地震噪声提取微弱体波信号探测下地幔散射体

来源：中科院地质地球所

下地幔占地球体积近60%，在各种尺度上都表现出强烈的不均匀性。对下地幔不均匀体特别是小尺度散射体的分布、形态和性质的研究，可以为认识地球深部物质组成及相变、地幔流变性、地幔对流尺度、地幔混合效率等提供重要制约。

传统研究方法主要有S-P转换波法和反射前驱波法。其中，利用震源下方的S-P转换波法具有较高的分辨率（～10 km），但依赖于深源地震的分布，仅适用于探测深源地震较为发育的俯冲地区；反射前驱波法可以探测大陆下方地幔深部的散射体，但依赖于台站-地震分布，探测分辨率较低（～数百km）。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室的张理蒙博士，在李娟研究员的指导下，与陈棋福研究员、南京大学王涛副教授等合作，基于地震干涉理论，发展了利用地震背景噪声提取微弱的下地幔散射体信号的方法，并成功探测到东北亚地区下地幔900-1000 km深度的小尺度散射体。

地震背景噪声互相关方法是一种“去震源”化方法，通过对地震台站连续记录的互相关获得台站间近似的格林函数，从而获取较高分辨率的地球介质速度成像，多用于地壳及上地幔速度结构探测。由于背景噪声中的体波信号能量弱、稳相区狭窄，对体波特别是来自于深部地幔体波信号的提取极具挑战性，相关研究和应用都颇为有限。 

研究者们首次利用地震噪声互相关方法发现了源自下地幔散射体的反射波。NECsaids和NECESSarray流动台阵及国家数字地震台网为研究提供了很好的数据基础（图1）。在互相关函数叠加后的波形中，不仅清晰观测到地幔过渡带上下界面（410-km和660-km间断面）的P-P反射波，同时在部分相关曲线约200 s处发现了未知的X震相（图2）。为探明X震相的来源，他们独辟蹊径，联合利用天然地震事件和噪声产生的不同类型地震波，确证X震相为900-1000 km处下地幔散射体上的P-P反射波（图3）。他们还进一步利用波形拟合对下地幔散射体的物理性质进行联合约束，当S波、P波速度及密度异常分别为-7.2%、0.2%及0.6%时，理论地震图与观测结果拟合最佳（图2f）。这表明探测到的下地幔散射体可能源自俯冲并进入到下地幔的洋壳，很可能与古老的Izanagi俯冲板块在深部的残片相关。

图1 用于研究的地震台站，主要由NECsaids和NECESSarray流动地震台阵以及国家地震台网构成。图中Ⅰ区域为参考区域，没有明显的下地幔散射体信号；Ⅱ和Ⅲ区为探测到下地幔散射体的区域

图2 不同区域深反射震相的对比。（a）地震噪声互相关曲线中可以看到明显的面波信号；（b）截去前80 s信号后的深反射震相图，研究中只采用了距离小于200 km的数据；（c）对(b)中数据进行动校正之后的图像；（d）慢度图谱中除了可以看到P410P和P660P震相外，在200 s附近还可以观测到一个明显的能量团；（e）以Ⅲ区域为例叠加后的地震噪声互相关曲线，灰色范围给出了95%置信区间；（f）三个区域的地震噪声互相关曲线（彩色线条），黑色曲线为针对区域Ⅲ进行波形正演模拟获得的理论地震图，右上角数字给出了叠加用到的互相关曲线数量

图3 噪声互相关信号中提取的反射波与天然地震SdP转换波探测到的异常体的空间分布，它们采样到的空间位置基本一致

该项研究展示出地震背景噪声技术在揭示地球深部结构方面的能力，打破了传统的小尺度深部地幔探测局限于俯冲地区的限制。噪声与传统地震数据的联合约束将实现对深部地幔结构和物性多角度的描摹，为全面认识全球下地幔不均匀性结构，进而理解地幔物质储库及特性、地幔混合效率等重要的地球动力学问题提供了新的思路。