地球内部壳幔介质地震各向异性与动力学响应

滕吉文，张永谦，阮小敏，胡国泽，闫雅芬

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

1 地震各向异性问题的提出与厘定

在人类生息繁衍的地球上，无论是自然界、还是人类社会，均普遍存在着各类复杂系统，对于这些复杂系统的分维、剖析和研究，已经并将会继续促进一系列新概念、新理论和新论点的产生，并必然要深刻地影响或激励科学和社会的进步.地球科学的研究和发展亦必然会遵循这一“框架”.地球物理学，特别是在地球内部介质、结构与属性的研究中，在由一维、二维、三维和四维反演的发展进程中，便是一幅由简单向复杂不断变异和深化认识的进化图像.显然，当今人们尚难以用一个简单的、模式化的框架一劳永逸地去认识它和分析它.一些多年来已被人们共识而且已经被人们接受下来的概念和模式，又为不断出现的新资料、新成果和新认识所修正；例如早年的垂直运动学说在地球科学发展的长河中建立了“功勋”，但在板块构造理论的驱使下不得不被以“水平运动”为主体的运动体系所取代（尽管有少数人持有不同见解）.这种新的地球观大大推进了固体地球科学的发展，并在地球物理学研究的发展中占据了前沿.可是，随着观测科技的进步，认识的深化，就必须由宏观向“微观”挺进，由定性向定量逼近，特别是地幔热柱的发现、大陆和大洋溢流玄武岩的涌现等使得板块学说受到了新的挑战，并迫使地球科学家们反过来再去考虑和认识垂直力系的作用以及其与水平运动之间的相互作用和内在联系.

地球内部介质的结构与属性乃是固体地球物理学领域的核心组构.由介质的各向同性、无限均匀和完全弹性体的假设到逐步深化认识为各向异性、不均匀性和非线性的发展经历了漫长的岁月，这确实是一次重大的科学进步，因为它是向真正认识或逼近于客观世界的飞跃，而且在资源、能源、灾害与环境变迁中和深化对地球本体的认识中乃是极其重要的研究导向.

地球内部物质物理—力学属性变化的规律、岩石、矿物演变的过程与其所经受的地质作用有密切关系.在深部复杂的热动力作用下，岩石中发生着不可逆的显微结构变化，如造岩矿物颗粒的某种定向排列等，故必会呈现出介质物理参数的各向异性.当今越来越多的高精度地震勘探资料和实验室岩石样品测试结果都证实了地壳上部的沉积岩对地震波速度表现出明显的地震各向异性[1-3］.为此，在我们讨论“地球介质和结构各向异性与深层动力过程”之前必须对各向异性的定义、性质与特征给出界定.

1）何谓各向异性？不同学科领域或同一学科领域的不同方面或分支对各向异性的定义并不尽相同.广义上讲，如果在同一位置测量介质的物理量时会随方向而变化，则称介质为各向异性介质.如果地震波速度随观测方向的变化而变化，即称其为地震波速度各向异性.在地球物理学中，一般把各向异性用在波长范围内的探测（均匀介质），也就是说是均匀介质的性质随方向变化[3］.近来对非均匀各向异性介质中地震波的传播特征也有些研究[4］.地球物理学中介质各向异性的尺度是可变的，它与所采用的波长有关，对于地震波可以是几十米或上千米，声波测井为几分米，而实验室超声波测试则仅为几毫米[5］.

2）岩石物理属性与各向异性.岩石物理性质（其中包括介质的各弹性模量、地震波速度等）的各向异性有两种形式[5-6］，即准各向异性（横向各向同性）和各向异性.准各向异性是表面上的各向异性，在高压下这种各向异性可以消失，例如由各向同性介质的层理引起的各向异性，当压力高于1GPa时，层理被强烈地压缩，岩石实际上变成各向同性体了.横向各向同性介质的主要特征是具有一个无穷旋转对称轴，在垂直于这对称轴任一方向上的弹性参数相同，因为介质的各向异性与岩石成分中所含矿物的类型和内部结构有关.介质中地震波速度的各向异性主要是由岩石矿物的定向排列引起的，这些矿物的弹性特征在数值上依测量方向的不同而会有很大差别，如层状硅酸盐（黑云母等）矿物，其纵波沿层理传播的速度往往要比沿垂直层理的方向高.而与岩石中矿物定向排列有关的速度各向异性在高压条件下仍可以保存.

3）地震各向异性的表征.当地震横波（S波）入射到各向异性介质时，便可分裂产生两个传播速度不同的横波，而且其速度随方向发生变化，一个为近似于SV波，称为快横波，另一个为近似于各向同性介质中的SH波，称为慢横波.它们在介质中的传播过程和到时均存在有差异（图1）.

图1 地震横波分裂现象示意图Fig.1 Schematic diagram for S wave splitting

地震波速各向异性的程度通常是用横波分裂的两个速度差除以最大速度或最小速度的百分比来表示；对于纵波，常用它的最大速度与最小速度的差值除以最大速度或最小速度或平均速度.其表达式为

4）地球内部介质各向异性观测的波场效应.地球内部介质的各向异性现象观测主要集中在地壳、上地幔（浅部220km的范围内）和地核[7-14］.

（1）方位各向异性——地震波速度随传播方向发生变化；

（2）横波分裂后产生S1波和S2波——两种偏振的S波以不同时间到达；

（3）勒夫波和瑞利波频散之间的不一致性；

（4）薄互层与裂隙定向分布产生的视各向异性等.

地震波在各向异性介质中的传播是当今地震学研究中倍受关注的前沿课题之一，同时也是地震学研究的难点之一[15-16］.地震波各向异性的观测结果可以提供地下矿物的性质、各向异性介质的内部结构、地球内部物质的流动和运动方式等多元信息，是对地球内部动力学过程响应的反映.因为地震波各向异性与地下构造密切相关，所以它在了解地壳、地幔的演化中起着越来越重要的作用[15，17］.对于地壳和地幔深处岩石纵、横波各向异性（横波分裂）现象，不少人都做过实验研究[7-10］和理论分析[11-13，16］并取得了重要认识.自1975年在巴黎进行了第一届地震各向异性会议以来，每隔2年左右召开一次全球会议，现已召开了14次，一大批与此相关的科学家们在促进这一事业的发展中付出了艰辛努力[18］.但应当承认，当今对各向异性的理解，特别是应用、推广和取得效应上还有一段艰难的路要走.

基于上述看法，本文主要讨论以下问题：

1）地震各向异性研究和全球历次地震各向异性会议的主体内涵与问题；

2）地震各向异性的成因；

3）地震各向异性的几个重要方面与响应；

4）地震各向异性研究在地球物理学发展中的作用和今后任务.

2 地震各向异性研究方法、内涵和世界上各次地震各向异性会议的主体内涵与问题

在地震各向异性研究中，地壳和上地幔介质组分与地震波速度各向异性程度取决于岩石中颗粒的形状、结晶的优选方位、裂隙的尺度、形态和空间分布、以及不均匀成层性等决定着地球内部介质和结构的各向异性.为此，不论是在理论、还是观测、还是实验等方面，各国地球物理学家们均做了大量工作.这是由于沉积建造、地壳和上地幔介质均具有弹性波速度各向异性和晶格的优选方位.

