意大利爱因斯坦望远镜候选场址结晶岩地下特征：地震层析成像、地电与形态结构分析的启示

为评估引力波观测站（ET）候选场址的地质稳定性，研究团队通过高分辨率地震层析成像（Vp）、电阻率成像（ERT）及钻孔数据，揭示了撒丁岛结晶岩风化层厚度与断裂带特征。结果显示150-200米深度存在高波速（Vp~6000 m/s）与高电阻率（ρ>1000 Ωm）的完整岩体，局部低波速（~4250-4500 m/s）异常对应含地下水的断裂带。该研究为地下基础设施选址提供了关键地质依据。

　　

在探索宇宙奥秘的征程中，引力波探测已成为人类"倾听"时空涟漪的重要窗口。欧洲计划建造的首个地下引力波观测站——爱因斯坦望远镜（ET），对选址提出了严苛要求：需要极其稳定的地质环境和低噪声背景。意大利撒丁岛东部的候选场址因其极低的地震环境噪声备受关注，但地下数百米深度内结晶岩的物理特性及结构特征尚不明确。这一盲区直接关系到未来ET基础设施的安全性和探测灵敏度。

为破解这一难题，由意大利国家地球物理与火山学研究所（INGV）等机构组成的研究团队，对候选场址的Variscan期（约3.6-3亿年前）结晶岩开展了多学科综合探测。研究首次结合高密度地震层析成像（Vp）、地电阻率成像（ERT）和钻孔数据，揭示了地下100-240米深度范围内的岩体完整性与断裂带分布特征。相关成果发表在《Tectonophysics》上，为ET选址提供了决定性地质证据。

研究采用三项关键技术：1）长排列（720-840米）折射地震层析成像，使用MiniVib震源和168道检波器阵列；2）64电极高密度电阻率剖面（电极距5-10米）；3）270米深钻孔光学成像与井径测井。通过多尺度反演和交叉验证，构建了地下三维物性模型。

4.1 P2场址地球物理探测结果
在花岗岩为主的P2场址，地震模型显示20米以浅为风化层（Vp 1500-4000 m/s），其下岩体Vp跃升至5000-5500 m/s。发现一处15-35米宽的低波速异常带（Vp~4250 m/s），对应电阻率降至500 Ωm，钻孔证实为含水的NW向断裂带。井径测井显示70米深处存在>1000 mm的裂缝开口，与电阻率骤降区吻合。

4.2 P3场址地球物理探测结果
在片麻岩为主的P3场址，120米以深岩体Vp高达6000-6250 m/s，电阻率>1000 Ωm，反映极低裂隙度。仅70米深度存在局部低阻异常（ρ~200-300 Ωm），对应井径测井发现的400 mm裂缝开口区。正交地震剖面揭示微弱各向异性，E-W向Vp较N-S向高约2-6%。

4.3 形态结构分析
卫星影像与野外调查表明，研究区断裂系统以WSW和NE向为主，长度多<1.5 km。P2场址的断裂带与地震低波速异常空间匹配，而P3场址的断裂网络成熟度更低，含水层仅发育于>0.3 km的主断裂带交汇处。

讨论与结论
研究首次证实ET候选场址的结晶岩体具有"薄皮硬核"特征：风化层仅20-30米厚，其下为Vp>5000 m/s的完整岩体。局部低波速异常（Vp降低15-20%）可有效识别含水的断裂带，该方法在结晶岩区具有普适性。特别值得注意的是，P3场址片麻岩的力学性能更优，150-200米深度Vp突破6000 m/s，且断裂密度（1.82 m^-1）显著低于花岗岩区（2.25 m^-1）。

该研究的创新性在于将地球物理异常与断裂几何参数定量关联：15-35米宽的低波速带对应地表0.3-0.5 km长的断裂迹线，这种标度关系为预测深部裂隙网络提供了新方法。成果不仅为ET选址决策提供了关键参数，其"地震-地电-钻孔"三联法的工作流程，亦可推广至核废料处置、地热开发等深部地下工程选址领域。正如作者指出，在缺乏深部反射界面（如P3场址Vp梯度仅0.02 s^-1）的结晶岩区，折射层析与钻孔数据的融合是突破探测瓶颈的有效途径。