微动台阵探测技术及其应用研究

介绍了利用微动台阵技术探测地壳浅层横波速度结构的仪器设备、观测系统、野外采集和数据处理方法，给出了用空间自相关方法测定相速度和浅层速度结构反演的实例。由于该方法不需要专门的震源，对于探测从地表到3km深度范围的地层结构具有经济、快捷、应用范围广泛等优点，因此将成为一种新的具有很好应用前景的地球物理勘探方法。     

龙门山断裂带中上地壳速度结构的短周期环境噪声成像

本文利用在龙门山断裂带周边布设的57个台站自2008年11月至2009年11月为期一年的垂直分量连续地震环境噪声数据,通过短周期地震环境噪声成像方法,获得了龙门山断裂带中北段地壳25km深度范围的S波精细速度结构.结果表明:(1)龙门山断裂带周边区域10km以上的速度结构与地表断裂的分布形态具有良好的一致性,速度结构控制了龙门山主要断层的深部延展特征;在15km及以下深度,S波速度结构呈现沿龙门山和沿岷山隆起走向的交叉构造格局,由此造成的速度结构差异可能影响了汶川地震的破裂过程;(2)速度结构随深度的分布特征为龙门山断裂带主要断层的深部延伸形态给出了良好的约束,结果进一步确认了龙门山断裂中段的高角度铲型断裂构造特征;(3)研究区的南端发现了龙门山断裂下方20km以下深度具有与松潘地块中地壳低速层相关的低速结构的迹象,这可能是汶川地震破裂带南段22km左右深度存在脆韧转换带的一个证据.研究结果显示出密集台阵和短周期环境噪声成像方法在地壳浅部精细结构和断层探测研究中具有巨大潜力.     

短周期密集台阵被动源地震探测技术研究进展

近十年来,短周期密集台阵被动源探测技术日益成长为国内外深部结构探测领域的一项重要手段.该技术相较于传统宽频带地震探测具有高分辨、省时省钱、绿色环保等优点.尽管低频信号不足,对岩石圈地幔以深结构探测能力有限,但密集的台站间距使得地壳精细结构成像成为可能;台阵下方不同方位射线形成密集的交叉覆盖,从而可通过反演和叠加偏移等手段获取稳定的壳幔结构图像.因此,短周期密集台阵探测技术已广泛应用于深部速度和界面结构成像,以及矿产资源勘查、火山活动监测、微震精定位、发震断层的几何学和运动学特征研究等多种不同领域.本文系统的总结了短周期密集台阵在地壳结构研究和微震定位检测等方面的研究进展.展望未来,以科学问题为导向,利用天然地震及背景噪声观测、重力测量、InSAR数据、GPS测量等多种地球物理数据,开展联合反演和成像,并提取研究对象的多属性特征正日益成为减少解的非唯一性、揭示地质体真实赋存状态的有效途径;该领域方法技术的迅速提升有望大大促进地震学及地球动力学研究,在深部结构成像、矿产资源勘查等领域具有广阔应用前景.     

天然源面波勘探台阵对比试验

为了对比天然源面波勘探不同台阵布局的探测效果, 筛选出探测成果可靠、 效率高和便于野外施工的天然源面波勘探台阵阵形, 在天水市黄土覆盖区的同一场地分别用4种常见的阵形进行数据采集试验, 并对各种阵形数据使用空间自相关法或扩展空间自相关法提取相应的频散曲线, 通过反演得到了试验点地下的浅层速度结构模型. 分析对比试验结果表明: 4种台阵提取的频散曲线数值很相近; 频散谱能量集中度较高的是嵌套式等边三角形和圆形台阵, L形和直线形台阵相对分散; L形台阵低频段(4—8 Hz)比直线形台阵差, 其高频段(8—40 Hz)比直线形台阵好. 针对直线形台阵在高频段信噪比较低的情况, 在确保探测成果可靠性的前提下, 为了提高探测效率, 提出了在同一直线形台阵开展天然源与人工源面波联合勘探的数据采集方法. 实验结果证实, 这种联合勘探方法不仅可弥补直线形台阵高频段的不足, 确保探测精度和结果的可靠性, 而且还能实现“高低”频兼顾, 即“深浅”兼顾.      

