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地球顯微鏡

——密集臺陣揭示地球內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)

地震學(xué)是一門高度依賴于觀測數(shù)據(jù)的學(xué)科，逐漸加密部署的各種地震臺網(wǎng)，尤其是密集臺陣，晝夜不停的監(jiān)測大地“心跳”和“脈搏”，源源不斷地產(chǎn)生觀測數(shù)據(jù)，為地震學(xué)家提供寶貴的分析素材。

密集臺陣通常聚焦于某一區(qū)域，通過密集布設(shè)地震儀，構(gòu)建“地球顯微鏡”，可以觀測到包含地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的地震波信號。

地震波信號蘊含著地球內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的豐富信息，依托于這些信號，地震學(xué)家能夠開展地下構(gòu)造成像、地震定位以及誘發(fā)地震機制分析等研究。

通過這些多元化的研究途徑，地震學(xué)家得以從不同維度深入探索地球內(nèi)部的奧秘，進而為防震減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

01

什么是密集臺陣？

密集臺陣，簡而言之，是通過在研究區(qū)域內(nèi)密集布設(shè)大量高靈敏度的地震儀，形成對地震波進行加密觀測的地震臺陣。

區(qū)別于主要用于監(jiān)測長期地震活動情況的固定地震臺網(wǎng)（臺站間距較大），密集臺陣側(cè)重于在重點或者特定區(qū)域開展的短期加密觀測，或稱為流動加密觀測。

地震儀能夠接收并記錄從地球內(nèi)部發(fā)出、傳播到達地表觀測點的各種地震波，包括來自天然地震、人工震源激發(fā)地震以及地震背景噪聲（由大氣、海浪和人類活動等非地震作用所產(chǎn)生的持續(xù)、微弱的振動）等的信號。

圖1便攜式節(jié)點地震儀

利用地震波數(shù)據(jù)不僅可以計算出地震的震級、發(fā)震時間和震中位置等參數(shù)，而且可以用來探測地下結(jié)構(gòu)。我們熟知的地球內(nèi)部界面，如莫霍面和古登堡面等，都是基于對地震波數(shù)據(jù)的研究而發(fā)現(xiàn)的。依據(jù)這些界面，科學(xué)家將固體地球劃分為地殼、地幔和地核等圈層。

通過布設(shè)更密觀測點位的密集臺陣，可以收集更多的地震信號和數(shù)據(jù)，用于開展地震波成像或者反演等，從而獲得更加精細(xì)的地下結(jié)構(gòu)特征，把地下結(jié)構(gòu)“看得”更清楚，“透視”地下結(jié)構(gòu)。

因此，密集臺陣可以看作探測地下精細(xì)結(jié)構(gòu)的“地球顯微鏡”。

02

密集臺陣已廣泛應(yīng)用于不同構(gòu)造域的探測研究

地震學(xué)家通過布設(shè)不同尺度和密度的流動地震臺陣，可以開展局部、區(qū)域乃至全球性的成像研究。以中國地震科學(xué)探測臺陣ChinArray為例，通過布設(shè)臺間距30~50km的寬頻帶地震臺陣，實現(xiàn)分區(qū)域、覆蓋式的中國大陸基礎(chǔ)地球物理探測，服務(wù)中國大陸深部孕震環(huán)境研究等。

近年來，隨著便攜式節(jié)點地震儀的快速發(fā)展，地震學(xué)家通過布設(shè)大量臺間距小于5km的臺站，構(gòu)成更加密集的觀測網(wǎng)絡(luò)，進而可以開展區(qū)域結(jié)構(gòu)研究，已成功應(yīng)用于斷裂帶、火山、油氣田和礦區(qū)的高分辨率成像，以及城市地下空間探測等。

此外，隨著分布式聲波傳感（DAS）觀測技術(shù)的快速發(fā)展，利用現(xiàn)有的通訊光纜或者重新布設(shè)專用光纖，通過將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為沿光纖分布的振動信號，地震學(xué)家可以開展基于超密集臺陣的地下構(gòu)造高分辨率成像。

圖2 野外短周期密集臺陣觀測場景

03

利用密集臺陣對活動斷裂帶開展淺部結(jié)構(gòu)探測

川滇地區(qū)是我國長期以來的地震重點監(jiān)視區(qū)之一，程海斷裂帶是該區(qū)域的重要活動斷裂帶，受青藏高原東向擠出作用的影響，小震震群活動頻繁，地震危險性增強。歷史上該區(qū)域曾多次發(fā)生大地震，例如1515年永勝7.5級地震，2001年永勝6.0級地震等。

為獲取程海斷裂帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)，中國地震局地球物理研究所在程海斷裂帶的期納段和片角段布設(shè)了2條密集線性臺陣，開展了為期1個月的觀測。基于密集臺陣連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)開展了背景噪聲層析成像（ANT）和噪聲水平/垂直向譜比分析（HVSR），獲得了測線下方的剪切波速度結(jié)構(gòu)(圖3中b1,c1)和沉積層厚度分布情況(圖3中b2,c2)。

圖3（a）研究區(qū)構(gòu)造位置及臺站分布圖（Xiaona Ma et al.,2024）；（b1）和（b2）分別為期納測線下方剪切波速度和沉積層厚度分布情況；（c1）和（c2）分別為片角測線下方剪切波速度和沉積層厚度分布情況. 圖b2和c2中的峰值表征沉積厚度分布情況. F1-1：期納斷裂；F1-2：金江斷裂；F2-1：河曲-上營斷裂；F2-2：河曲-賓居斷裂；F2-3：賓川斷裂.

研究結(jié)果表明期納和片角下方都存在明顯的低速區(qū)，結(jié)合斷裂活動性、地震分布以及低速區(qū)的幾何特征等，認(rèn)為該低速區(qū)的形成與程海斷裂左旋和正斷持續(xù)作用、流體動力學(xué)以及沉積源有關(guān)，而不是地震活動造成的地震破碎帶。程海斷裂帶期納段和片角段的淺層精細(xì)結(jié)構(gòu)可為這兩個人口聚集區(qū)的地下發(fā)震機制、災(zāi)害評價和城市地下空間利用等研究提供支撐。

利用基于跨斷層布設(shè)的密集線性臺陣觀測獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)開展ANT和HVSR分析，是一種低成本、綠色環(huán)保的綜合探測方式，為研究斷裂帶淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考，尤其是在城市地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。

基于密集臺陣這個“地球顯微鏡”，我們可以實現(xiàn)重點研究區(qū)不同尺度、不同精度、不同深度地下構(gòu)造特征的探測分析。此外，隨著DAS觀測技術(shù)的發(fā)展，借助這種超級“地球顯微鏡”，地震學(xué)家可以實現(xiàn)更加精細(xì)的地下結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究。

參考文獻

01

Xiaona Ma, Wei Yang, Shanhui Xu, Yunpeng Zhang, Weitao Wang, Junhao Song, Chunyu Liu, Shallow characteristics of Chenghai Fault Zone, Yunnan, China, from ambient noise tomography and horizontal-to-vertical spectral ratio with two dense linear arrays, Tectonophysics, 881, 2024, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2024.230351.

02

田小波，沈旭章，魏運浩，劉震，楊旭松，黃河，張良雨，金睿智. 短周期密集臺陣深部地殼結(jié)構(gòu)探測研究進展. 地球與行星物理論評（中英文），56（0）：1-17. 2025. doi：10.19975/j.dqyxx.2024-029.

03

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供稿丨融媒體駐地球所通訊站 馬曉娜 楊家英 王紅強

編輯丨趙雪晴

校對丨張文妮

審核丨鄭軼文