2.1 地球内部介质与结构地震各向异性研究的方法与途径

1）在地震波速度各向异性方面主要是要进行高精度的三分量地震观测或多方位的地震观测以取得高采样率和高分辨率信息.为此可利用多波多分量观测以取得不同方位的观测记录到的地震波场响应；利用不同方位记录的地震P波和S波进行偏振效应和速度计算，以求得地震波场的各向异性程度.2）在矿物晶格优选方位与地震波传播速度各向异性研究中的常用方法为，高温高压条件下直接测量天然变形岩石样本在几个不同方向上的超声波速度，利用单晶体弹性刚度系数和矿物晶格优选方位（组构）计算在矿物集合体上的地震波速度变化.

3）地震各向异性的主要应用领域为：地球内部层、圈介质与结构，高精度油、气、煤的地震勘探和开发（包括裂缝和油井压裂效应的甄别）；在工程与国防建设中，如大型工程建设的基底稳定性、桥梁涵洞和核电站、海底军事工程、实验与核储藏……等.

2.2 世界上各次地震各向异性会议的主体内涵和问题

这里简单概述一下世界上各次地震各向异性会议（WSA）的基本内涵，以了解这一学科领域的研究现状和发展沿革[18］.

1）IWSA-1.第一次会议1975年在巴黎召开，1977年由美国地球物理学会在Journal of Geophysical Research（JGR）上出版文集汇编，主要研究内容为：（1）成层各向异性介质模型的理论地震图；（2）两个海域地区Pn波速度结构与上地幔各向异性观测；（3）高阶面波频散与各向异性观测；（4）理论地震图与S波分裂的首次提出.

2）IWSA-2.1982年在前苏联苏兹达尔（Suzdal.USSR）召开，1984年由美国地球物理学会在JGR上出版文集汇编，主要研究内容为：（1）P波速度各向异性的野外和实验观测；（2）弹性介质的破裂链计算；（3）识别小地震剪切波窗的重要性；（4）提出在很多地壳岩石中存在微破裂链；（5）破裂介质中地震波传播行为的检验；（6）破裂介质理论地震图中S波分裂显示；（7）地壳与上地幔介质中的S波分裂观测.

3）IWSA-3.1986年在前苏联莫斯科（Moscow.USSR）召开，1987年由美国地球物理学会在JGR上出版文集汇编.主要研究内容为：（1）地壳中的P波各向异性观测；（2）怎样利用S波分裂进行地震预报的思考；（3）地震勘探中Thomson参数的确定；（4）三维各向异性层中波传播的双重积分法.

（4）IWSA-4.1988年在美国伯克利召开，1990年由美国地球物理学会在JGR上出版文集汇编.主要研究内容为：（1）在野外和实验室进行各向异性研究；（2）第一次尝试S波分裂的自动测量；（3）第一次提出流体介质中微破裂与破裂之间的关系和范围；（4）两次地震前S波分裂时的延时增加；（5）各向异性层状介质模型理论地震图的双重积分.

5）IWSA-5.1990年在英国爱丁堡召开，1991年由美国地球物理学会在JGR上出版文集汇编，主要研究内容为：（1）10年来S波分裂研究的回顾；（2）地震波在介质破裂链中传播的综述；（3）VIT裂隙各向异性介质中S波异常识别；（4）S波异常理论地震图标示的90°跳跃和振幅异常；（5）巴黎盆地井中VSP观测和S波异常效应模拟；（6）S波分裂和P波速度各向异性观测论文大量提出；（7）S波分裂用于大量破裂岩石中的水平钻井导向；（8）各向异性记录剖面处理与线性转换技术的发展.

6）IWSA-6.1992年在加拿大班府（Banff.Canada）召开，1993年由美国地球物理学会在JGR上出版文集汇编，主要研究内容为：（1）提出微破裂和裂隙乃是S波分裂之源；（2）破裂链综合效应的参量域；（3）多项计算理论地震图技术的提出；（4）S波分裂与碳氢化合物预测的相关度；（5）井中VSP测量和理论地震图计算与各向异性歧点.

7）IWSA-7.1994年在挪威特龙黑姆（Trondheim.Norway）召开，1995年由Seismic Anisotropy Soc.出版文集汇编（Expl.Geophys.：1—763），主要研究内容为：（1）Lord Kelvin水平背景；（2）提出研究状况的数字；（3）S波分裂的非线性响应比常规的波速和模量更敏感.

8）IWSA-8.1996年在美国迈阿密召开，2001年由Adamancy Anisotropy Soc.出版文集汇编（Expl.Geophys.Open File Publ 5：1—322），主要研究内容为：（1）各向异性频率响应，在超声频和常频（Walkway VSPs）下页岩内在各向异性之间的综合差异；（2）各种理论和实验研究.

9）IWSA-9.1998年在法国布塞恩斯（Boussens.France）召开，1998年出版文集汇编（Rev.Inst.France.Pet 53：539—763），主要内容为：（1）地震波传播的理论和处理技术；（2）提出空间裂隙关闭的临界系统.

10）IWSA-10.2000年在美国休斯顿召开，由Adamancy Anisotropy出版文集汇编“Fracture，Converted Waves and Case Studies”（Soc.Expl.Geophys.Open File Publ 6：1—425），主要内容为：（1）振幅变化与补偿和P波转换为S波（文章多）；（2）TIV介质中的数据处理（文章多）；（3）冰岛西南M5地震断层的时间偏移与应力预测；（4）破裂空间范围与支撑证据的临界系统.

11）IWSA-11.2002年在德国图青（Tutzing.Germay）召开，由 Appl.Geophys.（54：161—454）出版专集，主要内容有：（1）频率域各向异性理论和观测；（2）典型钻孔应力监控形成的敏感性临界系统证据.

12）IWSA-12.2004年在加拿大纽芬兰召开，于2006年出版地球物理摘要集（2006Abstracts in Geophysics，71：13JF-29JF）.主要内容有：（1）各向异性频散理论；（2）黏弹性介质中地震波的传播；（3）破裂介质中地震波传播；（4）SMS的敏感性表明GEMS为全球SMS观测台网与破坏预测.

13）IWSA-13.2006年会议在中国北京召开，于2009年由J.Seism （13：181—311）和J.Seism.Explor.出版文集汇编，主要内容集中在：（1）多篇文章为VTI介质各向异性效应的数据处理和分析；（2）方位资料的扩展与共偏移距—共方位；（3）吸收介质差异各向异性的信息的走时测量；（4）地球物理学研究中的新方向与地壳介质地震各向异性（饱和流体中微破裂和碳氢化合物测量）及综述.

14）IWSA-14.2008年会议在美国科罗拉多矿业学院召开.会议主要讨论了7个方面的议题：（1）岩石物理学及裂缝模拟；（2）射线理论以及方位各向异性中的P波处理；（3）衰减各向异性和尺度效应；（4）各向异性的理论与历史；（5）TI成像和速度分析；（6）应力诱导地震各向异性和时间推移；（7）微地震和剪切波分裂.

