田 鵬,楊周勝

（云南省地震局,昆明 650224）

0 引言

地震各向異性表現(xiàn)為地震發(fā)生后,地震波速度隨傳播方向的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。已有研究證明,地震各向異性主要由地球內部結構和物質組成引起的,廣泛存在于地球不同的圈層。剪切波分裂是介質存在各向異性最直觀的表現(xiàn),剪切波分裂分析方法已被廣泛用于殼幔介質的各向異性研究,得到的各向異性參數(shù)為研究區(qū)域應力場分布和斷裂活動特征提供依據(jù),為了解地球深部動力學演化過程提供信息。

1 剪切波分裂基本概念

剪切波分裂理論由英國地震學家Crampin在1985年首次提出。在應力作用下,地殼介質中廣泛分布著沿應力定向排列充滿流體的微裂隙。當?shù)卣鸢l(fā)生后,剪切波通過地球內部的介質向上傳播,平行于裂隙面的振動分量傳播速度快,垂直于裂隙面的振動分量傳播速度較慢,所以,在傳播過程中分裂為一個快剪切波和一個慢剪切波,同時得到快波偏振方向和慢波延遲時間兩個參數(shù)?？觳ㄆ穹较蚍从澄⒘严杜帕蟹较?總體上近似于最大主應力方向。慢波時間延遲能靈敏地反應微裂紋幾何結構的微小變化,當應力增加則導致微裂紋縱橫比增大,反映應力狀態(tài)的強度與效應[1]（Gao and Crampin,2008）。

區(qū)域最大主應力方向與應力變化,是影響地震發(fā)生的關鍵因素,雖然已有多種方法可對其進行研究,但目前對深部應力動態(tài)變化研究明顯不夠。運用剪切波分裂分析方法,可靈敏地反映深部應力變化情況,了解地震發(fā)生前后應力積累與發(fā)展過程,有效促進對構造運動和地球內部動力學過程等方面的研究。

2 剪切波分裂主要物理機制

地球內部不同圈層都能觀察到各向異性現(xiàn)象,集中在地殼、上地幔、核幔邊界以及內核（圖1）,但各個圈層形成機制不同[2]。剪切波分裂分析方法在研究地殼和上地幔各向異性應用最廣泛。

圖1 地球圈層結構以及各向異性示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of the earth's sphere structure and anisotropy [2]

2.1 地殼的各向異性

地殼的各向異性主要源于巖石中沿應力定向排列的微裂隙。Crampin1985年提出廣泛擴容各向異性（Extensive Dilatancy Anissotropy,EDA）,受應力影響,地殼中沉積巖、變質巖、火山巖都存在平行排列裂隙,剪切波穿過地殼產生分裂現(xiàn)象,剪切波分裂參數(shù)受裂隙物理性質影響,能靈敏反應應力的細微變化,快波偏振方向與裂隙排列方向一致,并與最大主壓應力方向一致。Zatsepin and Crampin1997年在EDA基礎上,加入了縱橫比參量,提出各向異性孔隙彈性理論（Anisotropic Poro-elasticity,APE）,是指在介質中均勻隨機分布著流體飽和微裂隙,不同取向的裂隙在受到應力作用時會產生不同效果,在相鄰裂隙之間形成孔隙壓力梯度,流體會沿著壓力梯度在這些裂隙中產生遷移,最終形成裂隙的定向排列[3]。在小應力條件下,裂隙縱橫比都能靈敏變化,解釋了橫波分裂參數(shù)隨時空變化的特征和剪切波分裂觀測結果的動態(tài)變化。

剪切波分裂分析方法研究地殼各向異性,主要是應用直達S波和Ps波震相。地震發(fā)生后,從震源發(fā)出的近震S波經地殼傳播后直達臺站,地殼中分布著流體飽和微裂隙,直達S波在穿過微裂隙時,分裂成平行于微裂隙的快S波和垂直于微裂隙的慢S波。S波快波方向反映區(qū)域主壓應力方向,慢波延遲時間反應小尺度范圍內地殼內部的應力狀態(tài)變化。由震源發(fā)出的遠震P波傳播到莫霍界面,轉換成S波到達臺站。通過P波接收函數(shù)方法可從遠震P波中分離出Ps震相,Ps波分裂出的Ps快波方向和Ps慢波延遲時間參數(shù)反映各臺站下方地殼各向異性特征[4]。

