速度各向異性的研究表明：在大氣壓和低靜水壓力下，扁平狀裂隙和它們的優(yōu)勢取向?qū)Φ貧r石中的波速各向異性起著主要作用.

固有各向異性和次生各向異性是形成地震波各向異性的兩個主要原因.近些年來在石油和天然氣地震勘探中已在利用多波多分量觀測，即從轉(zhuǎn)換波PS來分析S波的分裂、偏振和成像.但在總體上，目前對由定向排列的微裂縫、裂隙及由孔隙引起的地震波速各向異性的研究還不太多，故尚待更多數(shù)據(jù)的積累、分析和深化理解，以達逐步進入產(chǎn)業(yè)化.

3.3 中、下地殼介質(zhì)變質(zhì)程度各向異性

這有利于利用各向異性來推斷一些造山帶、伸張帶和走滑斷層構(gòu)造運動的方向（圖3），挪威霍查爾地區(qū)的實驗證明[28］，造山帶剪切型榴輝巖具有各向異性特征，且為良好的地震反射界面，并形成殼、幔地震波傳播速度過渡帶.我國云南昆明地區(qū)Pn波視速度方位研究表明[27］，Pn波快速方向與該區(qū)構(gòu)造帶地殼構(gòu)造運動的方向一致，其方位各向異性異常則是由于地殼運動，牽引伸長變形而導致了上地幔橄欖石的優(yōu)選取向所致.

另外在板塊構(gòu)造的俯沖帶確會產(chǎn)生一定程度的地震各向異性，在消減面上a軸和c軸方向為高速，而近似垂直于消減面則為低速度（b軸）.顯見，消減帶橄欖石取向和成層性乃是產(chǎn)生各向異性的主要原因.

4 地震各向異性的幾個重要方面與響應

為了說明地震各向異性的特征和其在地球物理學各個分支中的作用，本文將舉出幾個實例來闡明其作用和意義.

4.1 地殼與地幔結(jié)構(gòu)中的地震各向異性

1）地殼與地幔介質(zhì)屬性、巖相與結(jié)構(gòu)特征、構(gòu)造環(huán)帶、層序劃分均非人們所想象的那樣，即可視為“板層疊置”或彎曲與規(guī)則的幾何錯綜排列.實際上是極為復雜的（圖4），只要仔細觀察一下殼內(nèi)介質(zhì)的交錯分層、不同尺度的巖相變化、殼幔邊界的Moho界帶屬性和上地幔蓋層高、低速相間的薄層束組構(gòu)等便可一目了然了！為此在實際介質(zhì)中，其地震各向異性當必是十分強烈而錯綜的.

2）不論是沉積建造、上中下地殼、地幔蓋層、上下地幔（包括上地幔軟流層）和410km、670km間斷面，以及核幔邊界與D″層的屬性和結(jié)構(gòu)都是極不均勻的、復雜的、各向異性的.實驗結(jié)果表明，外核流體的化學反應與地幔最下部的結(jié)晶硅酸鹽有關(guān).它們的地震波速度在側(cè)向與水平方向變化達1%～10%，而電導率的變化則可達它的2～4倍，電導率的變化當必會導致地核的磁場變化，而在D″層區(qū)內(nèi)磁擴散時間的范圍為＜101／a到102／a.顯然電導率和地震波速度的變化均會表現(xiàn)出強烈的各向異性.D″區(qū)電導率的各向異性和不均勻性能使地磁場發(fā)生變異.

由圖5可見，核幔邊界之間會產(chǎn)生富鐵合金混合物，電導率區(qū)（黑色）和高硅酸鹽區(qū)，高絕緣區(qū)（亮區(qū)）.它們以地幔對流為背景運移，并形成D″層和形成側(cè)向厚度變化由0到500km或更大的非均勻區(qū).盡管在反應區(qū)內(nèi)來自地核的液態(tài)合金是少量的，其初步的結(jié)晶合金和硅酸鹽反應會導致地漫流與上涌，并形成D″層的不均勻性和各向異性的強烈變化.對流條紋圖在下地幔底部呈水平薄片層束狀.

圖5 核幔邊界（CMB）和D″層區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖[30-31］Fig.5 Schematic diagram for CMB and D″layer[30-31］

由于核幔邊界是一個熱動力邊界層，它是地幔下降流和上升流的交替層圈部位，故應為一強烈的各向異性層位（圖6）.這是因為地幔的上升流源于核幔邊界，且可上涌到地殼淺處，而來自歐亞大陸—澳大利亞地域的地幔下降流和北美—南美洲的地幔下降流則可抵核幔邊界（2900km深處，135GPa壓力）[32］.地幔內(nèi)部物質(zhì)與能量的強烈交換導致了地球上的超級地幔柱（冷、熱）、陸內(nèi)板塊、大洋中脊、俯沖與消減帶等巨型構(gòu)造界與構(gòu)造體的呈現(xiàn)和分布，并對它們起著影響和控制.全球地震層析成像表明地幔介質(zhì)中的地震波速度呈高速和低速異常，這表征著其物質(zhì)的物理屬性變異.同時也說明地球內(nèi)部的物質(zhì)由深到淺、由淺及深均可穿越410km和660km間斷面（13～22GPa）地幔轉(zhuǎn)換帶.這一現(xiàn)象證實了轉(zhuǎn)換帶邊界不能阻止地殼內(nèi)部大規(guī)模物質(zhì)的向上和向下運移，故對全球地球動力學環(huán)境和模型應當重新給予厘定.

