科学家利用海洋环境噪声 透视珊瑚岛礁三维地质结构

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室研究员夏少红团队，以突破珊瑚岛礁本体浅表三维精细成像为目标，在南海典型珊瑚岛礁开展了基于海洋环境噪声的探测试验和成像研究，相关研究成果近日发表在工程学领域TOP期刊Engineering《工程学》上。

（a）海洋中孤立岛礁1小时时长的噪声波形互相关结果；（b）12 小时时长的噪声互相关结果；（c）1 天时长的噪声互相关结果；（d）5天时长的噪声互相关结果。图中红线表示1.3 km/s的传播速度。

珊瑚岛礁作为海洋中宝贵的国土资源，不仅是海洋资源开发和海洋权益保护的重要基地，也是研究区域构造演化和全球环境变化等前沿科学问题的重要载体。我国南海发育大量珊瑚岛礁，总面积约37200 km2，形成岛礁林立的独特海洋地貌景观。这些珊瑚岛礁在形成演化过程中，受当时气候、海平面变化及岛体沉降与抬升等因素的影响，地层中普遍发育松散砂砾层及不整合面, 常出现溶蚀和孔洞，这既为岛礁的开发利用埋下了潜在的地质灾害隐患，也为研究南海构造演化和环境变迁提供了理想窗口。然而，受作业条件限制，传统海洋地球物理技术和钻井样品很难呈现珊瑚岛礁本体精细的三维浅表地质结构，且作业成本高、效率低。因此，如何发展一种适合珊瑚岛礁特殊环境的经济高效三维成像技术，是珊瑚岛礁工程开发利用和可持续发展中需要解决的迫切问题。

（a）岛礁三维S波速度结构不同深度的切片图，黑色星形为地震台站，灰色柱状为钻井位置；（b）钻井位置处的S波速度随深度变化；（c）钻井岩芯孔隙度随深度变化；（d）0.2 s、0.3 s、0.4 s和0.5 s不同周期群速度敏感核随深度变化。

研究人员通过在南海典型岛礁布设密集地震台站，进行了海洋环境噪声数据采集及噪声信号详细分析。研究结果表明海洋中孤立珊瑚岛礁的背景噪声信号大致可分为1赫兹以下、1-5 赫兹和5 赫兹以上三部分，其中5赫兹以下噪声频谱特征在不同台站均具有很好的一致性，5 赫兹以上却存在显著差异；通过对不同时长连续波形的对比研究，研究人员发现对于珊瑚岛礁5 赫兹以下噪声信号，仅需12小时或1天时长的连续波形即可获取高信噪比且对称性良好的互相关函数，这为今后高效、低成本获取岛礁三维结构提供了重要依据；进一步的三维结构成像结果表明，珊瑚岛礁浅表地质结构具有明显的分区性，且与岛礁向海侧的外礁坪地层胶结程度差异性特征一致。同时，研究还发现珊瑚岛礁发育有两个低速层位，与钻井岩芯样品揭示的高孔隙层位具有很好的一致性，反映了岛礁形成过程中经历了多次地层暴露、强烈风化的地质事件。

该项研究表明，利用海洋中丰富的环境噪声信号，能够经济高效、环境友好地获取珊瑚岛礁浅表精细结构，是未来岛礁工程地质探测的优选方案之一。

该研究由中国科学院战略性先导科技专项任务 (XDA13010101), 海南省重点研发计划 (ZDYF2020198), 广东特支计划本土创新创业团队 (2019BT02H594)等共同资助完成。

文、图/广州日报