應力積累和變化有可能引發(fā)地震,亦可以改變震源區(qū)地殼中裂隙及其充填物尺度的變化。因此,研究地殼的各向異性能靈敏地反應地殼內部的應力狀態(tài)變化,了解地殼的巖石特性和裂隙分布,對地震的發(fā)生予以解釋,對地震活動性研究亦可提供幫助。

2.2 上地幔的各向異性

研究結果證明,上地幔頂部到深度410 km存在各向異性。上地幔各向異性主要源于地幔主要礦物橄欖石晶格的定向排列,但形成晶格結構定向排列過程存在著爭議。主要有三種觀點,即構造運動（例如造山運動、隆起、變形等）,板塊及其與相對靜止的地幔運動差異和巖石圈弱應力導致的應變。

剪切波分裂分析方法研究上地幔各向異性,主要是應用XKS波(sks、skks、pks)。地震發(fā)生后,從震源出發(fā)的S波或P波在經過液態(tài)外核時,都轉換為P波,當再次通過核幔邊界時又由P波轉換為只有徑向偏振的sks、skks、pks波,然后傳播到接收臺站（圖2）。如果核幔邊界到接收臺站存在各向異性,它將分裂為一個沿各向異性對稱軸偏振的快剪切波和一個與快剪切波垂直偏振的慢剪切波,質點運動由原來的線性偏振變成為橢圓偏振[5]。這些震相一般在震中距85°～135°,近似垂直入射,對地幔頂部有較好橫向分辨率,各向異性結果可與深部構造特性相對比。因此,研究上地幔各向異性,可分析地幔物質流動方向,推斷地球深部運動過程,有助于探討殼幔之間的耦合關系。

圖2 遠震震相（SKS、SKKS、PKS）射線傳播路徑示意圖[5]Fig.2 Schematic diagram of ray propagation path of teleseismic phases (SKS,SKKS,PKS) [5]

3 剪切波分裂分析方法

目前,用于剪切波分裂研究的數(shù)據(jù)分析方法有多種,常用的有波形互相關方法,切向能量最小化法,特征值最小化法,SAM方法。不同的方法其特點不同。波形互相關分析方法簡單,適合用于各種震相,穩(wěn)定性好,缺點是信噪比對計算結果影響較大。切向能量最小化法穩(wěn)定性好,用于地幔各向異性研究,但切向分量能量可能由多種因素引起,影響結果分析。特征值最小化法穩(wěn)定性較差。SAM方法是在相關函數(shù)分析基礎上提出的系統(tǒng)分析方法,是目前國內研究上地殼各向異性最常用方法之一[6]。

無論選擇哪種分析方法,為了獲得更準確的參數(shù),在選取波形數(shù)據(jù)時需要注意：

(1) 選擇高信噪比波形數(shù)據(jù)。剪切波信號容易受到地形、其他震相信號等的干擾。因此,欲得到更準確的剪切波信號,應選擇高信噪比的波形。

(2) 所選地震波形在剪切波窗口內,即地震波射線與裂隙面角度應在15°～45°,（1角區(qū)）。研究表明,在1角區(qū)范圍內的剪切波分裂時間延遲,對裂隙縱橫比相對敏感,故該范圍內能反映應力的變化。在2角區(qū)慢波延遲時間主要與裂隙密度有關,與地震發(fā)生沒有太大關系[1]（圖3）。

圖3 地地震波射線分區(qū)幾何示意圖[1]Fig.3 Geometry diagram of seismic wave ray division [1]

