姚華建

中國科學技術大學地球和空間科學學院

　　引 言

我國是一個地震災害頻發的國家，尤其是大陸內部大型活動斷裂帶的運動所產生的強震更容易造成重大的人員傷亡和財產損失。據統計，我國國土面積僅占世界的7%，但發生了占全世界33%的大陸內部強震，且7級及以上的強震基本上都發生在活動地塊邊界的斷裂帶上。

地震主要是由于斷層的相對運動而產生的（圖1），一些大型斷裂帶可能包含多條活動斷層，例如我國東部的郯廬斷裂帶和西部的龍門山斷裂帶，因此，對斷層或斷裂帶結構和性質的認識是研究和防范地震災害的基礎。

圖1. a圖為斷層與地震發生示意圖，b圖和c圖分別為寧夏海原地震斷層和四川汶川地震發震斷層

1. 斷裂帶地震活動分布的復雜性

斷裂帶是否發生大地震、什么時候發生大地震、大地震發生的時間、周期等問題取決于區域板塊（或塊體）相對運動所造成的構造動力學環境，以及斷裂帶本身的物理性質和幾何性質。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部形成了一系列活動斷裂帶。一些斷裂帶包含多條活動斷層，有的斷層滑動速率大，超過每年1厘米。斷層的有些區段易于發生7級甚至8級以上的強震，但另外一些區段卻只發生中小地震，甚至幾乎不發生地震。位于云南的紅河斷裂帶的西北段（大理地區）發生過多次7級及以上的強震，但其中段卻很少有大地震發生。位于中國東部的郯廬斷裂帶山東郯城段曾發生1668年81/2級強震，但在其南側的江蘇宿遷段及安徽段近幾十年地震卻很少。斷裂帶地震活動性的分段差異反映出同一條斷裂帶不同區段可能存在不同的性質，導致地震孕育和發生的潛力存在較大差異。因此，對斷裂帶性質（包括物理性質和幾何性質等）的精細刻畫是認識斷裂帶地震活動性、中強地震孕育發生和地震災害特征的基礎。

　　2. 給地震斷層做透視

由于斷層的結構和性質直接影響斷裂帶上地震的孕育和發生，如何獲得斷層或斷裂帶的精細結構和性質非常關鍵。地震科學家通過在斷層兩側布設GNSS（全球導航衛星系統，例如北斗、GPS）設備可以測量得到斷層在地表的相對運動特征，從而判斷斷層的活動性。但大陸內部的地震通常發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結構和物理屬性是認識地震孕育發生的基礎。

在醫學領域，醫生通過X光機、CT、B超等手段給人體做透視，進行成像，從而判斷人體內部器官是否存在疾病。在地震學領域，科學家們通常采用地震波成像的方法對斷層深淺部結構進行成像（做透視），從而獲得斷層的幾何結構、物理性質、巖石成分等。給斷層做透視的地震學成像方法主要包括主動震源成像、區域地震成像、背景噪聲成像等，不同方法具有不同的優缺點。

2.1 斷層結構的主動震源成像

主動震源成像主要采用人工震源的方法產生地震波，例如震動車、爆破震源、甲烷氣爆震源、氣槍震源等。這些人工震源激發的地震波被密集布設于地表（或水面）的地震儀（或水聽器）接收到，然后通過地震波成像算法（例如反射波成像、直達波成像）就可以對地下斷層結構進行高精度的成像（圖2、圖3）。根據成像精度的需要，可以跨斷層布設線性或者面狀的震源激發和接收系統，從而實現斷裂帶或斷層結構的精細成像。但由于主動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世紀廣泛使用的炸藥震源由于其存在安全性和環境污染問題，目前使用得越來越少。新型環保主動震源，如甲烷氣爆震源（圖3）等系統的開發，將為斷層結構成像提供新的手段。

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）的精細結構（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。成像結果顯示郯廬斷裂帶附近莫霍面有明顯的錯斷，表明該斷裂帶為一條深切巖石圈的大斷裂。圖片來源于劉保金等（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深度范圍的精細縱波速度結構（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；藍色為高速物質，代表強度大的基巖。密集布設的地震儀的位置如a圖中黑色圓點所示，斷層水平方向位置如a圖中的黑線（F1和F2）所示。圖片來源于Shao XH等（2021）

