利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响*

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。     

横向非均匀介质远震体波接收函数的波场特征

系统研究了台站下方存在倾斜界面时,远震体波接收函数的波场特征及多方位接收函数对台站下方介质横向非均匀特征的反映能力．我们利用合成三维横向非均匀介质接收函数的Maslov方法,具体模拟了台站下方存在倾斜界面时的接收函数响应．结果表明,当台站下方存在倾向一致的倾斜界面时,远震体波接收函数的径向分量和切向分量分别随震源方位角的变化呈现对称和反对称的规律性变化．利用不同震源方位角接收函数径向分量和切向分量的变化规律,可以估计台站下方界面的倾向和倾角．当台站下方各界面的倾向不同时,随方位角的变化,接收函数只能直观给出界面的整体倾向．实际观测数据的分析结果表明,对于利用单个台站接收函数研究台站下方介质的横向非均匀特征来说,简单倾斜界面可以看作较好的一级近似．      

利用主成分分析法研究余干地震台接收函数

对模型合成的理论接收函数进行主成分分析,研究在倾斜界面和各向异性影响下主成分形态变化规律,分析倾斜界面倾角和各向异性强度对接收函数R分量主成分贡献率的影响。对江西余干地震台的接收函数R分量主成分进行分析,结果发现:Ps震相的平均走时为3.4 s;台站下方介质的各向异性和倾斜界面同时存在,各向异性快轴大致呈NE向,倾斜界面倾向约170°。     

基于接收函数主成分分析法的地壳结构研究

远震接收函数方法是研究地壳结构的常用方法之一.在单个地震台站的接收函数分析中,既可以利用不同接收函数Ps转换震相以及地表多次反射震相的平均特征获得台站下方一维平均地壳结构信息,也可以基于Ps转换震相随背方位角的变化特征提取地壳结构的变化信息(如倾斜界面或各向异性).然而,由于噪声干扰,后一方面的研究往往存在困难.针对这一问题,文章引入信号处理中的主成分分析法,提出了基于单个地震台站接收函数数据矩阵的主成分分析方法.利用不同主成分互不相关且反映原始数据不同特征的性质,通过提取单个台站接收函数数据矩阵的不同主成分并分别进行重构,获得台站下方的地壳结构信息.理论模拟结果表明,径向接收函数的第一主成分包含数据主体信息,反映台站下方一维平均地壳结构特征;而其第二主成分以及切向接收函数第一主成分则反映台站下方地壳结构的变化特征.文章重点针对壳内存在倾斜界面结构的情况,进行了接收函数主成分提取和重构的理论模拟研究;并在此基础上,基于布设在四川盆地中部一宽频带流动地震台站s233的远震波形记录,开展了接收函数主成分分析的实际结构应用研究.文章研究结果显示,台站s233下方可能存在两个近平行的壳内倾斜界面.与前人测井、电法及人工源地震剖面结果对比表明,浅部倾斜界面可能代表了四川盆地前寒武纪结晶基底顶界面,深部界面可能指示上、下地壳的分界面,即康拉德界面.文章通过理论模拟和实际应用研究,验证了接收函数主成分分析方法在研究地壳结构中的有效性.     

倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响

接收函数方法自Langston提出以来,经过近30年的不断发展,接收函数在提取方法、反演技术以及界面成像等方面取得了重要进展,已逐步成为研究地球内部、特别是地壳上地幔结构的重要手段.近年来,随着观测和研究的不断深入,倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响也逐渐引起人们的重视.本文通过建立不同的倾斜界面和各向异性模型,计算了不同模型的理论接收函数,比较系统的阐述了径向和切向分量接收函数的变化特征,通过分析发现倾斜界面和各向异性介质都能使接收函数的切向分量产生明显的能量,并使径向和切向分量呈现周期性的变化,倾斜界面和各向异性介质产生的接收函数波场特征的差异主要表现在周期性和转换震相的到时差上,通过分析不同方位角的径向和切向接收函数,研究直达P波和PS转换波振幅及到时随方位角的变化规律,可以较好地区分倾斜界面和介质各向异性的影响.     

