中下地壳岩石弹性波各向异性的影响因素.pdf

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1、第32卷第2期地震地质Vo1．32，No．22010年6月SEISMOLOGYANDGEOLOGYJune，2010中下地壳岩石弹性波各向异性的影响因素张国苓杨晓松陈建业闰小兵1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京1000292)山西省地震局，太原030002摘要地壳岩石成分及其构造的复杂性使得地壳弹性波各向异性的影响因素比较复杂。在地壳浅部，裂隙广泛发育，它们的定向排列对岩石各向异性起到了很重要的作用。在地壳深部，裂隙基本闭合，岩石的各向异性主要是由矿物晶格优选方位(LPO)和形态优选方位(SPO)决定的。云母和(或)角闪石含量较高且定向排列的地壳岩石通

2、常具有较高的各向异性。熔体的定向排列(MPO)可以显著地加强地壳各向异性。关键词地壳各向异性裂隙定向排列晶格优选方位形态优选方位熔体定向排列中图分类号：P313．1文献标识码：A文章编号：0253—4967(2010)02—0327—11O引言弹性波各向异性(以下简称各向异性)的研究是地震学和构造地质学之间的桥梁，已逐渐成为当今固体地球科学和地球物理学中最活跃的研究领域之一。近年来，利用面波、接收函数和剪切波分裂方法在青藏高原一川滇西部地壳中探测出多个各向异性层(Ozacareta1．，2004；Sherringtoneta1．，2004；Shapiroeta1．，2004

3、；Leveta1．，2006)。其中，中、下地壳的各向异性强度达到了14％。田宝峰等(2008)利用接收函数研究了太行山地壳的各向异性，浅层2．4km深度以内表现出强度约为10％的各向异性，主要由裂隙定向排列引起，裂隙面沿NNE向展布，与该地区的断层走向一致；中地壳则显示出强度约为8％的各向异性，主要由晶格优选方位引起。Clement等(1992)的研究表明，格陵兰西南部下地壳具有6％～8％的剪切波各向异性。地壳中的一些岩浆岩和大部分的变质岩均具有各向异性，例如糜棱岩、片麻岩、片岩和角闪岩等。地壳深部岩石的弹性波各向异性包含有地壳变形的重要信息，并且是可以利用地震测深技术进

4、行探测的地球物理特性，因此是人们了解地壳深部构造特征，探讨其动力学含义的重要岩石物理参数。1中、下地壳弹性波各向异性的研究方法地震波速度随测量方向的变化称为地震波各向异性。Birch(1961)定义P波各向异性AI，m一I／mi为：A=×100％。目前研究岩石各向异性的常用方法有：1)利用单晶体弹性刚度系[收稿日期]2009—11—09收稿，2010—03—28改回。[基金项目]国家自然科学基金(40972139)与地震行业科研专项(2008419012)共同资助。328地震地质32卷数和矿物晶格优选定向组构数据，从理论上计算在多晶集合体各个方向上的波速差异(Crosson

5、eta1．，1971；Bakereta1．，1972；嵇少丞等，1989；金振民等，1994)；2)实验测量天然岩石标本在不同方向上的超声波速度(Kern，1982；Siegesmundeta1．，1989，1990；母润昌等，1995；Meltzereta1．，2001)。1．1理论研究方法三斜晶系的矿物需要用21个独立的弹性常数来表示，单斜晶系、斜方晶系、四方晶系、六方晶系、立方晶系和各向同性介质分别需要13、9、6或7、5、3和2个独立的弹性常数来表示。利用这些独立的弹性常数，通过结晶学参照系和标准参照系之间的变换，可以计算多晶体集合体弹性系数Voigt的平均值，并通

6、过求解Christoffel方程，最终确定岩石各个方向的波速。已知岩石中每一种矿物的晶格优选方位、密度、单晶体的弹性刚度系数以及体积分数，就可以计算出全岩(多晶集合体)在任意方向上的弹性波速度。将每一种矿物的每一个颗粒的弹性刚度系数从结晶学参照系(C)旋转到标本参照系(即由面理和拉伸线理所定义的X-Y-Z参照系c。)，计算多晶集合体的平均弹性刚度矩阵NSc啦】：：Fs>：Ctijkl／Ns(1)1。——1。式(1)中c。为第s种矿物的第Ⅳ个颗粒在标本参照系中的弹性刚度矩阵，F为第s种矿物的体积分数。多晶集合体中某一给定方向上的波速()通过解Christofel方程得出：de

7、t1T；一&~pV2I=0(2)式(2)中，6k为Kronecker6，P为集合体的密度，ik为Christoffe1刚度矩阵：T_k=A·。A·C。(3)式(3)中A为多晶集合体中某一给定方向的方向余弦。式(2)中通常具有3个实数根，分别对应于与波法线垂直的波面上的3个波速，即纵波(。)、快剪切波(V)和慢剪切波(V)。1．2弹性波速度测量超声波脉冲测量方法主要有3种：透射法、反射法以及透射一反射联用法。表1对比了几类典型弹性波测量系统。一般地，在平行面理的方向上岩石的波速较高，垂直面理的方向上波速较小。在实验室