这14次地震各向异性会议的简单内涵和发展概况说明：地震各向异性有其本身的发展沿革和内涵的深化过程，如今已受到地球物理学界的关注，而且由理论逐渐向应用和取得实效发展.深化认识地球内部的结构、属性和其在油、气勘探中的效应将会是这一领域的主导.同时人们也应当看到，每次参加会议的人数基本上保持在30～50人左右，且多偏重于基础研究与方法探讨.尽管在应用方面已逐渐提及，但在总体上尚未取得实质性的成效和应用.

那么，为什么会出现这样的一种格局呢？从认识论来分析，主要是由于：

1）科学本身发展的阶段性、研究的深入度和其本身尚存在着一定的局限性，即不论是在观测上、反演方法上、还是在解释技术上尚未形成可供操作的适宜体系或模块.

2）科学发展与实践需求的紧迫度尚未完全到位，所获信息尚不能使人们从中提取急需的“必然”要素，如提高对构造和岩性的分辨率，对油、气开采采收率的效应等.

3）人们在认识上的必然过程和对科学发展动向预见性方面的传统框架与约束.

基于上述，在建立地球基本模型的基础上，在地球深部结构、构造，深层过程及其动力学的研究和探索中，各向异性的存在及其所给出的地球内部复杂介质和结构的图像已不可忽视.在当今国内、外的地球物理研究中，在金属矿产资源，油、气、煤能源，强烈地震活动以及核幔边界的动力学研究中已分别或局部显示出各向异性效应的作用[19］.当今，我们可以预测：在21世纪的中叶前后，在地球科学领域里，介质属性与各向异性必将会成为资源勘查和壳、幔、核介质结构、地幔对流和深部物质与能量的交换及其深层地球动力过程研究中的前沿和生长点之一！当必会引起更多的地球物理学乃至地球科学界的广为关注和应用.

3 地震各向异性的成因分析

沉积建造和地壳介质中S波分裂主要是由裂隙和充满流体的裂隙造成的.分裂参数不仅具有横向变化，且随着深度而改变，这是由于裂隙尺度小且刚度低，故对局部反应敏感所致.引起地幔岩石介质弹性各向异性的物理机制主要取决于晶格的优势取向（LPO）、特殊熔融物质中岩浆囊的优势分布和岩浆运移，而橄榄岩中的LPO则应为上地幔各向异性的主要原因.但至今人们对其物理机制尚不十分清楚[15，17］.

地球介质的各向异性本身恰表征着介质与结构的复杂性和其在力系作用下的变异.从高温高压实验方面来看，矿物晶格的优选方位是产生地壳和上地幔地震波速各向异性的根本原因，而裂隙及孔隙流体对波速的影响显著[5-6，21］，即是另一方面的原因.

3.1 固有的各向异性

它是介质本身的结晶排列导致的各向异性，或是岩性与岩相各向异性产生的.但什么样的机制能使晶粒形成优势取向呢？高温高压岩石学的研究结果表明：当岩石的变形主要是通过扩散蠕变进行时，岩石内部的矿物不会发生转动，即不存在晶格优选方向；但是当岩石变形是受位错蠕变机制控制时，晶体的方位将会存在沿某一方向的优势排列.

图2 上地幔橄榄石和斜方辉石的取向[26］Fig.2 Orientation of olivine and OPX in upper mantle[26］

1）地震波各向异性在很大程度上受地幔矿物晶格优选方位的影响，优选方位又受到矿物所处的应力、应变以及流动方向等条件的制约[25］.上地幔（浅部约220km深度范围内）介质中最丰富、最主要的矿物是橄榄石，橄榄石晶体有明显的速度各向异性，在常温常压下a[100］、b[010］和c[001］轴的P波 速 度 分 别为9.89km／s、7.72km／s和8.43km／s（图2a）.在地球内部某种横向流动（板块运动、地幔对流环的水平流向部分）的作用下，当岩石变形受位错蠕变机制控制时，橄榄石晶粒会形成优势取向，其[010］轴与地球半径平行，而[100］与[001］轴与地球半径垂直，且[100］方向与流动方向一致，于是在地震观测中就发现了地震波速各向异性——垂直方向要比水平方向低.但观测到的波速各向异性与实验室测得的橄榄石的波速各向异性有差异，这主要是由于斜方辉石矿物的存在造成的.

2）斜方辉石也是上地幔的主要矿物之一，它具有很大的P波各向异性和相对小的S波各向异性.斜方辉石三个主轴，即a[100］、b[010］和c[001］轴方向的P波速度分别为8.25km／s、6.92km／s和7.92km／s（图2b）.橄榄石的c轴和斜方辉石b轴的近似平行于在Moho界面的平行平面内，即其所推测的大洋中脊轴，橄榄石的a轴和斜方辉石的c轴近似平行于所推断的海底扩张方向；橄榄石的b轴和斜方辉石的a轴则近似垂直于Moho界面.

3）控制上地幔介质各向异性的矿物元素.以上结果表明，垂直方向上的压缩波（P波）速度随斜方辉石含量的增加而增加，而在水平方向上的速度和各向异性则随斜方辉石的增加而降低.在天然橄榄岩中，橄榄石的优势取向比其它矿物都要显著；同时由实验研究和天然变形岩石的微观结构分析表明：在一个很宽范围的条件下，橄榄石是最易变形和易于取向的上地幔矿物[21］，因此它控制着上地幔介质的地震各向异性.

4）沉积建造与地震各向异性.对陆相和海相沉积岩（如页岩等）来说[26］，岩性各向异性是产生地震波各向异性的主要机制.在重力作用下、在沉积过程中的物质流动或塑性变形等条件的制约下，被拉长、压平的晶粒将会产生优势排列，从而使我们在地震观测中看到横向各向同性的现象.

3.2 次生各向异性

当裂隙和孔隙的分布具有方向性，则会产生次生的各向异性.

在地壳浅层（3～5km），由于岩石中存在大量的裂隙及孔隙流体，它们对地震波速度的影响很显著.在构造力系作用下，地壳浅层的裂缝和孔隙通常均具有某种优势方向，故会导致地震波速度沿不同方位的变化.例如，呈线状分布的微裂隙是产生地壳地震波速度各向异性的主要原因.对花岗闪长岩和石英岩的速度各向异性的研究表明：在大气压和低静水压力下，扁平状裂隙和它们的优势取向对地壳岩石中的波速各向异性起着主要作用.

固有各向异性和次生各向异性是形成地震波各向异性的两个主要原因.近些年来在石油和天然气地震勘探中已在利用多波多分量观测，即从转换波PS来分析S波的分裂、偏振和成像.但在总体上，目前对由定向排列的微裂缝、裂隙及由孔隙引起的地震波速各向异性的研究还不太多，故尚待更多数据的积累、分析和深化理解，以达逐步进入产业化.

3.3 中、下地壳介质变质程度各向异性

这有利于利用各向异性来推断一些造山带、伸张带和走滑断层构造运动的方向（图3），挪威霍查尔地区的实验证明[28］，造山带剪切型榴辉岩具有各向异性特征，且为良好的地震反射界面，并形成壳、幔地震波传播速度过渡带.我国云南昆明地区Pn波视速度方位研究表明[27］，Pn波快速方向与该区构造带地壳构造运动的方向一致，其方位各向异性异常则是由于地壳运动，牵引伸长变形而导致了上地幔橄榄石的优选取向所致.