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

分析P、S波接收函数得到的云南岩石圈结构

P波接收函数通过分离间断面上产生的P-to-S转换波来测量间断面的深度,由于地壳多次相的干扰,导致这一方法用于测岩石圈—软流圈界面(LAB)受到了很大的限制.不过,S波接收函数可以克服这一问题,因为它分离S-to-P转换相,而这一转换相比入射S波提前到达台站,于是避开了迟到的地壳S波振荡相.然而,由于S波的频率比P波低,这将导致S波接收函数的分辨率较P波接收函数的低.为了作对比分析,本文利用云南地区13个固定台站记录的远震三分量资料,分离出台站下方的P、S波接收函数,而且这些接收函数被校正到67°的参考震中距处,以便进行叠加增强信噪比.最后将时间域的叠加信号转换到深度域,分别获取台站下方的地壳和岩石圈的厚度.结果表明:P波接收函数得到的地壳厚度在32~56 km之间,S波接收函数得到的地壳厚度在41~54 km之间,S波接收函数得到地壳厚度系统地偏大8~9 km;P波接收函数得到的LAB深度在65~110 km之间,S波接收函数得到的LAB深度在66~135 km之间,S波接收函数得到的LAB深度偏大15~20 km,最大偏差达到了25 km.     

用远震接收函数反演福建地区宽频带台站下方莫霍界面深度

收集福建省“九五”数字地震遥测台网中8个宽频带台站的远震波形资料,应用接收函数的研究方法计算各个台站下方的接收函数。采用非线性的反演方法获得这些台站下方的S波速度结构．确定这些台站下方莫霍界面深度的分布情况。分析得到的反演结果,福建地区莫霍面的起伏不大．平均的地壳厚度约为32km。在0～2km之间均存在一层低速层,这与地表覆盖着一层松散的沉积层是相对应的。内陆地区台站附近莫霍界面深度较沿海地区略高,沿海台站的莫霍界面深度北部略高于南部。     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

汶川地震破裂带地壳速度结构研究

利用分布在汶川地震破裂带上三个固定台站两年的远震接收函数,结合该区域已有面波频散结果,首先确定了各台站下方不同方位地壳的厚度、波速比和纵波平均速度,进而构建初始模型,对各台站下方不同方位地壳速度结构进行了线性反演.结果表明:位于汶川地震破裂带两端单台下方地壳结构的横向非均匀性较强,各方位接收函数差异较大,而破裂带中部台...     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

接收函数确定Moho面速度和密度跃变的方法研究及应用

通过对单层模型反射和透射系数的推导,提出了利用接收函数一次转换波和多次波确定Moho面速度和密度跃变的速度-密度跃变(δβ-δρ)扫描叠加方法.利用反射率法计算了不同模型的远震理论地震图,按照与处理实际观测波形一致的方法和流程计算了理论接收函数;根据不同模型数值试验结果,深入分析了界面速度和密度跃变对接收函数震相幅度的影响.利用(δβ-δρ)扫描叠加方法,对理论接收函数进行了数值试验,结果证明了该方法的可行性.最后将该方法应用于位于青藏高原东北缘的高台(GTA)台和兰州(LZH)台,确定了两个台站下方Moho面的速度跃变分别约为(19±1)%和(20±1)%,密度跃变最小值为(4±2)%和(6±2)%.     

中国数字地震台网的接收函数及其非线性反演

利用中国数字台网（CDSN）记录的85个远震事件的宽频带P波波形数据和分离接收函数的最大或然性反褶方法,获得了CDSN台网10个台站不同方位的岩石层接收函数.利用这些台站不同方位的平均接收函数和非线性接收函数反演方法,获得了上述各台站下方100km深度范围内的岩石层S波速度结构.结果表明CDSN台网各台站下方的地壳厚度和岩石层速度结构存在明显的差别.其中,拉萨台下方的地壳厚度为66kin,壳幔界面较模糊,而余山台下方的地壳厚度为34km,壳慢界面两侧速度反差明显.刮用本文方法估计的地壳厚度与已有的结果基本一致,由于CDSN台网覆盖了中国大陆的各主要构造单元,本文的结果为研究中国大陆的岩石层S波速度结构及其横向变化提供了新的证据.     

