深度剖析探测地壳结构的“灯”与“眼”
发布时间:2019-09-26

人类社会更像是附着在地壳表面的一层苔藓

 

地壳是与人类关系最为密切的地球圈层,也是构造活动最为强烈的圈层,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%。目前大陆钻探最深记录为12km,仅相当于地球半径的0.2%

地壳结构探测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最有效方法之一,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。

 

给地球做CT

基于地震学的层析成像方法

 

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射线的投影可以唯一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年给出了全球尺度的体波层析成像成果(Dziewonski et al., 1977)。

全球地震层析成像

区域地震层析成像

局部地震层析成像

 

灯与眼

噪声成像与密集台阵

 

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。

如果说地震是照亮地球内部的明灯,那地震仪器就是穿透地下迷雾的眼睛。

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。

中国地震局近年完成的短周期密集台阵分布

基于噪声成像的短周期密集台阵有如下优点

  1. 相对于人工源地震,天然地震成本低,环保,且穿透力强,深部信号能量大;

  2. 相对于宽频带地震仪,便携式一体化短周期地震仪价格低廉,布设便捷,适于大规模密集布设;

  3. 通过密集布设(百米台间距)一体化地震仪,提高接收函数频率,相干叠加等方式,提高信噪比,提高成像函数的分辨率,克服天然地震分辨率偏低的缺陷;

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.))

 

一体化短周期地震仪

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,下面是两款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。

 

 

McSEIS-AT

 

 

“McSEIS-AT(3通道)”是OYO最近推出的一款用于地面被动源面波勘探的设备,可快速获取超过1km地下深度的地震波速信息,该设备重量轻(2.0 kg)、无需电缆,可快速部署在地面上进行深部勘探。

该产品频率响应范围为0.2-1650Hz,采集数据通过WiFi将数据传输到计算机中,使用专用软件“SeisImager”进行分析操作。结合McSEIS-AT(1通道)和McSEIS-AT(3通道),可更便捷和有效地勘探。

 

 

TROMINO

 

 

TROMINO地脉动&振动分析仪是意大利MOHO公司生产的专为振动测量和最佳便携性而专门设计的一体化设备,具有以下特点:

超级便携:尺寸小(10×14×8cm);重量轻(1kg);功耗低(标准电源为2节1.5V的AA电池);无外接电缆。

配置完备:3个可调增益和动态范围的速度传感器;3个加速度传感器;1个模拟通道;内置GPS接收器,内置/外置天线;内置无线电接收/发射模块;内置标定和自检系统;频率响应范围0.1-1024Hz。

依托内置无线电模块(距离较远时可配置无线放大器),多台仪器形成观测阵列,使用主从模式,仪器之间自动同步时间,自动统一配置,同步测量。

 

 

参考文献

 

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.中国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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