另外在板块构造的俯冲带确会产生一定程度的地震各向异性，在消减面上a轴和c轴方向为高速，而近似垂直于消减面则为低速度（b轴）.显见，消减带橄榄石取向和成层性乃是产生各向异性的主要原因.

4 地震各向异性的几个重要方面与响应

为了说明地震各向异性的特征和其在地球物理学各个分支中的作用，本文将举出几个实例来阐明其作用和意义.

4.1 地壳与地幔结构中的地震各向异性

1）地壳与地幔介质属性、岩相与结构特征、构造环带、层序划分均非人们所想象的那样，即可视为“板层叠置”或弯曲与规则的几何错综排列.实际上是极为复杂的（图4），只要仔细观察一下壳内介质的交错分层、不同尺度的岩相变化、壳幔边界的Moho界带属性和上地幔盖层高、低速相间的薄层束组构等便可一目了然了！为此在实际介质中，其地震各向异性当必是十分强烈而错综的.

2）不论是沉积建造、上中下地壳、地幔盖层、上下地幔（包括上地幔软流层）和410km、670km间断面，以及核幔边界与D″层的属性和结构都是极不均匀的、复杂的、各向异性的.实验结果表明，外核流体的化学反应与地幔最下部的结晶硅酸盐有关.它们的地震波速度在侧向与水平方向变化达1%～10%，而电导率的变化则可达它的2～4倍，电导率的变化当必会导致地核的磁场变化，而在D″层区内磁扩散时间的范围为＜101／a到102／a.显然电导率和地震波速度的变化均会表现出强烈的各向异性.D″区电导率的各向异性和不均匀性能使地磁场发生变异.

由图5可见，核幔边界之间会产生富铁合金混合物，电导率区（黑色）和高硅酸盐区，高绝缘区（亮区）.它们以地幔对流为背景运移，并形成D″层和形成侧向厚度变化由0到500km或更大的非均匀区.尽管在反应区内来自地核的液态合金是少量的，其初步的结晶合金和硅酸盐反应会导致地漫流与上涌，并形成D″层的不均匀性和各向异性的强烈变化.对流条纹图在下地幔底部呈水平薄片层束状.

图5 核幔边界（CMB）和D″层区结构示意图[30-31］Fig.5 Schematic diagram for CMB and D″layer[30-31］

由于核幔边界是一个热动力边界层，它是地幔下降流和上升流的交替层圈部位，故应为一强烈的各向异性层位（图6）.这是因为地幔的上升流源于核幔边界，且可上涌到地壳浅处，而来自欧亚大陆—澳大利亚地域的地幔下降流和北美—南美洲的地幔下降流则可抵核幔边界（2900km深处，135GPa压力）[32］.地幔内部物质与能量的强烈交换导致了地球上的超级地幔柱（冷、热）、陆内板块、大洋中脊、俯冲与消减带等巨型构造界与构造体的呈现和分布，并对它们起着影响和控制.全球地震层析成像表明地幔介质中的地震波速度呈高速和低速异常，这表征着其物质的物理属性变异.同时也说明地球内部的物质由深到浅、由浅及深均可穿越410km和660km间断面（13～22GPa）地幔转换带.这一现象证实了转换带边界不能阻止地壳内部大规模物质的向上和向下运移，故对全球地球动力学环境和模型应当重新给予厘定.

3）地球内核介质结构与各向异性

关于液态外核（厚度为2270km）和固态内核（半径1220km）的问题多年来地球物理学家们不断地进行了一系列重要探索（图7）[34］.基于世界各地地震台网所记录的核爆炸激发的地震波及其穿越核、幔介质的射线路径和地震波场的动力学特征，并求得：

（1）地球内核存在各向异性.地球内核中地震波速度具有轴对称各向异性，且内核的对称轴与地球自转轴并不重合，但各向异性对称轴与地球自转轴间不会偏离太远，约仅10°的夹角.

（2）由于固态内核各向异性轴相对内核本身不会有明显的变化，故各向异性快轴方向的变化只能是由内核整体旋转所致.尽管内核差异旋转速率存在差异，然而内核差异旋转和旋转方向对两轴则是一致的.

（3）内核的差异旋转速率为1.1°／a[34］和（3.02±6.43）°／a[35］.尽管后者几乎为前者的三倍，但却表明了差异旋转的真实存在.

（4）地球内核旋转机制探索发现，内核旋转与地球发电机理论和地磁场成因密切相关.

4.2 青藏高原定日—青海格尔木地带的深部地震探测与地震各向异性

青藏高原由雅鲁藏布江缝合带、班公—怒江缝合带、澜沧江缝合带、金沙江缝合带、东昆仑南坡缝合带、甘孜—理塘缝合带和阿尼玛卿缝合带分割成为喜马拉雅块体、拉萨波密块体、羌塘块体和柴达木块体，呈现出在多元力系作用下形成的复杂构造及块体界带.

图6 地球内部超地幔柱和超级俯冲（或冷下沉）与地幔对流模式[33］Fig.6 Major convection pattern of the Earth′s mantle showing super plumes and one super-down welling[33］

图7 地球内核差异旋转运动示意图[34］Fig.7 Schematic diagram for the differential rotation of the inner core of the Earth[34］

4.2.1 天然地震台站位置与记录

近20年来，我国与世界许多国家在青藏高原进行了地球物理合作研究.1980年中国与法国首先合作，后来于20世纪90年代中美合作又实施了INDEPTH项目.1992—1994年中法合作在定日—格尔木布设了天然地震台（图8）并进行了两年的野外观测，随后进行了多期次的资料处理和分析[36-39］.

图8 西藏定日—青海锡铁山便携式地震台站位置图（1992—1993）三角形为三分量仪器位置，黑点为单分量仪器位置.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.

在前后数年内布设的这一系列天然地震观测台站记录了周边地域大量的地震事件，不仅记录了清晰的地震P波到时，还记录到了S波和转换波PS、SKS、PKS、SKKS等震相.利用这些资料进行的数据处理和反演获得了青藏高原深部壳、幔介质的许多新信息.

4.2.2 壳、幔介质的各向异性分析

SKS和PKS震相和其表征的各向异性乃是由核幔边界（D″层）到地面接收点介质中传播，即为在其传播路径所经介质中任何一点位置上各向异性影响的总和，不过，越来越多的学者倾向于各向异性主要是由上地幔橄榄石晶体优势排列所致.大陆内部引起橄榄石晶体优势排列的可能性有下面两种：一种是由于碰撞造山运动的挤压应力作用引起地壳和上地幔介质产生统一的变形所致.此时橄榄石晶体b轴方向（SKS慢波偏振方向）倾向于与最大缩短方向一致，而明显增加橄榄石晶体的六边形需要大于1100K的高温，该温度相当于稳定大陆岩石圈的下界面温度.所以对稳定大陆来说，这种优势排列方向反映出在上一次造山运动中岩石圈固结时的流变方向，即所谓“化石各向异性”[37-38］.对于现在的深部物质与能量的强烈交换区，这种优势排列格局是地壳和上地幔正在进行的变形过程的反映.另一种可能性是上地幔对流作用所致[38］；这时橄榄石晶体的a轴（SKS快波偏振方向）与上地幔剪切的流动方向或上地幔驱动下的绝对板块运动方向相一致（图9）.

