姚華建
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院
引 言
我國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，尤其是大陸內(nèi)部大型活動(dòng)斷裂帶的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的強(qiáng)震更容易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)土面積僅占世界的7%，但發(fā)生了占全世界33%的大陸內(nèi)部強(qiáng)震，且7級(jí)及以上的強(qiáng)震基本上都發(fā)生在活動(dòng)地塊邊界的斷裂帶上。
地震主要是由于斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的（圖1），一些大型斷裂帶可能包含多條活動(dòng)斷層，例如我國(guó)東部的郯廬斷裂帶和西部的龍門(mén)山斷裂帶，因此，對(duì)斷層或斷裂帶結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)是研究和防范地震災(zāi)害的基礎(chǔ)。
圖1. a圖為斷層與地震發(fā)生示意圖，b圖和c圖分別為寧夏海原地震斷層和四川汶川地震發(fā)震斷層
1. 斷裂帶地震活動(dòng)分布的復(fù)雜性
斷裂帶是否發(fā)生大地震、什么時(shí)候發(fā)生大地震、大地震發(fā)生的時(shí)間、周期等問(wèn)題取決于區(qū)域板塊（或塊體）相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)環(huán)境，以及斷裂帶本身的物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)。例如由于印度板塊與歐亞大陸的碰撞，在青藏高原周緣和內(nèi)部形成了一系列活動(dòng)斷裂帶。一些斷裂帶包含多條活動(dòng)斷層，有的斷層滑動(dòng)速率大，超過(guò)每年1厘米。斷層的有些區(qū)段易于發(fā)生7級(jí)甚至8級(jí)以上的強(qiáng)震，但另外一些區(qū)段卻只發(fā)生中小地震，甚至幾乎不發(fā)生地震。位于云南的紅河斷裂帶的西北段（大理地區(qū)）發(fā)生過(guò)多次7級(jí)及以上的強(qiáng)震，但其中段卻很少有大地震發(fā)生。位于中國(guó)東部的郯廬斷裂帶山東郯城段曾發(fā)生1668年81/2級(jí)強(qiáng)震，但在其南側(cè)的江蘇宿遷段及安徽段近幾十年地震卻很少。斷裂帶地震活動(dòng)性的分段差異反映出同一條斷裂帶不同區(qū)段可能存在不同的性質(zhì)，導(dǎo)致地震孕育和發(fā)生的潛力存在較大差異。因此，對(duì)斷裂帶性質(zhì)（包括物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)等）的精細(xì)刻畫(huà)是認(rèn)識(shí)斷裂帶地震活動(dòng)性、中強(qiáng)地震孕育發(fā)生和地震災(zāi)害特征的基礎(chǔ)。
2. 給地震斷層做透視
由于斷層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)直接影響斷裂帶上地震的孕育和發(fā)生，如何獲得斷層或斷裂帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常關(guān)鍵。地震科學(xué)家通過(guò)在斷層兩側(cè)布設(shè)GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，例如北斗、GPS）設(shè)備可以測(cè)量得到斷層在地表的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征，從而判斷斷層的活動(dòng)性。但大陸內(nèi)部的地震通常發(fā)生在地下幾千米到十幾千米的中上地殼，如何獲得斷層深部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和物理屬性是認(rèn)識(shí)地震孕育發(fā)生的基礎(chǔ)。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，醫(yī)生通過(guò)X光機(jī)、CT、B超等手段給人體做透視，進(jìn)行成像，從而判斷人體內(nèi)部器官是否存在疾病。在地震學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們通常采用地震波成像的方法對(duì)斷層深淺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像（做透視），從而獲得斷層的幾何結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、巖石成分等。給斷層做透視的地震學(xué)成像方法主要包括主動(dòng)震源成像、區(qū)域地震成像、背景噪聲成像等，不同方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1 斷層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)震源成像
