4.1.1 地壳的各向异性
我国学者已用剪切波分裂方法研究不同区域地壳各向异性特征[7]。赖院根等[8]研究得出新疆伽师地区主压力为近NS向,而在局部快波偏振方向主要为两种,近NS快波偏振方向刚好在塔里木盆地北部边缘向北运动较快的突出部位,而近EW快波偏振方向与向北运动相对较慢的凹陷部位恰好一致,可以看出塔里木盆地块体在其北部边界的伽师强震群区附近发生右旋运动,解释了伽师地区在短时间内发生强震群的原因。对首都圈区域研究得到最大主应力方向为NE60~70°,但也受张家口—蓬莱断裂带控制的NW向局部应力的影响,且NW向局部应力对首都圈局部应力场具有重要控制作用[9]。吴晶等[10]（2007）亦用剪切波分裂方法对首都圈西北部地区地壳介质各向异性进行分析,得出最大主应力方向也是近NEE方向,但多个台站的快波偏振方向出现不一致性,主要将该区域分成了三个区块,即华北平原区块、张家口—蓬莱断裂带分界的燕山区块和太行山区块,反映出该区域局部应力的复杂性。两位学者对同一地区的研究结果有所不同,主要与剪切波窗口的选择和波形数据量等因素有关。其他学者研究云南地区[11-12],四川地区[13],青藏高原东南缘[14],华夏地块东南部[15]等区域的地壳各向异性特征。
剪切波分裂分析方法还用于分析地震发生前后,区域应力的动态变化。邬成栋,付虹等[16]用2003年云南大姚6.2和6.1级两次地震余震波形数据,高原等[17]用2001年云南施甸3次地震波形数据,迟天峰等[18]用2006吉林乾安5.0级地震的余震波形数据,刘莎等[19]用2012年宁蒗—盐源Ms5.7级地震发生前后记录的地震数据,李金等[20]用2014年盈江6.1级地震余震数据,均作了剪切波分裂研究,得到地震发生后慢波延迟时间随时间逐渐变小,最后趋于稳定,反映出应力动态变化的过程、震源区的地壳各向异性受应力释放和调整影响。
4.1.2 上地幔的各向异性
我国专家学者上世纪90年代开始用剪切波分裂分析方法对青藏高原各向异性进行研究,推断青藏高原不同区域的内部构造运动和动力学过程。用远震SKS分裂结果显示,青藏高原南北各向异性存在明显差异,以雅鲁藏布江为界,北部各向异性特征强,而南部较弱[21-22]。姜枚等[23]证实高原北部各向异性的方向与断裂带（以阿尔金断裂带为代表）走向平行,而内部各地块的各向异性方向却不同于断裂带、地表山脉及地块边界缝合线走向。推断在印度板块和欧亚大陆碰撞挤压下,雅鲁藏布江以北青藏高原之下上地幔物质运移遇到了障碍,向两侧挤出,沿东西方向发生形变以至流动,推动着走滑断裂活动。高原内部各向异性方向表明,上地幔岩石中结晶矿物的排列受着地块北移应力影响。青藏高原最大的各向异性出现在热液活动最强部位。廖武林等[24]研究结果认为青藏高原南部喜马拉雅地区上地幔东西各向异性表现出明显差异,是由印度板块向北推进引起横向不均匀性引起的。
布设在南北地震带的中国地震科学台阵,为青藏高原各向异性研究提供高密度地震波形数据,专家学者对青藏高原的研究更加深入和精确。对青藏高原东南缘各向异性研究结果证实,该区域构造极其复杂。常利军等[25]（研究表明喜马拉雅地区周边快波偏振方向围绕东构造结顺时针旋转,是由印度板块俯冲形成的强变形带引起。太龄雪等[26]研究结果显示快波偏振方向差异大,大部分与区域复杂的断裂走向一致。张艺等[27]研究证明青藏高原东南缘各向异性程度大于东北缘,受印度板块和欧亚板块的碰撞挤压,青藏高原东南缘变形更强烈。Zheng Tuo等[28]认为中下地壳各向异性程度强,存在下地壳流,受应力挤压,向东南移动。高原等[29]研究分析该区各向异性北南存在明显差异,推断区域深部构造形态为北侧上地幔有较厚的高速体,南北中间存在EW走向的直立墙形构造,使其南侧上地幔软流物质向东西移动。
青藏高原东北缘的各向异性研究成果表明,部分台站计算出的快波偏振方向变化范围较大,已经不能用单层各向异性进行解释。李永华等[30]用双层水平对称轴介质各向异性模型解释,局部地区的参数显示上、下两层各向异性快波方向分别集中分布于两个方向,而上、下两层的分裂延时都聚集一个时段内,能反应双层各向异性特征,暗示上地壳、下地壳及上地幔的运动存在一定程度的解藕。昆仑断裂附近的结果显示剪切波分裂参数不随方位变化而变化,且快波方向都与昆仑断裂带近乎平行,显示昆仑断裂已经切穿整个岩石圈。昆仑断裂周边地带壳幔变形很可能属于强藕合模式。青海地区可能属于壳幔解耦一壳幔耦合过渡地带。王琼 等[31]研究得出该区各向异性层厚度两端厚,中间薄的趋势,受区域主应力向北挤压,地壳缩短,高原物质向东滑移。