1）地震各向异性特征

由图10可见，雅鲁藏布江以南，即喜马拉雅块体各向异性为N30°W；拉萨—波密块体则主要为NEE与近EW向；班公—怒江块体为NE向；巴颜喀拉—松甘块体为NE向—NNE向，即依各向异性状况基本上以缝合带为界.这表明不同块体在统一力系作用下，其壳幔物质的运移有时是会存在一定的差异性特征.

2）各向异性差异与高原腹地的深部物质流动

由图10可见，在印度河—雅鲁藏布江碰撞、挤压过渡带以南一致为N30°W，以北为N60°—70°E，它与地表地质构造所表示的南北向挤压缩短、东西向拉伸方向既不相平行，也不相互垂直.因此，不应完全归因于地壳上部的影响，而解释为受地壳深部物质分异、调整和运移的影响可能更为合理.由于印度河—雅鲁藏布江碰撞、挤压过渡带南北两侧各向异性近于相互垂直，若N30°W是印度板块飘曳在上地幔软流层上，且驱动其向北移动，则雅鲁藏布江以北N60°—70°E恰是欧亚大陆在印度次大陆挤压作用下发生侧向剪切流动的方向.这也就是说：印度洋板块在向西藏高原深部俯冲时并不是垂直下插、而是斜切，故导致了西藏高原处于侧向压力作用下，并呈现自南向北减弱.所以，尽管青藏高原内部各块体呈近东西向相互拼贴，但其间则均被剪切断裂所分隔[35］.

3）羌塘块体的地震各向异性特征.羌塘盆地Sn震相的缺失已为人们所共识并十分关注.大量的地震观测资料表明，该区可能缺失高速上地幔盖层，而在青藏高原其它区域则广泛存在[39］，并具有薄的岩石圈厚度[43］，高热流值和低地震波速度.地震各向异性结果反映出该区所对应的最大NE向各向异性强度与地表构造存在明显的不一致.这很可能是由地壳内部或上地幔介质中存在的层间滑动以及层间拆沉作用所致，并导致软流圈物质沿通道上涌.为此羌塘块体上地幔物质的流动方向，应为由陆-陆碰撞导致的侧向剪切流动（N60°—70°E）方向，且与这种南北向物质的流动方向相叠加.

图9 三个台站各向异性分析流程图[36］（a）原始径向分量（实线），切向分量（虚线）；（b）原始快波分量（实线），慢波分量（虚线）；（c）原始水平面内的质点运动轨迹；（d）各向异性影响改正之后的径向分量（实线），切向分量（虚线）；（e）改正后的快波分量（实线），慢波分量（虚线）；（f）改正后的水平面内的质点运动轨迹.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）高原东北缘的各向异性与物质流展

当在印度板块与欧亚板块两陆—陆板块的碰撞过程中青藏高原受到强烈挤压力系作用而导致整体隆升时，青藏高原内部各地体在南北向挤压力系作用下，伴随着高原的隆升和壳、幔物质的运动，其运动方向明显地受到剪切构造力系的控制、且促使壳、幔物质向两侧挤出.同时，在青藏高原东北部呈现出向东的挤出，如沿阿尼玛卿断裂带在各向异性介质中传播的快速波偏振方向逐渐向北东向、东西向直抵阿尼玛卿后转而向东南方向运移（图10），即呈现了壳、幔物质向东南方向的流展势态[45］.

图10 青藏高原及其周边地区剪切波各向异性图[36-43］黑色线段的方向为剪切波快速波方向，黑色线段的长度为快速波与慢速波的相对时间延迟，即表示各向异性的强度.图中所得结果通常为临近2～3个台站结果的平均值.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）高原内部各块体的各向异性方向与各块体边界的缝合线、断裂带及地表山脉走向完全不一致，这是由于各自受到不同应力作用的控制所致.在各块体拼合以后其各向异性则是受北东向剪切应力的控制，而山系、断裂带及缝合带则为在两陆-陆板块碰撞过程中受到南北向挤压力系的控制.

显然，高原腹地不同块体之间的俯冲、碰撞以及各地体的边界场效应均与大型走滑断裂及其壳、幔物质的各向异性密切相关（图11）.

4.3 油气田区深部裂缝导致的地震各向异性

在油气田、煤田、金属矿床地区、大型工程基底稳定性等地域在其深部介质和结构中均存在着大小各异、走向不同、且充填物亦各异的裂缝或孔隙，这些裂缝—孔隙具有连通型和非连通型等.这些不同类型和性质的裂缝与孔隙在地下深处的分布是随机的，而最精细的地震勘探（包括三维、高密度、高频等）的所求得的裂缝也只能是一个统计效应，只能求得具有一定宽度和深度的裂缝带，即表征着其裂缝的综合效应.这是由于当今的地震勘探技术尚不可能对地下深处的各类裂缝给予详细分辨（包括不同走向、不同形态、不同充填物和其交错的空间展布）.在研究裂缝的方法中除进行多波地震勘探外，还可以通过实验、物理和数学模拟，在地震波场方面主要是利用P波、S波和转换波，在应用上主要是提高裂缝带和孔隙群的识别和对油、气的采收率.当今中、外在利用PS型转换波对裂缝的研究中乃属前沿课题，而利用P和PS震相则可取得较好的分辨成效.

近年来，我国地球物理学家致力于多波地震勘探技术的理论与应用研究.中石油和中石化在长庆油田、大庆油田、苏里格油田、四川新场、塔里木盆地等地采集了多块多波资料，并投入相当的人力和物力进行多波多分量地震资料的处理和解释方法等研究.横波勘探和转换波勘探具有采集费用低、资料信息量大、能够描述储层上、下和内部构造细节以及岩性组构等长处，而且多波多分量地震勘探技术在P波、PS波信息的综合效应能分辨许多构造与岩性细节：如小构造、小断层的勘探、真假亮点的分辨、油气饱和度的分析以及对各种类型裂缝性油气藏的识别等，均显示出多波多分量地震勘探技术较传统的纵波地震勘探技术具有更强的优势[46］.

图11 与青藏高原地体俯冲碰撞、走滑断裂有关的各向异性特征[36］Fig.11 Characteristics of the anisotropy related to the collision and strike faults of Qinghai-Tibetan plateau block[36］

4.3.1 基本理论和方法

当S波在各向异性介质中传播时具有分裂现象，即各向异性介质会改变S波的偏振方向.

