传统面波分析多依赖单分量数据，当模式分支靠近时，难以分离多模式信号、无法完整获取面波偏振信息，限制了频散测量精度与结构反演可靠性。尽管理论模型的模拟结果显示，基阶模式也可以呈现顺进偏振椭圆特征，但这种现象在野外数据中很少被观测到。如何充分利用三分量地震记录的全波形信息，区分不同波场类型与偏振特征，实现多模式面波相速度和椭率的一体化提取，成为面波成像领域亟待解决的关键问题。
中国地震局地球物理研究所鲁来玉研究员团队在前期工作的基础上，提出背景噪声多分量聚束分析方法，通过对垂向（Z）、径向（R）和横向（T）分量互相关函数的处理，实现多模式瑞利波与拉夫波频散曲线的稳定提取，同时同步获取多模式瑞利波椭率（径向/垂向振幅比）信息。该方法充分利用三分量地震记录的全波形信息，区分不同波场类型与振动模式，大幅提升频散曲线的连续性与模式识别准确率（图1、图2）。
图1 中国科学探测台阵三期子阵列聚束分析得到的多模式面波频散图像。在ZZ分量和RR分量中，可观测到最多五个模式，分别标记为0、1、2、3和4。RZ分量和ZR分量也呈现出五个可观测模式。对于TT分量，可以观测到六个勒夫波模式。除基阶模式的可靠频率范围为0.03–0.25 Hz外，高阶模态可在较宽的频率范围内被观测到，尤其在ZZ分量和TT分量中尤为明显。
图2 通州局部沉积盆地的背景噪声不同分量互相关函数聚束分析生成的频散图像。黑色虚线表示基于台阵下方反演模型预测的理论频散曲线。ZZ分量清晰分辨出基阶模态（mode 0）与第一高阶模态（mode 1）。值得注意的是，基阶模态在RZ与ZZ分量上表现出不同极性：ZZ分量中基阶模态始终为同相能量，而RZ（及ZR）分量中基阶模态的极性随频率变化——0.5 Hz以上呈正极性（强振幅），0.5 Hz以下转为负极性（主瓣为负最大值）。
该研究基于沉积盆地密集台阵观测数据，在沉积盆地尺度实测数据中发现：基阶瑞利波可在不同频段表现为顺进与逆进椭圆偏振（图3，图4）。表明基阶模式偏振行为受地下介质结构、频率与深度联合控制，并非单一固定的偏振方向。这完善了瑞利波传播理论，提升了模式识别准确性，避免因偏振误判导致频散曲线拾取错误，为高精度面波成像提供关键技术支撑。
图3 根据图1中各分量的频散能量图提取的基阶和一阶模式瑞利波的椭率，其中实线是基于阵列下方速度结构预测的椭率。（a）为垂直分量与水平分量之比（ZH比）。（b）为HZ比。（c）不同频率下的质点运动轨迹。在给定的频率范围内，基阶模式在0.2 Hz和0.5 Hz附近发生了两次极性反转。0.2 Hz以下为逆进椭圆运动，在0.2至0.5 Hz之间转变为顺进椭圆运动，在0.5 Hz以上又恢复为逆进椭圆运动。
图4 台站对2022–1019的时间序列提取的基阶模态和第一高阶模态的质点运动。(c)带通滤波（0.35–0.45 Hz）后的波形、质点运动轨迹以及针对识别的基阶瑞雷波的偏振椭圆示意图，表现为顺进椭圆。(d)频率范围为0.9–1.1Hz的结果，基阶模态表现出逆进椭圆粒子运动。(e)是第一高阶模态（0.9–1.1 Hz）的结果，呈现出顺进椭圆运动。
在多分量频散测量中发现，从ZR、RR分量提取的瑞利波频散曲线，与ZZ、RZ分量提取结果存在系统性偏差。ZZ和RZ分量结果相似（称为Z偏振测量），而ZR和RR分量结果相似（称为R偏振测量）。总体而言，Z偏振与R偏振测量在基阶模式及低频段的高阶模式上吻合较好，但在高频段，高阶模式出现系统性偏差（图5）。这种差异很可能源于从近地表到地壳上部的偏振各向异性。在传统的偏振各向异性研究中，这种各向异性通常通过瑞利波与勒夫波相速度的不一致性来表征。这一观测表明，利用瑞利波不同分量的相速度测量同样能够揭示地球的各向异性特征，为地球介质偏振各向异性反演提供新途径。
图5 从图1中不同分量频散图像提取的多模式相速度
该研究成果中的多分量聚束分析方法可广泛应用于密集台阵背景噪声与地震数据处理，提升浅地表横波速度结构成像分辨率；基阶模式逆进和顺进椭圆偏振观测，完善了面波模式识别准则，降低反演不稳定；多分量相速度的系统偏差可用于探测沉积盆地各向异性，为介质力学属性、应力状态、裂隙分布研究提供新约束，服务油气勘探、断层活动性评价、地震危险性分析。
该成果发表于国际学术期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》（Qin, T., Zhang, Y., Jia, S., & Lu, L. (2026). Measurement of phase velocity and ellipticity of multi-mode surface waves by beamforming multi-component ambient seismic noise. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 131, e2025JB033434. https://doi.org/10.1029/2025JB033434），由国家自然科学基金（42474081、U1839209），中国地震局地球物理研究所基本科研业务费专项（DQJB25R33, DQJB25X28）资助。
【作者简介】
第一作者：秦彤威，中国地震局地球物理研究所助理研究员，主要从事地震干涉理论、台阵地震学等方面的研究工作，发展了一套修正聚束分析方法，用于从地震背景噪声中提取多模式面波的相速度和瑞利波椭率，并在社区共享，见：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.25678170；https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20304618；
通讯作者：鲁来玉，中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，主要从事复杂介质地震波传播与散射理论、地震层析成像及声学信号处理等方面的研究工作。