下地幔占地球體積近60%，在各種尺度上都表現(xiàn)出強烈的不均勻性。對下地幔不均勻體特別是小尺度散射體的分布、形態(tài)和性質(zhì)的研究，可以為認識地球深部物質(zhì)組成及相變、地幔流變性、地幔對流尺度、地?；旌闲实忍峁┲匾萍s。
傳統(tǒng)研究方法主要有S-P轉(zhuǎn)換波法和反射前驅(qū)波法。其中，利用震源下方的S-P轉(zhuǎn)換波法具有較高的分辨率（～10 km），但依賴于深源地震的分布，僅適用于探測深源地震較為發(fā)育的俯沖地區(qū)；反射前驅(qū)波法可以探測大陸下方地幔深部的散射體，但依賴于臺站-地震分布，探測分辨率較低（～數(shù)百km）。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的張理蒙博士，在李娟研究員的指導下，與陳棋福研究員、南京大學王濤副教授等合作，基于地震干涉理論，發(fā)展了利用地震背景噪聲提取微弱的下地幔散射體信號的方法，并成功探測到東北亞地區(qū)下地幔900-1000 km深度的小尺度散射體。
地震背景噪聲互相關方法是一種“去震源”化方法，通過對地震臺站連續(xù)記錄的互相關獲得臺站間近似的格林函數(shù)，從而獲取較高分辨率的地球介質(zhì)速度成像，多用于地殼及上地幔速度結構探測。由于背景噪聲中的體波信號能量弱、穩(wěn)相區(qū)狹窄，對體波特別是來自于深部地幔體波信號的提取極具挑戰(zhàn)性，相關研究和應用都頗為有限。
研究者們首次利用地震噪聲互相關方法發(fā)現(xiàn)了源自下地幔散射體的反射波。NECsaids和NECESSarray流動臺陣及國家數(shù)字地震臺網(wǎng)為研究提供了很好的數(shù)據(jù)基礎（圖1）。在互相關函數(shù)疊加后的波形中，不僅清晰觀測到地幔過渡帶上下界面（410-km和660-km間斷面）的P-P反射波，同時在部分相關曲線約200 s處發(fā)現(xiàn)了未知的X震相（圖2）。為探明X震相的來源，他們獨辟蹊徑，聯(lián)合利用天然地震事件和噪聲產(chǎn)生的不同類型地震波，確證X震相為900-1000 km處下地幔散射體上的P-P反射波（圖3）。他們還進一步利用波形擬合對下地幔散射體的物理性質(zhì)進行聯(lián)合約束，當S波、P波速度及密度異常分別為-7.2%、0.2%及0.6%時，理論地震圖與觀測結果擬合最佳（圖2f）。這表明探測到的下地幔散射體可能源自俯沖并進入到下地幔的洋殼，很可能與古老的Izanagi俯沖板塊在深部的殘片相關。
圖1 用于研究的地震臺站，主要由NECsaids和NECESSarray流動地震臺陣以及國家地震臺網(wǎng)構成。圖中Ⅰ區(qū)域為參考區(qū)域，沒有明顯的下地幔散射體信號；Ⅱ和Ⅲ區(qū)為探測到下地幔散射體的區(qū)域
圖2 不同區(qū)域深反射震相的對比。（a）地震噪聲互相關曲線中可以看到明顯的面波信號；（b）截去前80 s信號后的深反射震相圖，研究中只采用了距離小于200 km的數(shù)據(jù)；（c）對(b)中數(shù)據(jù)進行動校正之后的圖像；（d）慢度圖譜中除了可以看到P410P和P660P震相外，在200 s附近還可以觀測到一個明顯的能量團；（e）以Ⅲ區(qū)域為例疊加后的地震噪聲互相關曲線，灰色范圍給出了95%置信區(qū)間；（f）三個區(qū)域的地震噪聲互相關曲線（彩色線條），黑色曲線為針對區(qū)域Ⅲ進行波形正演模擬獲得的理論地震圖，右上角數(shù)字給出了疊加用到的互相關曲線數(shù)量
圖3 噪聲互相關信號中提取的反射波與天然地震SdP轉(zhuǎn)換波探測到的異常體的空間分布，它們采樣到的空間位置基本一致
該項研究展示出地震背景噪聲技術在揭示地球深部結構方面的能力，打破了傳統(tǒng)的小尺度深部地幔探測局限于俯沖地區(qū)的限制。噪聲與傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合約束將實現(xiàn)對深部地幔結構和物性多角度的描摹，為全面認識全球下地幔不均勻性結構，進而理解地幔物質(zhì)儲庫及特性、地?；旌闲实戎匾牡厍騽恿W問題提供了新的思路。
研究成果發(fā)表于國際權威學術期刊GRL。（Zhang L, Li J*, Wang T, et al. Body waves retrieved from noise cross-correlation reveal lower mantle scatterers beneath the Northwest Pacific subduction zone[J]. Geophysical Research Letter， 2020，47: e2020GL088846. DOI: 10.1029/2020GL088846）（原文鏈接）。本研究受中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項B類“地球內(nèi)部運行機制與表層響應”（XBD18000000）、國家重點研發(fā)計劃項目“重大自然災害監(jiān)測預警與防范”專項以及國家自然科學基金的聯(lián)合資助。