全国科普月丨地球显微镜——密集台阵揭示地球内部精细结构

震知道融媒工作室出品

地球显微镜

——密集台阵揭示地球内部精细结构

地震学是一门高度依赖于观测数据的学科，逐渐加密部署的各种地震台网，尤其是密集台阵，昼夜不停的监测大地“心跳”和“脉搏”，源源不断地产生观测数据，为地震学家提供宝贵的分析素材。

密集台阵通常聚焦于某一区域，通过密集布设地震仪，构建“地球显微镜”，可以观测到包含地球内部结构特征的地震波信号。

地震波信号蕴含着地球内部精细结构的丰富信息，依托于这些信号，地震学家能够开展地下构造成像、地震定位以及诱发地震机制分析等研究。

通过这些多元化的研究途径，地震学家得以从不同维度深入探索地球内部的奥秘，进而为防震减灾工作提供科学依据和技术支持。

01

什么是密集台阵？

密集台阵，简而言之，是通过在研究区域内密集布设大量高灵敏度的地震仪，形成对地震波进行加密观测的地震台阵。

区别于主要用于监测长期地震活动情况的固定地震台网（台站间距较大），密集台阵侧重于在重点或者特定区域开展的短期加密观测，或称为流动加密观测。

地震仪能够接收并记录从地球内部发出、传播到达地表观测点的各种地震波，包括来自天然地震、人工震源激发地震以及地震背景噪声（由大气、海浪和人类活动等非地震作用所产生的持续、微弱的振动）等的信号。

图1便携式节点地震仪

利用地震波数据不仅可以计算出地震的震级、发震时间和震中位置等参数，而且可以用来探测地下结构。我们熟知的地球内部界面，如莫霍面和古登堡面等，都是基于对地震波数据的研究而发现的。依据这些界面，科学家将固体地球划分为地壳、地幔和地核等圈层。

通过布设更密观测点位的密集台阵，可以收集更多的地震信号和数据，用于开展地震波成像或者反演等，从而获得更加精细的地下结构特征，把地下结构“看得”更清楚，“透视”地下结构。

因此，密集台阵可以看作探测地下精细结构的“地球显微镜”。

02

密集台阵已广泛应用于不同构造域的探测研究

地震学家通过布设不同尺度和密度的流动地震台阵，可以开展局部、区域乃至全球性的成像研究。以中国地震科学探测台阵ChinArray为例，通过布设台间距30~50km的宽频带地震台阵，实现分区域、覆盖式的中国大陆基础地球物理探测，服务中国大陆深部孕震环境研究等。

近年来，随着便携式节点地震仪的快速发展，地震学家通过布设大量台间距小于5km的台站，构成更加密集的观测网络，进而可以开展区域结构研究，已成功应用于断裂带、火山、油气田和矿区的高分辨率成像，以及城市地下空间探测等。

此外，随着分布式声波传感（DAS）观测技术的快速发展，利用现有的通讯光缆或者重新布设专用光纤，通过将光脉冲信号转换为沿光纤分布的振动信号，地震学家可以开展基于超密集台阵的地下构造高分辨率成像。

图2 野外短周期密集台阵观测场景

03

利用密集台阵对活动断裂带开展浅部结构探测

川滇地区是我国长期以来的地震重点监视区之一，程海断裂带是该区域的重要活动断裂带，受青藏高原东向挤出作用的影响，小震震群活动频繁，地震危险性增强。历史上该区域曾多次发生大地震，例如1515年永胜7.5级地震，2001年永胜6.0级地震等。

为获取程海断裂带的精细结构，中国地震局地球物理研究所在程海断裂带的期纳段和片角段布设了2条密集线性台阵，开展了为期1个月的观测。基于密集台阵连续观测的数据开展了背景噪声层析成像（ANT）和噪声水平/垂直向谱比分析（HVSR），获得了测线下方的剪切波速度结构(图3中b1,c1)和沉积层厚度分布情况(图3中b2,c2)。

图3（a）研究区构造位置及台站分布图（Xiaona Ma et al.,2024）；（b1）和（b2）分别为期纳测线下方剪切波速度和沉积层厚度分布情况；（c1）和（c2）分别为片角测线下方剪切波速度和沉积层厚度分布情况. 图b2和c2中的峰值表征沉积厚度分布情况. F1-1：期纳断裂；F1-2：金江断裂；F2-1：河曲-上营断裂；F2-2：河曲-宾居断裂；F2-3：宾川断裂.

研究结果表明期纳和片角下方都存在明显的低速区，结合断裂活动性、地震分布以及低速区的几何特征等，认为该低速区的形成与程海断裂左旋和正断持续作用、流体动力学以及沉积源有关，而不是地震活动造成的地震破碎带。程海断裂带期纳段和片角段的浅层精细结构可为这两个人口聚集区的地下发震机制、灾害评价和城市地下空间利用等研究提供支撑。

利用基于跨断层布设的密集线性台阵观测获得的连续数据开展ANT和HVSR分析，是一种低成本、绿色环保的综合探测方式，为研究断裂带浅部精细结构提供技术参考，尤其是在城市地区具有广泛的应用前景。

基于密集台阵这个“地球显微镜”，我们可以实现重点研究区不同尺度、不同精度、不同深度地下构造特征的探测分析。此外，随着DAS观测技术的发展，借助这种超级“地球显微镜”，地震学家可以实现更加精细的地下结构构造研究。

参考文献

01

Xiaona Ma, Wei Yang, Shanhui Xu, Yunpeng Zhang, Weitao Wang, Junhao Song, Chunyu Liu, Shallow characteristics of Chenghai Fault Zone, Yunnan, China, from ambient noise tomography and horizontal-to-vertical spectral ratio with two dense linear arrays, Tectonophysics, 881, 2024, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2024.230351.

02

田小波，沈旭章，魏运浩，刘震，杨旭松，黄河，张良雨，金睿智. 短周期密集台阵深部地壳结构探测研究进展. 地球与行星物理论评（中英文），56（0）：1-17. 2025. doi：10.19975/j.dqyxx.2024-029.

03

谢军, 曾祥方, 倪四道, 储日升, 梁超, 迟本鑫, 包丰, 宋政宏. 2025. 利用分布式光纤地震传感数据反演冰层参数. 地球物理学报, 68(1): 153-163, doi: 10.6038/cjg2024R0583

供稿丨融媒体驻地球所通讯站 马晓娜 杨家英 王红强

编辑丨赵雪晴

校对丨张文妮

审核丨郑轶文