地震海洋学新进展.pdf

宋海斌.2023.地震海洋学新进展.地震学报，45（3）：376391.doi：10.11939/jass.20230014.SongHB.2023.Newprogressinseismicoceanography.Acta Seismologica Sinica，45（3）：376391.doi：10.11939/jass.20230014.地震海洋学新进展*宋海斌1，2），1）中国上海200092海洋地质国家重点实验室2）中国上海200092同济大学海洋与地球科学学院摘要多尺度动力过程是当前海洋学研究的重点。地震海洋学能在数百 km 的剖面上获得分辨率为 10m 的高质量数据，基于该数据能够解析涡旋边缘的亚中尺度动力现象（如北冰洋地震剖面研究发现的漂亮旋臂）和内孤立波的振幅垂向结构，并能够进行内孤立波波形变化与混合参数分布叠合分析等，本文对这些方面获得的新认识和新进展进行了综述。同时，共偏移距剖面叠前偏移方法充分利用多道地震的多次覆盖特点，获得随时间变化的一系列地震图像，为地震海洋学在海洋内部结构的时空演变研究方面增添了利器。因此，地震海洋学提供的新的时空视角必将在海洋多尺度动力过程研究中起到重要作用。关键词 地震海洋学涡旋内孤立波多尺度动力过程共偏移距剖面叠前偏移doi：10.11939/jass.20230014中图分类号：P631，P738文献标识码：ANew progress in seismic oceanographySongHaibin1，2），1）State Key Laboratory of Marine Geology，Shanghai 200092，China2）School of Ocean and Earth Science，Tongji University，Shanghai 200092，ChinaAbstract：Ocean multi-scale dynamic processes are the focus of current oceanographyresearch.Seismicoceanographycanobtainhigh-qualitydatawitharesolutionof10monhun-dredsofkmsection，soitcananalyzethesub-mesoscaledynamicphenomenonattheedgeofaneddy（suchasthebeautifulspiralarmfoundintheArcticOceanseismicsectionstudy）andtheverticalamplitudestructureoftheinternalsolitarywaves，andcancombinetheinternalsolitarywavewaveformchangewiththemixingparameterdistribution.Thispaperreviewsthenewinsightsandadvancesofthesestudies.Atthesametime，thecommonoffsetsectionprestackmigrationmethodmakesfulluseofthemultiplecoveragecharacteristicsofmulti-channelseis-micmethodtoobtainthetemporalvariationofseismicimages，thusaddingakeytoolforseis-micoceanographytorevealthespatio-temporalevolutionoftheoceaninternalstructure.There-*基金项目国家自然科学基金（42176061，41976048）资助.收稿日期2023-02-17 收到初稿，2023-04-07 决定采用修改稿.作者简介宋海斌，博士，教授，主要从事海洋地球物理与地震海洋学研究，e-mail：第45卷第3期地震学报Vol.45，No.32023年5月（376391）ACTASEISMOLOGICASINICAMay，2023fore，thenewspace-timeperspectiveprovidedbyseismicoceanographywillplayanimportantroleinthestudyofoceanmulti-scaledynamicprocesses.Key words：seismicoceanography；eddy；internalsolitarywave；multi-scaledynamicproce-sses；prestackmigrationforcommonoffsetsections 引言地震海洋学是将反射地震学等地震学原理与方法应用于海洋探测与研究的地震学与海洋学的交叉学科（Holbrooket al，2003；Ruddicket al，2009；宋海斌，2012；Songet al，2021a；Dickinson，Gunn，2022），是海洋地球物理学的一个发展分支，主要利用多道反射地震方法研究海洋温盐细结构与中小尺度动力过程。反射地震剖面提供了海洋内部现象在水平方向和垂直方向上的高分辨率图像，而用反射地震方法对海水层所成的图像主要是海水温度梯度与地震震源子波褶积运算的结果（Ruddicket al，2009）。海洋中的物理过程横跨的空间和时间尺度较大，有大尺度环流、中尺度涡旋和小尺度湍流等，其中中尺度涡旋在海洋中几乎无处不在，被认为储存了海洋中主要的动能，其水平尺度约为 100km，可存在数周至数月。次表层涡旋是指旋转速度最大核心出现在次表层（混合层以下）的中尺度涡旋（南峰等，2022）。内波是海洋内部的一种重力波，其波长、周期和垂向振幅的变化范围较大，其中波长为几百 m到几十 km，周期为几分钟到几小时，垂向振幅为几 m 到几十 m，内孤立波（internalsolitarywave，缩写为 ISW）是非线性大振幅内波。