4 剪切波分裂分析方法的應用

4.1 研究殼幔介質各向異性

剪切波分裂分析方法運用于各個區(qū)域殼幔介質各向異性研究,其中青藏高原的殼幔各向異性一直是研究熱點,現(xiàn)已取得諸多成果。

4.1.1 地殼的各向異性

我國學者已用剪切波分裂方法研究不同區(qū)域地殼各向異性特征[7]。賴院根等[8]研究得出新疆伽師地區(qū)主壓力為近NS向,而在局部快波偏振方向主要為兩種,近NS快波偏振方向剛好在塔里木盆地北部邊緣向北運動較快的突出部位,而近EW快波偏振方向與向北運動相對較慢的凹陷部位恰好一致,可以看出塔里木盆地塊體在其北部邊界的伽師強震群區(qū)附近發(fā)生右旋運動,解釋了伽師地區(qū)在短時間內發(fā)生強震群的原因。對首都圈區(qū)域研究得到最大主應力方向為NE60～70°,但也受張家口—蓬萊斷裂帶控制的NW向局部應力的影響,且NW向局部應力對首都圈局部應力場具有重要控制作用[9]。吳晶等[10]（2007）亦用剪切波分裂方法對首都圈西北部地區(qū)地殼介質各向異性進行分析,得出最大主應力方向也是近NEE方向,但多個臺站的快波偏振方向出現(xiàn)不一致性,主要將該區(qū)域分成了三個區(qū)塊,即華北平原區(qū)塊、張家口—蓬萊斷裂帶分界的燕山區(qū)塊和太行山區(qū)塊,反映出該區(qū)域局部應力的復雜性。兩位學者對同一地區(qū)的研究結果有所不同,主要與剪切波窗口的選擇和波形數(shù)據(jù)量等因素有關。其他學者研究云南地區(qū)[11-12],四川地區(qū)[13],青藏高原東南緣[14],華夏地塊東南部[15]等區(qū)域的地殼各向異性特征。

剪切波分裂分析方法還用于分析地震發(fā)生前后,區(qū)域應力的動態(tài)變化。鄔成棟,付虹等[16]用2003年云南大姚6.2和6.1級兩次地震余震波形數(shù)據(jù),高原等[17]用2001年云南施甸3次地震波形數(shù)據(jù),遲天峰等[18]用2006吉林乾安5.0級地震的余震波形數(shù)據(jù),劉莎等[19]用2012年寧蒗—鹽源Ms5.7級地震發(fā)生前后記錄的地震數(shù)據(jù),李金等[20]用2014年盈江6.1級地震余震數(shù)據(jù),均作了剪切波分裂研究,得到地震發(fā)生后慢波延遲時間隨時間逐漸變小,最后趨于穩(wěn)定,反映出應力動態(tài)變化的過程、震源區(qū)的地殼各向異性受應力釋放和調整影響。

4.1.2 上地幔的各向異性

我國專家學者上世紀90年代開始用剪切波分裂分析方法對青藏高原各向異性進行研究,推斷青藏高原不同區(qū)域的內部構造運動和動力學過程。用遠震SKS分裂結果顯示,青藏高原南北各向異性存在明顯差異,以雅魯藏布江為界,北部各向異性特征強,而南部較弱[21-22]。姜枚等[23]證實高原北部各向異性的方向與斷裂帶（以阿爾金斷裂帶為代表）走向平行,而內部各地塊的各向異性方向卻不同于斷裂帶、地表山脈及地塊邊界縫合線走向。推斷在印度板塊和歐亞大陸碰撞擠壓下,雅魯藏布江以北青藏高原之下上地幔物質運移遇到了障礙,向兩側擠出,沿東西方向發(fā)生形變以至流動,推動著走滑斷裂活動。高原內部各向異性方向表明,上地幔巖石中結晶礦物的排列受著地塊北移應力影響。青藏高原最大的各向異性出現(xiàn)在熱液活動最強部位。廖武林等[24]研究結果認為青藏高原南部喜馬拉雅地區(qū)上地幔東西各向異性表現(xiàn)出明顯差異,是由印度板塊向北推進引起橫向不均勻性引起的。

布設在南北地震帶的中國地震科學臺陣,為青藏高原各向異性研究提供高密度地震波形數(shù)據(jù),專家學者對青藏高原的研究更加深入和精確。對青藏高原東南緣各向異性研究結果證實,該區(qū)域構造極其復雜。常利軍等[25]（研究表明喜馬拉雅地區(qū)周邊快波偏振方向圍繞東構造結順時針旋轉,是由印度板塊俯沖形成的強變形帶引起。太齡雪等[26]研究結果顯示快波偏振方向差異大,大部分與區(qū)域復雜的斷裂走向一致。張藝等[27]研究證明青藏高原東南緣各向異性程度大于東北緣,受印度板塊和歐亞板塊的碰撞擠壓,青藏高原東南緣變形更強烈。Zheng Tuo等[28]認為中下地殼各向異性程度強,存在下地殼流,受應力擠壓,向東南移動。高原等[29]研究分析該區(qū)各向異性北南存在明顯差異,推斷區(qū)域深部構造形態(tài)為北側上地幔有較厚的高速體,南北中間存在EW走向的直立墻形構造,使其南側上地幔軟流物質向東西移動。