1）理念

当介质是方位各向异性体（对于直立平行裂缝系统，各向异性轴一般垂直于裂隙面）时，S波分裂为两个偏振方向相互垂直的横波并在各向异性体中传播，一个是平行于最大水平应力轴方向偏振的横波，称为快横波，另一个是垂直于最大水平应力轴方向偏振的横波，称为慢横波.对于直立裂隙，快横波的偏振方向平行于裂隙走向，而慢横波的偏振方向垂直于裂隙走向.这一特征是利用横波资料反演地下介质裂隙的主要理论依据.纵观这一领域的发展[43］，Crampin提出了利用快横波的偏振方向确定裂隙方向，而用快慢波的时差确定裂隙发育程度的思想[23，6］；Alford发展了利用一种震源—接收器旋转技术来分离那些只有一个优势方向的方位各向异性区域中的两类横波[47］；Naville提出了一种利用两个深度水平之间互相关的信号强化技术；Nicoletiy等提出了一种利用两个线性独立的震源偏振以获得两个深度水平之间传输算子的技术；Xiangyang Li提出了利用双分量记录反演裂隙方位的旋转变换方法，并利用合成记录与实际资料验证了该方法在求取单组直立裂隙发育的效应[48］.自20世纪90年代以来，英国地质调查局EAP项目组较系统地研究了储层中裂隙发育的方位和密度、填充流体类型等储层属性及其在多波多分量地震波场中的变化特征；取得了转换横波各分量振幅、频率和极性的相对变化，取得了识别裂缝发育方位、密度和填充流体类型等有效性认识.

2）HTI介质中的S波分裂与各向异性

在地下深处介质中存在着近于直立的裂缝，人们可以把这种介质视为具有水平对称轴的横向各向同性介质，即为人们通常所讲的HTI介质.当横波穿过HTI介质时，如果横波的偏振方位α与裂缝的走向β不一致时，入射的横波在HTI介质中的质点震动就会分裂成两个相互垂直的振动分量，以快慢不同的速度在HTI介质中传播，即产生横波分裂（见图1）.偏振方向平行于裂缝走向的横波分量成为快横波，以S1表示，快横波以基质速度（岩石骨架的速度）传播；偏振方向垂直于裂缝发育方向的横波称作慢横波，以S2表示，慢横波以总速度（岩石骨架+裂缝中填充流体时的合成速度）传播.S1和S2的偏振方向、传播速度（或者时间延迟）、频谱与振幅属性受到裂缝走向、裂缝发育密度、裂缝中填充流体类型的影响.这两种波在穿过HTI介质后仍然可被地面安置的检波器接收.多年的研究成果表明，通过对多波地震勘探资料中横波分裂现象的法向和各种横波分裂特征参数的计算和分析，可以监测地下储层裂缝发育的走向和裂缝发育的密度、辨别裂缝中填充的流体类型等，这对存在各种类型的裂缝型的油气藏勘探和开发具有极其重要的价值.

在宽方位角多波多分量地震勘探中，转换横波穿过HTI介质并发生横波分裂后，波场振动能量在快横波分量和慢横波分量上的分配比例与炮检观测方位角相关[45］，即：

（1）当炮检方位角α平行于裂缝走向β时，转换横波PS以未发生裂缝岩石中的较快速度传播，并主要在径向分量（指炮检连线方位的记录分量）上观察到纯快横波能量S1，而在切向分量（指垂直于径向分量的方向）上观察到的慢横波能量则趋近于零（理论值为零）；

（2）当炮检方位角α垂直于裂缝走向β时，转换横波PS则以含裂缝岩石的较慢的速度（岩石骨架+裂缝中填充流体的总速度）传播，在径向分量上观察到纯慢横波能量S2，而在切向分量上则观察到的快横波能量趋近零；

（3）当炮检方位角α与裂缝走向β呈一定角度θ时（图12），则在径向分量、切向分量两个水平分量上都能观察到转换横波PS的能量，在径向分量上接收到的转换横波PS能量和在切向分量上接收到的转换横波PS能量都随θ角值呈周期性变化.径向分量上转换横波PS同相轴的到达时间呈正弦变化，而切向分量上转换横波PS则每隔90°极性发生一次反转.

图12 观测方位、裂缝走向与横波分裂的关系Fig.12 Relationship between observation azimuth，fracture direction and S wave splitting

显然，可以将求取裂缝性储层中裂缝走向和密度的问题转化为求取快横波的偏振方位角度β以及快慢横波穿透地层时的传播时间延迟量τ的问题[46］.

3）利用多波多分量资料检测裂缝

由于S波穿过裂缝介质时，即产生S波分裂，故必须清晰地分辨出快S1波和慢S2波，并求得其互相关的时间差τ=tS2-tS1（图13）.基于S波的快、慢波时间场，即S1平行于裂缝，S2垂直于裂缝的响应，反演求得裂缝带（系）的走向方位和密度.

P波和PS波技术的应用和分辨率.利用P波声阻抗反演和利用转换波声阻抗反演结果表明，转换波对地下介质层的刻画不论是连续性，还是分辨率均高于P波（图14），而基于地震各向异性则可以解释与预测断层或裂缝群的分布（图15）.

基于快、慢S波的到时差异，可用以判别裂缝发育程度.

图16为某勘探区的快S1波（图16a）数据体与慢S2波数据体（图16b）的剖面图，图中蓝色线标注的是目的层的顶界，红色线标明该层的底界.对图16a与图16b仔细分析可见，两图中地震反射波的目的层位到时存在明显差异，说明测线所辖地带目的层中的裂隙发育密度较大.

由某工区的快、慢横波数据体上目的层位的时差分布图（图17）可见，颜色偏红的区域代表快、慢横波到时差偏大（裂缝发育），颜色偏蓝的区域代表快、慢横波到时差偏小（裂缝不发育），图中黑色箭头均为给出的钻井位置，SS201为干井，SS202与SS1为产气井.

4.3.2 P波场与裂缝各向异性

基于地震波在各向异性介质中的传播与理论模型，在理论上P波当必可用于检测裂缝，但由于各参数之间的关系不十分明显，且其强度、偏移距——深度比和目的层厚度等因素所导致的波场特征参数之间的关系十分复杂，所以在实际应用中常以近似表达式来表述波的振幅，NMO速度和时间场等.在地震勘探中也应用AVO依P波检测裂缝，但这对数据是有限定的：如应有较宽的方位角，足够大的偏移距，故必须要进行保幅处理和分析方位角分布（即定义合理的方位角）或超道集（若CDP覆盖次数过低，则不能满足AVO要求时）.

图17 某工区快慢横波时差分布图[46］Fig.17 Distribution of time difference in a work area[46］

若在某油气田区选取-60°，-30°，0°，30°，60°，90°这6个方位，其角度-60°～-30°，-30°～0°，0°～30°，30°～60°，60°～90°，偏移距为 1000～2000m，在对该区地震资料进行保幅处理后，判别其波动振幅随方位角的变化规律，以达通过AVO梯度、层速度、振幅和走时对裂缝进行预测（图18）.

当在油、气储层上覆盖有多层裂缝发育地区时，其每层介质的裂缝发育方向会各异，这就需要解决多层HTI介质中P波检测裂缝的方法，即多层HTI介质的剥离方法.为此可利用正交地震测线上P波方位时差响应（AMR）以实现多层HTI介质中P波裂缝的检测.

另外还必须充分认识到，利用各向异性速度分析得到的地震走时剖面不仅可以改善记录图上所显示的同相轴的连续性，而且还可以使地震波场的有效信息能量在整体上得到加强，即可提高分辨率（图19）.