3）地球內(nèi)核介質(zhì)結(jié)構(gòu)與各向異性

關(guān)于液態(tài)外核（厚度為2270km）和固態(tài)內(nèi)核（半徑1220km）的問題多年來地球物理學家們不斷地進行了一系列重要探索（圖7）[34］.基于世界各地地震臺網(wǎng)所記錄的核爆炸激發(fā)的地震波及其穿越核、幔介質(zhì)的射線路徑和地震波場的動力學特征，并求得：

（1）地球內(nèi)核存在各向異性.地球內(nèi)核中地震波速度具有軸對稱各向異性，且內(nèi)核的對稱軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合，但各向異性對稱軸與地球自轉(zhuǎn)軸間不會偏離太遠，約僅10°的夾角.

（2）由于固態(tài)內(nèi)核各向異性軸相對內(nèi)核本身不會有明顯的變化，故各向異性快軸方向的變化只能是由內(nèi)核整體旋轉(zhuǎn)所致.盡管內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)速率存在差異，然而內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)方向?qū)奢S則是一致的.

（3）內(nèi)核的差異旋轉(zhuǎn)速率為1.1°／a[34］和（3.02±6.43）°／a[35］.盡管后者幾乎為前者的三倍，但卻表明了差異旋轉(zhuǎn)的真實存在.

（4）地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)機制探索發(fā)現(xiàn)，內(nèi)核旋轉(zhuǎn)與地球發(fā)電機理論和地磁場成因密切相關(guān).

4.2 青藏高原定日—青海格爾木地帶的深部地震探測與地震各向異性

青藏高原由雅魯藏布江縫合帶、班公—怒江縫合帶、瀾滄江縫合帶、金沙江縫合帶、東昆侖南坡縫合帶、甘孜—理塘縫合帶和阿尼瑪卿縫合帶分割成為喜馬拉雅塊體、拉薩波密塊體、羌塘塊體和柴達木塊體，呈現(xiàn)出在多元力系作用下形成的復雜構(gòu)造及塊體界帶.

圖6 地球內(nèi)部超地幔柱和超級俯沖（或冷下沉）與地幔對流模式[33］Fig.6 Major convection pattern of the Earth′s mantle showing super plumes and one super-down welling[33］

圖7 地球內(nèi)核差異旋轉(zhuǎn)運動示意圖[34］Fig.7 Schematic diagram for the differential rotation of the inner core of the Earth[34］

4.2.1 天然地震臺站位置與記錄

近20年來，我國與世界許多國家在青藏高原進行了地球物理合作研究.1980年中國與法國首先合作，后來于20世紀90年代中美合作又實施了INDEPTH項目.1992—1994年中法合作在定日—格爾木布設了天然地震臺（圖8）并進行了兩年的野外觀測，隨后進行了多期次的資料處理和分析[36-39］.

圖8 西藏定日—青海錫鐵山便攜式地震臺站位置圖（1992—1993）三角形為三分量儀器位置，黑點為單分量儀器位置.Fig.8 Location map of the portable seismic stations from Dingri，Tibet to Xitieshan，Qinghai（1992—1993）Triangles：instruments of 3components；Black dots：instruments of 1component.

在前后數(shù)年內(nèi)布設的這一系列天然地震觀測臺站記錄了周邊地域大量的地震事件，不僅記錄了清晰的地震P波到時，還記錄到了S波和轉(zhuǎn)換波PS、SKS、PKS、SKKS等震相.利用這些資料進行的數(shù)據(jù)處理和反演獲得了青藏高原深部殼、幔介質(zhì)的許多新信息.

4.2.2 殼、幔介質(zhì)的各向異性分析

SKS和PKS震相和其表征的各向異性乃是由核幔邊界（D″層）到地面接收點介質(zhì)中傳播，即為在其傳播路徑所經(jīng)介質(zhì)中任何一點位置上各向異性影響的總和，不過，越來越多的學者傾向于各向異性主要是由上地幔橄欖石晶體優(yōu)勢排列所致.大陸內(nèi)部引起橄欖石晶體優(yōu)勢排列的可能性有下面兩種：一種是由于碰撞造山運動的擠壓應力作用引起地殼和上地幔介質(zhì)產(chǎn)生統(tǒng)一的變形所致.此時橄欖石晶體b軸方向（SKS慢波偏振方向）傾向于與最大縮短方向一致，而明顯增加橄欖石晶體的六邊形需要大于1100K的高溫，該溫度相當于穩(wěn)定大陸巖石圈的下界面溫度.所以對穩(wěn)定大陸來說，這種優(yōu)勢排列方向反映出在上一次造山運動中巖石圈固結(jié)時的流變方向，即所謂“化石各向異性”[37-38］.對于現(xiàn)在的深部物質(zhì)與能量的強烈交換區(qū)，這種優(yōu)勢排列格局是地殼和上地幔正在進行的變形過程的反映.另一種可能性是上地幔對流作用所致[38］；這時橄欖石晶體的a軸（SKS快波偏振方向）與上地幔剪切的流動方向或上地幔驅(qū)動下的絕對板塊運動方向相一致（圖9）.

1）地震各向異性特征

由圖10可見，雅魯藏布江以南，即喜馬拉雅塊體各向異性為N30°W；拉薩—波密塊體則主要為NEE與近EW向；班公—怒江塊體為NE向；巴顏喀拉—松甘塊體為NE向—NNE向，即依各向異性狀況基本上以縫合帶為界.這表明不同塊體在統(tǒng)一力系作用下，其殼幔物質(zhì)的運移有時是會存在一定的差異性特征.

