主、被動(dòng)源等多種觀測(cè)證實(shí)，淺地表地震波速隨時(shí)間變化，且與溫度、降水、氣壓等環(huán)境載荷密切相關(guān)。然而，一個(gè)突出的挑戰(zhàn)在于，不同探測(cè)方法獲取的速度變化幅度及其主要反映的敏感深度存在顯著差異，導(dǎo)致研究結(jié)果難以相互印證與整合，無法形成統(tǒng)一、系統(tǒng)的對(duì)淺層地殼如何響應(yīng)環(huán)境載荷理論認(rèn)知。

中國地震局地球物理研究所劉春禹博士與和泰名副研究員在甘肅北山地下實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)址開展了氣槍主動(dòng)震源巖體波速變化觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的鉆孔氣槍主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，將500立方英寸氣槍固定于95米深鉆孔中，以10分鐘間隔持續(xù)激發(fā)；配合地表14個(gè)地震儀和3個(gè)鉆孔中12個(gè)不同深度（60-540米）地震儀組成三維立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（圖1）。利用水層反卷積消除震源效應(yīng)和系統(tǒng)時(shí)鐘誤差，獲得了高質(zhì)量的格林函數(shù)；采用移動(dòng)窗互譜法，基于S波最強(qiáng)能量前后1-2個(gè)周期波形，精確計(jì)算了波速變化（δv/v）。

結(jié)果顯示：研究區(qū)存在顯著的地震波速日變化，傍晚達(dá)到峰值（增加0.2%-0.3%），滯后日最高氣溫約4小時(shí)（圖1）；最近的觀測(cè)臺(tái)速度時(shí)變可達(dá)2%，遠(yuǎn)大于基于噪聲尾波獲得0.01%量級(jí)變化；波速日變化幅度隨深度呈指數(shù)衰減，有效影響深度局限于300米以內(nèi)，顯著淺于以往的“數(shù)公里”經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)。通過熱彈性應(yīng)變應(yīng)力建模，揭示了熱彈性應(yīng)力是波速日變化的主導(dǎo)機(jī)制，而非固有溫度效應(yīng)或其它環(huán)境因素。

圖1 速度日變化與溫度、氣壓、和固體潮的相關(guān)性及隨距離和深度的指數(shù)型衰減

研究成果2025年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Earth, Planets and Space》（Liu, C., Wang, J., He, T. et al. A borehole airgun source reveals depth-dependent seismic velocity changes at the Beishan underground research laboratory. Earth, Planets Space, 77, 168 (2025). https://doi.org/10.1186/s40623-025-02290-x）。研究受中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目（No. DQJB21B40）、核設(shè)施退役治理專項(xiàng)資助科研項(xiàng)目（科工二司[2020]94號(hào)）、和國家自然科學(xué)基金（No. 42304055和No. 42204053）共同資助。

【作者簡(jiǎn)介】

第一作者：劉春禹，男，博士，助理研究員，主要從事背景噪聲與氣槍速度時(shí)變、噪聲成像等方面研究。Email: cliu@cea-igp.ac.cn

通訊作者：和泰名，男，副研究員，主要從事微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)與室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等。Email: hetm@cea-igp.ac.cn