什么是接收函数

接收函数是地震学中一种核心的分析工具，它本质上是将地震台站下方复杂的地球结构响应，从记录到的地震波形中剥离出来的一种数学描述。通过分析远震事件的体波记录，接收函数方法能够有效反演台站下方地壳与上地幔的速度结构，特别是莫霍面（Moho）的深度和地壳的波速比（Vp/Vs），从而成为揭示地球内部构造、研究板块运动与深部动力学过程不可或缺的利器。

       当我们试图理解脚下大地的秘密时，地震波就像一束穿透地球的“X光”。然而，地震仪记录到的波形混杂了震源效应、传播路径的影响以及台站下方局部结构的响应，如同一幅被多层颜料覆盖的画作。如何清晰地分离出最能反映台站所在地“地基”特性的那一层信息？这正是接收函数这一强大工具所要解决的核心问题。它并非直接观测所得，而是通过巧妙的信号处理手段，从原始地震记录中提炼出的、能够刻画台站下方地壳与上地幔速度间断面特征的“指纹”。

       要理解接收函数，首先需要认识地震波的基本类型。当地震发生时，会产生两种主要的体波：压缩波（P波）和剪切波（S波）。P波像声波一样，质点振动方向与波传播方向一致，传播速度最快；S波则使质点垂直于传播方向振动，速度较慢。当这些波遇到地球内部的速度界面（如莫霍面，即地壳与地幔的分界）时，会发生折射、反射和波型转换。例如，一道入射的P波在界面上不仅会产生反射的P波（Pp），还可能转换出反射的S波（Ps）。这些转换波（如Ps）的振幅和到达时间，就携带着界面深度和两侧介质速度比的宝贵信息。

       那么，接收函数是如何“接收”并呈现这些信息的呢？其技术内核在于对远震事件记录的处理。远震是指震中距在30度至90度之间的地震，其射线路径在地幔中近乎垂直地入射到台站下方，这极大简化了路径效应的复杂性。处理时，通常选取事件波形中清晰的P波震相段。原始的三分量记录（一个垂直向，两个水平向）包含了所有波场信息。接收函数计算的关键一步是“旋转”，将水平分量从地理坐标系（北、东）旋转到射线坐标系（径向、切向），使得径向分量主要包含P-SV波的能量，切向分量则主要包含SH波的能量。

       接下来的核心操作是反褶积。可以将其理解为一个“剔除”或“解卷积”的过程。目标是消除震源时间函数和传播路径（主要是地幔部分）对波形的影响，从而突出台站下方局部结构的响应。实际操作中，常将垂直分量作为“源信号”的估计，对径向分量（有时也包括切向分量）进行反褶积。经过反褶积处理后得到的序列，就是接收函数。在理想的水平层状介质假设下，径向接收函数的起始处是一个代表直达P波的主脉冲，其后跟随的一系列次生脉冲，则对应着来自不同深度界面的P-to-S转换波（Ps）及其多次反射波。每一个脉冲的延迟时间（相对于主脉冲）反映了转换界面的深度，而脉冲的振幅则与界面的速度对比度有关。

       接收函数方法的核心优势与物理内涵在于其直接性。它不像全波形反演那样需要复杂的正演模拟和巨大的计算量，而是直接从观测数据中提取与界面相关的线性特征。这使得它特别擅长解决一些特定的构造问题，例如精确测定地壳厚度。通过测量接收函数中莫霍面产生的Ps转换波与直达P波之间的时间差，并结合地壳的平均波速，就可以相对可靠地计算出莫霍面的深度。这项应用在全球范围内绘制地壳厚度图、研究造山带隆升、盆地伸展等构造演化过程中发挥了里程碑式的作用。

       除了地壳厚度，接收函数还能灵敏地约束地壳的波速比（Vp/Vs）。波速比是一个关键的地球物理参数，它与地壳的物质组成、孔隙流体压力乃至部分熔融状态密切相关。在接收函数中，来自莫霍面的多次反射波（如PpPs， PpSs+PsPs）的到时对波速比的变化非常敏感。通过联合拟合Ps转换波及这些多次波的到时，可以进行H-κ（地壳厚度-波速比）叠加分析，从而同时求解出最优的地壳厚度和波速比值。高波速比可能暗示着地壳中存在流体或部分熔融，而低波速比则可能指向富含石英的古老稳定地壳。