珠江三角洲芦苞—佛山—中山—三乡断面的地壳结构——密集台阵勘探新成果

为了研究珠江三角洲核心地区中深部地壳结构,在芦苞—佛山—中山—三乡地区开展了密集台阵勘探工作,使用接收函数方法处理反演,获得珠江三角洲核心地区40 km以浅Vs速度结构.结合研究区的地质、重力异常特征对反演成果分析获得初步成果:珠江三角洲地区地壳结构可分为上地壳、中地壳、下地壳和上地幔四个大层位,上地壳厚度在临海一侧变厚,在中山三乡镇一带,厚达14 km;莫霍面隆起、上地幔物质侵入下地壳和高密度岩浆侵入上地壳这个三个因素共同导致研究区重力异常高;获得了沿线中深部断裂构造空间展布特征信息,速度结构和断裂构造具有较好的相关性;沿测线地壳在15～20 km深的深度上不存在低速层;三水盆地基底深度在3 km左右,与该地区沉积层厚度一致;莫霍面深度北深南浅,深度在27.5～30 km之间,其波速特征明显,由3.6 km/s突变为4.1 km/s.     

基于微动技术探测盆地浅部地层速度结构1

本文介绍了利用微动技术探测地表浅层速度结构的方法,并在江苏常州地区一个凹陷盆地内进行了一次野外台阵观测试验,采集场地数据的质量良好.利用空间自相关法得到了不同半径下的自相关函数曲线,该场地的自相关函数显示,对于半径较大的台阵,其自相关系数较好;根据自相关函数提取了场地的频散曲线.通过设定初始模型,利用邻域反演算法得到了该场地的基本速度结构和各层深度分布范围;最后通过与场地附近的人工地震剖面进行对比分析表明,试验结果所揭示的土层结构与浅层人工地震勘探解释结果接近.     

利用基于密集台阵的面波成像方法研究南北地震带北段地壳上地幔速度结构

南北地震带北段位于青藏高原东北缘,包含阿拉善块体、鄂尔多斯块体、青藏块体和四川盆地等多个活动块体。这些块体,尤其是它们的交界部位,具有十分复杂的结构。本文首先利用在天水布设的较小型台阵,对数据做空间自相关来提取频散曲线,采用传统成像方法得到地下50 m内浅层速度结构;之后应用背景噪声面波成像方法,背景噪声面波周期较短,路径覆盖密集,获得10~22 s的群速度和相速度信息;近年来,随着越来越多密集台阵的布设,延伸出一些基于密集台阵的新方法,如程函方程成像和赫姆霍兹成像。利用这种方法,得到20~70 s面波相速度图及各向异性信息;地震中面波周期较长,此地区比较复杂,需要对浅层速度做约束,而对10 km以上更浅层信息,需要通过面波另外一个特性进行解释。通过计算得到相同周期下,振幅纵横比反映深度大小的信息,但密集台阵数据过多,九分量NCF计算量更大,利用云计算的方法,大大节省了计算的时间。本文主要包括以下几点:(1)为了对比天然源面波勘探不同台阵布局的探测效果,筛选出探测成果可靠、效率高和便于野外施工的天然源面波勘探台阵阵形,我们在天水市黄土覆盖区的同一场地分别用4种常见的阵形进行了数据采集试验,并对各种阵形数据用SPAC或ESPAC方法提取了相应的频散曲线,通过反演得到了试验点地下的浅层速度结构模型。分析对比试验结果表明:4种台阵提取的频散曲线数值很相近;频散谱能量集中度较高的是嵌套式等边三角形和圆形台阵,L形和直线形相对分散;L形低频段(4~8 Hz)比直线形差,高频段(8~40 Hz)比直线形好。针对直线形排列在高频段信噪比较低的情况,在确保探测成果可靠的前提下,为了提高探测效率,提出了在同一直线形排列上开展天然源和人工源面波联合勘探的数据采集方法。实验结果证实:这种联合方法不仅可弥补直线形高频段的不足,确保探测精度和结果的可靠性,而且还能做到"高低"频兼顾,即"深浅"兼顾。(2)南北地震带北段位于东昆仑断裂带东段以北的青藏高原东北隅构造区,是研究青藏高原东北缘同周边块体相互作用的重要区域,也是研究大陆块体强震孕育模式的重要试验场。本文利用2013年12月到2015年5月密集台阵记录的数据,通过互相关方法提取瑞利波的经验格林函数,利用相匹配滤波的时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线。采用背景噪声面波成像方法得到南北地震带北段地区10~22 s的瑞利波群速度和相速度分布图,结果较好地匹配了块体边界及断层走向。(3)目前面波层析成像是研究地壳上地幔结构的重要方法,并且随着密集台阵的布设,出现了一些基于密集台阵的面波层析成像新方法。本文利用南北地震带北段密集台阵数据,通过自动获取面波相速度方法(ASWMS),得到20~70 s的瑞利面波相速度分布图像及方位各项异性。通过将本文结果和前人研究成果相结合,对南北地震带北段区域的低速层分布、活动块体边界及变形信息有了更深的认识。联合两种基于台阵的成像方法,可以使我们获得较为完备的壳幔结构,从而可以对该区的活动地块分界及其相互作用有较为深入的认识。(4)随着背景噪声研究的发展,九分量背景噪声互相关函数得到越来越多的应用。然而,大规模密集台站往往产生海量的数据集合,利用这些数据计算九分量噪声互相关函数的计算量过大,难以在传统计算模式下快速完成。本文提出一种基于云计算的九分量噪声互相关函数的计算方法,可以利用弹性的云计算服务,实现海量噪声互相关函数计算的分解和加速。我们将此技术应用于"中国地震科学台阵探测–南北地震带北段"674个宽频带台站2014–2015年的三分量连续记录,获取了所有台站间的九分量噪声互相关函数。总体计算共完成了约22万条台站对路径上近14.9亿条单天互相关函数的计算,整体平均耗时约为10.2小时。完成等量计算,传统计算模式需要耗时近6个月,基于云计算的NCF计算技术实现了近400倍的增速,并可以弹性地扩充。我们分析了所得九分量噪声互相关函数中瑞利面波的ZH振幅比,并同天然地震中瑞利面波的振幅比进行了比较,验证了计算结果的可靠性。基于云计算的噪声互相关函数计算方法,为利用现代计算技术处理海量数据提供了重要参考。     