2）各向異性差異與高原腹地的深部物質(zhì)流動

由圖10可見，在印度河—雅魯藏布江碰撞、擠壓過渡帶以南一致為N30°W，以北為N60°—70°E，它與地表地質(zhì)構(gòu)造所表示的南北向擠壓縮短、東西向拉伸方向既不相平行，也不相互垂直.因此，不應完全歸因于地殼上部的影響，而解釋為受地殼深部物質(zhì)分異、調(diào)整和運移的影響可能更為合理.由于印度河—雅魯藏布江碰撞、擠壓過渡帶南北兩側(cè)各向異性近于相互垂直，若N30°W是印度板塊飄曳在上地幔軟流層上，且驅(qū)動其向北移動，則雅魯藏布江以北N60°—70°E恰是歐亞大陸在印度次大陸擠壓作用下發(fā)生側(cè)向剪切流動的方向.這也就是說：印度洋板塊在向西藏高原深部俯沖時并不是垂直下插、而是斜切，故導致了西藏高原處于側(cè)向壓力作用下，并呈現(xiàn)自南向北減弱.所以，盡管青藏高原內(nèi)部各塊體呈近東西向相互拼貼，但其間則均被剪切斷裂所分隔[35］.

3）羌塘塊體的地震各向異性特征.羌塘盆地Sn震相的缺失已為人們所共識并十分關(guān)注.大量的地震觀測資料表明，該區(qū)可能缺失高速上地幔蓋層，而在青藏高原其它區(qū)域則廣泛存在[39］，并具有薄的巖石圈厚度[43］，高熱流值和低地震波速度.地震各向異性結(jié)果反映出該區(qū)所對應的最大NE向各向異性強度與地表構(gòu)造存在明顯的不一致.這很可能是由地殼內(nèi)部或上地幔介質(zhì)中存在的層間滑動以及層間拆沉作用所致，并導致軟流圈物質(zhì)沿通道上涌.為此羌塘塊體上地幔物質(zhì)的流動方向，應為由陸-陸碰撞導致的側(cè)向剪切流動（N60°—70°E）方向，且與這種南北向物質(zhì)的流動方向相疊加.

圖9 三個臺站各向異性分析流程圖[36］（a）原始徑向分量（實線），切向分量（虛線）；（b）原始快波分量（實線），慢波分量（虛線）；（c）原始水平面內(nèi)的質(zhì)點運動軌跡；（d）各向異性影響改正之后的徑向分量（實線），切向分量（虛線）；（e）改正后的快波分量（實線），慢波分量（虛線）；（f）改正后的水平面內(nèi)的質(zhì)點運動軌跡.Fig.9 Flow chart of the anisotropy analysis of the 3stations[36］（a）Original lateral component（solid line），tangential component（dotted line）；（b）Original fast wave component（solid line），slow wave component（dotted line）；（c）Trace of the particle movement in original plane；（d）Lateral component after the anisotropy correction（solid line），tangential component（dotted line）；（e）Fast wave component after the anisotropy correction（solid line），slow wave component（dotted line）；（f）Particle movement trace after the anisotropy correction.

4）高原東北緣的各向異性與物質(zhì)流展

當在印度板塊與歐亞板塊兩陸—陸板塊的碰撞過程中青藏高原受到強烈擠壓力系作用而導致整體隆升時，青藏高原內(nèi)部各地體在南北向擠壓力系作用下，伴隨著高原的隆升和殼、幔物質(zhì)的運動，其運動方向明顯地受到剪切構(gòu)造力系的控制、且促使殼、幔物質(zhì)向兩側(cè)擠出.同時，在青藏高原東北部呈現(xiàn)出向東的擠出，如沿阿尼瑪卿斷裂帶在各向異性介質(zhì)中傳播的快速波偏振方向逐漸向北東向、東西向直抵阿尼瑪卿后轉(zhuǎn)而向東南方向運移（圖10），即呈現(xiàn)了殼、幔物質(zhì)向東南方向的流展勢態(tài)[45］.

圖10 青藏高原及其周邊地區(qū)剪切波各向異性圖[36-43］黑色線段的方向為剪切波快速波方向，黑色線段的長度為快速波與慢速波的相對時間延遲，即表示各向異性的強度.圖中所得結(jié)果通常為臨近2～3個臺站結(jié)果的平均值.Fig.10 Shear wave anisotropy in Qinghai-Tibetan plateau and its surrounding areas[36-43］Black lines in the map mean the direction of fast shear wave，length of the black lines means the relative time delay between fast and slow wave（strength of anistropy）.Results in the map are the mean value of 2～3stations.

5）高原內(nèi)部各塊體的各向異性方向與各塊體邊界的縫合線、斷裂帶及地表山脈走向完全不一致，這是由于各自受到不同應力作用的控制所致.在各塊體拼合以后其各向異性則是受北東向剪切應力的控制，而山系、斷裂帶及縫合帶則為在兩陸-陸板塊碰撞過程中受到南北向擠壓力系的控制.

顯然，高原腹地不同塊體之間的俯沖、碰撞以及各地體的邊界場效應均與大型走滑斷裂及其殼、幔物質(zhì)的各向異性密切相關(guān)（圖11）.

4.3 油氣田區(qū)深部裂縫導致的地震各向異性

在油氣田、煤田、金屬礦床地區(qū)、大型工程基底穩(wěn)定性等地域在其深部介質(zhì)和結(jié)構(gòu)中均存在著大小各異、走向不同、且充填物亦各異的裂縫或孔隙，這些裂縫—孔隙具有連通型和非連通型等.這些不同類型和性質(zhì)的裂縫與孔隙在地下深處的分布是隨機的，而最精細的地震勘探（包括三維、高密度、高頻等）的所求得的裂縫也只能是一個統(tǒng)計效應，只能求得具有一定寬度和深度的裂縫帶，即表征著其裂縫的綜合效應.這是由于當今的地震勘探技術(shù)尚不可能對地下深處的各類裂縫給予詳細分辨（包括不同走向、不同形態(tài)、不同充填物和其交錯的空間展布）.在研究裂縫的方法中除進行多波地震勘探外，還可以通過實驗、物理和數(shù)學模擬，在地震波場方面主要是利用P波、S波和轉(zhuǎn)換波，在應用上主要是提高裂縫帶和孔隙群的識別和對油、氣的采收率.當今中、外在利用PS型轉(zhuǎn)換波對裂縫的研究中乃屬前沿課題，而利用P和PS震相則可取得較好的分辨成效.