主動(dòng)震源成像主要采用人工震源的方法產(chǎn)生地震波，例如震動(dòng)車(chē)、爆破震源、甲烷氣爆震源、氣槍震源等。這些人工震源激發(fā)的地震波被密集布設(shè)于地表（或水面）的地震儀（或水聽(tīng)器）接收到，然后通過(guò)地震波成像算法（例如反射波成像、直達(dá)波成像）就可以對(duì)地下斷層結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度的成像（圖2、圖3）。根據(jù)成像精度的需要，可以跨斷層布設(shè)線性或者面狀的震源激發(fā)和接收系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)斷裂帶或斷層結(jié)構(gòu)的精細(xì)成像。但由于主動(dòng)震源的斷層成像方法通常成本比較高，所以目前主要是以跨斷層或斷裂帶的線性剖面成像為主（圖2、圖3）。另外，20世紀(jì)廣泛使用的炸藥震源由于其存在安全性和環(huán)境污染問(wèn)題，目前使用得越來(lái)越少。新型環(huán)保主動(dòng)震源，如甲烷氣爆震源（圖3）等系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，將為斷層結(jié)構(gòu)成像提供新的手段。
圖2. 利用鉆孔爆破震源反射波成像方法獲得的郯廬斷裂帶宿遷段剖面（位置如a圖黑線所示）的精細(xì)結(jié)構(gòu)（b圖）。a圖紅色虛線顯示斷層水平方向位置，b圖黑線為基于反射剖面解釋的深度方向上的斷層位置，圖中‘Moho’指示地殼和上地幔之間的界面（莫霍面）的位置。成像結(jié)果顯示郯廬斷裂帶附近莫霍面有明顯的錯(cuò)斷，表明該斷裂帶為一條深切巖石圈的大斷裂。圖片來(lái)源于劉保金等（2015）
圖3. 采用甲烷氣爆震源（位置如五角星所示）直達(dá)P波成像獲得的四川冕寧附近安寧河斷裂帶地下淺部2km深度范圍的精細(xì)縱波速度結(jié)構(gòu)（等值線顯示縱波速度值，單位為km/s），紅色為低速異常，代表松軟的沉積物；藍(lán)色為高速物質(zhì)，代表強(qiáng)度大的基巖。密集布設(shè)的地震儀的位置如a圖中黑色圓點(diǎn)所示，斷層水平方向位置如a圖中的黑線（F1和F2）所示。圖片來(lái)源于Shao XH等（2021）
2.2 斷層結(jié)構(gòu)的區(qū)域地震成像
基于區(qū)域地震成像方法的斷層或斷裂帶結(jié)構(gòu)成像主要是利用發(fā)生于斷裂帶區(qū)域的地震所輻射出的地震波進(jìn)行斷裂帶或發(fā)震斷層的三維結(jié)構(gòu)成像。尤其是大地震發(fā)生后，會(huì)在主震斷層或者周邊的一些分支斷層上產(chǎn)生很多余震。根據(jù)地表布設(shè)的地震儀接收到的這些地震輻射出的地震波信號(hào)，利用區(qū)域地震波成像方法就可以獲得從地震發(fā)生深度到地表的斷裂帶區(qū)域結(jié)構(gòu)成像（圖4）。該方法由于需要使用天然地震信號(hào)，所以只能應(yīng)用于地震活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域，例如我國(guó)的川滇地區(qū)。由于地震主要發(fā)生在中上地殼，所以其成像的深度范圍往往局限于中上地殼，成像的精度和分辨率受限于地震的空間分布和地震儀的分布。
圖4. 基于區(qū)域地震成像方法獲得龍門(mén)山斷裂帶蘆山地震至汶川地震區(qū)域(a圖)上地殼的縱波速度結(jié)構(gòu)（b圖）。a圖黑色圓圈為2013年蘆山地震的余震，灰色圓圈為2008年汶川地震的余震，上下兩個(gè)黃色五角星分別為汶川地震和蘆山地震的震中。圖中線條給出了龍門(mén)山斷裂帶主要的斷層位置分布。成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)汶川地震和蘆山地震之間的物質(zhì)偏低速，強(qiáng)度相對(duì)更低一些，一般認(rèn)為不易于發(fā)生大地震。圖片來(lái)源于Pei SP等（2014）
2.3 斷層結(jié)構(gòu)的背景噪聲成像
地震儀除了記錄地震信號(hào)外，絕大部分時(shí)間都在記錄噪聲信號(hào)。這些噪聲信號(hào)來(lái)源于海浪與大陸、島嶼、海底的相互作用，湖水、河水與堤岸的相互作用，火車(chē)、汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)，以及各種自然活動(dòng)和人類活動(dòng)等。2004-2005年間地震學(xué)家發(fā)展了一種全新的噪聲成像方法，可以把地震儀記錄的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诓煌卣饍x之間傳播的地震波信號(hào)（圖5），從而把地震儀變成虛擬震源，實(shí)現(xiàn)無(wú)源成像，獲得地震儀布設(shè)區(qū)域地下的高精度結(jié)構(gòu)圖像。
圖5.通過(guò)地震儀記錄的背景噪聲的互相關(guān)計(jì)算獲得在地震儀之間傳播的波信息。圖片修改于Weaver（2005）