四川盐源盆地短周期密集台阵背景噪声分布特征分析

短周期密集台阵的高频背景噪声互相关函数(NCF)是探查地球浅层精细结构的重要数据.然而高频背景噪声成分复杂且容易分布不均,分析其对NCF信号提取的影响,有助于获取可靠成像结果.本文基于布设于川滇地区盐源盆地的209个短周期台站组成的盐源台阵,利用密集台阵的噪声水平评估以及基于NCF的相干噪声分析两种方法,分析了其记录到的噪声波场特征及其对NCF的影响.结果表明,盐源台阵的整体噪声水平呈现北低南高的不均匀分布,高频噪声水平的强弱受控于当地的人类活动,亦受到浅部松散沉积层的影响.台阵垂直分量NCF中主要信号为基阶Rayleigh波,且产生该信号的相干噪声源的优势方位在不同频带具有较大区别:0.3～0.5Hz的噪声源强度较强且随时间变化较为稳定,主要能量来自台阵的南侧;0.5～1Hz的相干噪声源强度较低,有两个优势方向,其中较强的一个来自于台阵南侧,可能与0.3～0.5 Hz的噪声同源,较弱的一个来自于台阵北偏东方向;1～1.5Hz的背景噪声有四个较弱的优势方向,在台阵的不同区域有不同的优势方向,可能受到不同的局部噪声源的控制.垂向NCF中Rayleigh波的信噪比主要受控于波场的复杂程度,台阵南部受人文活动及沉积层影响,噪声水平较高,且由于盆山边缘复杂的反射、散射作用,其NCF波形复杂,信噪比偏低.受高频噪声源分布不均与及复杂地质结构的共同影响,盐源台阵的高频NCF中的信号复杂,后续对面波频散特征的提取应充分考虑噪声源对NCF的影响以获取可靠结果.     

用接收函数方法研究上海地震台阵下地壳结构

利用上海地震台阵16个台站记录的远震资料,采用接收函数线性反演方法,对台阵下的地壳速度结构进行研究,获得了研究区域内地壳厚度和地壳速度的分布特征。研究结果表明,研究区域Moho面深度约为33±2 km,Moho面深度基本不变,地幔顶部S波速度约4.4 km/s,地壳内没有发现明显的低速层。     

唐山北部地区浅层一维剪切波速度结构初步研究

2019年8月2日河北省唐山市路南区某矿井区发生M_L2.4巷道塌陷,基于塌陷周边台站观测到的短周期瑞雷波,提取面波基阶群速度频散曲线,并利用迭代反演方法得到研究区域地下10 km深度范围内的一维剪切波速度结构,用于精定位分析。速度分析结果表明,研究区域浅表剪切波速度约为2.46 km/s;深度为2 km时,塌陷周边存在小范围的低速区,速度约为2.57 km/s;深度约为4 km时,剪切波速度达3.47 km/s;深度为5～9 km时,唐山东部沉积盆地内存在1个剪切波低速层。精定位分析结果表明,增加浅层速度模型有助于提高深度较小的地震定位精度;塌陷周边的低速区向下延伸近20 km,为地震多发区。     

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了"中国地震科学探测台阵-南北地震带南段"项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期(如10s)的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期(如20~30s)的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘—甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期(如40~60s)的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动(如岩浆作用)有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60s一直为较低的速度,尤其是到40s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部(约100km).     