4.4 强烈地震活动地区孕震介质的各向异性

图18 裂缝发育方位和密度的预测结果[46］（a）AVO梯度预测结果；（b）层速度预测结果；（c）顶界面反射振幅预测结果；（d）层间旅行时预测结果.Fig.18 Predictions of fracture directions and densities[46］

图19 基于常规速度分析和各向异性速度分析的地震剖面[49］（a）常规速度分析；（b）各向异性速度分析.Fig.19 Seismic profile based on normal velocity analysis（a）and anistropy velocity analysis（b）[49］

现以唐山地震活动区为例来讨论裂隙分布与各向异性.由唐山地区S波分裂的慢S2波时间延迟和快S1波偏振方向Pax轴及裂隙密度可见，唐山地区的应力场十分复杂，具有很强的局域特征，由于该区断层分布错综，故各观测台站所呈现的分裂特征各异，且τ和Pax十分离散.

1）S波分裂与时间延迟校正.基于S2与S1之间存在明显的到时差，而质点运动又为非线性的，即呈椭圆偏振特征，故每组图像的左边为经延迟校正后的情况，故这时的质点震动明显呈现出线性偏振特征（图20）.

2）偏振图像与唐山地震.S波分裂的两个重要参数是τ和Pax，它们实为断裂与构造的复杂反映.在该区S波分裂的物理参数随时间的变化显示出应力场与地壳裂隙结构随时间的变化.这对地震预测有重要意义.显见，在这一NE，NNE向，EW 向和NW向多条断裂的交叉分布地域，S波偏振的特征图像亦十分复杂.在相距很近（1～3km）的几台站范围内所求得的偏振效应却差异显著，如Ts01，Ts15，Ts19等，故推测这是台站下面地壳应力场变异导致的（图21），即可导致很小范围内应力方向的快速改变，而介质的物理图像则会对应力的变化产生快速反应，并在S波分裂的波场响应中反映出来.

4.5 云南复杂活动构造地带的地表各向异性

云南位于青藏高原东缘，由于受到两陆—陆板块碰撞、挤压的作用，故构造和地震均为强烈活动地带，这里的偏振特征主要是近NS或NNW向（图22，23）.

1）活动断裂上地震台站记录的S波优势偏振方向存在明显差异，反映了该地区构造和地震均十分活动的特异各向异性表征.

2）平均快波偏振方向图表明，活动断层走向、GPS测量的变形速率区域、主压应力方向和区域主压应力方向一致.

3）有几个台站的快S波偏振十分复杂，且与活动断裂走向、GPS测量的变形速率和主压应力方向均不一致，这可能是由于这些台站是安放在几个断裂的接合部位造成的.

由以上S波分裂为快S1波和慢S2波事件可见，通过它们的偏振效应、延迟时差、速度和方位变化等相应的效应分析，可以对沉积建造层序、裂缝与各向异性、地震强烈活动地区不同构造地幔结构的各向异性变化等进行研究和探索.这便为裂缝型油、气勘探及采收率分析、地震活动地带的监测、构造活动与板块界带及核幔边界深层动力过程等研究给出了一个新的途径，因此这一科学领域有着极为重要的发展前景！

4.6 地震各向异性与地幔对流和地幔热柱

地球内部物质与能量的强烈交换、陆-海俯冲、消减、陆-陆碰撞等诸多的深层动力过程和大尺度的层析成像结果为壳、幔介质中的超深俯冲、超级地幔热柱和地幔对流轨迹提出了新的模型（图6），即为对传统的板块构造所理解的俯冲、消减和对流认识的挑战.因为核、幔边界不仅是高速深俯冲异常板片的终极，也是低速物质和超级地幔热柱的源地.为此必须深化理解：

1）核幔边界和D″层这一热动力边界层的地震各向异性可能与地幔冷柱下沉以及不同物理—力学属性层束相关.

2）440km和660km间断面、即地幔转换带附近的地震各向异性更可能是全地幔对流和过渡层属性变异所导致的，即地球内部全地幔物质运移应为岩石圈板块物质运动的根本所在.

3）地幔热柱由源和上升通道及运移轨迹可能是由于流体与固态物质之间的耦合、非均匀及非线性作用，以及温度场、应力场、速度场等变异效应引起的.

图22 云南地区快剪切波的极性分布[52］Fig.22 Distribution of the fast shear wave polarization in Yunnan area[52］

4.7 地震各向异性在地球物理学发展中的作用与今后的任务

Crampine对这一问题已给出了一些分析和阐述[53］，下面将在此基础上[15，17］结合最新资料和现有认识来做一些讨论.由于S波载有大量的信息，理论上只要有几条沿重要结构或构造的射线路径就能提供所经过介质的重要信息.而P波则不然，它需要多道由源至检波器的射线路径.本文以上已论述了横波分裂的存在和其在油、气田盆地地震勘探，地震“孕育”、发生和发展，地区、区域构造地带，地壳、地幔以及壳幔边界研究中的作用与效能，那么在21世纪的初叶或中叶，要做些什么？可能做些什么？又有何预测呢？

4.7.1 理论与技术方法

1）S波分裂与参量计算.基于S波分裂为S1和S2后的衰减差异和速度各向异性和衰减各向异性之间的互易相关.为此S波的多次分裂和在多层沉积建造，结晶基底，地壳、地幔介质结构的地震各向异性的分离和层状介质中传播时和在地震各向异性的分层以及综合反演中，正确识别和建立理论与方法.基本模型则十分关键，为此在计算（反演）S波分裂与各向异性参量时，有两种S波分裂参量可提供反演的可能性，一为导致S波分裂的偏振效应和两个分裂S波之间的时间延迟，另一则为二者的组合，将会取得更为逼近的效应.

2）图像识别与检测.P波和S波分裂、参量计算及其与深层流体、应力场和矿物组分密切相关，故必须深化认识和厘定双相介质，多相介质中地震各向异性理论，检测与分析方法.由于S波分裂与复杂构造汇聚格局相关，而且存在多次分裂及叠加，故检测技术与方法和程序各异.这就必须建立起专门的模块或软件包，方可快速地评估区域性的横波分裂与各向异性响应.在天然地震研究中，因为震源位置、机制和辐射图像均为未知量，故应用神经网络体系等非线性系统的反演会有一定意义.

同时应当注意到要将测量的全波波形井下交叉成像与测井信息相结合以计算更加精确的定量层析成像，从而为研究储层工程重要物理参数提供可能性.

4.7.2 检测与记录系统

1）野外观测系统的设置.由于依据S波分裂资料所得目标层（体）内各向异性信息量与各向异性对称性和排列有关的路径以及采样的方位角和入射角范围相关，所以优化野外观测系统是采集到精确数据之关键.通过地下三分量S波记录装置与观测、以能对岩体内部裂隙和应力状态提供直接信息.在复杂情况下，可安置两个或多方向激发与接收装置以进行方位观测和方向激发等.

图23 云南地区快剪切波的平均极性及其与GPS测量、震源机制、区域主压应力方向的对比[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波源对研究介质的各向异性有重要意义（如井中S波源与同井接收系统），而对S波“窗口”限定的突破对探讨壳、幔精细结构、资源、灾害和动力机制（理论上S波“窗口”为35.6°，可考虑扩至45°～50°）有益.