地震海洋学方法的分辨率约为 10m，通过该方法可以对中尺度到小尺度的海洋过程如涡旋和内波或内孤立波等成像。随着地震海洋学的发展，多道反射地震技术被用来观测各种物理海洋现象（Holbrooket al，2003；Nakamuraet al，2006；Ruddicket al，2009；Pinheiroet al，2010；Songet al，2011；拜阳等，2015；Buffettet al，2017；Gormanet al，2018；Gunnet al，2018，2020；Tanget al，2020），进行温盐结构反演（Papenberget al，2010；Xiaoet al，2021）、混合参数估算（Sheenet al，2009；Dickinsonet al，2017；Tanget al，2020；Gunnet al，2021）等定量研究。多道反射地震技术具有空间分辨率高、探测深度大和短时间实现大面积覆盖等优势，弥补了常规物理海洋探测方法的一些不足之处，并成为内孤立波与涡旋（次表层涡旋）观测的主要方法之一。最重要的是，反射地震数据可以提供海洋内部精细结构的图像，这一点在研究诸如内孤立波浅化时的细结构变化等方面具有巨大的优势。Tang 等（2014）利用多道反射地震数据观测到南海东北部的两个内孤立波，并结合水文和遥感数据计算了内孤立波的动力学参数。拜阳等（2015）研究了南海东沙海域内孤立波在地震剖面上的结构特征并计算了内孤立波的水平波数谱，发现其能量在低波数段比 Garrett-Munk（GM）内波谱大了两个数量级。Tang 等（2015）在南海东沙海域发现内孤立波包，将计算出的动力学参数与描述内孤立波波面及流场特征的 KdV（Korteweg-deVriesequation）和 eKdV（extendedKorteweg-deVriesequation）理论参数进行对比，认为该海域发现的内孤立波更符合 KdV 理论。Bai 等（2017）在南海东沙海域发现大量出现极性反转的内孤立波，并对极性反转出现的深度和发生极性转换时的振幅与深度关系进行了分析，之后 Geng 等（2019）利用相同地区的资料进一步分析了内孤立波振幅随深度的变化并给出了拟合公式。Fan 等（2021，2022）在中美洲发现了大量正在浅化的第二模态内孤立波，并分析了振幅与传播速度之间的关系，研究了其区域性分布特征。3期宋海斌：地震海洋学新进展377近期地震海洋学取得丰富成果，例如：提出了可揭示海洋细结构变化的共偏移距剖面叠前偏移处理流程，由此可获得高分辨率的海洋动态变化观测数据；研究拓展到全球多个海域，特别是北冰洋的地震海洋学研究实现了零的突破。这些研究涉及南海内孤立波浅化（邝芸艳等，2021；Gonget al，2021a，b；Songet al，2021b）、中美洲太平洋海域第二模态内孤立波（范文豪等，2021；Fanet al，2021，2022）、中美洲太平洋海域、加利福尼亚湾和南极海域的涡旋及亚中尺度过程（杨顺等，2021；梁智超等，2022；Yanget al，2022a）、北冰洋涡旋与旋臂结构（Yanget al，2022b；Zhanget al，2022）。其中 2022 年 Yang 等（2022b）和 Zhang 等（2022）在 JGeophys Res：Oceans 接连发表两篇论文，利用反射地震与水文同步观测资料揭示了北冰洋楚科奇（Chukchi）海域盐跃层涡旋的分布与垂向结构，并发现其中一个北冰洋涡旋具有漂亮的旋臂结构（Yanget al，2022b）。2021 年 Song 等（2021a）在 Deep-Sea Research Part 发表地震海洋学进展与展望综述论文，总结了近二十年该学科方向的国内外进展，分析指出地震海洋学在多尺度能量串级过程中的广阔应用前景。本文拟在 Song 等（2021a）综述论文的基础上，主要介绍北冰洋涡旋、内孤立波浅化和共偏移距叠前偏移新方法方面的主要新进展，展示地震海洋学在深化海洋中小尺度动力过程认识方面的前景。1 北冰洋涡旋北冰洋西部楚科奇陆坡和楚科奇边境地之间的楚科奇海域，是北冰洋对气候变化响应最显著的区域之一。在该海域发育了大量的海洋涡旋，这些海洋涡旋是太平洋向北冰洋进行物质能量传输的重要途径，对北冰洋的水文变化具有重要的影响。然而传统水文观测的时空分辨率有限，影响了目前对北冰洋水体精细结构及其动力学特征的认识。2011 年 9 月至10 月，MarcusG.Langseth 号调查船在北冰洋西部楚科奇海域开展了 MGL1112 航次多道地震探测工作，同时采集了宝贵的现场流速同步观测资料。通过多道地震资料重新处理，Yang 等（2022b）和 Zhang 等（2022）对地震和同步水文剖面上发现的涡旋及亚中尺度过程进行了研究。Zhang 等（2022）研究发现，涡旋在地震剖面上常常表现为透镜状和丘状反射结构（图 1），内部反射较弱，而边界反射较强，这些反射结构分别指示反气旋性涡旋和气旋性涡旋。在垂直地震测线的流速剖面上，这些反射结构对应一对符号相反的流速区，在沿地震测线方向的流速剖面上则对应于单一符号的流速区（图 1）。Zhang 等（2022）在北冰洋西部海域发现了 23 个涡旋，其中 19 个为反气旋涡旋，4 个为气旋涡旋（图 2）。观测到的涡旋主要分布在地形变化比较剧烈的区域，如海山附近和北风海脊的两侧，这可能暗示了涡旋的形成和演化与地形之间密切相关。通过与同步采集的抛弃式温深仪（expendable-bathythermograph，缩写为 XBT）数据和历史温盐深剖面仪（conductivity-temperature-depthprofiler，缩写为 CTD）数据对比，研究发现在这 23 个涡旋中，有一个暖核反气旋涡和两个冷核反气旋涡，其核心水可能分别