王新等-JGR：構築精細城市盆地結構——基於密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函式
在人口稠密且容易發生破壞性地震的特大城市（如洛杉磯、舊金山、成都、東京等），開展城市盆地結構探測對地震災害監測與風險評估至關重要，因為盆地的“場地效應”會放大地震動的振幅、增加其持續時間。近年來，隨著行動式一體化短週期節點地震儀的快速發展，短週期密集臺陣探測已成為低成本、高分辨約束城市盆地結構的重要手段。然而，相比於傳統寬頻帶地震儀，短週期節點地震儀具有噪音水平高、觀測週期短（電池供電，充電一次可使用約30天）等劣勢。短週期節點地震儀的發展給地震學研究提供了更多的機遇，同時也提出了更大的挑戰：如何基於短週期節點地震儀，發展相應的成像技術，更清晰有效的提取地下結構資訊？
接收函式是探測地球內部結構最重要的手段之一。接收函式的提取，實質上是一個反褶積的問題，透過水平分量和垂直分量的反褶積分離出臺站下方速度間斷面的轉換波，獲取地下介面資訊。接收函式反褶積的原理簡單，但難點在於如何克服反褶積的內在非唯一性（Intrinsic non-uniqueness of deconvolution），提取穩定、可靠的接收函式。特別是短週期節點地震儀的接收函式研究中存在波形噪音水平高，記錄到的遠震事件少（觀測週期短）、疊加不足等問題，如何利用短週期節點地震儀進行高精度的接收函式成像存在重大挑戰。
基於快速發展的短週期密集臺陣技術，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王新副研究員，聯合美國加州理工學院、路易斯安那州立大學等科研人員，發展了適應於短週期密集臺陣的新一代接收函式成像方法。利用密集臺陣記錄到的連續波場資訊，該研究創新性的引入沿層相干的概念，發展了獲取連續地下結構的貝葉斯沿層相干接收函式演算法（圖1，圖2）。相對於傳統“單地震-單臺站”接收函式而言，該方法：（1）透過多地震、多臺站聯合反演有效抑制地下非相干噪聲和區域性散射，大大降低了傳統單臺反褶積的非唯一性；（2）透過引入噪音水平、正則化因子，約束實際資料所反映的“最簡單”的地下結構，降低傳統單臺反褶積中資料過度擬合的問題；（3）透過貝葉斯反演，引入接收函式誤差估計，有助於更準確、更定量的地質解釋（圖3，圖4）。
圖1 洛杉磯盆地BASIN（Basin Amplification Seismic INvestigation）短週期密集臺陣。BASIN短週期密集臺陣包含10個二維觀測剖面（藍色三角形），總檯站數約750個，平均臺間距約250m
圖2 基於密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函式示意圖。由於臺間距較小，相鄰臺站下方的結構具有一致性。因此，可以透過多地震、相鄰臺站聯合反演有效抑制地下非相干噪聲和區域性散射，提高反褶積的穩定性。右圖描繪了包含5個相鄰臺站的沿層相干接收函式。紫色虛線表示相干接收函式震相，每個震相由時間 (t)、慢度 (s) 和幅度 (a) 表示
圖3 正演測試。 (A)俯衝板片二維速度模型，方塊表示均勻分佈的地表地震臺站，臺間距為5公里；(B) 基於密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函式成像結果。注：80-100公里深度處的陡傾角板片由於傾角過大而無法利用接收函式方法進行準確成像
圖4 BASIN短週期密集臺陣實際應用。基於密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函式（僅展示了可靠度大於68%的震相）與三種常用傳統“單臺站-單地震”接收函式方法對比（SG3剖面，其位置見圖1）
該研究試圖打破傳統的將接收函式研究視為“收集資料”的觀念（a collection of data），而提出“能解釋地震記錄的最優地下結構”的新正規化（models that can best explain waveforms）。該方法同傳統“單地震-單臺站”接收函式相比，其核心思路為利用密集臺陣記錄到的連續波場資訊，從低信噪比資料中提取相干訊號，更清晰有效地追蹤地下結構。根據研究問題的尺度不同，該方法還可應用於刻畫俯衝板片介面、岩石圈-軟流圈介面(S波接收函式)、上地幔間斷面等研究中，利用密集臺陣，構建地下精細結構，為定量地質解譯提供可能。
研究成果發表於國際權威學術期刊JGR-Solid Earth（王新*, Zhan Z*, Zhong M, Persaud P, Clayton R W.Urban basin structure imaging based on dense arrays and Bayesian array-basedcoherent receiver functions [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2021, 126: e2021JB022279. DOI: 10.1029/2021JB022279）。該成果受到國家自然科學基金專案（91958209、 41774058）的資助。
編輯：楊翔棹
校對：李玉鈐、趙娜
