梁煜彤｜王巍等：频率如何改写地震衰减的主控机制？

论文信息：梁煜彤，王巍*，李娟，陈凌，张基，肖卓伟. Scattering-to-intrinsic transition governing coda attenuation in the US continental crust[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2026, 131: e2026JB034331. https://doi.org/10.1029/2026JB034331

地震波衰减是认识地球内部介质性质和非均一性的重要地球物理参数，能够反映地震波传播过程中的能量耗散及散射特征。然而，地震尾波衰减同时受到散射和本征吸收的共同影响，两种机制的相对贡献及其控制因素仍不明确。美国大陆具有复杂的地质构造背景，西部地区经历了强烈的构造变形与岩浆活动，而中东部地区以相对稳定的克拉通和古老造山带为主，形成了显著的地壳结构差异。因此，开展美国大陆多频率尾波衰减研究，对于厘清地震波衰减的物理机制及认识大陆岩石圈构造演化具有重要科学意义。

近日，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室硕士研究生梁煜彤、在王巍副研究员指导下，联合李娟研究员、陈凌研究员，东京大学张基，中国地震局地质研究所肖卓伟等科研人员，以美国大陆为研究对象，利用USArray地震台阵1489个台站在2005—2015年间记录的约4万条地震波形数据（见图1），采用多台站多地震事件联合反演方法（MSMEM），通过联合约束震源、台站及衰减相关参数，获得了1.5、3、6和12 Hz四个中心频率下美国大陆S波尾波衰减（Qc-1）的空间分布。研究选取S波到时两倍处开始的40 s尾波时间窗，通过严格的信噪比和尾波能量衰减拟合质量筛选，确保观测数据的可靠性，并通过不同尾波时间窗、震中距范围及最大尾波时长的敏感性测试，验证了主要衰减空间特征的稳定性。在此基础上，研究结合已有的本征吸收与散射衰减模型，以及多源地球物理资料，系统探讨了尾波衰减的频率依赖特征及其物理控制机制。

图1 美国大陆构造背景与数据分布。(a）主要构造单元及典型地质构造分布；（b）USArray地震台站（三角形）与地震事件（蓝色圆点）的空间分布，颜色表示各台站观测数量的对数插值结果

研究结果表明（图2），美国大陆尾波衰减具有显著的频率依赖性，不同频段呈现出明显不同的空间分布特征。在高频（6和12 Hz）范围内，尾波衰减整体表现出西强东弱的大陆尺度分异特征：构造活动强烈、热流较高的美国西部盆岭省和落基山脉等地区表现为强衰减，而构造相对稳定的美国中东部克拉通地区则表现为弱衰减。高频衰减分布与区域地表热流具有较强的空间对应关系，表明地壳温度控制的能量耗散可能是高频衰减的主要机制。

图2 尾波衰减与热流和地壳结构的空间比较

相比之下，低频（1.5和3 Hz）尾波衰减表现出更复杂的横向变化（图2），其空间分布难以仅由热流温度解释。例如，北部落基山脉和科罗拉多高原部分地区虽然具有较高的地表热流，却表现出相对较弱的低频衰减；而热流相对较低的沃巴什河谷地震带和阿巴拉契亚高原部分地区则呈现明显的强衰减异常。进一步研究发现，低频衰减与地壳纵横波速比及区域断裂构造具有较好的空间对应关系，表明断层、裂隙及地壳内部速度非均一性引起的散射作用可能主导了低频尾波衰减空间变化。

研究进一步考虑尾波衰减的频率依赖特征，获得了1Hz品质因子（Q0）（图3a）和频率依赖指数（）的空间分布（图3b），并选取典型区域开展深入分析。结果表明（见图4），科罗拉多高原西部的 值较低（约为0.7），表明本征吸收具有重要贡献；而沃巴什河谷地震带的值较高（约为1.3），可能反映了较强的散射作用。值得注意的是，该区域的衰减–频率关系在高频段出现明显转折，偏离了单一幂律变化趋势，暗示衰减机制可能随频率发生转变，高频段散射衰减的相对贡献减弱，不再占据主导地位。之后通过与Lg波、背景噪声面波及远震体波衰减结果的对比，发现不同地震波衰减观测具有不同的频率和深度敏感性，能够从不同尺度提供互补的地壳物性信息。

图3 (a) 1Hz尾波衰减(Q0)的空间分布; (b) 频率相关指数的空间分布，图中突出显示了瓦巴什河谷地震带（WVSZ，蓝色方框）和科罗拉多西部高原（WCP，绿色方框），位于 -95° 经度的垂直参考线将西部和东部区域分隔开来

图4 区域 Qc-1 与频率的关系。瓦巴什河谷地震带（WVSZ）和科罗拉多高原西部区域（WCP）的平均 Qc-1 与频率的关系分别用蓝色和绿色曲线表示。东西向趋势用虚线拟合线表示：东部区域用黑色虚线表示，西部区域用红色虚线表示

该研究深化了对地震尾波衰减物理机制及其控制因素的认识，为利用多频率衰减特征识别地壳结构非均一性与热状态差异提供了新的观测依据。同时，研究强调了联合多频率、多波相衰减观测的重要性，为提高地壳衰减结构解释的可靠性及理解大陆岩石圈热—构造演化提供了新的研究思路。