研究提出從地震噪聲提取微弱體波信號探測下地幔散射體的方法

2020-11-09 中科院之聲

下地幔佔地球體積近60%，在各種尺度上都表現出強烈的不均勻性。對下地幔不均勻體特別是小尺度散射體的分布、形態和性質的研究，可以為認識地球深部物質組成及相變、地幔流變性、地幔對流尺度、地幔混合效率等提供重要制約。

傳統研究方法主要有S-P轉換波法和反射前驅波法。其中，利用震源下方的S-P轉換波法具有較高的解析度，但依賴於深源地震的分布，僅適用於探測深源地震較為發育的俯衝地區；反射前驅波法可以探測大陸下方地幔深部的散射體，但依賴於臺站-地震分布，探測解析度較低。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室研究人員等基於地震幹涉理論，發展了利用地震背景噪聲提取微弱的下地幔散射體信號的方法，並探測到東北亞地區下地幔900-1000km深度的小尺度散射體。

地震背景噪聲互相關方法是一種「去震源」化方法，通過對地震臺站連續記錄的互相關獲得臺站間近似的格林函數，從而獲取較高解析度的地球介質速度成像，多用於地殼及上地幔速度結構探測。由於背景噪聲中的體波信號能量弱、穩相區狹窄，對體波特別是來自於深部地幔體波信號的提取極具挑戰性，相關研究和應用頗為有限。

研究人員首次利用地震噪聲互相關方法發現了源自下地幔散射體的反射波。NECsaids和NECESSarray流動臺陣及國家數字地震臺網為研究提供了很好的數據基礎（圖1）。在互相關函數疊加後的波形中，不僅清晰觀測到地幔過渡帶上下界面（410-km和660-km間斷面）的P-P反射波，同時在部分相關曲線約200s處發現了未知的X震相（圖2）。為探明X震相的來源，他們獨闢蹊徑，聯合利用天然地震事件和噪聲產生的不同類型地震波，確證X震相為900-1000km處下地幔散射體上的P-P反射波（圖3）。他們還進一步利用波形擬合對下地幔散射體的物理性質進行聯合約束，當S波、P波速度及密度異常分別為-7.2%、0.2%及0.6%時，理論地震圖與觀測結果擬合最佳（圖2f）。這表明探測到的下地幔散射體可能源自俯衝並進入到下地幔的洋殼，很可能與古老的Izanagi俯衝板塊在深部的殘片相關。

該項研究展示出地震背景噪聲技術在揭示地球深部結構方面的能力，打破了傳統的小尺度深部地幔探測局限於俯衝地區的限制。噪聲與傳統地震數據的聯合約束將實現對深部地幔結構和物性多角度的描摹，為全面認識全球下地幔不均勻性結構，理解地幔物質儲庫及特性、地幔混合效率等地球動力學問題提供了新思路。

研究成果發表於Geophysical Research Letter上。本研究受中科院戰略性先導科技專項（B類）「地球內部運行機制與表層響應」、國家重點研發計劃項目「重大自然災害監測預警與防範」專項以及國家自然科學基金的聯合資助。

圖1 用於研究的地震臺站，主要由NECsaids和NECESSarray流動地震臺陣以及國家地震臺網構成。圖中Ⅰ區域為參考區域，沒有明顯的下地幔散射體信號；Ⅱ和Ⅲ區為探測到下地幔散射體的區域

圖2 不同區域深反射震相的對比。（a）地震噪聲互相關曲線中可以看到明顯的面波信號；（b）截去前80 s信號後的深反射震相圖，研究中只採用了距離小於200 km的數據；（c）對(b)中數據進行動校正之後的圖像；（d）慢度圖譜中除了可以看到P410P和P660P震相外，在200 s附近還可以觀測到一個明顯的能量團；（e）以Ⅲ區域為例疊加後的地震噪聲互相關曲線，灰色範圍給出了95%置信區間；（f）三個區域的地震噪聲互相關曲線（彩色線條），黑色曲線為針對區域Ⅲ進行波形正演模擬獲得的理論地震圖，右上角數字給出了疊加用到的互相關曲線數量

圖3 噪聲互相關信號中提取的反射波與天然地震SdP轉換波探測到的異常體的空間分布，它們採樣到的空間位置基本一致

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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