渡口及其邻近地区地壳浅层结构的研究

为了研究攀枝花-西昌构造带的地壳与上地幔顶部结构,在西起丽江东至者海全长350km的测线上进行了爆炸地震探测。本文利用所取得的六条地震记录剖面的P_g波组,研究测线下方地壳浅层结构。采用层状垂直梯度和横向不均匀模型,用理论走时和射线追踪方法来拟合实测P_g走时资料。得到深度为10km范围的地壳浅层结构和速度分布。 结果表明,该区地表P波速度以渡口至华坪一带为最高,达6.00km/s。向东西两侧逐步减小,东至者海为5.20km/s,西至丽江降为3.50km/s。局部地段因构造影响速度值有些起伏。从浅层结构和速度分布可见,该区存在箐河-程海、绿汁江、安宁河和甘洛-小江等深断裂带,并向地壳深部延伸。等速度线图表明,该区上地壳中有一高速岩体存在。攀枝花钒、钛、铁矿的富集以及其他热液型矿床的分布很可能与此有关。     

短周期密集台阵在郯庐带北段(辽宁段)的架设

本文基于局所合作项目"郯庐断裂带海城地震区地震活动性与精细结构探测研究",通过在郯庐带北段(抚顺地区、沈阳地区)布设2期60套短周期密集台阵的相关工作,介绍了辽宁地区野外短周期流动台阵布设的工作方案、流程、布设过程等内容,并探讨了野外布设过程中遇到的常见问题,以及在东北地区或其他季节温差较大的区域,野外工作中需要注意的事项等.     

多尺度阵列嵌套组合反演宾川气枪源区横波速度结构

本文基于多尺度阵列嵌套组合的方式,利用频率-贝塞尔变换法(Frequency-Bessel,F-J方法)提取背景噪声面波频散信息,通过多个阵列融合的频散曲线反演得到宾川气枪发射台周边不同深度的横波速度结构.结果显示:浅层一阶面波频散信息的加入,使得基阶反演结果更加收敛,反演深度加深到8 km;深度在8 km以下的结构的研究利用多尺度阵列(密集台阵—宾川气枪台网—云南区域地震台网)嵌套组合的方式,面波基阶低频信息从0.55 Hz拓宽到0.008 Hz,使横波速度结构的反演深度显著增加,同时对反演过程提供约束,使得70 km深度以上的横波速度更收敛.由此本文所得的横波速度结构为该区地下结构的探测提供基础,多尺度阵列嵌套组合频散谱的研究方式也为以后区域结构的研究提供一种新的方法和思路.     

长白山火山区地壳S波速度结构的背景噪声成像

利用探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids的60个流动台与固定地震台2010年7月至2014年12月的垂向连续波形数据,采用地震背景噪声成像方法获得了研究区6~40 s周期的瑞雷波相速度分布,并通过相速度频散反演得到了研究区下方0~50 km的三维S波速度结构.结果表明:研究区下方地壳S波速度结构存在明显的横向和纵向不均匀性,浅部速度结构与浅表地质构造单元有较好的对应,深部速度结构较好地反映了区域火山活动及深部热物质作用的结构特征;在长白山火山下方9~30 km深度范围内存在明显低速区并有向下延伸的趋势,推测可能为长白山火山地壳岩浆囊;在龙岗火山下方12~30 km深度范围内发现较弱的低速区,可能代表火山喷发后的残留物,而在镜泊湖火山下方没有明显的低速异常,说明镜泊湖火山地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质.     

云南地区地壳速度结构和地震活动性研究

云南(21~29°N,97~106°E)地处印度板块与欧亚板块中国大陆碰撞带的东缘,是中国大陆最活跃的地震活动区域之一,其地震活动频度高、震级大、分布广,属于板缘、板内地震混合型地区.本研究采用中国地震科学台阵探测在南北地震带南段布置的367个流动地震台站记录到的波形数据,人工挑选出良好约束的,ML震级3.0的近震P波走时数据,采用VELEST算法,联合反演得到了研究区的一维P波速度结构和震源参数.结果表明,云南地区一维P波速度模型在0和30 km之间速度介于5.96~6.60 km/s之间;在30到40 km之间的下地壳P波速度值为6.60~6.80 km/s;上地幔顶部平均P波速度为7.80 km/s,低于全球大陆速度模型均值(8.04~8.10 km/s).基于新模型的地震活动性分析表明云南地区地震事件大多发生在中上地壳(20 km),约20 km处地震活动性最强且各个震级范围地震均有发生,可能指示该深度范围活跃的构造运动和复杂的应力状态.     