华北地区地壳与上地幔速度间断面接收函数成像研究

<正>P波接收函数主要包含台站下方速度界面所产生的转换波,转换波S波和原生P波以不同路径、不同时间到达同一台站,因此,时间轴上反映了转换波与原生P波在台站的到时差。在给定慢度和速度模型的情况下,可以依据到时差找到转换点。将接收函数中该时差所对应的接收函数值置于相应的转换点三维坐标,对不同射线在同一空间点的转换波振幅进行叠加,并经过规一化后可形成接收函数图像。我们广泛收集了华北地区固定地震台网、华北流动地震实验场的流动地震台阵、中国地震台阵探测项     

利用宽频带远震体波波形研究青藏高原地壳上地幔速度结构的初步结果

利用根据中美合作研究青藏高原深部结构计划布设在青藏高原上的11个宽频带数字地震仪记录到的远震体波数据,采用接收函数(receiver function)反演的方法,对各台站下面地壳上地幔地震波速度结构进行了研究。台站接收函数是通过将三分向地震记录的两个水平分量旋转合成得到径向分量,然后在频率域除以垂直分量并变换回到时间域得到的,它仅与台站下面介质结构有关,而基本上与震源函数和传播路径无关。为压制噪声干扰,对来自同一方向上一定震中距范围内的远震记录得到的接收函数进行了叠加。采用分层弹性介质中弹性波传播矩阵理论,我们可以计算得到分层介质的理论接收函数以及它对各层弹性参数的偏导数,从而利用迭代线性反演可从观测接收函数得到台站下面的一维速度结构。本文给出了其中3个台,即温泉台、格尔木台和日喀则台的初步结果,它们分别位于高原的中部、北部和南部。从各台的接收函数中都可看到清晰的 Moho 面上的 P-S 转换波震相,其相对直达 P 波的走时延迟分别为:温泉台7.9s(东北方向结果),8.3s(东南方向结果);格尔木台8.2s;日喀则台9.0s,如此大的延迟表明高原地壳的巨厚.      

倾斜界面和各向异性对谐波分解方法的影响研究

利用接收函数谐波分解方法可以提取地壳下方的不均匀信息, 但当多种不均匀性同时存在时, 该方法反演结果的准确性目前尚不十分清楚。 基于5组20个理论模型, 研究了倾斜界面和各向异性对谐波分解方法的影响。 结果表明, 对于只存在倾斜界面的情况, 利用谐波分解方法可以很好地得到模型参数。 在各向异性和倾斜界面同时存在的情况下, 各向异性的存在会影响谐波分解得到的倾斜界面振幅信息, 而且这种影响还和倾斜界面的走向有关。 倾斜轴各向异性谐波分解得到的各向异性强度与倾斜轴倾角大小有关, 与快轴方向关系不大。 使用谐波分解方法对江西九江台进行分析, 结果表明, 台站下方倾斜和各向异性共存, 快轴方向约为86°, 时间延迟约为0.46 s。     

地壳分层各向异性介质接收函数及其粒子群反演

地壳不同深度介质的地震各向异性是研究地壳不同深度范围变形方式的重要依据.鉴于地壳介质的复杂性,如何从远震体波接收函数中提取不同深度的各向异性参数仍是一个有待深入研究的课题.在已有研究的基础上,本文利用广义反射-透射系数矩阵方法计算的合成地震图,研究了复杂地壳分层各向异性介质的接收函数随反方位角(back azimuth)变化及不同层位各向异性参数对接收函数波场的影响,为各向异性介质接收函数的解释提供了新的理论依据.通过引入粒子群优化理论,发展了分层各向异性介质接收函数全局反演算法.数值及观测数据的验证结果表明,在各向同性速度模型确定的前提下,我们的方法能够可靠地提取地壳分层各向异性参数;在反演中引入曲波变换去噪技术,对于正确解析不同层位的各向异性参数具有重要价值.     

