遗传算法中的光滑约束反演及其在青藏高原面波研究中的应用

光滑约束技术在线性反演中具有重要的作用，但在遗传算法的反演中则很难直接施加于模型参数，其原因是采用光滑处理后的模型参与迭代后，模型的多样性受到很强的压制，并在少量的迭代过程中使种群的各个模型趋向一致，从而得不到满足条件的最优解．本文给出了一种可用于遗传算法反演的间接光滑约束方法．该方法将遗传算法迭代过程中产生的模型经处理后得到的光滑模型，作为误差函数计算的输入模型．迭代过程仍采用原模型，避免了模型的多样性损失，在面波反演和接收函数反演的试验中取得了良好的效果．我们利用该方法对青藏高原地区的瑞利波相速度资料进行了反演，揭示了青藏高原中部地区S波速度结构的横向变化特征．结果表明，青藏高原北部地区地壳Ｓ波速度较南部地区低；大多数路径在15～40ｋｍ 深度范围内，存在12～25ｋｍ 厚的地壳低速层；上地幔低速层位于100ｋｍ 深度以下，厚度主要在40～80ｋｍ 范围内变化，个别路径可达100ｋｍ 以上．安多台以北、玛沁和玉树以西之间，在上地幔90～230ｋｍ 深度范围存在明显的低速层，最低速度约4.2～ 4.3km／s．根据不同路径的S波速度结构和前人的资料，我们认为印度板块的俯冲可能以雅鲁藏布缝合带附近为界．      

中国西部及其邻域地壳上地幔横波速度结构

本文首次采用Rayleigh面波双台法研究中国西部及其邻域的三维横波速度结构.共处理了超过3000条双台资料，经仔细挑选共获得110条高质量的双台Rayleigh波相速度频散资料.采用Tarantola的概率方法反演得到研究区域内15～120 s的Rayleigh相速度分布图像.采用Tarantola非线性问题的最小二乘反演方法反演得到研究区域内2°×2°的三维横波速度结构.利用不同周期的Rayleigh面波相速度大致对λ/3波长附近深度的横波速度最为敏感这一物理特性，在反演过程中引入一种层速度自适应调整的技巧，可以较好地加快收敛和提高反演的稳定性.反演得到的横波速度结构的主要结论为：（1）青藏高原的西部地区下地壳和上地幔顶部横波速度很高，软流层不发育；而青藏高原东缘地区的下地壳和上地幔顶部速度明显偏低，很可能是青藏高原地壳低速物质沿青藏高原东部边缘地区向南运动、形成经川滇地区连接缅甸北部低速区的低速物质运移通道；在青藏高原东北部边缘地区，下地壳的速度明显低于中地壳的速度；（2）青藏高原南部的拉萨地块具有较高速度的上地幔顶盖层，从南向北拉萨地块的软流层埋深约从130 km减至100 km，软流层厚度约从40 km增至80 km；北部羌塘地块的下地壳速度偏低，上地幔顶盖层缺失，速度很低，软流层的厚度较大；（3）塔里木盆地和准噶尔盆地都表现出较高的上地幔横波速度结构，软流层不明显，准噶尔盆地下地壳的厚度和速度都比塔里木盆地的高；（4）蒙古高原西部的下地壳上地幔顶部速度明显低于蒙古高原东部地区的，且在蒙古高原中西部地区存在巨厚的低速软流层.该软流层越往蒙古高原东部厚度越小，上覆顶盖层的速度和厚度越大.对上述反演结果作了地质解释.     

华北及邻区地壳上地幔三维速度结构的地震走时层析成像

利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构。地震走时的计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法。用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1km、10km、25km、42km、60km为节点作网格划分是合理的。研究区域内,秦岭—大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征：华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单。华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬子块体则正常或高速异常。自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定。华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动。华北地块地壳速度结构的主要特征是：①主要构造带（如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带）位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程。     

基于Love波相速度反演南北地震带地壳上地幔结构

收集了南北地震带区域地震台网中292个地震台站2008年1月至2011年3月期间的地震波形数据,由频时分析方法提取了Love波相速度频散曲线,经过反演得到了研究区内的Love波相速度分布.根据Love波纯路径频散,采用线性反演方法对0.25°×0.25°的网格点进行了一维S波速度结构反演,利用线性插值获取了南北地震带地区的三维S波速度结构.结果显示了松潘—甘孜地体和川滇菱形块体地区的下地壳具有明显的S波低速层分布,该异常分布特征支持解释青藏高原隆升及其地壳物质运移的下地壳流模型.在100至120km深度上,川滇菱形块体西北部呈现较强的S波高速异常,这可能是印度岩石圈板块沿喜马拉雅东构造结下插至该区域所致,该区域下地壳的低速软弱物质与上地幔的高速强硬物质形成了鲜明对比,暗示了地壳和上地幔可能具有不同的构造运动和变形方式,这为该区域的壳幔动力学解耦提供了条件.     

