近日，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）声学海洋学团队在《Earth and Planetary Science Letters》上发表了题目为“Bimodal double-frequency microseisms beneath Arctic sea ice: the role of sediment modulation”的研究论文。团队科研骨干刘张聚博士为第一作者，李家彪院士为第一通讯作者，自然资源部第二海洋研究所孔凡圣研究员为第二通讯作者。合作单位包括海底科学与划界全国重点实验室，自然资源部第二海洋研究所和浙江大学海洋学院。本研究在北冰洋冰区这一特殊海洋环境下，分析了地震环境声场中的双频地脉动特征，发现并提出了一种由沉积层调制的双峰双频地脉动形成机制，在“双源双峰”的经典理论的基础上进行了补充。

双频地脉动是全球地震环境声场中能量最强的部分，是由波浪的非线性相互作用产生，主要成分为Rayleigh波。因其包含丰富的海洋动力学和地下介质结构信息，目前已被广泛应用于风暴活动、海冰变化、海浪气候以及海洋岩石圈结构等研究领域。以往研究中，双频地脉动频谱有时会展现出两个主周期不同的能量峰值，通常被归因于两个不同区域的海浪同时激发形成：短周期通常来自相对近源的波浪作用（开阔大洋中基本是接收端正上方海域），长周期成分则来自较远海域。然而，在北冰洋加克洋中脊这一由于海冰抑制而无明显波浪作用的环境下，其海底地震仪（OBS；图1）记录中仍然观察到了显著的双峰能量，且两者的主要能量来自同一远场源区（图2）。

图 1. 北冰洋及邻近边缘海的水深地形。黄色三角形表示本研究使用的海底地震仪（OBS）。

图 2. 周期1 s（左）和3 s（右）的双频地脉动主要来源。箭头与等值线包围区域表示各自约束的源区位置，白色区域为2024年9月1日海冰密集度大于 30% 的海域。

海洋波浪数据显示，双频地脉动源区——圣安娜海槽处的峰值海浪周期在观测期间主要集中在约6 s，可以很好解释3 s双频地脉动峰值，但无法直接解释约 1 s峰值，这意味着1 s峰需要考虑除源以外的波传播过程所带来的影响。基于海洋分层模型的Rayleigh波频散曲线模拟结果表明，在约 4 km 水深条件下， Rayleigh 波群速度对沉积层厚度非常敏感，在小于约500 m的沉积层条件下，基阶（R0）或第一高阶（R1）Rayleigh 波模态会在1 s周期附近出现局部极小值，即艾里相（Airy phase），从而发生能量聚集效应，这一特征与实际观测到的1 s能量峰值十分吻合（图3）。

图 3. 北冰洋加克洋中脊双峰双频地脉动形成机制示意图。3 s峰值主要由峰值周期约6 s的波浪发生非线性相互作用直接产生。在薄沉积层环境中（约0–400 m），基阶或一阶Rayleigh波在1 s周期的艾里相对应的能量聚集效应能够在约 1 s 处产生另一个能量峰值。

为进一步验证这一沉积层调制机制是否具有普适性，研究团队进一步分析了全球 583 台宽频海底地震仪数据（图4），基于双频地脉动频谱特征归类为双峰型、宽峰型和单峰型三类（图5）。统计结果显示，双峰型和宽峰型频谱主要出现在薄沉积区（约 0–500 m），为上述机制提供了有效支撑。

图 4. 全球 583 台宽频带 OBS （三角形）站位。符号颜色表示OBS水深，背景色为沉积层厚度。

图 5. OBS 双频地脉动频谱类型与沉积层厚度的关系。双峰型（Type I）和宽峰型（Type II）

主要集中于薄沉积区（小于约 500 m）。

综上，本研究提出了一种形成双峰双频地脉动的新机制，在二十多年来普遍接受的“双源激发双峰”这一经典理论上进行了重要补充，表明即使只有一个主导双频地脉动源区，布设在薄沉积区的地震仪记录仍可由于Rayleigh波的艾里效应展现出两个双频地脉动能量峰值。此外，该结果也可为后续基于双频地脉动开展波浪气候与海洋地震背景噪声成像研究时提供一定参考。

本研究由国家自然科学基金（42330308，42406069）和浙江省自然科学基金（LR24D060001）等项目资助。