青藏高原東北緣的各向異性研究成果表明,部分臺站計算出的快波偏振方向變化范圍較大,已經不能用單層各向異性進行解釋。李永華等[30]用雙層水平對稱軸介質各向異性模型解釋,局部地區(qū)的參數(shù)顯示上、下兩層各向異性快波方向分別集中分布于兩個方向,而上、下兩層的分裂延時都聚集一個時段內,能反應雙層各向異性特征,暗示上地殼、下地殼及上地幔的運動存在一定程度的解藕。昆侖斷裂附近的結果顯示剪切波分裂參數(shù)不隨方位變化而變化,且快波方向都與昆侖斷裂帶近乎平行,顯示昆侖斷裂已經切穿整個巖石圈。昆侖斷裂周邊地帶殼幔變形很可能屬于強藕合模式。青海地區(qū)可能屬于殼幔解耦一殼幔耦合過渡地帶。王瓊等[31]研究得出該區(qū)各向異性層厚度兩端厚,中間薄的趨勢,受區(qū)域主應力向北擠壓,地殼縮短,高原物質向東滑移。

Wu Jing等[32]研究青藏高原西部各向異性特征,得到存在雙層各向異性,快波方向為下層NS向,證實受印度板塊擠壓,上地幔物質向北流動,而上層為NE-SW向,與地表構造走向不一致,推斷是中下地殼流動方向。馮永革等[33]對西北緣阿爾金斷裂西部鄰區(qū)研究證實,青藏高原中北部上地幔軟流圈物質受印度和歐亞板塊碰撞作用向北流動的過程中,受到塔里木盆地“克拉通”較厚巖石圈的阻擋,方向轉為東西向兩側流動,最終形成了青藏高原北部和塔里木盆地邊界地帶軟流圈上地幔橄欖巖中晶格沿近E-W向優(yōu)勢排列。

經過諸多專家學者對青藏高原各向異性研究,更好地解釋青藏高原隆升變形機制和演化特征?？偨Y青藏高原各向異性特征,其南北差異大,南部東西差異同樣明顯,反映復雜的地下構造環(huán)境。受印度板塊和歐亞板塊碰撞影響,青藏高原北部上地幔軟流圈物質向北運移,遇到塔里木盆地“克拉通”較厚巖石圈,向兩側擠出,沿東西向流動,形成了北部地區(qū)各向異性快波方向呈東西向,其幔中局部區(qū)域出現(xiàn)雙層各向異性特征,推測存在殼慢解耦——殼慢耦合的復雜狀態(tài)；南部還受印度板塊NE向俯沖作用,受到緬甸塊體下俯沖板片東向俯沖和西向后撤對緬甸弧后巖石圈產生被動西向拖曳力作用,各向異性方向繞喜馬拉雅東構造結周邊地區(qū)巖石圈產生了順時針旋轉的環(huán)形變形[34],說明上地幔物質流動方向轉變?yōu)镾E向,最后到N-S向,與構造應力場方向一致。

一些學者也用剪切波分裂分析方法研究其他地質構造復雜區(qū)域,探討各個地區(qū)的動力學特征。常利軍等[35]通過分析云南地區(qū)快波偏振方向特征從北部東南向過渡到南部東西向,推斷云南地區(qū)受與之相連的青藏高原垂向隆升變形和東西拉張變形的影響,地幔物質還向東南運移,深部物質和淺部運動模式不同。苗慶杰等[36]依據(jù)山東地區(qū)各向異性快波偏振方向與GPS的速度場方向一致,認為山東地區(qū)殼幔變形可能為垂直連貫變形。強正陽等[37]研究東北區(qū)地區(qū)各向異性東西部存在明顯差異,西部地幔各向異性微弱,為殘留在巖石圈中的古老變形引起,而巖石圈的拆沉和熱地幔物質上涌侵蝕了保留在巖石圈的古老形變,是松遼盆地和佳木斯地塊部分區(qū)域延遲時間較小的原因,東部太平洋板塊撕裂回撤而產生的地幔流動引起各向異性強,為研究東北地區(qū)深層動力過程提供有力證據(jù)。劉長生等[38]研究黑龍江地區(qū)快波偏振方向,推斷該區(qū)下方的殼幔變形為垂直連續(xù)變形。

