北冰洋地震环境声场研究获新进展

在国家自然科学基金等项目资助下，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）声学海洋学团队在北冰洋地震环境声场研究方面取得新进展。相关成果近日发表于《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）。

北冰洋加克洋中脊双峰双频地脉动形成机制示意图。研究团队供图 双频地脉动是全球地震环境声场中能量最强的部分，由波浪的非线性相互作用产生，主要成分为Rayleigh波。因其包含丰富的海洋动力学和地下介质结构信息，目前已被广泛应用于风暴活动、海冰变化、海浪气候以及海洋岩石圈结构等研究领域。以往研究中，双频地脉动频谱有时会展现出两个主周期不同的能量峰值，通常被归因于两个不同区域的海浪同时激发形成：短周期通常来自相对近源的波浪作用（开阔大洋中基本是接收端正上方海域），长周期成分则来自较远海域。然而，在北冰洋加克洋中脊这一因海冰抑制而无明显波浪作用的环境下，其海底地震仪记录中仍观察到了显著的双峰能量，且两者的主要能量来自同一远场源区。 为此，研究团队在北冰洋冰区这一特殊海洋环境下，分析了地震环境声场中的双频地脉动特征，发现并提出了一种由沉积层调制的双峰双频地脉动形成机制，在“双源双峰”经典理论基础上进行了重要补充。海洋波浪数据显示，双频地脉动源区——圣安娜海槽处的峰值海浪周期在观测期间主要集中在约6秒，可较好解释3秒双频地脉动峰值，但无法直接解释约1秒峰值，这意味着1秒峰需考虑除源以外的波传播过程所带来的影响。 基于海洋分层模型的Rayleigh波频散曲线模拟结果表明，在约4千米水深条件下，Rayleigh波群速度对沉积层厚度非常敏感；在小于约500米的沉积层条件下，基阶或第一高阶Rayleigh波模态会在1秒周期附近出现局部极小值，即艾里相，从而发生能量聚集效应，这一特征与实际观测到的1秒能量峰值十分吻合。 为进一步验证这一沉积层调制机制是否具有普适性，研究团队进一步分析了全球583台宽频海底地震仪数据，基于双频地脉动频谱特征将其归类为双峰型、宽峰型和单峰型三类。统计结果显示，双峰型和宽峰型频谱主要出现在薄沉积区（约0-500米），为上述机制提供了有效支撑。 该研究提出了一种形成双峰双频地脉动的新机制，在二十多年来普遍接受的“双源激发双峰”经典理论上进行了重要补充，表明即使只有一个主导双频地脉动源区，布设在薄沉积区的地震仪记录仍可由于Rayleigh波的艾里效应展现出两个双频地脉动能量峰值。此外，该结果也可为后续基于双频地脉动开展波浪气候与海洋地震背景噪声成像研究提供一定参考。