4.7.3 油、气地震勘探目标、预测与地震各向异性

1）波场响应与对油、气运移的监测.S波、转换波和多波多分量观测与各向异性反演（含能量衰减），以查明地下岩体裂隙排列，应力的空间分布和动态效应.预测地下油、气在外力作用下的运移轨迹和其随时间的变化及监测.井下三分量或多分量观测和井下激发震源与地面观测的耦合效应以及场地井下状态的实时“影响”，对研究裂缝取向、密度和其随深度的变化与排列样式以及油、气开采过程中压裂效应的地震监测与采收率均十分重要.

2）多维观测和油、气运移轨迹.三分量四维和四分量四维陆地和海上观测与成像，可以获取油、气储层的详细信息，而井中注入水、化学液剂或CO2对裂缝空间展布的判断及监测油、气运移轨迹是有效的.

4.7.4 浅层工程与基础稳定性和军事设施

工程建设中的隧道、坝基、桥基、大型工矿企业和发电厂（特别是核发电厂）建设过程中的基础稳定性监测和建成后地质体在受到人为和内力作用下所发生的结构重新调整，均须在其变异过程中进行监测与防范.同时对地下、海底实验场和重要物件存储室（库）的介质属性和在动力作用下的变化监测必须给予必要的关注.

4.7.5 地震“孕育”、发生和发展的深部震源区介质和结构环境

由于天然地震震源为剪切位错源已为大多数地震学家所共识，在地震记录图上往往有清晰的波动和较高的信噪比.为此，地震各向异性在研究地震的“孕育”、发生和发展的深部介质和构造环境有着重要前景.

震源深处与震源周围介质与结构属性变异、裂隙分类和它们所呈现的应力应变场差异与各向异性效应在一般情况下是应当明显的.但由于在较大地震发生前后应力、应变变化亦会导致介质的裂隙排列、方向、密度和纵横比值及其随时间的变化.地震波在地震活动区穿过时会产生S波分裂、它和多次分裂及各向异性均会构成在x、y平面上、构造环境上和在深度z（纵向）方向的本构关系.这便表明：井下应力应变增量—裂隙形成与发展—地震各向异性系数变化与地震波速度、衰减系数的变化有密切关系，故可以此为依据逼近地对地震发生和发展的时间进行预测.

4.7.6 地壳、地幔结构和构造与地震各向异性

1）海洋和大陆地区地震面波相速度和群速度与区域地壳地幔各层、块之间的耦合和介质各向异性的差异可进行定量或半定量的宏观分区.基于岩石（层）本构结构、属性和外力作用效应与导致壳、幔介质地震各向异性的主因和导因，要特别重视高温高压试验与实际观测资料结果的对比与耦合效应，即需进行地壳与上地幔各向异性成因与晶体岩石学的研究.这就要求对深部介质结构、矿物与晶体排列、优选方位、大型裂隙、断层和拆离层地带S波波场效应与各向异性特征，壳幔结构及深部物质上涌通道以及小断裂和破碎带给予厘定.

2）地震波速度（Vpi，Vsi）与Q 值和泊松比结构与各向异性，它们表征着壳幔介质在横向的不均匀性，各向异性和非线性性，故板块运移轨迹（含板块俯冲带，消减带和大洋中脊）在总体上有一概略走向.然而在其间，特别是局部地域与其几何边界则是十分不同的.

4.7.7 下地幔与核幔边界

地球内部的温度随深度变化明显，而深部介质由于低速层的存在，熔融或半熔融物质的存在和迁移状态，且在力系作用下进行运移.其各向异性与潜在地幔热柱和金伯利岩介质中的裂隙、孔隙、流体和边界场效应密切相关，故对壳幔边界，上、下地幔过渡带，核幔边界（D″层）的物理属性识别与地震各向异性的检测乃深化认识地球本体的关键所在.

4.7.8 地球内部地震各向异性与地球动力学

1）尽管地幔对流可以解释很多现象，也得到很多人的共识，但地幔物质的对流毕竟还是一个“猜想”，因为至今人们尚未能定量地检测出其对流的过程与作用，亦尚难以给出一个包含运动学和动力学的基本模式.为此对其运移轨迹的监测，哪怕是半定量的也是十分重要的.

2）地幔热柱的“根”与“通道”的空间分布；410km，660km间断面和核幔边界各向异性的判别以及地幔热柱上涌通道形态的探索；核—幔物质运移与圈层耦合；深、浅构造不统一效应与深部物质与能量的交换乃深化认识和理解地球本体及其深层动力过程的必须.

3）在当今地球物理学研究的进程中，必须是理论、观测和实验三位一体的进程.为此，高温高压状态下的多种岩石速度和Q值各向异性研究，及其深源包体和捕虏体的联合分析和物理、数学模拟相结合乃是在对观测结果解释中必不可少的内涵，尽管这仍只是逼近的.

5 结 语

地球内部介质和结构的各向异性问题在其发展的“征途”上经历了几起几落，进展缓快，距离实用尚有一段艰难的路要走.然而，地震波场各向异性的发现、发展和所取得的成就及其作用和前景已为地球科学界所共识.这是自1964年Hess发表第一篇文章阐明海洋中壳、幔介质存在地震波速度方位各向异性[54］以及Crampin发表了在土耳其地壳中存在各向异性[53］以来地震学中最重要的发展之一.S波分裂携带着的介质本体各向异性信息要比P波多得多，它能提供绝大多数其它地球物理方法所不能提供的有关“原地”岩体内部介质裂隙，矿物晶体排列和应力场特征的信息.它是使地球科学由宏观走向微观和深化认识介质与构造属性的重要内容.

尽管近半个世纪以来地震各向异性研究取得了较快发展，在理论与方法上取得了有成效的进步，但在应用上尚多为定性的或宏观的判断.由于观测系统和记录装置以及在实测地震图上的识别限制，导致对各向异性的分辨率尚不够高.再加上至今对岩体（层）结构、构造和岩相尚缺乏必要的物理学属性了解，故在理论上、技术上、应用效果上均处于发展的过程与积累之中，还存在缺陷和有待对动力过程的定量解释，即远未形成“教科书”或通用的便于操作的集成方法.在它的发展进程中还要做很多艰苦细致的工作，才能使之在地球科学的发展、资源与能源的开拓、提高油、气采收率、对自然灾害的预测和防范、地球内部物质与能量的交换和其深层动力过程、以及深化对地球本体的认识等方面作出新的富有创新性的贡献.

应当看到，地球内部介质的各向异性是地球科学前进中的难点与前沿，对各向异性的研究既是机遇，又是挑战.在各项异性研究领域里，必须充分认识到理论是具有重要指导意义的，也还必须指出的是：在深化对壳、幔、核介质与结构的地震各向异性研究中必须采集大量的数据[55-56］，这也就是说“可靠信息与信息量的获得是头等重要的，这是任何数学技巧所无法弥补的”.可以预计，为了深化对地球本体的认识，为了资源、能源、灾害和环境研究的深入，21世纪的地球科学将必会是介质、结构、构造、岩相和深层动力过程的不均匀性和各向异性的发展时代！

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