黃翔  楊家英

地震波在研究地球內部結構過程中發揮著至關重要的作用，是照亮地下結構的“探照燈”，而密集地震臺陣則是地震學家手中的“顯微鏡”。在“探照燈”和“顯微鏡”幫助下，可以將華北東部地殼結構看得更清晰一些，獲取該區域地表淺部的沉積層厚度分布特征，從而更好地防震減災。

“探照燈”—— 瑞雷面波

一百多年來，地震波作為“探照燈”被科學家廣泛利用，幫助科學家勾勒出以地殼、地幔、地核為基本單元的地球內部圈層構造。隨著科技的不斷發展，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傳播，質點運動軌跡呈現橢圓形。在分層介質中，瑞雷波具有頻散特性，即速度與頻率相關。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）分別對地殼深部和淺部的橫波速度（Vs）敏感，是看清地殼結構的好幫手。

圖1.瑞雷波與體波的粒子運動圖

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，瑞雷面波質點運動軌跡是一個橢圓；P波和S波可以穿過介質內部沿任意方向傳播，面波沿著界面傳播

“顯微鏡”—— 密集臺陣

地震臺陣由大量布設在地球淺表的地震儀組成，能夠記錄從地球內部發出傳播到地表的地震波，地震波中攜帶了地球內部結構的信息。地震臺陣分布越密集，就能接收到更多的“探照燈”信號，把地下結構看得越清楚。因此，利用密集地震臺陣這個“顯微鏡”能夠顯著放大地下結構的特征，幫助我們更好地理解地球內部構造活動的規律，為防震減災工作做貢獻。

華北東部地殼結構探秘

大陸地殼演化中長期保持相對穩定的構造單元稱為克拉通，華北東部地區作為華北克拉通重要的組成部分，經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，表現出較強的地震活動性，探秘其地殼結構有助于深入分析克拉通破壞和孕震環境。渤海灣盆地內淺部較厚的松散沉積層像放大器一樣對于地震波能量具有顯著的放大作用，可能導致更加嚴重的地震災害，了解其沉積層厚度分布特征，可以更好地防震減災。

2018到2020年間中國地震科學臺陣項目在華北東部布設了密集的流動地震臺，獲得了高質量地震波數據，利用這些數據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（數據處理方法，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.研究使用的臺站分布圖

藍色三角形代表流動地震臺，紅色三角形代表第四紀火山群。DV：達來諾爾火山群；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，為現今的沉積中心。渤海灣盆地下方的地殼和上地幔表現為低速特征，反映了地殼內部較高的溫度。渤海灣盆地下方上地幔頂部存在大范圍的低速異常，反映了地幔熱物質上涌對地殼底部的改造作用，表明自下而上的熱化學侵蝕可能是該區域地殼改造減薄的主要控制因素。盆地周邊隆起區域整體表現為較高的速度特征，因此地殼改造作用較弱，表現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

在第四紀地質（約260萬年前開始）發展的進程中，火山活動占據著重要地位。我國太平洋沿岸有許多第四紀火山分布，通過對華北東部地殼的仔細觀察，可以發現赤峰火山、達來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的低速帶，說明這些第四紀火山下方有殘余巖漿活動。相連的低速體表明，赤峰火山和達來諾爾火山下的巖漿活動具有共同的巖漿來源。

圖5. 橫波速度異常垂向剖面

DV：達來諾爾火山群；CV：赤峰火山群；KV：寬甸火山群

多種“探照燈”聯合使用

雖然面波頻散和ZH比對橫波速度比較敏感，但對速度界面敏感度較低，對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，因此可能導致這些界面處的橫波速度存在較大誤差，使成像結果比較“模糊”。在后續的研究中可以考慮多種“探照燈”聯合使用，并利用“顯微鏡”放大成像細節。例如加入遠震體波波形進行聯合反演，遠震體波波形對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”地殼中的結構信息，獲得精度更高的速度模型。

文獻引用：

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.