地壳浅部结构与介质属性是认识地球最外部圈层构造和变形机制的基本依据。地震学方法是探测地球内部结构与介质属性的一种重要手段。现今常用来约束地壳浅部结构的方法包括主动源探测和被动源探测。主动源探测成像精度高，但由于耗资较大不便于开展区域尺度结构研究；被动源探测成像精度较低，而且通常对台站和/或事件分布要求较高（如区域体波走时成像和背景噪声面波成像）。这一定程度上制约了对地壳浅部结构进行区域尺度精细成像以及对介质属性开展有效约束。体波振幅比携带了台站下方小孔径范围内浅部介质的地震波速结构信息。但是，因为震源破裂过程十分复杂，从原始地震记录中直接提取体波振幅比非常困难；而且现有研究多集中于利用P波水平-垂直振幅比（PHVR）约束S波速度结构，缺少对S波垂直-水平振幅比（SVHR）的深入认识与研究。中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室王旭博士后与合作导师陈凌研究员、中国科学技术大学姚华建教授，发展了一种基于远震PHVR和SVHR联合反演单个台站下方8公里以浅地震波速和泊松比结构的新方法（图1）。该方法首先利用反褶积技术（接收函数）剔除震源函数、路径信息以及仪器响应的影响，并提取不同频率范围的体波振幅比；再通过高效算法反演获取地震波速与泊松比结构。相比于传统的体波走时或面波成像技术，该方法具有以下几点优势：（1）体波频率成分明显高于面波，因此具有更高的垂向分辨率；（2）PHVR和SVHR对P波和S波速度的敏感度明显不同（图1d-i），能够有效约束泊松比值（由P波与S波速度比值唯一确定）；（3）适用于单个台站，横向分辨率主要依赖于台站间距；（4）利用远震接收函数特点，不受震源、路径影响，而且适用于构造不活跃地区（如稳定的克拉通地区）。
图1 体波振幅比与结构反演模拟（a-c）、不同频率P波水平-垂直振幅比（PHVR; d-f）和S波垂直-水平振幅比（SVHR; g-i）对S波速度、P波速度和密度的深度敏感核函数
他们将新方法应用至一条横跨四川盆地西部的线性宽频带密集流动地震台阵（图2a），构建了测线下方8 km以浅的S波速度和泊松比结构图像（图2b-图2c）。结果显示，盆地沉积结构具有强烈的垂向分层性（自上而下：UL、ML和LL），与波速vs.泊松比图像和岩性柱状图的分区特征一致（图2d-图2e）。UL、ML和LL岩性明显不同，可能反映了不同地质时期盆地沉积环境的转变。其中，ML地震波速和泊松比值都比较低，结合实验测量与区域地质研究，推测ML可能反映了晚三叠纪时期的泥页岩层。在早新生代印度-欧亚大陆碰撞导致青藏高原物质东向挤出的水平应力作用下，ML因其力学性质较弱可能发生了拆离滑脱，这不仅协调了上下层的解耦变形，而且造成了龙泉山背斜的持续隆升。此外，在龙泉山背斜与川西坳陷下方均出现了切穿ML层的高泊松比异常体（图2c），这可能与断裂作用下岩石破裂导致的孔隙流体富集有关。
图2 研究区地质简图与地震台站分布（a），沿AA’ 测线S波速度（b）和泊松比（c）结构图像，观测与实验测量结果对比（d）及四川盆地区域岩性柱（e）。图（d）中，S、L和D分别代表砂岩、石灰岩和白云岩，其下角标表示孔隙度
该研究旨在建立近地表精细地震勘探和深部大尺度被动源成像之间的联系桥梁，进而将实验室测量、浅表地质结构勘查与深部地球物理探测有机结合，以全面理解地球内部尤其是地壳的结构、性质与变形机制。另外，因为不需要先验震源函数信息和稠密射线路径覆盖，该研究为现今全球丰富的宽频带地震观测资料的深度使用以及全球范围浅部结构的精细成像提供了重要的方法基础。
研究成果发表于国际权威学术期刊GRL（王旭，陈凌*，姚华建. A new body-wave amplitude ratio-based method for imaging shallow crustal structure and its application in the Sichuan Basin, southwestern China[J]. Geophysical Research Letters, 2021, 48: e2021GL095186. DOI: 10.1029/2021GL095186）