加入多次波的长时窗接收函数主成分分析及其在张八岭构造带地壳分析中的应用

接收函数主成分分析方法可以有效地提取单台接收函数中蕴含的台站下方地壳结构和速度各向异性信息,本文在原有理论基础上将该方法应用于加入了多次波的长时窗接收函数.通过位于郯庐断裂带张八岭构造带的滁州台和嘉山台的数据进行分析验证,并估计了该地区地下结构和速度各向异性信息.测试结果表明：相较于仅对Ps转换波的接收函数主成分分析研究,扩大时窗范围、加入多次波后,利用第二主成分重构的径向接收函数中信息更加丰富,且更有利于对构造特征和速度各向异性进行约束.研究同时发现,重构的接收函数在多次波的时窗内的稳定性更强.实际数据结果显示：张八岭构造带东缘滁州台下方地壳底部具有倾向指北、向下倾斜不超过20°的构造特征,壳内具有快轴方向近似平行于郯庐断裂带走向且不大于7%的速度各向异性.而嘉山台下的地壳横向结构变化幅度不大,具有较弱的速度各向异性特征,但沉积层底界面表现为近北东走向,向东南下倾的构造特征.这种差异的地壳结构特征也指示出该构造带在演化过程中具有较高的非均一性.     

接收函数曲波变换去噪与偏移成像

增强接收函数偏移图像的垂向分辨率意味着提高参与叠加的接收函数的频率,但是采用高频接收函数通常伴随着对接收函数质量和参考速度模型的更高要求.通过叠加处理可去除部分接收函数中的随机噪声干扰,但同一台站的接收函数之间经常存在难以通过简单叠加消除的噪声信号.压制接收函数随机噪声的干扰可加强成像效果和提高图像分辨率,对推进叠加偏移成像质量的提高有重要的实际意义.本文利用在川西地区布设的31个流动台站所记录的远震波形数据,使用曲波变换去噪后信噪比增强的接收函数进行共转换点叠加(CCP),获得沿北纬31°线下方800km深度范围内速度间断面图像.研究结果表明:(1)对接收函数进行曲波变换去噪,可压制随机噪声,增强转换震相的追踪性,提高数据信噪比;(2)通过去噪处理,大幅提高接收函数用于偏移成像的主频率;(3)偏移结果确认了接收函数反演得到的松潘和川滇块体下方具有厚度约10～20km的过渡性Moho的认识;(4)上地幔过渡带的结果预示在龙门山断裂带以西的小范围内有可能存在下地壳或上地幔物质的拆沉.     

利用近震高频接收函数研究四川理县西山村滑坡体结构

远震接收函数已广泛用于反演台站下方的结构,然而由于地球的非弹性衰减作用,远震数据较难获得高频接收函数,对浅地表结构约束不足.为了克服这一问题,我们使用近震数据的高频接收函数来研究浅表速度结构,并应用于四川理县西山村滑坡体上3个宽频带地震仪记录到的近震事件.本文发展了接收函数V_P-k(V_P/V_S)叠加方法,结合接收函数H-k叠加和波形反演方法获得了台站下方滑坡体的厚度、S波速度和平均V_P/V_S比,并与钻孔得到的滑坡体厚度进行对比.结果表明,滑坡体具有小尺度的横向不均匀性,台站下方滑坡体的平均V_P/V_S比在2.4~3.1之间变化并且在底层存在78~143m·s~(-1)左右的S波低速层.本文观测到的高V_P/V_S比和底层低的S波速度结构,与电磁法获得的滑坡体底层低的电阻率和底部富水特征一致,表明滑坡体h1底界面的抗剪强度相对较弱,是潜在的滑坡危险区域.本文研究结果表明,利用近震接收函数能有效约束浅表的速度结构,进而能为滑坡灾害治理提供一定的地震学参考.