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地殼是與人類關(guān)系Z為密切的地球圈層，也是構(gòu)造活動Z為強(qiáng)烈的圈層，人類生存所依賴的自然環(huán)境和一切資源均源于地殼物質(zhì)。大陸地殼覆蓋了近三分之一的地球表面，質(zhì)量僅占地球總質(zhì)量的0.35%。目前大陸鉆探Z深記錄為12km，僅相當(dāng)于地球半徑的0.2%。

地殼結(jié)構(gòu)探測，為研究板塊構(gòu)造、地球演化等科學(xué)問題，以及礦產(chǎn)資源調(diào)查、工程建設(shè)勘查等提供了有效手段。

地震學(xué)是研究地球深部結(jié)構(gòu)的Z有效方法之一，利用地震波探測地殼結(jié)構(gòu)是地學(xué)研究的基本課題之一，近年來，地震層析成像和密集臺陣觀測方法的發(fā)展是地震學(xué)研究的重要變革，該方法已經(jīng)成為地球深部精細(xì)結(jié)構(gòu)探測研究中的重要手段。

地震波層析成像的歷史可上溯至上世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家Cormack 從數(shù)學(xué)和實驗結(jié)果證實了根據(jù)X射線的投影可以地確定人體內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而奠定了醫(yī)學(xué)診斷上圖像重建的理論基礎(chǔ)，即X 射線CT(X Ray Computer Tomography)。

層析成像原理與幾種典型的醫(yī)學(xué)CT原理圖

地震層析成像原理與醫(yī)學(xué)CT原理類似，只是發(fā)射源從射線發(fā)生器變成了天然或人工震源，接收陣列換成地震儀臺陣，探測目標(biāo)換成地球。

地震是照亮地球內(nèi)部的明燈

澳大利亞地震探測臺陣與周邊地震傳播路徑

地震波層析成像首先由Aki等提出，并給出了小尺度（Aki and Lee, 1976）和區(qū)域尺度（Aki et al., 1977）遠(yuǎn)震體波層析成像（Teleseismic body-wave tomography）。Dziewonski等在1977年給出了尺度的體波層析成像成果（Dziewonski et al., 1977）。

地震層析成像

區(qū)域地震層析成像

局部地震層析成像

對地震波的傳統(tǒng)認(rèn)識認(rèn)為，地震發(fā)生后所記錄的有效地震事件波形為有效信號。除此外，其余部分被稱為噪音。這樣，形成噪音的聲源廣泛地分布在地球表面的每個角落，如海浪、風(fēng)暴和公路上的車流等，統(tǒng)被稱為隨機(jī)分布的波場( Yang and Ritzwoller, 2008)。

噪聲波場

在一個特定環(huán)境中，只要是記錄這些隨機(jī)分布的波場足夠長，這些噪音也是有規(guī)律的，就可以很好地認(rèn)識區(qū)域噪音規(guī)律，對區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像，跟面波成像方法相似。

隨著便攜式一體化短周期地震儀改進(jìn)和完善，該類型地震儀集成了數(shù)據(jù)采集器、單或三分量拾振器、大容量鋰電池和 GPS 時鐘等。相對于寬頻帶地震儀有價格優(yōu)勢，其體積較小非常便于野外施工，內(nèi)置電池可連續(xù)觀測數(shù)日到數(shù)十日，可以在較小區(qū)域內(nèi)單次投入數(shù)百上千臺數(shù)量的儀器，適于開展點距密集的地震臺陣觀測工作。

短周期密集臺陣與寬頻帶臺陣對比

密集臺陣與噪聲成像探測新技術(shù)體系是實現(xiàn)“地下透明”的新利器，對支撐我國城市地下空間（0-500米）、自然資源（0-3000米）和地球深部（中上地殼）三維結(jié)構(gòu)精細(xì)探測，乃至實現(xiàn)巖性結(jié)構(gòu)探測有著變革性意義。國內(nèi)外學(xué)者近年來在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作，在基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和觀測應(yīng)用上取得了重要進(jìn)展。

ZG地震局近年完成的短周期密集臺陣分布

目前噪聲成像與密集臺陣觀測在城市地下空間探測、微震監(jiān)測、火山、地?zé)岷偷V集區(qū)精細(xì)結(jié)構(gòu)和斷裂帶空間分布，以及大陸動力學(xué)等相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

（a）五大連池火山區(qū)區(qū)域尺度構(gòu)造圖；

（b）五大連池火山區(qū)密集流動臺陣分布圖。

（a-c）不同位置的波速結(jié)構(gòu)剖面圖；

（d）尾山火山口下方可能的巖漿囊分布特征；

（e）五大連池火山區(qū)火山口分布及剖面位置圖。

資料來源：基于密集臺陣的五大連池火山區(qū)地殼淺部巖漿囊成像研究（《Geophysical Research Letters》（Li et al. Shallow magma chamber under the Wudalianchi volcanic field unveiled by seismic imaging with dense array. Geophys. Res. Lett., 2016, 43, 4954-4961.））

便攜式一體化短周期地震勘測設(shè)備近年來發(fā)展迅速，國內(nèi)外大量優(yōu)秀產(chǎn)品相繼推出，下面是性能較為先進(jìn)的可進(jìn)行密集臺陣測量的便攜式一體化地震儀。

Liu Zhen , Tian Xiaobo* , Gao Rui , et al. New images of the crustal structure beneath eastern Tibet from a high-density seismic array[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2017, 480:33-41

Li Zhiwei , Ni Sidao , Zhang Baolong , et al. Shallow magma chamber under the Wudalianchi Volcanic Field unveiled by seismic imaging with dense array[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(10):4954-4961.

張寶龍, 李志偉, 包豐, et al. 基于微動方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)[J]. 地球物理學(xué)報, 2016, 59(10):3662-3673.

李娜. 利用基于密集臺陣的面波成像方法研究南北地震帶北段地殼上地幔速度結(jié)構(gòu).博士論文.ZG地震局地球物理研究所.2017. P315.2

Tian, X. et al. (2018). 3D seismic refraction travel-time tomography beneath the middle-lower Yangtze River region. Seismol. Res. Lett.

Wei, Y. et al. (2018). Imaging the topography of crust-mantle boundary from a high-density seismic array beneath the middle-lower Yangtze River, Eastern China. Seismol. Res. Lett

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