深度剖析探测地壳结构的“灯”与“眼”

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地壳是与人类关系Z为密切的地球圈层，也是构造活动Z为强烈的圈层，人类生存所依赖的自然环境和一切资源均源于地壳物质。大陆地壳覆盖了近三分之一的地球表面，质量仅占地球总质量的0.35%。目前大陆钻探Z深记录为12km，仅相当于地球半径的0.2%。

地壳结构探测，为研究板块构造、地球演化等科学问题，以及矿产资源调查、工程建设勘查等提供了有效手段。

地震学是研究地球深部结构的Z有效方法之一，利用地震波探测地壳结构是地学研究的基本课题之一，近年来，地震层析成像和密集台阵观测方法的发展是地震学研究的重要变革，该方法已经成为地球深部精细结构探测研究中的重要手段。

地震波层析成像的历史可上溯至上世纪60年代，美国科学家Cormack 从数学和实验结果证实了根据X射线的投影可以地确定人体内部结构,从而奠定了医学诊断上图像重建的理论基础，即X 射线CT(X Ray Computer Tomography)。

层析成像原理与几种典型的医学CT原理图

地震层析成像原理与医学CT原理类似，只是发射源从射线发生器变成了天然或人工震源，接收阵列换成地震仪台阵，探测目标换成地球。

地震是照亮地球内部的明灯

澳大利亚地震探测台阵与周边地震传播路径

地震波层析成像首先由Aki等提出，并给出了小尺度（Aki and Lee, 1976）和区域尺度（Aki et al., 1977）远震体波层析成像（Teleseismic body-wave tomography）。Dziewonski等在1977年给出了尺度的体波层析成像成果（Dziewonski et al., 1977）。

地震层析成像

区域地震层析成像

局部地震层析成像

对地震波的传统认识认为，地震发生后所记录的有效地震事件波形为有效信号。除此外，其余部分被称为噪音。这样，形成噪音的声源广泛地分布在地球表面的每个角落，如海浪、风暴和公路上的车流等，统被称为随机分布的波场( Yang and Ritzwoller, 2008)。

噪声波场

在一个特定环境中，只要是记录这些随机分布的波场足够长，这些噪音也是有规律的，就可以很好地认识区域噪音规律，对区域进行结构成像，跟面波成像方法相似。

随着便携式一体化短周期地震仪改进和完善，该类型地震仪集成了数据采集器、单或三分量拾振器、大容量锂电池和 GPS 时钟等。相对于宽频带地震仪有价格优势，其体积较小非常便于野外施工，内置电池可连续观测数日到数十日，可以在较小区域内单次投入数百上千台数量的仪器，适于开展点距密集的地震台阵观测工作。

短周期密集台阵与宽频带台阵对比

密集台阵与噪声成像探测新技术体系是实现“地下透明”的新利器，对支撑我国城市地下空间（0-500米）、自然资源（0-3000米）和地球深部（中上地壳）三维结构精细探测，乃至实现岩性结构探测有着变革性意义。国内外学者近年来在该领域开展了大量的研究工作，在基础理论、技术方法和观测应用上取得了重要进展。

ZG地震局近年完成的短周期密集台阵分布

目前噪声成像与密集台阵观测在城市地下空间探测、微震监测、火山、地热和矿集区精细结构和断裂带空间分布，以及大陆动力学等相关研究中得到了广泛应用。

（a）五大连池火山区区域尺度构造图；

（b）五大连池火山区密集流动台阵分布图。

（a-c）不同位置的波速结构剖面图；

（d）尾山火山口下方可能的岩浆囊分布特征；

（e）五大连池火山区火山口分布及剖面位置图。

资料来源：基于密集台阵的五大连池火山区地壳浅部岩浆囊成像研究（《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.））

便携式一体化短周期地震勘测设备近年来发展迅速，国内外大量优秀产品相继推出，下面是性能较为先进的可进行密集台阵测量的便携式一体化地震仪。

Liu Zhen , Tian Xiaobo* , Gao Rui , et al. New images of the crustal structure beneath eastern Tibet from a high-density seismic array[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2017, 480:33-41

Li Zhiwei , Ni Sidao , Zhang Baolong , et al. Shallow magma chamber under the Wudalianchi Volcanic Field unveiled by seismic imaging with dense array[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(10):4954-4961.

张宝龙, 李志伟, 包丰, et al. 基于微动方法研究五大连池火山区尾山火山锥浅层剪切波速度结构[J]. 地球物理学报, 2016, 59(10):3662-3673.

李娜. 利用基于密集台阵的面波成像方法研究南北地震带北段地壳上地幔速度结构.博士论文.ZG地震局地球物理研究所.2017. P315.2

Tian, X. et al. (2018). 3D seismic refraction travel-time tomography beneath the middle-lower Yangtze River region. Seismol. Res. Lett.

Wei, Y. et al. (2018). Imaging the topography of crust-mantle boundary from a high-density seismic array beneath the middle-lower Yangtze River, Eastern China. Seismol. Res. Lett

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