Wu Jing等[32]研究青藏高原西部各向异性特征,得到存在双层各向异性,快波方向为下层NS向,证实受印度板块挤压,上地幔物质向北流动,而上层为NE-SW向,与地表构造走向不一致,推断是中下地壳流动方向。冯永革等[33]对西北缘阿尔金断裂西部邻区研究证实,青藏高原中北部上地幔软流圈物质受印度和欧亚板块碰撞作用向北流动的过程中,受到塔里木盆地“克拉通”较厚岩石圈的阻挡,方向转为东西向两侧流动,最终形成了青藏高原北部和塔里木盆地边界地带软流圈上地幔橄榄岩中晶格沿近Ｅ-Ｗ向优势排列。
经过诸多专家学者对青藏高原各向异性研究,更好地解释青藏高原隆升变形机制和演化特征。总结青藏高原各向异性特征,其南北差异大,南部东西差异同样明显,反映复杂的地下构造环境。受印度板块和欧亚板块碰撞影响,青藏高原北部上地幔软流圈物质向北运移,遇到塔里木盆地“克拉通”较厚岩石圈,向两侧挤出,沿东西向流动,形成了北部地区各向异性快波方向呈东西向,其幔中局部区域出现双层各向异性特征,推测存在壳慢解耦——壳慢耦合的复杂状态；南部还受印度板块NE向俯冲作用,受到缅甸块体下俯冲板片东向俯冲和西向后撤对缅甸弧后岩石圈产生被动西向拖曳力作用,各向异性方向绕喜马拉雅东构造结周边地区岩石圈产生了顺时针旋转的环形变形[34],说明上地幔物质流动方向转变为SE向,最后到N-S向,与构造应力场方向一致。
一些学者也用剪切波分裂分析方法研究其他地质构造复杂区域,探讨各个地区的动力学特征。常利军等[35]通过分析云南地区快波偏振方向特征从北部东南向过渡到南部东西向,推断云南地区受与之相连的青藏高原垂向隆升变形和东西拉张变形的影响,地幔物质还向东南运移,深部物质和浅部运动模式不同。苗庆杰等[36]依据山东地区各向异性快波偏振方向与GPS的速度场方向一致,认为山东地区壳幔变形可能为垂直连贯变形。强正阳等[37]研究东北区地区各向异性东西部存在明显差异,西部地幔各向异性微弱,为残留在岩石圈中的古老变形引起,而岩石圈的拆沉和热地幔物质上涌侵蚀了保留在岩石圈的古老形变,是松辽盆地和佳木斯地块部分区域延迟时间较小的原因,东部太平洋板块撕裂回撤而产生的地幔流动引起各向异性强,为研究东北地区深层动力过程提供有力证据。刘长生等[38]研究黑龙江地区快波偏振方向,推断该区下方的壳幔变形为垂直连续变形。
从以上研究结果可以看出,无论是对地壳还是上地幔的各向异性特征分析,在使用剪切波分裂方法时都遇到一些问题。对于同一个研究区,使用相同台站波形数据,不同的专家学者计算结果会出现差异。剪切波分裂结果受多种因素的影响,诸如波形数据时间段的选择、信噪比、计算方法、剪切波时间窗的选择、地震定位误差、地表地下复杂构造等。因此,在使用此方法时,应该尽量选择长时间段、高信噪比的波形数据,使用最优计算方法,控制剪切波时间窗为15°~45°,对地震进行精定位,可得到最优的计算结果。在对各向异性特征进行解释时,与在同一地区开展的其他方法进行对比,综合研究解释地球内部动力学过程。
4.2 地震预测
Crampin and Zatsepin [3]监测出地震发生前,应力的增加导致微裂纹纵横比增大,引起延迟时间增大。对全球范围内15个M1.7~M7.7地震前时间延迟的平均变化分析,延迟时间增大反映应力的积累,延迟时间减小表明应力的释放,并总结出时间延迟减小的持续时间与震级的最小二乘拟合关系：
M=alog10(TREL)+b[1]
式中a和b为常数,TREL是应力开始释放到地震发生的持续时间[1]。因此,可以通过监测小震延迟时间来观测微小应力变化（破裂前形变）。实验表明,地震前延迟时间会有一个持续上升突然下降过程,预测大震发生的时间和震级。 Crampin等[39]用应力积累理论成功预测出冰岛西部5. 0级地震的震级和时间。
此后再也没有通过剪切波分裂方法成功预测地震的案例,原因是在实际工作中存在很多困难和限制。剪切波分裂方法对剪切波窗的限制,需要密集的地震监测网用于常规应力观测,还需要遇到合适的震群活动。计算出的延迟时间结果存在±80%的离散,其影响也不能被消除,只有通过大量数据来估计,得到有效结果。因此,剪切波分裂方法用于地震预测的条件是孤立的小震震群,震源被限制在小区带内,需密集的监测网,这样的条件极少,冰岛西部地震的预测是个特例。
