在人口稠密且容易發(fā)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(jiān)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(xù)時間。近年來，隨著便攜式一體化短周期節(jié)點地震儀的快速發(fā)展，短周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，相比于傳統(tǒng)寬頻帶地震儀，短周期節(jié)點地震儀具有噪音水平高、觀測周期短（電池供電，充電一次可使用約30天）等劣勢。短周期節(jié)點地震儀的發(fā)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(zhàn)：如何基于短周期節(jié)點地震儀，發(fā)展相應的成像技術，更清晰有效的提取地下結構信息？
接收函數是探測地球內部結構最重要的手段之一。接收函數的提取，實質上是一個反褶積的問題，通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，獲取地下界面信息。接收函數反褶積的原理簡單，但難點在于如何克服反褶積的內在非唯一性（Intrinsic non-uniqueness of deconvolution），提取穩(wěn)定、可靠的接收函數。特別是短周期節(jié)點地震儀的接收函數研究中存在波形噪音水平高，記錄到的遠震事件少（觀測周期短）、疊加不足等問題，如何利用短周期節(jié)點地震儀進行高精度的接收函數成像存在重大挑戰(zhàn)。
基于快速發(fā)展的短周期密集臺陣技術，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(fā)展了適應于短周期密集臺陣的新一代接收函數成像方法。利用密集臺陣記錄到的連續(xù)波場信息，該研究創(chuàng)新性的引入沿層相干的概念，發(fā)展了獲取連續(xù)地下結構的貝葉斯沿層相干接收函數算法（圖1，圖2）。相對于傳統(tǒng)“單地震-單臺站”接收函數而言，該方法（1）通過多地震、多臺站聯合反演有效抑制地下非相干噪聲和局部散射，大大降低了傳統(tǒng)單臺反褶積的非唯一性；（2）通過引入噪音水平、正則化因子，約束實際數據所反映的“最簡單”的地下結構，降低傳統(tǒng)單臺反褶積中數據過度擬合的問題；（3）通過貝葉斯反演，引入接收函數誤差估計，有助于更準確、更定量的地質解釋（圖3，圖4）。
圖1 洛杉磯盆地BASIN（Basin Amplification Seismic INvestigation）短周期密集臺陣。BASIN 短周期密集臺陣包含10 個二維觀測剖面（藍色三角形），總臺站數約 750 個，平均臺間距約 250 m
圖2 基于密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函數示意圖。由于臺間距較小，相鄰臺站下方的結構具有一致性。因此，可以通過多地震、相鄰臺站聯合反演有效抑制地下非相干噪聲和局部散射，提高反褶積的穩(wěn)定性。右圖描繪了包含5個相鄰臺站的沿層相干接收函數。紫色虛線表示相干接收函數震相，每個震相由時間 (t)、慢度 (s) 和幅度 (a) 表示
圖3 正演測試。 (a)俯沖板片二維速度模型，方塊表示均勻分布的地表地震臺站，臺間距為 5 公里；(b) 基于密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函數成像結果。注：80-100 公里深度處的陡傾角板片由于傾角過大而無法利用接收函數方法進行準確成像
圖4 BASIN短周期密集臺陣實際應用?；诿芗_陣的貝葉斯沿層相干接收函數（僅展示了可靠度大于68%的震相）與三種常用傳統(tǒng)“單臺站-單地震”接收函數方法對比（SG3 剖面，其位置見圖1）
該研究試圖打破傳統(tǒng)的將接收函數研究視為“收集數據”的觀念（a collection of data），而提出“能解釋地震記錄的最優(yōu)地下結構”的新范式（models that can best explain waveforms）。該方法同傳統(tǒng)“單地震-單臺站”接收函數相比，其核心思路為利用密集臺陣記錄到的連續(xù)波場信息，從低信噪比數據中提取相干信號，更清晰有效地追蹤地下結構。根據研究問題的尺度不同，該方法還可應用于刻畫俯沖板片界面、巖石圈-軟流圈界面(S 波接收函數)、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(fā)表于國際權威學術期刊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-based coherent 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項目（91958209、 41774058）的資助。