赵路璐等：“听”见沙漠地下的季节变化

论文信息：赵路璐，孟浩然*，梁晓峰*，李文涛，梁修雨.Seasonal Seismic Velocity and Attenuation Variations in the Taklimakan Desert Inferred From Ambient and Traffic Noise[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2026,131, 7: e2026JB034033. DOI: 10.1029/2026JB034033.

地震波对地下介质弹性性质、应力状态和孔隙流体变化具有高度敏感性，环境地震学利用这些特性观测地球表层环境过程。随着连续地震观测和背景噪声分析方法的发展，通过地震波速和衰减的时间变化可以持续监测温度、降水、地下水及冻融等环境因素引起的浅层介质扰动，为认识大气圈、水圈与浅部岩石圈之间的相互作用提供约束。然而，现有环境地震学研究更多针对岩石和土壤等介质，对于沙漠地区松散砂层如何响应气候变化仍缺乏系统认识。沙漠覆盖全球约三分之一的陆地表面，其浅层主要由松散、干燥、低粘聚力的砂层组成，力学性质高度依赖颗粒接触状态。而温度和含水量等环境状态的变化会影响砂粒间的接触状态，并改变浅层砂体的弹性、耗散等物理性质。但沙漠腹地常规气象和水文观测稀疏，严重限制了对这些过程的连续刻画。厘清环境状态变化对沙漠浅层介质物性的影响，有助于认识极端干旱环境下降水入渗、水分存储等浅地表水热过程对干旱区水循环的影响和相关的环境响应。

为此，中国科学院地质与地球物理研究所博士生赵路璐、李文涛和导师梁晓峰研究员，与南方科技大学孟浩然副教授、梁修雨助理教授合作，利用塔克拉玛干沙漠腹地布设的宽频带地震台阵TASTE的连续地震观测资料，对2017年7月至2019年10月期间浅层地震波速和衰减的时变特征开展联合监测（图1）。研究利用地震背景噪声提取相对地震波速变dv/v，利用邻近道路交通信号估算品质因子变化dQ/Q，并结合台站温度和ERA5-Land土壤水分等环境数据，分析沙漠浅层介质物性变化与环境因素之间的关系（图2）。

图1 研究区及台站布设。（a）塔克拉玛干沙漠研究区、主要道路（黑线）、河流（蓝线）、附近气象站（蓝色菱形）及T12、T52和T23地震台站（红色三角形）位置；（b-c）T23台站野外布设情况照片

图2 浅层地震波速与衰减时变监测流程。（a）利用背景噪声计算dv/v；（b）利用道路交通信号反演dQ/Q

观测结果显示，三个台站的dv/v均具有显著的季节变化，整体变化幅度可达4%，其长期变化与台站温度具有较好的一致性。除季节变化外，T12和T23在土壤含水量升高期间还出现明显的短时波速下降，降幅可达3%，并在随后干燥过程中逐渐恢复。结果表明沙漠浅层砂体同时受到温度变化和短时湿润事件的影响。为进一步区分不同环境因素的作用，以T12为例，利用MCMC方法拟合温度、土壤水引起的dv/v的变化。结果显示，dv/v与温度呈正相关、与土壤水分呈负相关；同时，温度变化与波速响应之间没有日尺度的时间延迟，而水分影响表现出数天的滞后。表明温度主要控制沙漠浅层波速的季节变化，而水分变化主要对应较短时间尺度的波速降低（图3）。

图3 左图：三个台站dv/v与环境因素的时变特征对比。黑线为dv/v，红线为台站温度，蓝色区域为ERA5-Land土壤水分；灰色阴影标示明显的湿润相关时段。右图：以 T12 台站为例，展示dv/v与温度和土壤水分的关系及 MCMC 拟合结果。（a）和（b）分别为观测dv/v与温度和土壤水分的关系，散点颜色表示观测时间；（c）为观测dv/v与 MCMC 拟合结果的对比；（d）和（e）分别为拟合dv/v与温度和土壤水分的关系

道路交通信号得到的dQ/Q同样呈现明显季节变化，T12和T52的变化幅度可达约10%，总体上与温度正相关，并在湿润期间明显降低。MCMC拟合进一步支持温度和土壤水分对衰减变化的共同控制。相比dv/v，dQ/Q对温度和湿润事件的响应更强，表明衰减参数可能对浅层砂体温度和含水状态变化更加敏感（图4）。

图4 两个台站dQ/Q与环境因素的时间变化对比。紫线为dQ/Q，红线为台站温度，蓝色区域为土壤水分。右图：和图3右图类似，dQ/Q与温度和土壤水分的关系及 MCMC 拟合结果

研究进一步从物理机制上解释了两类变化机制。季节尺度上，升温使砂粒发生热膨胀，增加颗粒间的有效接触面积和接触刚度，同时降低颗粒间摩擦耗散，砂层整体的强度增强，因此地震波速和品质因子均随温度升高而增加；降温则产生相反效应。短时湿润过程中，随着饱和度增加，基质吸力减弱、颗粒接触处润滑作用增强，颗粒骨架刚度降低，同时孔隙流体运动带来的波致流效应增强能量耗散，从而共同导致dv/v和dQ/Q降低。随着后续排水和蒸发，颗粒接触刚度逐渐恢复，波速也回到原有水平。

该研究表明，从连续宽频带地震波形中提取的背景噪声与道路交通信号能够开展沙漠浅层物性的时变观测，揭示松散砂体对季节性温度变化和短时湿润事件的快速响应。研究结果为认识极端干旱区浅地表水热过程与介质力学性质之间的耦合提供了地震学证据，也为利用连续地震观测追踪降水入渗和浅层水分变化、开展沙漠环境监测提供了新的思路。