從以上研究結果可以看出,無論是對地殼還是上地幔的各向異性特征分析,在使用剪切波分裂方法時都遇到一些問題。對于同一個研究區(qū),使用相同臺站波形數(shù)據(jù),不同的專家學者計算結果會出現(xiàn)差異。剪切波分裂結果受多種因素的影響,諸如波形數(shù)據(jù)時間段的選擇、信噪比、計算方法、剪切波時間窗的選擇、地震定位誤差、地表地下復雜構造等。因此,在使用此方法時,應該盡量選擇長時間段、高信噪比的波形數(shù)據(jù),使用最優(yōu)計算方法,控制剪切波時間窗為15°～45°,對地震進行精定位,可得到最優(yōu)的計算結果。在對各向異性特征進行解釋時,與在同一地區(qū)開展的其他方法進行對比,綜合研究解釋地球內部動力學過程。

4.2 地震預測

Crampin and Zatsepin[3]監(jiān)測出地震發(fā)生前,應力的增加導致微裂紋縱橫比增大,引起延遲時間增大。對全球范圍內15個M1.7～M7.7地震前時間延遲的平均變化分析,延遲時間增大反映應力的積累,延遲時間減小表明應力的釋放,并總結出時間延遲減小的持續(xù)時間與震級的最小二乘擬合關系：

M=alog10(TREL)+b[1]

式中a和b為常數(shù),TREL是應力開始釋放到地震發(fā)生的持續(xù)時間[1]。因此,可以通過監(jiān)測小震延遲時間來觀測微小應力變化（破裂前形變）。實驗表明,地震前延遲時間會有一個持續(xù)上升突然下降過程,預測大震發(fā)生的時間和震級。Crampin等[39]用應力積累理論成功預測出冰島西部5.0級地震的震級和時間。

此后再也沒有通過剪切波分裂方法成功預測地震的案例,原因是在實際工作中存在很多困難和限制。剪切波分裂方法對剪切波窗的限制,需要密集的地震監(jiān)測網(wǎng)用于常規(guī)應力觀測,還需要遇到合適的震群活動。計算出的延遲時間結果存在±80%的離散,其影響也不能被消除,只有通過大量數(shù)據(jù)來估計,得到有效結果。因此,剪切波分裂方法用于地震預測的條件是孤立的小震震群,震源被限制在小區(qū)帶內,需密集的監(jiān)測網(wǎng),這樣的條件極少,冰島西部地震的預測是個特例。

4.3 火山活動監(jiān)測

剪切波分裂參數(shù)能靈敏反映應力的微小變化,亦可用于火山活動的監(jiān)測。1996年冰島Vatnaj?kull火山噴發(fā)[40]（以及2001年意大利西西里島Etna火山[41]；利用地震臺站記錄到的地震波形數(shù)據(jù)進行剪切波分裂分析,觀測到火山噴發(fā)前慢波延遲時間有增大和突然減小的過程,反應了火山噴發(fā)前應力積累和釋放的過程。我國學者劉莎[2]對冰島Eyjallaj?kull火山噴發(fā)前后研究表明,火山噴發(fā)之前,應力長時間持續(xù)積累,慢波延遲時間持續(xù)增大,應力突然釋放,延遲時間突然降低,火山側面發(fā)生噴發(fā)。與地震發(fā)生前,剪切波分裂參數(shù)隨時間變化的現(xiàn)象一致。反映了應力持續(xù)積累和突然釋放的過程。

5 結論

國家數(shù)字地震臺網(wǎng)和流動臺陣的建設不斷增加,配備高精度測震儀器,形成密集地震監(jiān)測網(wǎng),為運用剪切波分裂分析方法研究殼幔介質各向異性提供有利條件。剪切波分裂參數(shù)受波形數(shù)據(jù)、計算方法、地震定位、地形及構造等因素影響,其選取差異導致結果不同。選擇長時間段、高信噪比的波形數(shù)據(jù)、使用最合理的計算方法,控制剪切波時間窗為15°～45°,對地震進行精定位,都是獲得更準確參數(shù)的重要因素。應用結果,判斷地質構造復雜區(qū)域應力方向,分析深部應力動態(tài)變化,了解地震和火山發(fā)生前后應力積累與發(fā)展過程,研究地球深部動力學過程。在地震預測方面的運用,此方法條件太苛刻,在目前的天然地震觀測環(huán)境中還很難實現(xiàn)。

總之,剪切波分裂已在研究地殼、上地幔各向異性特征中取得重要成果。本文依據(jù)學者們的研究成果,分析剪切波分裂參數(shù)的影響因素及如何處理,以期促進剪切波分裂分析方法的進一步發(fā)展,在監(jiān)測能力不斷提升,測震精度不斷提高的條件下,獲得更為可靠的剪切波分裂參數(shù)。