中国地震局地球物理研究所 黄 翔 杨家英
地震波在研究地球内部结构过程中发挥着至关重要的作用，是照亮地下结构的“探照灯”，也是地震学家了解地球的重要手段，而密集地震台阵则是地震学家手中的“显微镜”。在“探照灯”和“显微镜”帮助下，我们可以将华北东部地壳结构看得更清晰一些，有助于加深对地球内部构造演化的理解和更好地开展防灾减灾工作。
“探照灯”——瑞雷面波
一百多年来，地震波作为“探照灯”被科学家广泛利用，帮助科学家勾勒出以地壳、地幔、地核为基本单元的地球内部圈层构造。随着科技的不断发展，可用的“探照灯”种类变得更加多样。瑞雷面波是地震面波的一种，由纵波（P波）和横波（S波）在自由表面的干涉形成并沿自由表面传播，质点运动轨迹呈现椭圆形。在分层介质中，瑞雷波具有频散特性，即速度与频率相关。对瑞雷波的频散和椭率（横向与垂向振幅的比值，也叫做ZH振幅比）的测量有助于探测地壳结构。
图1.瑞雷波与体波的粒子运动图
P波的偏振方向与波的传播方向一致，S波的偏振方向与波的传播方向垂直，瑞雷面波质点运动轨迹是一个椭圆；P波和S波可以穿过介质内部沿任意方向传播，面波沿着界面传播
“显微镜”——密集台阵
地震台阵由大量布设在地球浅表的地震仪组成，能够记录从地球内部发出传播到地表的地震波，地震波中携带了地球内部结构的信息。通过分析处理地震台阵记录的地震波数据，地震学家可以获得地下的三维结构特征。地震台阵分布越密集，就能接收到更多的“探照灯”信号，把地下结构看得越清楚。因此，利用密集地震台阵这个“显微镜”能够显著放大“探照灯”信号中携带的地下结构特征，帮助我们更好地研究地球内部结构。
图2. 密集台阵接收地震波信号示意图
华北东部地壳结构探秘
我们利用“探照灯”和“显微镜”在华北东部地区开展了地壳层结构研究。大陆地壳演化中长期保持相对稳定的构造单元称为克拉通，华北东部地区就属于华北克拉通重要的组成部分。与大多数克拉通不同，华北克拉通经历了最为显著的克拉通破坏减薄作用，具有较薄的岩石圈和地壳厚度，表现出较强的地震活动性，探秘其地壳结构有助于深入分析克拉通破坏和构造演化机制。此外华北东部的渤海湾盆地内浅部较厚的松散沉积层像放大器一样，对于地震波能量具有显著的放大作用，可能导致更加严重的地震灾害。首都北京就位于渤海湾盆地内，因此获取盆地内沉积层厚度分布特征，可以用于模拟地震在盆地中的影响，更好地服务于防震减灾。
2018到2020年间中国地震科学台阵项目在华北东部布设了密集台阵，获得了高质量的地震波数据，利用这些数据提取瑞雷面波相速度频散曲线和ZH振幅比，使用贝叶斯蒙特卡罗非线性方法（数据处理方法，好比将“探照灯”信号制作涂片，方便“显微镜”观察）反演出华北东部地区高分辨率的沉积层和地壳三维速度模型。
图3. 研究使用的台站分布图
蓝色三角形代表流动地震台，红色三角形代表第四纪火山群。DV：达来诺尔火山群；CV：赤峰火山群；KV：宽甸火山群
从这些模型可以看出，渤海湾盆地内含有较厚的沉积层，其中渤海中部沉积层最厚，约为6km，是现今的沉积中心。地震波在这些沉积物中传播速度比在基岩中慢，因此盆地中的沉积物能够显著地放大地震波信号。有研究表明盆地内数公里厚的沉积物能够将地震波能量放大10倍以上，对盆地内的建筑造成非常严重的破坏。在获得沉积物的分布特征以后，可以进一步研究渤海湾盆地沉积物对地震波的放大效应，从而为防灾减灾工作提供科学上的指导。
渤海湾盆地下方的地壳层经历了明显的改造，相对较薄。从模型中更深处可以看到渤海湾盆地下方的地壳和上地幔表现为低速特征，反映了地壳内部较高的温度。渤海湾盆地下方上地幔顶部存在大范围的低速异常，反映了地幔热物质上涌对地壳底部的改造作用，表明自下而上的热化学侵蚀可能是该区域地壳改造减薄的主要控制因素。盆地周边隆起区域整体表现为较高的速度特征，因此地壳改造作用较弱，表现出克拉通改造的横向不均匀性。
图4. 华北东部 1-50 km不同深度的横波速度水平切片
图5. 华北东部沉积层厚度分布图
在第四纪地质（约260万年前开始）发展的进程中，火山活动占据着重要地位。我国太平洋沿岸有许多第四纪火山分布，通过对华北东部地壳的仔细观察，可以发现赤峰火山、达来诺尔火山和宽甸火山（图2、图5中红色三角形）下方存在垂向上连续的低速带，说明这些第四纪火山下方有残余岩浆活动。相连的低速体表明，赤峰火山和达来诺尔火山下的岩浆活动具有共同的岩浆来源。
图6. 横波速度异常垂向剖面
DV：达来诺尔火山群；CV：赤峰火山群；KV：宽甸火山群
多种“探照灯”联合使用
虽然面波频散和ZH比对横波速度比较敏感，但对速度界面敏感度较低，对于沉积层底部界面和莫霍面等速度间断面的约束能力较差，因此可能导致这些界面处的横波速度存在较大误差，使成像结果比较“模糊”。在后续的研究中可以考虑多种“探照灯”联合使用，并利用“显微镜”放大成像细节。例如加入远震体波波形进行联合反演，远震体波波形对于速度界面非常敏感，能够“照亮”界面处的信息，有助于提升成像的“清晰度”。因此联合不同的“探照灯”和“显微镜”的作用可以帮助我们更好地“看清”地壳中的结构信息，获得精度更高的速度模型。