基于地震背景噪声的四川威远地区浅层速度结构成像研究

地震S波速度是防震减灾中场地分类、强地面震动模拟建模等的重要参数.地震背景噪声成像方法可以重建地下浅层三维结构以及探测浅层速度结构变化,为页岩气开采提供参考,有效规避地震灾害风险.本文收集了2015年11月至2016年2月间四川威远地区50个流动台站记录到的垂直分量连续波形记录,利用波形互相关提取2~6 s的基阶Rayleigh波经验格林函数,采用一维地壳结构模型拟合相速度频散曲线,获得了该区域近地表5 km以内的三维S波速度模型.结果表明,威远地区深度2 km以内的S波速度为2.0~2.7 km·s^-1;2.0~5.0 km深度的S波速度横向分布不均匀,西北地区大于2.7 km·s^-1,东南地区在2.3~2.8 km·s^-1之间,分别与背斜构造和较厚的盆地沉积层相对应.3个剖面图均表明S波速度随着深度的增加而逐渐增大,并且在台站S29附近的页岩气田钻井底部与2016年1月7日四川威远M_L3.9地震震源位置较为接近,均处于松散的沉积盖层与较为坚硬的花岗岩基底的分界处,推测它们之间可能存在一定的联系.     

应用微动H/V谱比法和台阵技术探测场地响应和浅层速度结构

为了快速而且廉价地获取北京市详细的场地响应和浅层速度结构,应用于地震动模拟和地震灾害预防,我们开展了微动观测技术和处理方法研究.本文利用2007年夏季北京五棵松地区进行的几个微动观测实验数据,使用单台H/V谱比法分析场地的卓越频率及其对应的放大系数,并对比了不同地震仪和观测时间对H/V曲线的影响;应用高分辨率F-K频谱分析方法从微动台阵数据中得到Rayleigh波的频散曲线并使用邻域算法反演出浅层速度结构.H/V结果表明该地区卓越频率在2.1～2.2 Hz之间,对应的放大系数下限约为3;利用微动H/V方法得到的场地卓越频率具有较高的稳定性.微动台阵反演结果给出了比较合理的波阻抗界面深度和层平均速度结构,认为地下80多米处的波阻抗界面是决定场地卓越频率和其场地放大系数的主要界面.本研究表明微动技术应用于评估城市地震场地响应和浅层速度结构是可行且易于实施的.     

地震台阵监测能力综述

根据各大网站地震目录和前人研究成果,分析全球地震台网与地震台阵、我国区域台网与地震台阵的监测能力,阐述了地震台阵与密集台网/台阵的区别。研究表明,对同一地区所检测的地震数,地震台阵是地震台网的3-10倍,而震级下限可降低1.2-2级。一般情况下,以微弱信号检测为目的的地震台阵监测能力均优于以结构研究为目的的密集台网/台阵,2种台阵是目的、性质、孔径、形状、台间距、技术手段、研究方法均不同的监测系统。     

川西地区台阵环境噪声瑞利波相速度层析成像

2006年中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区(26°N~32°N,100°E~105°E)布设了由297台宽频带数字地震仪组成的流动观测台阵.利用该密集台阵29°N以北156个台站2007年1~12月份的地震环境噪声记录和互相关技术,我们得到了所有台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,并进一步反演得到了观测台阵下方2~35 s周期的瑞利波相速度分布图像．本文结果表明,观测台阵覆盖的川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地的地壳速度结构存在显著差异,具体表现为：(1)短周期（2~8 s）相速度分布与地表构造特征相吻合,作为川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地之间的边界断裂,龙门山断裂带和鲜水河断裂带对上述三个地块上地壳的速度结构具有明显的控制作用,四川盆地前陆低速特征表明相应区域存在较厚的（约10 km）沉积盖层;(2)中周期（12~18 s）相速度分布表明,川滇地块和松潘-甘孜地块中上地壳速度结构存在明显的不均匀横向变化,并形成了尺度不同且高、低速相间的分块结构,而四川盆地中地壳整体上已经表现出相对高速;(3)长周期（25~35 s）相速度分布表明,松潘-甘孜地块,特别是川滇地块中下地壳表现为广泛的明显低速异常,意味着它们的中下地壳相对软弱,而四川盆地的中下地壳呈现整体性的相对高速,意味着四川盆地具有相对坚硬的中下地壳,并且以汶川地震的震中为界,龙门山断裂带的地壳结构显示了北段为高速异常,南段为低速异常的分段特征．