2.2 斷層結構的區域地震成像

基于區域地震成像方法的斷層或斷裂帶結構成像主要是利用發生于斷裂帶區域的地震所輻射出的地震波進行斷裂帶或發震斷層的三維結構成像。尤其是大地震發生后，會在主震斷層或者周邊的一些分支斷層上產生很多余震。根據地表布設的地震儀接收到的這些地震輻射出的地震波信號，利用區域地震波成像方法就可以獲得從地震發生深度到地表的斷裂帶區域結構成像（圖4）。該方法由于需要使用天然地震信號，所以只能應用于地震活動比較頻繁的區域，例如我國的川滇地區。由于地震主要發生在中上地殼，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. 基于區域地震成像方法獲得龍門山斷裂帶蘆山地震至汶川地震區域(a圖)上地殼的縱波速度結構（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山斷裂帶主要的斷層位置分布。成像結果發現汶川地震和蘆山地震之間的物質偏低速，強度相對更低一些，一般認為不易于發生大地震。圖片來源于Pei SP等（2014）

2.3 斷層結構的背景噪聲成像

地震儀除了記錄地震信號外，絕大部分時間都在記錄噪聲信號。這些噪聲信號來源于海浪與大陸、島嶼、海底的相互作用，湖水、河水與堤岸的相互作用，火車、汽車的運動，以及各種自然活動和人類活動等。2004-2005年間地震學家發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轉變為在不同地震儀之間傳播的地震波信號（圖5），從而把地震儀變成虛擬震源，實現無源成像，獲得地震儀布設區域地下的高精度結構圖像。

圖5.通過地震儀記錄的背景噪聲的互相關計算獲得在地震儀之間傳播的波信息。圖片修改于Weaver（2005）

背景噪聲成像已經廣泛應用于全球不同區域、不同深度的結構成像，包括很多地震斷裂帶區域，例如我國東部郯廬斷裂帶（圖6），川滇地區安寧河斷裂帶、龍門山斷裂帶、程海斷裂帶等一些活動斷裂帶。由于噪聲成像不需要主動震源，也不需要等待地震信號，因而具有十分便捷和觀測成本低的優勢。通常在斷裂帶或斷層區域布設較為密集的地震儀，就可以通過噪聲面波成像獲得斷層淺部高分辨率的結構圖像（圖6），但該方法隨著深度的增加分辨率會降低。

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速度結構模型。a圖顯示地下1km深度的速度結構圖像，b圖顯示沿一條穿過郯廬斷裂帶的垂直剖面（0-15km深度范圍）的速度結構。圖中,紅色為低速異常，代表松軟的盆地沉積物；藍色為高速物質（例如在郯廬斷裂帶下方），代表強度大的基巖；黑色線條顯示郯廬斷裂帶及其周邊分支斷層的分布。圖片來源于Luo S等（2021）

　　3. 斷層結構和性質的綜合探測

由于不同的地震波成像方法具有不同的優缺點，所以在斷層結構成像時需要綜合考慮多種因素，開展更為綜合的探測。例如，可以結合被動震源（地震、噪聲）和主動震源聯合的探測方法，發揮各種方法的優勢，相互結合，互為補充，從而對斷層深淺部結構獲得更為全面的認識。除了地震學成像方法之外，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分析的方法來獲得斷層的精細結構，例如斷層內部破碎帶的寬度和性質。通過對斷層面上地震的精確定位和震源機制的分析，還能更好地獲得發震斷層面的幾何形態。

除了采用地震學方法獲得斷層速度結構模型外，還可以對斷層開展電磁方法成像，獲得斷層帶區域的電導率結構模型，從而更好地約束斷層帶不同的物理屬性和幾何特征。目前國內外很多研究團隊正在針對一些活動斷層開展綜合的地球物理學觀測，給斷層做透視所拍出的片子也越來越清晰，為研究地震的孕育發生過程和地震災害的模擬評估提供了重要的基礎。

　　作者介紹：

姚華建,1979年出生于安徽廣德，2001年及2004年分別獲得中國科學技術大學本科和碩士學位，2009年獲得美國麻省理工學院地球物理學博士學位。現為中國科學技術大學地球和空間科學學院教授、博士生導師,中國地震學會副理事長，IUGG IASPEI 中國組委會副主席，科技部蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站常務副站長。在背景噪聲和地震波成像、青藏高原巖石圈結構及形變、川滇地區公共速度模型構建、俯沖帶大地震破裂規律等領域取得了一系列具有國際影響力的創新研究成果。發表120余篇學術論文，包括NSR、PNAS、Nature Comm.、GRL等第一或通訊作者論文50余篇。2014-2018年擔任國際核心地震學期刊SRL副主編, 2018年起擔任國際核心地球物理學期刊GJI 編輯（editor）, 并擔任《中國科學：地球科學》等期刊的編委。2017年起擔任中國地震局第八屆科技委委員，2020-2021年擔任美國地震學會Charles Richter獎評委會委員。2016年獲得中國地震局防震減災科技成果一等獎，2017年獲得中國地球物理學會科技進步一等獎，2020年獲得第十六屆中國青年科技獎。

來源：中國地震局公共服務司（法規司）