黃翔  楊家英

地震波在研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是照亮地下結(jié)構(gòu)的“探照燈”，而密集地震臺(tái)陣則是地震學(xué)家手中的“顯微鏡”。在“探照燈”和“顯微鏡”幫助下，可以將華北東部地殼結(jié)構(gòu)看得更清晰一些，獲取該區(qū)域地表淺部的沉積層厚度分布特征，從而更好地防震減災(zāi)。

“探照燈”—— 瑞雷面波

一百多年來(lái)，地震波作為“探照燈”被科學(xué)家廣泛利用，幫助科學(xué)家勾勒出以地殼、地幔、地核為基本單元的地球內(nèi)部圈層構(gòu)造。隨著科技的不斷發(fā)展，可用的“探照燈”種類變得更加多樣。瑞雷面波是地震波中面波的一種，由縱波（P波）和橫波（S波）在自由表面的干涉波形成并沿自由表面?zhèn)鞑ィ|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)橢圓形。在分層介質(zhì)中，瑞雷波具有頻散特性，即速度與頻率相關(guān)。瑞雷波的頻散和橢率（橫向與垂向振幅的比值，也叫做ZH振幅比）分別對(duì)地殼深部和淺部的橫波速度（Vs）敏感，是看清地殼結(jié)構(gòu)的好幫手。

圖1.瑞雷波與體波的粒子運(yùn)動(dòng)圖

P波的偏振方向與波的傳播方向一致，S波的偏振方向與波的傳播方向垂直，瑞雷面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓；P波和S波可以穿過(guò)介質(zhì)內(nèi)部沿任意方向傳播，面波沿著界面?zhèn)鞑?/span>

“顯微鏡”—— 密集臺(tái)陣

地震臺(tái)陣由大量布設(shè)在地球淺表的地震儀組成，能夠記錄從地球內(nèi)部發(fā)出傳播到地表的地震波，地震波中攜帶了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。地震臺(tái)陣分布越密集，就能接收到更多的“探照燈”信號(hào)，把地下結(jié)構(gòu)看得越清楚。因此，利用密集地震臺(tái)陣這個(gè)“顯微鏡”能夠顯著放大地下結(jié)構(gòu)的特征，幫助我們更好地理解地球內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)的規(guī)律，為防震減災(zāi)工作做貢獻(xiàn)。

華北東部地殼結(jié)構(gòu)探秘

大陸地殼演化中長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造單元稱為克拉通，華北東部地區(qū)作為華北克拉通重要的組成部分，經(jīng)歷了最為顯著的克拉通破壞減薄作用，具有較薄的巖石圈和地殼厚度，表現(xiàn)出較強(qiáng)的地震活動(dòng)性，探秘其地殼結(jié)構(gòu)有助于深入分析克拉通破壞和孕震環(huán)境。渤海灣盆地內(nèi)淺部較厚的松散沉積層像放大器一樣對(duì)于地震波能量具有顯著的放大作用，可能導(dǎo)致更加嚴(yán)重的地震災(zāi)害，了解其沉積層厚度分布特征，可以更好地防震減災(zāi)。

2018到2020年間中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣項(xiàng)目在華北東部布設(shè)了密集的流動(dòng)地震臺(tái)，獲得了高質(zhì)量地震波數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)提取瑞雷面波相速度頻散曲線和ZH振幅比，使用貝葉斯蒙特卡羅非線性方法（數(shù)據(jù)處理方法，好比制作涂片，方便“顯微鏡”觀察）反演出華北東部地區(qū)高分辨率的沉積層和地殼三維速度模型。

圖2.研究使用的臺(tái)站分布圖

藍(lán)色三角形代表流動(dòng)地震臺(tái)，紅色三角形代表第四紀(jì)火山群。DV：達(dá)來(lái)諾爾火山群；CV：赤峰火山群；KV：寬甸火山群

從這些模型可以看出，渤海灣盆地內(nèi)含有較厚的沉積層，其中渤海中部沉積層最厚，約為6 km，為現(xiàn)今的沉積中心。渤海灣盆地下方的地殼和上地幔表現(xiàn)為低速特征，反映了地殼內(nèi)部較高的溫度。渤海灣盆地下方上地幔頂部存在大范圍的低速異常，反映了地幔熱物質(zhì)上涌對(duì)地殼底部的改造作用，表明自下而上的熱化學(xué)侵蝕可能是該區(qū)域地殼改造減薄的主要控制因素。盆地周邊隆起區(qū)域整體表現(xiàn)為較高的速度特征，因此地殼改造作用較弱，表現(xiàn)出克拉通改造的橫向不均勻性。

圖3.華北東部 1-50 km不同深度的橫波速度水平切片

圖4. 華北東部沉積層厚度分布圖

在第四紀(jì)地質(zhì)（約260萬(wàn)年前開(kāi)始）發(fā)展的進(jìn)程中，火山活動(dòng)占據(jù)著重要地位。我國(guó)太平洋沿岸有許多第四紀(jì)火山分布，通過(guò)對(duì)華北東部地殼的仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)赤峰火山、達(dá)來(lái)諾爾火山和寬甸火山（圖2、圖5中紅色三角形）下方存在垂向上連續(xù)的低速帶，說(shuō)明這些第四紀(jì)火山下方有殘余巖漿活動(dòng)。相連的低速體表明，赤峰火山和達(dá)來(lái)諾爾火山下的巖漿活動(dòng)具有共同的巖漿來(lái)源。

圖5. 橫波速度異常垂向剖面

DV：達(dá)來(lái)諾爾火山群；CV：赤峰火山群；KV：寬甸火山群

多種“探照燈”聯(lián)合使用

雖然面波頻散和ZH比對(duì)橫波速度比較敏感，但對(duì)速度界面敏感度較低，對(duì)于沉積層底部界面和莫霍面等速度間斷面的約束能力較差，因此可能導(dǎo)致這些界面處的橫波速度存在較大誤差，使成像結(jié)果比較“模糊”。在后續(xù)的研究中可以考慮多種“探照燈”聯(lián)合使用，并利用“顯微鏡”放大成像細(xì)節(jié)。例如加入遠(yuǎn)震體波波形進(jìn)行聯(lián)合反演，遠(yuǎn)震體波波形對(duì)于速度界面非常敏感，能夠“照亮”界面處的信息，有助于提升成像的“清晰度”。因此聯(lián)合三種“探照燈”和“顯微鏡”的作用可以幫助我們更好地“看清”地殼中的結(jié)構(gòu)信息，獲得精度更高的速度模型。

文獻(xiàn)引用：

Huang, X., Wang, W., Ding, Z. 2023. Sedimentary and crustal structure of eastern North China from joint inversion of Rayleigh wave phase velocity and ellipticity and its implication for magmatism. Tectonophysics, 846, 229680.