引言
我國是一個地震災害頻發(fā)的國家，尤其是大陸內(nèi)部大型活動斷裂帶的運動所產(chǎn)生的強震更容易造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計，我國國土面積僅占世界的7%，但發(fā)生了占全世界33%的大陸內(nèi)部強震，且7級及以上的強震基本上都發(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認識是研究和防范地震災害的基礎(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. 斷裂帶地震活動分布的復雜性
斷裂帶是否發(fā)生大地震、什么時候發(fā)生大地震、大地震發(fā)生的時間、周期等問題取決于區(qū)域板塊（或塊體）相對運動所造成的構(gòu)造動力學環(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(qū)段易于發(fā)生7級甚至8級以上的強震，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)生過多次7級及以上的強震，但其中段卻很少有大地震發(fā)生。位于中國東部的郯廬斷裂帶山東郯城段曾發(fā)生1668年81/2級強震，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)，導致地震孕育和發(fā)生的潛力存在較大差異。因此，對斷裂帶性質(zhì)（包括物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)等）的精細刻畫是認識斷裂帶地震活動性、中強地震孕育發(fā)生和地震災害特征的基礎(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結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常關(guān)鍵。地震科學家通過在斷層兩側(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(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結(jié)構(gòu)和物理屬性是認識地震孕育發(fā)生的基礎(chǔ)。
在醫(yī)學領(lǐng)域，醫(yī)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(nèi)部器官是否存在疾病。在地震學領(lǐng)域，科學家們通常采用地震波成像的方法對斷層深淺部結(jié)構(gòu)進行成像（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成像方法主要包括主動震源成像、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。
2.1 斷層結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(fā)的地震波被密集布設(shè)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(jié)構(gòu)進行高精度的成像（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)，從而實現(xiàn)斷裂帶或斷層結(jié)構(gòu)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(huán)境污染問題，目前使用得越來越少。新型環(huán)保主動震源，如甲烷氣爆震源（圖3）等系統(tǒng)的開發(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(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；藍色為高速物質(zhì)，代表強度大的基巖。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(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，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，所以只能應用于地震活動比較頻繁的區(qū)域，例如我國的川滇地區(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(jié)果發(fā)現(xiàn)汶川地震和蘆山地震之間的物質(zhì)偏低速，強度相對更低一些，一般認為不易于發(fā)生大地震。圖片來源于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(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轉(zhuǎn)變?yōu)樵诓煌卣饍x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(xiàn)無源成像，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.通過地震儀記錄的背景噪聲的互相關(guān)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(jīng)廣泛應用于全球不同區(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，例如我國東部郯廬斷裂帶（圖6），川滇地區(qū)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(yōu)勢。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(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；藍色為高速物質(zhì)（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(jié)構(gòu)和性質(zhì)的綜合探測
由于不同的地震波成像方法具有不同的優(yōu)缺點，所以在斷層結(jié)構(gòu)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(jié)合被動震源（地震、噪聲）和主動震源聯(lián)合的探測方法，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，相互結(jié)合，互為補充，從而對斷層深淺部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，例如斷層內(nèi)部破碎帶的寬度和性質(zhì)。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(fā)震斷層面的幾何形態(tài)。
除了采用地震學方法獲得斷層速度結(jié)構(gòu)模型外，還可以對斷層開展電磁方法成像，獲得斷層帶區(qū)域的電導率結(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。目前國內(nèi)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(fā)生過程和地震災害的模擬評估提供了重要的基礎(chǔ)。
（轉(zhuǎn)自中國地震局：https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/xydt/5611059/index.html）