近年來，我國地球物理學家致力于多波地震勘探技術(shù)的理論與應用研究.中石油和中石化在長慶油田、大慶油田、蘇里格油田、四川新場、塔里木盆地等地采集了多塊多波資料，并投入相當?shù)娜肆臀锪M行多波多分量地震資料的處理和解釋方法等研究.橫波勘探和轉(zhuǎn)換波勘探具有采集費用低、資料信息量大、能夠描述儲層上、下和內(nèi)部構(gòu)造細節(jié)以及巖性組構(gòu)等長處，而且多波多分量地震勘探技術(shù)在P波、PS波信息的綜合效應能分辨許多構(gòu)造與巖性細節(jié)：如小構(gòu)造、小斷層的勘探、真假亮點的分辨、油氣飽和度的分析以及對各種類型裂縫性油氣藏的識別等，均顯示出多波多分量地震勘探技術(shù)較傳統(tǒng)的縱波地震勘探技術(shù)具有更強的優(yōu)勢[46］.

圖11 與青藏高原地體俯沖碰撞、走滑斷裂有關(guān)的各向異性特征[36］Fig.11 Characteristics of the anisotropy related to the collision and strike faults of Qinghai-Tibetan plateau block[36］

4.3.1 基本理論和方法

當S波在各向異性介質(zhì)中傳播時具有分裂現(xiàn)象，即各向異性介質(zhì)會改變S波的偏振方向.

1）理念

當介質(zhì)是方位各向異性體（對于直立平行裂縫系統(tǒng)，各向異性軸一般垂直于裂隙面）時，S波分裂為兩個偏振方向相互垂直的橫波并在各向異性體中傳播，一個是平行于最大水平應力軸方向偏振的橫波，稱為快橫波，另一個是垂直于最大水平應力軸方向偏振的橫波，稱為慢橫波.對于直立裂隙，快橫波的偏振方向平行于裂隙走向，而慢橫波的偏振方向垂直于裂隙走向.這一特征是利用橫波資料反演地下介質(zhì)裂隙的主要理論依據(jù).縱觀這一領(lǐng)域的發(fā)展[43］，Crampin提出了利用快橫波的偏振方向確定裂隙方向，而用快慢波的時差確定裂隙發(fā)育程度的思想[23，6］；Alford發(fā)展了利用一種震源—接收器旋轉(zhuǎn)技術(shù)來分離那些只有一個優(yōu)勢方向的方位各向異性區(qū)域中的兩類橫波[47］；Naville提出了一種利用兩個深度水平之間互相關(guān)的信號強化技術(shù)；Nicoletiy等提出了一種利用兩個線性獨立的震源偏振以獲得兩個深度水平之間傳輸算子的技術(shù)；Xiangyang Li提出了利用雙分量記錄反演裂隙方位的旋轉(zhuǎn)變換方法，并利用合成記錄與實際資料驗證了該方法在求取單組直立裂隙發(fā)育的效應[48］.自20世紀90年代以來，英國地質(zhì)調(diào)查局EAP項目組較系統(tǒng)地研究了儲層中裂隙發(fā)育的方位和密度、填充流體類型等儲層屬性及其在多波多分量地震波場中的變化特征；取得了轉(zhuǎn)換橫波各分量振幅、頻率和極性的相對變化，取得了識別裂縫發(fā)育方位、密度和填充流體類型等有效性認識.

2）HTI介質(zhì)中的S波分裂與各向異性

在地下深處介質(zhì)中存在著近于直立的裂縫，人們可以把這種介質(zhì)視為具有水平對稱軸的橫向各向同性介質(zhì)，即為人們通常所講的HTI介質(zhì).當橫波穿過HTI介質(zhì)時，如果橫波的偏振方位α與裂縫的走向β不一致時，入射的橫波在HTI介質(zhì)中的質(zhì)點震動就會分裂成兩個相互垂直的振動分量，以快慢不同的速度在HTI介質(zhì)中傳播，即產(chǎn)生橫波分裂（見圖1）.偏振方向平行于裂縫走向的橫波分量成為快橫波，以S1表示，快橫波以基質(zhì)速度（巖石骨架的速度）傳播；偏振方向垂直于裂縫發(fā)育方向的橫波稱作慢橫波，以S2表示，慢橫波以總速度（巖石骨架+裂縫中填充流體時的合成速度）傳播.S1和S2的偏振方向、傳播速度（或者時間延遲）、頻譜與振幅屬性受到裂縫走向、裂縫發(fā)育密度、裂縫中填充流體類型的影響.這兩種波在穿過HTI介質(zhì)后仍然可被地面安置的檢波器接收.多年的研究成果表明，通過對多波地震勘探資料中橫波分裂現(xiàn)象的法向和各種橫波分裂特征參數(shù)的計算和分析，可以監(jiān)測地下儲層裂縫發(fā)育的走向和裂縫發(fā)育的密度、辨別裂縫中填充的流體類型等，這對存在各種類型的裂縫型的油氣藏勘探和開發(fā)具有極其重要的價值.

