歐美大地深度剖析探測地殼結構的“燈”與“眼”

人類社會更像是附着在地殼表面的一層苔蘚

地殼是與人類關係最爲密切的地球圈層，也是構造活動最爲強烈的圈層，人類生存所依賴的自然環境和一切資源均源於地殼物質。大陸地殼覆蓋了近三分之一的地球表面，質量僅佔地球總質量的0.35%。目前大陸鑽探最深記錄爲12km，僅相當於地球半徑的0.2%。

地殼結構探測，爲研究板塊構造、地球演化等科學問題，以及礦產資源調查、工程建設勘查等提供了有效手段。

地震學是研究地球深部結構的最有效方法之一，利用地震波探測地殼結構是地震學研究的基本課題之一，近年來，地震層析成像和密集臺陣觀測方法的發展是地震學研究的重要變革，該方法已經成爲地球深部精細結構探測研究中的重要手段。

給地球做CT

基於地震學的層析成像方法

地震波層析成像的歷史可上溯至上世紀60年代，美國科學家Cormack 從數學和實驗結果證實了根據X射線的投影可以唯一地確定人體內部結構，從而奠定了醫學診斷上圖像重建的理論基礎，即X 射線CT（X Ray Computer Tomography）。

層析成像原理與幾種典型的醫學CT原理圖

地震層析成像原理與醫學CT原理類似，只是發射源從射線發生器變成了天然或人工震源，接收陣列換成地震儀臺陣，探測目標換成地球。

地震是照亮地球內部的明燈

澳大利亞地震探測臺陣與周邊地震傳播路徑

地震波層析成像首先由Aki等提出，並給出了小尺度（Aki and Lee, 1976）和區域尺度（Aki et al·, 1977）遠震體波層析成像（Teleseismic body-wave tomography）。Dziewonski等在1977年給出了全球尺度的體波層析成像成果（Dziewonski et al·, 1977）。

全球地震層析成像

區域地震層析成像

局部地震層析成像

燈與眼

噪聲成像與密集臺陣

對地震波的傳統認識認爲，地震發生後所記錄的有效地震事件波形爲有效信號。除此外，其餘部分被稱爲噪音。這樣，形成噪音的聲源廣泛地分佈在地球表面的每個角落，如海浪、風暴和公路上的車流等，統被稱爲隨機分佈的波場（ Yang and Ritzwoller， 2008)。

噪聲波場

在一個特定環境中，只要是記錄這些隨機分佈的波場足夠長，這些噪音也是有規律的，就可以很好地認識區域噪音規律，對區域進行結構成像，跟面波成像方法相似。

如果說地震是照亮地球內部的明燈，那地震儀器就是穿透地下迷霧的眼睛。

隨着便攜式一體化短週期地震儀改進和完善，該類型地震儀集成了數據採集器、單或三分量拾振器、大容量鋰電池和 GPS 時鐘等。相對於寬頻帶地震儀有價格優勢，其體積較小非常便於野外施工，內置電池可連續觀測數日到數十日，可以在較小區域內單次投入數百上千臺數量的儀器，適於開展點距密集的地震臺陣觀測工作。

短週期密集臺陣與寬頻帶臺陣對比

密集臺陣與噪聲成像探測新技術體系是實現“地下透明”的新利器，對支撐我國城市地下空間（0-500米）、自然資源（0-3000米）和地球深部（中上地殼）三維結構精細探測，乃至實現巖性結構探測有着變革性意義。國內外學者近年來在該領域開展了大量的研究工作，在基礎理論、技術方法和觀測應用上取得了重要進展。

中國地震局近年完成的短週期密集臺陣分佈

基於噪聲成像的短週期密集臺陣有如下優點

目前噪聲成像與密集臺陣觀測在城市地下空間探測、微震監測、火山、地熱和礦集區精細結構和斷裂帶空間分佈，以及大陸動力學等相關研究中得到了廣泛應用。

（a）五大連池火山區區域尺度構造圖；

（b）五大連池火山區密集流動臺陣分佈圖。

（a-c）不同位置的波速結構剖面圖；

（d）尾山火山口下方可能的岩漿囊分佈特徵；

（e）五大連池火山區火山口分佈及剖面位置圖。

資料來源：基於密集臺陣的五大連池火山區地殼淺部岩漿囊成像研究（《Geophysical Research Letters》（Li et al· Shallow magma chamber under the Wudalianchi volcanic field unveiled by seismic imaging with dense array· Geophys· Res· Lett·, 2016, 43, 4954-4961·））

一體化短週期地震儀

便攜式一體化短週期地震勘測設備近年來發展迅速，國內外大量優秀產品相繼推出，下面是性能較爲先進的可進行密集臺陣測量的便攜式一體化地震儀。

McSEIS-AT

“McSEIS-AT（3通道）”是OYO最近推出的一款用於地面被動源面波勘探的設備，可快速獲取超過1km地下深度的地震波速信息，該設備重量輕（2·0 kg）、無需電纜，可快速部署在地面上進行深部勘探。

該產品頻率響應範圍爲0.2-1650Hz，採集數據通過WiFi將數據傳輸到計算機中，使用專用軟件“SeisImager”進行分析操作。結合McSEIS-AT（1通道）和McSEIS-AT（3通道），可更便捷和有效地勘探。