青藏高原地震波三维速度结构的研究

根据青藏高原及其邻区的模拟地震台站和宽频带数字地震记录资料,采用区域体波层析成你和瑞利面波层析成像,反演得到了青藏高原地区的三维地震波速度结构。两种层析成像方法得到的地壳上地幔P波和S波速度结构的结果非常相似,它们显示,青藏高原南部的拉萨块体的上地壳存在明显的低速区,青藏高原北部的羌塘地区的下地壳和上地幔顶部相对速度较低。这些结果与青藏高原南、北部处于碰撞过程中的不同阶段有关。     

青藏高原瑞利波相速度与深部结构的横向变化

利用中美合作在青藏高原布设的11台 PASSCAL 宽频带数字地震仪记录到的瑞利面波资料,测得青藏高原内不同块体的瑞利面波相速度(周期为10——120s),并反演了不同路径的地壳上地幔 S 波速度结构,发现青藏高原 S 波速度结构的横向变化显著.亚东——安多裂谷带的面波频散与相邻的块体差异最大,温泉至日喀则路径的相速度比其它路径的相速度明显偏高.该路径的地壳平均速度为3.79km/s,比其它路径的地壳平均速度3.40——3.50km/s高得多.青藏高原内不同块体的地壳中均有低速层存在,但低速层的厚度和速度不尽相同.位于北部的松潘甘孜块体。其地壳较薄约为65km,Sn 速度为4.48km/s,而且在约120km 深处的上地幔中存在一厚度为60km,速度为4.15km/s 的上地幔低速层.其它路径的上地幔速度相近,均没有明显的上地幔低速层出现.羌塘块体与拉萨块体的瑞利波相速度和 S 波速度结构极为相似,上地幔顶部的速度较松潘甘孜块体略高.在青藏高原广大地区中,地壳的平均速度低,普遍存在地壳低速层;上地幔顶部的横波速度为4.50——4.65km/s,上地幔中或者没有低速层或者低速层埋藏较深.      

背景噪声面波与布格重力异常联合反演:山西断陷带三维地壳结构

讨论了利用面波与布格重力异常联合反演三维地壳速度结构的新方法,并利用该方法联合反演获得山西断陷带地壳S波速度结构.通过建立速度与密度之间的经验关系,利用非线性迭代反演方法获得最终速度模型.结果显示,联合反演获得的速度模型可以同时提高对面波及重力数据的观测拟合程度,而面波单独反演得到的速度模型则无法很好的拟合重力观测数据.相比较,联合反演速度模型中的大同火山区中下地壳的低速异常幅值小于面波单独反演模型中低速异常体的幅值.联合反演速度模型结果揭示,吕梁山地区在中下地壳存在低速异常,并且和北部的大同火山区低速异常相连接,说明可能导致新生代以来大同火山区岩浆活动的上地幔构造活动(上地幔局部上涌,地幔柱)可能对山西断陷带的形成和构造活动起到了一定的控制作用,并且导致了吕梁山地区中下地壳的低速异常.     

中国内蒙古高原及周边地带岩石圈三维速度结构

我国内蒙古高原和其周边地域地壳与上地幔的专门研究尚属空白，然而全区又为第四纪以来的沙漠所覆盖，地表地质构造亦不十分清晰。本文利用了一种测量面波频散信号的新技术；即适配滤波频时分析和改进的分格随机反演理论与方法从混合路径中提取了４°×４°的计１８个网络中每一个网格单元的纯路径频散，并依据频散反演出该区地表与上地幔的剪切波三维速度结构。结果表明：１．该区地壳为成层结构，Ｍｏｈｏ界面埋深平均为３７±３ｋｍ，并向东减薄，断裂分布与构造迹线在深部均有显示，并存在着一系列北北东向，近北东向和北西向的断裂，且断抵上地幔顶部。２．上地幔亦为成层结构，地幔低速层平均埋深为８５±１０ｋｍ，南部地区则较深，地幔低速层速度均偏低。３．该区地幔盖层似一＂楔板，体向北插入。４．沙漠地带与造山地带相比不论是地壳厚度，还是地幔低速层埋深，前者均比后者浅约±５ｋｍ，该区有着良好的油气前景。     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10-105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30-40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55-83km深处有一个低速夹层.     

环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构

利用环渤海地区的天然地震P波到时资料,采用纬度和经度方向分别为05°×06°的网格划分,反演了该地区地壳上地幔的三维P波速度结构.初步结果表明,环渤海地区地壳上地幔的速度结构具有明显的横向不均匀性：京津唐地区地壳中上部的速度异常反映了浅表层的地质构造特征,造山带和隆起区对应于高速异常,坳陷区和沉积盆地对应于低速异常;地壳下部出现大规模的低速异常与华北地区广泛存在的高导层相对应,估计与壳内的滑脱层和局部熔融、岩浆活动有关;莫霍面附近的速度异常反映了地壳厚度的变化及壳幔边界附近热状态的差异;上地幔顶部大范围的低速异常可能是上地幔软流层热物质大规模上涌所致.     