在寬方位角多波多分量地震勘探中，轉(zhuǎn)換橫波穿過HTI介質(zhì)并發(fā)生橫波分裂后，波場振動能量在快橫波分量和慢橫波分量上的分配比例與炮檢觀測方位角相關(guān)[45］，即：

（1）當炮檢方位角α平行于裂縫走向β時，轉(zhuǎn)換橫波PS以未發(fā)生裂縫巖石中的較快速度傳播，并主要在徑向分量（指炮檢連線方位的記錄分量）上觀察到純快橫波能量S1，而在切向分量（指垂直于徑向分量的方向）上觀察到的慢橫波能量則趨近于零（理論值為零）；

（2）當炮檢方位角α垂直于裂縫走向β時，轉(zhuǎn)換橫波PS則以含裂縫巖石的較慢的速度（巖石骨架+裂縫中填充流體的總速度）傳播，在徑向分量上觀察到純慢橫波能量S2，而在切向分量上則觀察到的快橫波能量趨近零；

（3）當炮檢方位角α與裂縫走向β呈一定角度θ時（圖12），則在徑向分量、切向分量兩個水平分量上都能觀察到轉(zhuǎn)換橫波PS的能量，在徑向分量上接收到的轉(zhuǎn)換橫波PS能量和在切向分量上接收到的轉(zhuǎn)換橫波PS能量都隨θ角值呈周期性變化.徑向分量上轉(zhuǎn)換橫波PS同相軸的到達時間呈正弦變化，而切向分量上轉(zhuǎn)換橫波PS則每隔90°極性發(fā)生一次反轉(zhuǎn).

圖12 觀測方位、裂縫走向與橫波分裂的關(guān)系Fig.12 Relationship between observation azimuth，fracture direction and S wave splitting

顯然，可以將求取裂縫性儲層中裂縫走向和密度的問題轉(zhuǎn)化為求取快橫波的偏振方位角度β以及快慢橫波穿透地層時的傳播時間延遲量τ的問題[46］.

3）利用多波多分量資料檢測裂縫

由于S波穿過裂縫介質(zhì)時，即產(chǎn)生S波分裂，故必須清晰地分辨出快S1波和慢S2波，并求得其互相關(guān)的時間差τ=tS2-tS1（圖13）.基于S波的快、慢波時間場，即S1平行于裂縫，S2垂直于裂縫的響應，反演求得裂縫帶（系）的走向方位和密度.

P波和PS波技術(shù)的應用和分辨率.利用P波聲阻抗反演和利用轉(zhuǎn)換波聲阻抗反演結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換波對地下介質(zhì)層的刻畫不論是連續(xù)性，還是分辨率均高于P波（圖14），而基于地震各向異性則可以解釋與預測斷層或裂縫群的分布（圖15）.

基于快、慢S波的到時差異，可用以判別裂縫發(fā)育程度.

圖16為某勘探區(qū)的快S1波（圖16a）數(shù)據(jù)體與慢S2波數(shù)據(jù)體（圖16b）的剖面圖，圖中藍色線標注的是目的層的頂界，紅色線標明該層的底界.對圖16a與圖16b仔細分析可見，兩圖中地震反射波的目的層位到時存在明顯差異，說明測線所轄地帶目的層中的裂隙發(fā)育密度較大.

由某工區(qū)的快、慢橫波數(shù)據(jù)體上目的層位的時差分布圖（圖17）可見，顏色偏紅的區(qū)域代表快、慢橫波到時差偏大（裂縫發(fā)育），顏色偏藍的區(qū)域代表快、慢橫波到時差偏?。芽p不發(fā)育），圖中黑色箭頭均為給出的鉆井位置，SS201為干井，SS202與SS1為產(chǎn)氣井.

4.3.2 P波場與裂縫各向異性

基于地震波在各向異性介質(zhì)中的傳播與理論模型，在理論上P波當必可用于檢測裂縫，但由于各參數(shù)之間的關(guān)系不十分明顯，且其強度、偏移距——深度比和目的層厚度等因素所導致的波場特征參數(shù)之間的關(guān)系十分復雜，所以在實際應用中常以近似表達式來表述波的振幅，NMO速度和時間場等.在地震勘探中也應用AVO依P波檢測裂縫，但這對數(shù)據(jù)是有限定的：如應有較寬的方位角，足夠大的偏移距，故必須要進行保幅處理和分析方位角分布（即定義合理的方位角）或超道集（若CDP覆蓋次數(shù)過低，則不能滿足AVO要求時）.

圖17 某工區(qū)快慢橫波時差分布圖[46］Fig.17 Distribution of time difference in a work area[46］

若在某油氣田區(qū)選取-60°，-30°，0°，30°，60°，90°這6個方位，其角度-60°～-30°，-30°～0°，0°～30°，30°～60°，60°～90°，偏移距為 1000～2000m，在對該區(qū)地震資料進行保幅處理后，判別其波動振幅隨方位角的變化規(guī)律，以達通過AVO梯度、層速度、振幅和走時對裂縫進行預測（圖18）.

當在油、氣儲層上覆蓋有多層裂縫發(fā)育地區(qū)時，其每層介質(zhì)的裂縫發(fā)育方向會各異，這就需要解決多層HTI介質(zhì)中P波檢測裂縫的方法，即多層HTI介質(zhì)的剝離方法.為此可利用正交地震測線上P波方位時差響應（AMR）以實現(xiàn)多層HTI介質(zhì)中P波裂縫的檢測.

另外還必須充分認識到，利用各向異性速度分析得到的地震走時剖面不僅可以改善記錄圖上所顯示的同相軸的連續(xù)性，而且還可以使地震波場的有效信息能量在整體上得到加強，即可提高分辨率（圖19）.

4.4 強烈地震活動地區(qū)孕震介質(zhì)的各向異性

圖18 裂縫發(fā)育方位和密度的預測結(jié)果[46］（a）AVO梯度預測結(jié)果；（b）層速度預測結(jié)果；（c）頂界面反射振幅預測結(jié)果；（d）層間旅行時預測結(jié)果.Fig.18 Predictions of fracture directions and densities[46］

圖19 基于常規(guī)速度分析和各向異性速度分析的地震剖面[49］（a）常規(guī)速度分析；（b）各向異性速度分析.Fig.19 Seismic profile based on normal velocity analysis（a）and anistropy velocity analysis（b）[49］

現(xiàn)以唐山地震活動區(qū)為例來討論裂隙分布與各向異性.由唐山地區(qū)S波分裂的慢S2波時間延遲和快S1波偏振方向Pax軸及裂隙密度可見，唐山地區(qū)的應力場十分復雜，具有很強的局域特征，由于該區(qū)斷層分布錯綜，故各觀測臺站所呈現(xiàn)的分裂特征各異，且τ和Pax十分離散.