       随着研究的深入，经典的接收函数分析所基于的“水平层状介质”假设在复杂构造区面临挑战。为了揭示更真实的三维结构，接收函数偏移成像技术应运而生。该技术将大量不同方位角、不同震中距的远震接收函数，类似于医学计算机断层扫描（CT）的原理，通过逆时偏移或Kirchhoff偏移等方法，归位到其地下真实的散射点位置，从而构建出台站下方地壳上地幔的三维波速扰动图像。这项技术让科学家能够“看见”俯冲的海洋板块、地幔热柱、岩石圈根等复杂构造的精细形态。

       各向异性分析是接收函数研究的另一个前沿方向。地球介质并非完全均匀，许多矿物晶格的优势排列或宏观裂隙的定向分布会导致地震波速度随传播方向或偏振方向不同而变化，这就是各向异性。接收函数的切向分量通常被认为在水平层状模型中应接近于零。如果观测到显著且具有系统性的切向分量能量，则往往揭示了地下存在倾斜界面或方位各向异性。通过分析接收函数随地震事件方位角的变化，可以推断地壳或地幔中变形历史和物质流动的方向。

       在实际数据处理流程中，质量控制和叠加是保证结果可靠性的关键环节。并非所有远震记录都适合用来计算接收函数。信噪比低、P波震相不清晰、或记录中包含复杂干扰的事件需要被剔除。对于通过筛选的事件，计算出的单个接收函数往往仍包含噪音。通常的做法是将来自同一台站、在一定方位角和震中距范围内的事件接收函数进行叠加（如线性叠加或相位加权叠加），通过叠加来增强共同的构造信号，压制随机噪音，从而得到一条清晰稳定的台站平均接收函数。

       接收函数方法的应用领域极为广阔。在岩石圈探查中，它被用于确定全球各构造单元（克拉通、造山带、裂谷、岛弧）的岩石圈厚度和属性。在俯冲带研究中，它可以清晰成像俯冲板片的上界面，追踪板片在深部的形态，甚至探测板片上方地幔楔中可能存在的部分熔融区，这些熔融区是火山活动的深部源泉。在盆地与高原研究中，接收函数揭示了青藏高原巨厚地壳的横向变化、四川盆地坚硬岩石圈的底界，以及华北克拉通破坏过程中岩石圈减薄的证据。

       该方法也广泛应用于火山与地热区的探测。火山机构下方通常存在低速体，可能与岩浆囊有关。接收函数对速度的垂向梯度变化十分敏感，能够有效探测这些低速层的顶底深度和空间范围，为火山监测和灾害评估提供深部依据。同样，在地热资源丰富的地区，储热层和流体通道也常表现为低速异常，接收函数成像可以帮助圈定有利的勘探靶区。

       将接收函数与其他地球物理观测手段进行联合反演，是深化认识、减少解的不确定性的必然趋势。最常见的是与面波频散数据联合。面波频散对横波速度的绝对值和垂向平均效应敏感，但对间断面深度分辨能力较弱；接收函数则对速度的垂向梯度（特别是界面）极为敏感，但对绝对速度值的约束较弱。两者结合，取长补短，可以构建出垂向分辨率更高、绝对速度更可靠的一维或三维地下速度模型。此外，与重力、大地电磁等数据的联合解释也日益普遍。

       尽管功能强大，接收函数方法也有其固有的局限与假设。首先，它严重依赖初至P波的质量，对于震源复杂或路径异常的事件处理效果会下降。其次，反褶积过程在数学上是一个不适定问题，需要引入正则化参数（如水水平）来稳定解，参数的选择会影响结果的细节。再者，当介质结构非常复杂，存在强烈横向不均匀性或散射体时，简单的水平层状假设和射线理论可能不再适用，解释结果需要格外谨慎。

       随着地震台网越来越密集（如美国的地震台阵，中国地震科学探测台阵），以及计算能力的飞速提升，接收函数技术正朝着大规模自动化与高分辨率成像方向发展。海量数据的自动处理流程使得绘制区域乃至大陆尺度的精细构造图成为可能。基于波动理论的更先进的偏移算法和全波形反演框架下的接收函数应用，也在不断突破传统方法的极限，致力于从地震图中榨取每一比特有价值的信息。

       展望未来，接收函数方法将继续在地球深部探测中扮演核心角色。它不仅是理解宏观构造的利器，随着频率的提高和方法的精进，甚至有望揭示中下地壳的流体活动、地幔过渡带的含水性等更精细的物理化学状态。从揭示大陆裂解的秘密，到预警火山喷发的风险，再到探寻清洁的地热能源，这项从地震波形中提炼出的“函数”，持续为我们解码着地球内部这部厚重而动态的史诗。它告诉我们，地球的每一次脉动，都记录着其内部结构的回响，而接收函数，正是聆听并解读这深邃回响的关键语言。