背景噪聲成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球不同區(qū)域、不同深度的結(jié)構(gòu)成像，包括很多地震斷裂帶區(qū)域，例如我國(guó)東部郯廬斷裂帶（圖6），川滇地區(qū)安寧河斷裂帶、龍門(mén)山斷裂帶、程海斷裂帶等一些活動(dòng)斷裂帶。由于噪聲成像不需要主動(dòng)震源，也不需要等待地震信號(hào)，因而具有十分便捷和觀測(cè)成本低的優(yōu)勢(shì)。通常在斷裂帶或斷層區(qū)域布設(shè)較為密集的地震儀，就可以通過(guò)噪聲面波成像獲得斷層淺部高分辨率的結(jié)構(gòu)圖像（圖6），但該方法隨著深度的增加分辨率會(huì)降低。
圖6. 基于背景噪聲成像獲得的郯廬斷裂帶巢湖段三維精細(xì)速度結(jié)構(gòu)模型。a圖顯示地下1km深度的速度結(jié)構(gòu)圖像，b圖顯示沿一條穿過(guò)郯廬斷裂帶的垂直剖面（0-15km深度范圍）的速度結(jié)構(gòu)。圖中,紅色為低速異常，代表松軟的盆地沉積物；藍(lán)色為高速物質(zhì)（例如在郯廬斷裂帶下方），代表強(qiáng)度大的基巖；黑色線條顯示郯廬斷裂帶及其周邊分支斷層的分布。圖片來(lái)源于Luo S等（2021）
3. 斷層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的綜合探測(cè)
由于不同的地震波成像方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在斷層結(jié)構(gòu)成像時(shí)需要綜合考慮多種因素，開(kāi)展更為綜合的探測(cè)。例如，可以結(jié)合被動(dòng)震源（地震、噪聲）和主動(dòng)震源聯(lián)合的探測(cè)方法，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì)，相互結(jié)合，互為補(bǔ)充，從而對(duì)斷層深淺部結(jié)構(gòu)獲得更為全面的認(rèn)識(shí)。除了地震學(xué)成像方法之外，還可以采用地震波傳播模擬和一些特殊的斷層地震波信號(hào)分析的方法來(lái)獲得斷層的精細(xì)結(jié)構(gòu)，例如斷層內(nèi)部破碎帶的寬度和性質(zhì)。通過(guò)對(duì)斷層面上地震的精確定位和震源機(jī)制的分析，還能更好地獲得發(fā)震斷層面的幾何形態(tài)。
除了采用地震學(xué)方法獲得斷層速度結(jié)構(gòu)模型外，還可以對(duì)斷層開(kāi)展電磁方法成像，獲得斷層帶區(qū)域的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)模型，從而更好地約束斷層帶不同的物理屬性和幾何特征。目前國(guó)內(nèi)外很多研究團(tuán)隊(duì)正在針對(duì)一些活動(dòng)斷層開(kāi)展綜合的地球物理學(xué)觀測(cè)，給斷層做透視所拍出的片子也越來(lái)越清晰，為研究地震的孕育發(fā)生過(guò)程和地震災(zāi)害的模擬評(píng)估提供了重要的基礎(chǔ)。
作者介紹：
姚華建,1979年出生于安徽廣德，2001年及2004年分別獲得中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科和碩士學(xué)位，2009年獲得美國(guó)麻省理工學(xué)院地球物理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,中國(guó)地震學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，IUGG IASPEI 中國(guó)組委會(huì)副主席，科技部蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站常務(wù)副站長(zhǎng)。在背景噪聲和地震波成像、青藏高原巖石圈結(jié)構(gòu)及形變、川滇地區(qū)公共速度模型構(gòu)建、俯沖帶大地震破裂規(guī)律等領(lǐng)域取得了一系列具有國(guó)際影響力的創(chuàng)新研究成果。發(fā)表120余篇學(xué)術(shù)論文，包括NSR、PNAS、Nature Comm.、GRL等第一或通訊作者論文50余篇。2014-2018年擔(dān)任國(guó)際核心地震學(xué)期刊SRL副主編, 2018年起擔(dān)任國(guó)際核心地球物理學(xué)期刊GJI 編輯（editor）, 并擔(dān)任《中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》等期刊的編委。2017年起擔(dān)任中國(guó)地震局第八屆科技委委員，2020-2021年擔(dān)任美國(guó)地震學(xué)會(huì)Charles Richter獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)委員。2016年獲得中國(guó)地震局防震減災(zāi)科技成果一等獎(jiǎng)，2017年獲得中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2020年獲得第十六屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)。
來(lái)源：中國(guó)地震局公共服務(wù)司（法規(guī)司）