1）S波分裂與時間延遲校正.基于S2與S1之間存在明顯的到時差，而質(zhì)點運動又為非線性的，即呈橢圓偏振特征，故每組圖像的左邊為經(jīng)延遲校正后的情況，故這時的質(zhì)點震動明顯呈現(xiàn)出線性偏振特征（圖20）.

2）偏振圖像與唐山地震.S波分裂的兩個重要參數(shù)是τ和Pax，它們實為斷裂與構(gòu)造的復雜反映.在該區(qū)S波分裂的物理參數(shù)隨時間的變化顯示出應力場與地殼裂隙結(jié)構(gòu)隨時間的變化.這對地震預測有重要意義.顯見，在這一NE，NNE向，EW 向和NW向多條斷裂的交叉分布地域，S波偏振的特征圖像亦十分復雜.在相距很近（1～3km）的幾臺站范圍內(nèi)所求得的偏振效應卻差異顯著，如Ts01，Ts15，Ts19等，故推測這是臺站下面地殼應力場變異導致的（圖21），即可導致很小范圍內(nèi)應力方向的快速改變，而介質(zhì)的物理圖像則會對應力的變化產(chǎn)生快速反應，并在S波分裂的波場響應中反映出來.

4.5 云南復雜活動構(gòu)造地帶的地表各向異性

云南位于青藏高原東緣，由于受到兩陸—陸板塊碰撞、擠壓的作用，故構(gòu)造和地震均為強烈活動地帶，這里的偏振特征主要是近NS或NNW向（圖22，23）.

1）活動斷裂上地震臺站記錄的S波優(yōu)勢偏振方向存在明顯差異，反映了該地區(qū)構(gòu)造和地震均十分活動的特異各向異性表征.

2）平均快波偏振方向圖表明，活動斷層走向、GPS測量的變形速率區(qū)域、主壓應力方向和區(qū)域主壓應力方向一致.

3）有幾個臺站的快S波偏振十分復雜，且與活動斷裂走向、GPS測量的變形速率和主壓應力方向均不一致，這可能是由于這些臺站是安放在幾個斷裂的接合部位造成的.

由以上S波分裂為快S1波和慢S2波事件可見，通過它們的偏振效應、延遲時差、速度和方位變化等相應的效應分析，可以對沉積建造層序、裂縫與各向異性、地震強烈活動地區(qū)不同構(gòu)造地幔結(jié)構(gòu)的各向異性變化等進行研究和探索.這便為裂縫型油、氣勘探及采收率分析、地震活動地帶的監(jiān)測、構(gòu)造活動與板塊界帶及核幔邊界深層動力過程等研究給出了一個新的途徑，因此這一科學領(lǐng)域有著極為重要的發(fā)展前景！

4.6 地震各向異性與地幔對流和地幔熱柱

地球內(nèi)部物質(zhì)與能量的強烈交換、陸-海俯沖、消減、陸-陸碰撞等諸多的深層動力過程和大尺度的層析成像結(jié)果為殼、幔介質(zhì)中的超深俯沖、超級地幔熱柱和地幔對流軌跡提出了新的模型（圖6），即為對傳統(tǒng)的板塊構(gòu)造所理解的俯沖、消減和對流認識的挑戰(zhàn).因為核、幔邊界不僅是高速深俯沖異常板片的終極，也是低速物質(zhì)和超級地幔熱柱的源地.為此必須深化理解：

1）核幔邊界和D″層這一熱動力邊界層的地震各向異性可能與地幔冷柱下沉以及不同物理—力學屬性層束相關(guān).

2）440km和660km間斷面、即地幔轉(zhuǎn)換帶附近的地震各向異性更可能是全地幔對流和過渡層屬性變異所導致的，即地球內(nèi)部全地幔物質(zhì)運移應為巖石圈板塊物質(zhì)運動的根本所在.

3）地幔熱柱由源和上升通道及運移軌跡可能是由于流體與固態(tài)物質(zhì)之間的耦合、非均勻及非線性作用，以及溫度場、應力場、速度場等變異效應引起的.

圖22 云南地區(qū)快剪切波的極性分布[52］Fig.22 Distribution of the fast shear wave polarization in Yunnan area[52］

4.7 地震各向異性在地球物理學發(fā)展中的作用與今后的任務

Crampine對這一問題已給出了一些分析和闡述[53］，下面將在此基礎(chǔ)上[15，17］結(jié)合最新資料和現(xiàn)有認識來做一些討論.由于S波載有大量的信息，理論上只要有幾條沿重要結(jié)構(gòu)或構(gòu)造的射線路徑就能提供所經(jīng)過介質(zhì)的重要信息.而P波則不然，它需要多道由源至檢波器的射線路徑.本文以上已論述了橫波分裂的存在和其在油、氣田盆地地震勘探，地震“孕育”、發(fā)生和發(fā)展，地區(qū)、區(qū)域構(gòu)造地帶，地殼、地幔以及殼幔邊界研究中的作用與效能，那么在21世紀的初葉或中葉，要做些什么？可能做些什么？又有何預測呢？

4.7.1 理論與技術(shù)方法

1）S波分裂與參量計算.基于S波分裂為S1和S2后的衰減差異和速度各向異性和衰減各向異性之間的互易相關(guān).為此S波的多次分裂和在多層沉積建造，結(jié)晶基底，地殼、地幔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震各向異性的分離和層狀介質(zhì)中傳播時和在地震各向異性的分層以及綜合反演中，正確識別和建立理論與方法.基本模型則十分關(guān)鍵，為此在計算（反演）S波分裂與各向異性參量時，有兩種S波分裂參量可提供反演的可能性，一為導致S波分裂的偏振效應和兩個分裂S波之間的時間延遲，另一則為二者的組合，將會取得更為逼近的效應.

