加克洋中脊密集冰区地震探测：观测突破、方法约束与数据拓展

加克洋中脊位于北冰洋深部，是全球扩张速率最慢的洋中脊之一，远离俯冲带与地幔柱影响，被视为研究超慢速扩张条件下海底扩张动力学的理想端元体系。然而，受常年密集海冰覆盖的制约，该区域长期缺乏高质量地球物理观测数据，严重限制了对其地壳结构与深部过程的认识。针对这一问题，海底科学与划界全国重点实验室海底演化与动力过程团队牛雄伟研究员（第一作者）、谭平川研究员（第一作者）、刘张聚博士后（第一作者）与李家彪院士（通讯作者），基于中国第十二次与第十四次北冰洋科学考察数据，围绕加克洋中脊75°E—100°E海域，在观测突破、方法约束及数据拓展与应用等方面取得了一系列系统性进展。

首先，在观测能力方面取得了重要突破。中国第十二次与第十四次北冰洋科学考察在密集冰区全球首次成功实施海底地震探测实验，分别布放43台和19台海底地震仪（OBS），回收率高达98%与100%（图1）。结合大容量空气枪震源，获得了目前密集冰区质量最高的主动源地震数据。相关研究在观测系统、作业流程与震源设计等方面形成了一系列原创技术，为极区复杂环境下开展深部结构探测提供了可复制的技术路径（牛雄伟等，2026）。

在方法约束方面，针对极区主动源地震探测中普遍存在的震源与OBS测线空间偏移（震源离线）问题，开展了系统的定量评估。基于JASMInE航次实测数据与数值模拟结果表明，在加克洋中脊典型地壳结构条件下，当震源离线距离小于4 km、炮检距大于6 km时，初至波走时误差通常小于120 ms，可满足地壳结构正反演精度要求（图2）。统计结果显示，实际观测中震源平均离线距离为2.5 ± 1.5 km，其影响主要集中于小炮检距范围，而该范围内信号以水层直达波为主，通常不参与地壳结构建模。在岩浆活动显著、地壳厚度增至约7.5 km的区域，通过将炮检距增加至10 km以上，可进一步降低离线效应带来的误差（谭平川等，2026）。该研究从定量角度明确了极区非理想观测几何条件下二维速度结构建模的适用范围，为OBS数据解释提供了关键方法约束。

在数据拓展与应用方面，OBS记录的背景噪声特征被用于开展独立的环境与构造过程研究。针对加克洋中脊85°E火山区OBS数据的短周期地震背景噪声分析表明，该区域在0.5 Hz以上频段呈现出显著高于典型海域的噪声水平。进一步研究发现，海底地形坡度对噪声记录具有重要控制作用，地形起伏较大的区域易产生能量增强效应；不同类型OBS仪器的响应差异亦会导致噪声能量记录存在系统性变化（图3）。此外，该区域频繁发生的微地震活动持续抬升背景噪声水平，而洋中脊轴部发育的较厚沉积层可能通过散射与能量滞留作用对噪声信号产生放大效应（刘张聚等，2026）。需要指出的是，此类背景噪声研究并不直接服务于主动源地壳结构成像，而是拓展了OBS数据在极区环境与构造研究中的应用维度：一方面，噪声特征可用于约束海底声学环境与观测条件，为后续地震实验设计提供参考；另一方面，其空间与频率分布特征也为认识局部构造活动及沉积层物理性质提供了独立约束。

总体而言，上述研究从观测、方法与应用三个层面系统推进了加克洋中脊的地球物理认知：一是通过观测技术突破，实现了密集冰区高质量地震数据的获取；二是通过震源离线效应的定量评估，建立了极区OBS数据解释的可靠性边界；三是通过背景噪声特征分析，拓展了OBS数据在环境与构造过程研究中的应用潜力。这一“观测—约束—拓展”的技术与方法体系，为进一步揭示超慢速扩张洋中脊的地壳结构及其动力学过程奠定了坚实基础。从更广泛的视角来看，密集冰区海底地震探测长期被认为是国际地球物理研究的技术难点。相关工作的系统推进，不仅显著提升了我国在极地深部探测领域的自主观测能力，也为国际同行提供了具有参考价值的技术路径与方法框架。

图1 JASMInE航次(黑色圆点)和JASMInE2航次(红色方块)在加克洋中脊布放的OBS站位分布

红色实线(点线)和黑色实线分别为JASMInE航次和JASMInE2航次的地震炸测路径

图2走时差异(∆t)为120 ms时，不同沉积层及上下地壳厚度变化对应的炮检距分布

对于加克洋中脊的典型地壳结构，当震源离线距离小于4km、炮检距大于6 km时，∆t通常小于120 ms，地壳模拟误差可接受；在地壳显著增厚(厚度达 7.5 km)的岩浆中心区域，建议将炮检距控制在10km 以上，以有效降低离线效应造成的误差.

图3 JASMInE航次OBS投放点地形与OBS数据质量

（a）加克洋中脊轴内(东西向)的海底地形和OBS位置; （b）垂直加克洋中脊(南北向)的海底地形及OBS位置; （c）OBS与85°E火山的距离和OBS投放点附近平均坡度值的相关图; （d）不同坡度下的OBS质量分布. 结果显示海底地形坡度对OBS记录质量具有决定性影响, 且不同型号OBS记录的噪声水平存在一定差异.

相关成果以三篇论文连发的形式发表于《地球物理学报》。本研究得到多项基金项目联合资助，包括国家自然科学基金项目（42025601、42276064、42376065、42330308、42406069）、浙江省自然科学基金项目（LZ23D060004、LDQ24D060001）以及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（JG2302、JB2401、QHXZ2301）。

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