[Review]基于剪切波分裂的地球内部各向异性研究综述

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1. 地球内部各向异性

1.1 定义

• 各向异性指地球介质的物理和化学属性随方向的不同而变化。
• 研究地球内部各向异性可以揭示其结构、动力学特性及应力场分布情况。
  

1.2 不同圈层的各向异性特征

1.2.1 地壳

• 地壳的各向异性主要成因：
  1. 裂隙定向排列（广泛膨胀各向异性，EDA）。
  2. 矿物晶格优选排列，尤其在下地壳。
• 中上地壳：裂隙沿最大压应力方向扩张，导致方向性排列。
• 下地壳：由角闪石等矿物的晶格排列形成构造各向异性。
• 研究意义：
  • 利用剪切波分裂分析裂隙变化，可以监测地壳应力场的演化和地震活动。

1.2.2 上地幔

• 各向异性来源：
  • 橄榄石晶格的定向排列。
  • 板块运动与地幔流动的耦合作用。
• 主要分布：
  • 上地幔各向异性与造山带和裂谷带走向一致。
• 技术方法：
  • 剪切波分裂（如SKS波）具有高垂向分辨率，是研究上地幔各向异性的有效工具。

1.2.3 D″层

• D″层位于地幔与外核的边界，特点：
  • 各向异性由矿物（如钙钛矿）晶格排列和弹性模量混合物造成。
  • 对地球内部热力、化学演化有重要意义。
• 当前问题：
  • 由于地震观测的局限性，D″层的剪切波分裂研究结果还不完整。

1.2.4 内核

• 内核各向异性是由铁晶体的六方紧密堆积（hcp）定向排列引起。
• 主要表现：
  • 地球内核的对称轴与自转轴间存在夹角。
  • 剪切波分裂未能完全覆盖内核区域，研究仍有待完善。

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2. 剪切波分裂方法的发展

2.1 方法分类

1. 偏振分析法：
   • 利用质点运动变化提取快、慢剪切波偏振结果。
   • 缺点：工作量大，效率低。
2. 旋转相关法：
   • 将水平分量旋转至快、慢剪切波的方向，分离快、慢波。
   • 优点：准确性高，结果易校正。
3. 最小特征值法：
   • 基于质点运动轨迹协方差矩阵计算快、慢波偏振方向。
   • 缺点：对噪声敏感，稳定性低于其他方法。
4. 最小切向能量法：
   • 通过最小化切向分量能量来校正快、慢剪切波。
   • 优点：高效、可靠，是研究上地幔各向异性的常用方法。

2.2 方法发展历程

• 剪切波分裂技术经历了从简单的偏振分析到综合性分析工具的发展。
  • 剪切波系统分析方法（SAM）：结合相关函数、旋转分析和偏振分析，能够自动识别快、慢剪切波，应用于地壳应力场研究。

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3. 剪切波分裂的应用

3.1 地壳各向异性研究

• 方法：利用SAM系统分析快、慢剪切波的偏振方向和延迟时间。
• 参数意义：
  • 偏振方向：反映裂隙方向和应力场特征。
  • 时间延迟：与裂隙密度和介质厚度相关。
• 应用：
  • 监测区域应力变化。
  • 预测地震活动。
  • 研究构造活动和断裂带演化。

3.2 地幔各向异性研究

• 利用SKS波、PKS波等远震剪切波分裂研究上地幔结构。
• 技术特点：
  • SKS波具有高横向分辨率，便于分析板块运动和地幔流动方向。
• 应用实例：
  • 青藏高原：发现壳幔耦合较强，上地幔流动与板块运动一致。
  • 华北地区：揭示复杂的双层各向异性结构。

3.3 地震预测与火山监测

• 地震预测：
  • 剪切波分裂参数随震前应力累积和震后释放而变化。
  • 例如，冰岛地震活动成功预测震级与时间。
• 火山监测：
  • 剪切波分裂反映火山喷发前的应力积累和岩浆动态。
  • 火山喷发后延迟时间显著降低，表明应力释放。

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4. 壳幔耦合模式

4.1 耦合模型

1. 简单软流圈流动模型（SAF）：
   • 表现为壳幔解耦状态。
   • 软流圈顶部与底部流速差异明显。
2. 垂直连贯变形模型（VCD）：
   • 地壳与上地幔耦合变形，快剪切波偏振方向一致。
   • 表明壳幔运动一致。

4.2 研究现状

• 青藏高原：耦合状态显著，壳幔运动一致。
• 复杂区域：耦合模式仍需深入研究，特别是在板块边界和裂谷带。

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5. 展望

5.1 当前技术局限

• 台站分布稀疏，限制区域研究的分辨率。
• 剪切波分裂方法对各向异性厚度的估算存在难度。
• 数据解读易受噪声和多解性的影响。

5.2 未来发展方向

1. 密集观测：
   • 建立更多地震观测台网。
   • 引入新型传感器和人工智能算法。
2. 多方法结合：
   • 剪切波与面波联合分析，弥补垂向分辨率不足。
   • 结合GNSS研究地壳运动与应力场。
3. 跨学科融合：
   • 将剪切波分裂与地电阻率、大地电磁学等方法结合，综合分析各向异性特征。

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6. 结论

• 剪切波分裂技术是研究地球内部各向异性的核心工具，为地震预测、火山监测和深部动力学研究提供了重要支撑。
• 尽管存在局限性，随着技术进步和方法改进，其应用范围将进一步扩大。

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