2）圖像識別與檢測.P波和S波分裂、參量計算及其與深層流體、應力場和礦物組分密切相關(guān)，故必須深化認識和厘定雙相介質(zhì)，多相介質(zhì)中地震各向異性理論，檢測與分析方法.由于S波分裂與復雜構(gòu)造匯聚格局相關(guān)，而且存在多次分裂及疊加，故檢測技術(shù)與方法和程序各異.這就必須建立起專門的模塊或軟件包，方可快速地評估區(qū)域性的橫波分裂與各向異性響應.在天然地震研究中，因為震源位置、機制和輻射圖像均為未知量，故應用神經(jīng)網(wǎng)絡體系等非線性系統(tǒng)的反演會有一定意義.

同時應當注意到要將測量的全波波形井下交叉成像與測井信息相結(jié)合以計算更加精確的定量層析成像，從而為研究儲層工程重要物理參數(shù)提供可能性.

4.7.2 檢測與記錄系統(tǒng)

1）野外觀測系統(tǒng)的設置.由于依據(jù)S波分裂資料所得目標層（體）內(nèi)各向異性信息量與各向異性對稱性和排列有關(guān)的路徑以及采樣的方位角和入射角范圍相關(guān)，所以優(yōu)化野外觀測系統(tǒng)是采集到精確數(shù)據(jù)之關(guān)鍵.通過地下三分量S波記錄裝置與觀測、以能對巖體內(nèi)部裂隙和應力狀態(tài)提供直接信息.在復雜情況下，可安置兩個或多方向激發(fā)與接收裝置以進行方位觀測和方向激發(fā)等.

圖23 云南地區(qū)快剪切波的平均極性及其與GPS測量、震源機制、區(qū)域主壓應力方向的對比[52］Fig.23 Average polarization of the fast shear wave and its comparison with the results of GPS measurements，focal mechanisms and regional principal compressive stress in Yunnan area[52］

2）井下S波源對研究介質(zhì)的各向異性有重要意義（如井中S波源與同井接收系統(tǒng)），而對S波“窗口”限定的突破對探討殼、幔精細結(jié)構(gòu)、資源、災害和動力機制（理論上S波“窗口”為35.6°，可考慮擴至45°～50°）有益.

4.7.3 油、氣地震勘探目標、預測與地震各向異性

1）波場響應與對油、氣運移的監(jiān)測.S波、轉(zhuǎn)換波和多波多分量觀測與各向異性反演（含能量衰減），以查明地下巖體裂隙排列，應力的空間分布和動態(tài)效應.預測地下油、氣在外力作用下的運移軌跡和其隨時間的變化及監(jiān)測.井下三分量或多分量觀測和井下激發(fā)震源與地面觀測的耦合效應以及場地井下狀態(tài)的實時“影響”，對研究裂縫取向、密度和其隨深度的變化與排列樣式以及油、氣開采過程中壓裂效應的地震監(jiān)測與采收率均十分重要.

2）多維觀測和油、氣運移軌跡.三分量四維和四分量四維陸地和海上觀測與成像，可以獲取油、氣儲層的詳細信息，而井中注入水、化學液劑或CO2對裂縫空間展布的判斷及監(jiān)測油、氣運移軌跡是有效的.

4.7.4 淺層工程與基礎(chǔ)穩(wěn)定性和軍事設施

工程建設中的隧道、壩基、橋基、大型工礦企業(yè)和發(fā)電廠（特別是核發(fā)電廠）建設過程中的基礎(chǔ)穩(wěn)定性監(jiān)測和建成后地質(zhì)體在受到人為和內(nèi)力作用下所發(fā)生的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，均須在其變異過程中進行監(jiān)測與防范.同時對地下、海底實驗場和重要物件存儲室（庫）的介質(zhì)屬性和在動力作用下的變化監(jiān)測必須給予必要的關(guān)注.

4.7.5 地震“孕育”、發(fā)生和發(fā)展的深部震源區(qū)介質(zhì)和結(jié)構(gòu)環(huán)境

由于天然地震震源為剪切位錯源已為大多數(shù)地震學家所共識，在地震記錄圖上往往有清晰的波動和較高的信噪比.為此，地震各向異性在研究地震的“孕育”、發(fā)生和發(fā)展的深部介質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境有著重要前景.

震源深處與震源周圍介質(zhì)與結(jié)構(gòu)屬性變異、裂隙分類和它們所呈現(xiàn)的應力應變場差異與各向異性效應在一般情況下是應當明顯的.但由于在較大地震發(fā)生前后應力、應變變化亦會導致介質(zhì)的裂隙排列、方向、密度和縱橫比值及其隨時間的變化.地震波在地震活動區(qū)穿過時會產(chǎn)生S波分裂、它和多次分裂及各向異性均會構(gòu)成在x、y平面上、構(gòu)造環(huán)境上和在深度z（縱向）方向的本構(gòu)關(guān)系.這便表明：井下應力應變增量—裂隙形成與發(fā)展—地震各向異性系數(shù)變化與地震波速度、衰減系數(shù)的變化有密切關(guān)系，故可以此為依據(jù)逼近地對地震發(fā)生和發(fā)展的時間進行預測.

