地震發(fā)生過程中可激發(fā)地震波和聲波，其中的聲波包括頻率低于20Hz的次聲波以及特殊情況下20Hz以上的可聽聲波。由此使得震聲耦合信號（Seismoacoustic coupled signals）研究成為理解震源特征的重要途徑，尤其是重建次聲源區(qū)、估計震源區(qū)域的強地面運動特征等。此外，當監(jiān)測對象為化學爆炸或核爆炸時，利用傳統(tǒng)的地震波記錄難于精準估計爆炸埋深，而次聲波則提供了獨立的觀測手段和對埋深估算的額外約束。

2020年7月12日，唐山市古冶區(qū)發(fā)生Ms 5.1級地震，震中位于北緯39.78°，東經(jīng)118.44°，震源深度10公里。此次地震是近20年以來我國京津冀地區(qū)發(fā)生的最大一次地震，引起了社會的廣泛關注。除國家地震烈度速報與預警臺網(wǎng)記錄到了這次Ms 5.1地震的地震信號外，震中區(qū)域還激發(fā)了次聲信號，并被部署在北京國家地球觀象臺的DQS次聲陣列（圖1）記錄到。這使得研究此次地震的震聲耦合過程和震源特征成為可能。

圖1 DQS陣列和地震震中空間位置分布

中國地震局地球物理研究所楊星浩博士研究生、蔣長勝研究員、邊銀菊研究員和蘇偉副研究員使用Infrapy進行陣列處理并獲取了震中次聲的波前參數(shù)（圖2），利用射線追蹤模擬了次聲在大氣中的傳播過程（圖3）。在此基礎上，還利用反投影方法重建了次聲源區(qū)并與利用峰值表面加速度記錄模擬的結果進行了對比研究（圖4）。

圖2 唐山5.1級地震的震聲信號波束形成和探測結果（探測結果以紅色突出顯示）

圖3 大氣剖面和次聲傳播模擬

圖4（a）反投影獲得的聲壓級（SPL）與（b）峰值表面壓力（PSP）的比較

研究結果表明，此次唐山Ms 5.1地震的次聲信號為平流層相，地震發(fā)生時附近地區(qū)的次聲傳播的平均速度與距離有很好的擬合關系、與方位角無關，本征射線的方位角偏差范圍最大不超過1°。次聲來源于一個長軸約57 km、短軸約28 km的東北向延伸的次聲輻射區(qū)，長軸方向與斷層破裂方向一致。次聲波傳播路徑和震中周圍的地形可能導致了次聲信號與地震波信號之間的不一致性。該項研究揭示了中強地震的震源破裂特征對次聲輻射區(qū)形態(tài)的影響，以及地形和大氣狀態(tài)造成的地震次聲耦合狀態(tài)的復雜性，豐富了對震聲耦合現(xiàn)象的新認識，并為中強震的震聲耦合機理研究提供了科學參考。

該項研究成果于2023年8月刊發(fā)在國際主流地學期刊《Bulletin of the Seismological Society of America》（Yang, X., Jiang, C.*, Bian, Y., Su, W., 2023. Seismoacoustic Coupled Signals from the 11 July 2020 Ms 5.1 Tangshan, China, Earthquake. Bull. Seismol. Soc. Amer., 113, 1513–1522, doi: 10.1785/0120220217）。該項研究由國家自然科學基金聯(lián)合基金項目（U2039204）和科技基礎資源調查計劃項目（2018FY100504）共同資助。

【作者簡介】

第一作者：楊星浩，男，博士，主要從事地震和次聲監(jiān)測技術研究。Email: yangxinghao18@mails.ucas.edu.cn

通訊作者：蔣長勝，博士生導師、研究員，主要從事地震監(jiān)測技術和預測理論研究。Email: jiangcs@cea-igp.ac.cn