4.7.6 地殼、地幔結(jié)構(gòu)和構(gòu)造與地震各向異性

1）海洋和大陸地區(qū)地震面波相速度和群速度與區(qū)域地殼地幔各層、塊之間的耦合和介質(zhì)各向異性的差異可進行定量或半定量的宏觀分區(qū).基于巖石（層）本構(gòu)結(jié)構(gòu)、屬性和外力作用效應與導致殼、幔介質(zhì)地震各向異性的主因和導因，要特別重視高溫高壓試驗與實際觀測資料結(jié)果的對比與耦合效應，即需進行地殼與上地幔各向異性成因與晶體巖石學的研究.這就要求對深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)、礦物與晶體排列、優(yōu)選方位、大型裂隙、斷層和拆離層地帶S波波場效應與各向異性特征，殼幔結(jié)構(gòu)及深部物質(zhì)上涌通道以及小斷裂和破碎帶給予厘定.

2）地震波速度（Vpi，Vsi）與Q 值和泊松比結(jié)構(gòu)與各向異性，它們表征著殼幔介質(zhì)在橫向的不均勻性，各向異性和非線性性，故板塊運移軌跡（含板塊俯沖帶，消減帶和大洋中脊）在總體上有一概略走向.然而在其間，特別是局部地域與其幾何邊界則是十分不同的.

4.7.7 下地幔與核幔邊界

地球內(nèi)部的溫度隨深度變化明顯，而深部介質(zhì)由于低速層的存在，熔融或半熔融物質(zhì)的存在和遷移狀態(tài)，且在力系作用下進行運移.其各向異性與潛在地幔熱柱和金伯利巖介質(zhì)中的裂隙、孔隙、流體和邊界場效應密切相關(guān)，故對殼幔邊界，上、下地幔過渡帶，核幔邊界（D″層）的物理屬性識別與地震各向異性的檢測乃深化認識地球本體的關(guān)鍵所在.

4.7.8 地球內(nèi)部地震各向異性與地球動力學

1）盡管地幔對流可以解釋很多現(xiàn)象，也得到很多人的共識，但地幔物質(zhì)的對流畢竟還是一個“猜想”，因為至今人們尚未能定量地檢測出其對流的過程與作用，亦尚難以給出一個包含運動學和動力學的基本模式.為此對其運移軌跡的監(jiān)測，哪怕是半定量的也是十分重要的.

2）地幔熱柱的“根”與“通道”的空間分布；410km，660km間斷面和核幔邊界各向異性的判別以及地幔熱柱上涌通道形態(tài)的探索；核—幔物質(zhì)運移與圈層耦合；深、淺構(gòu)造不統(tǒng)一效應與深部物質(zhì)與能量的交換乃深化認識和理解地球本體及其深層動力過程的必須.

3）在當今地球物理學研究的進程中，必須是理論、觀測和實驗三位一體的進程.為此，高溫高壓狀態(tài)下的多種巖石速度和Q值各向異性研究，及其深源包體和捕虜體的聯(lián)合分析和物理、數(shù)學模擬相結(jié)合乃是在對觀測結(jié)果解釋中必不可少的內(nèi)涵，盡管這仍只是逼近的.

5 結(jié) 語

地球內(nèi)部介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的各向異性問題在其發(fā)展的“征途”上經(jīng)歷了幾起幾落，進展緩快，距離實用尚有一段艱難的路要走.然而，地震波場各向異性的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和所取得的成就及其作用和前景已為地球科學界所共識.這是自1964年Hess發(fā)表第一篇文章闡明海洋中殼、幔介質(zhì)存在地震波速度方位各向異性[54］以及Crampin發(fā)表了在土耳其地殼中存在各向異性[53］以來地震學中最重要的發(fā)展之一.S波分裂攜帶著的介質(zhì)本體各向異性信息要比P波多得多，它能提供絕大多數(shù)其它地球物理方法所不能提供的有關(guān)“原地”巖體內(nèi)部介質(zhì)裂隙，礦物晶體排列和應力場特征的信息.它是使地球科學由宏觀走向微觀和深化認識介質(zhì)與構(gòu)造屬性的重要內(nèi)容.

盡管近半個世紀以來地震各向異性研究取得了較快發(fā)展，在理論與方法上取得了有成效的進步，但在應用上尚多為定性的或宏觀的判斷.由于觀測系統(tǒng)和記錄裝置以及在實測地震圖上的識別限制，導致對各向異性的分辨率尚不夠高.再加上至今對巖體（層）結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和巖相尚缺乏必要的物理學屬性了解，故在理論上、技術(shù)上、應用效果上均處于發(fā)展的過程與積累之中，還存在缺陷和有待對動力過程的定量解釋，即遠未形成“教科書”或通用的便于操作的集成方法.在它的發(fā)展進程中還要做很多艱苦細致的工作，才能使之在地球科學的發(fā)展、資源與能源的開拓、提高油、氣采收率、對自然災害的預測和防范、地球內(nèi)部物質(zhì)與能量的交換和其深層動力過程、以及深化對地球本體的認識等方面作出新的富有創(chuàng)新性的貢獻.

應當看到，地球內(nèi)部介質(zhì)的各向異性是地球科學前進中的難點與前沿，對各向異性的研究既是機遇，又是挑戰(zhàn).在各項異性研究領(lǐng)域里，必須充分認識到理論是具有重要指導意義的，也還必須指出的是：在深化對殼、幔、核介質(zhì)與結(jié)構(gòu)的地震各向異性研究中必須采集大量的數(shù)據(jù)[55-56］，這也就是說“可靠信息與信息量的獲得是頭等重要的，這是任何數(shù)學技巧所無法彌補的”.可以預計，為了深化對地球本體的認識，為了資源、能源、災害和環(huán)境研究的深入，21世紀的地球科學將必會是介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖相和深層動力過程的不均勻性和各向異性的發(fā)展時代！

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