重震反演中国东北地壳上地幔三维密度结构

本文利用重力和地震P波到时数据反演得到了中国东北地区地壳上地幔三维密度结构.与单一的重力或地震反演相比,重震反演一方面有效地克服了重力反演结果垂向分辨率低的问题,另一方面也提高了地震反演结果的可靠性.结果显示:中国东北地区的地壳及上地幔剩余密度异常分布与构造单元具有明显的相关性,造山带对应低密度异常,盆地对应高密度异常;区域内火山下方有明显的低密度体存在,可能是由于太平洋板块俯冲进入上地幔并部分滞留,在滞留板块深部脱水和软流圈热物质共同作用下产生了上涌岩浆,喷发后形成了火山.     

Three dimensional velocity structure beneath the Kunming Telemetered Seismic Network

Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｅｎｅａｔｈ　ｔｈｅ　Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｔｅｌｅｍｅｔｅｒｅｄ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｎｅｔｗｏｒｋ（王椿镛）（王溪莉）（颜其中）Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｓｔ...     

帕米尔及邻区地壳上地幔P波三维速度结构的研究

研究了帕米尔及邻区(65°E-80°E,30°N-45°N,深度0-2km)的P波三维速度结构. 所使用的59054条初至P波到时数据取自ISC的73个台站对5402个地震的记录报告,这些地震和台站都在研究区内. 以水平面上1°×1°和不等的深度间隔(随深度在20-90km之间变化)划分网格并设置初始三维速度模型,用近似弯曲快速射线追踪方法计算走时和射线路径,用LSQR方法进行反演. 反演结果的分辨率用检验板方法进行了讨论,并引入了定量描述还原程度质量的两个参数. 初步结果表明:(1)天山山脉的km深度处,在东部和西部各有一个明显高速区,而在74°E、41°N附近的低速区可能与天山地表大断层在该处被大幅错开相关. 在75°E附近的天山山脉下,波速在40-60km深度偏高,而在60-90km深度(或更深)又偏低,反映了天山下方构造和物性的复杂性. (2)在由帕米尔构造"结"南侧往北直至天山以北的速度纵剖面上,显示了印度-欧亚板块在帕米尔构造"结"地区的强烈碰撞挤压作用:在抬高地面形成高原的同时,也把浅部速度较低的地壳岩石层介质俯冲拖曳到了深部.     

长白山天池火山区及邻近地区壳幔结构探测研究

对长白-敦化深地震测深剖面资料利用二维射线追踪程序包进行走时拟合及地震图计算,得到了长白山天池火山区及邻近地区地壳上地幔速度结构和深部构造. 结果表明,以C2界面为标志,研究区地壳可分为上部地壳和下部地壳. 上部地壳厚1-23km,P波速度为6.00-6.25km/s;下部地壳厚12-17km,它是由一个较均匀的速度层和一个厚6-km的壳幔过渡层构成. 地壳厚度由敦化一带31-33km向东南逐渐增厚,至天池火山区最深达3km. 在天池火山区地壳存在低速体,其速度较周围介质低约为0.15km/s. 利用地震剖面探测、地震CT和大地电磁测深等结果显示,在天池火山区地壳内存在低速、低密度及低阻异常体,该异常体可能表明壳内岩浆囊的存在.     

THE INVERSION OF S-WAVE VELOCITY STRUCTURE IN NINGXIA AND ITS ADJACENT AREA USING BACKGROUND NOISE IMAGING TECHNOLOGY

In this paper, we use seismic waveform data of 90 seismic stations in Ningxia and its adjacent areas recorded between January 2012 and December 2013 to obtain the Rayleigh surface wave group velocity dispersion of the study area according to the noise imaging method and the 3-D S-wave velocity structure of the crust and upper mantle in Ningxia and its adjacent regions. The results show that within the depth range of 10~40km in Yinchuan graben and Liupanshan fault belt there exists a slow anomaly body, and with the increase of the depth this slow anomaly becomes an abnormal slow zone surrounding Lanzhou Basin between the massif arcuate structure of northeastern margin of Tibet Plateau and Alxa block. The 3-D S-wave velocity structure of the crust and upper mantle of the study area presents obvious lateral inhomogeneity. These results have important significance for the study of the dynamics of active tectonic zones and mechanism of strong earthquakes in Ningxia and its adjacent areas.     

The Crust-mantle Structure and Seismic Risk in Tangyin Graben and Its Adjacent Area

1-D and 2-D calculation and interpretation are carried out with the DSS data from the western section of Heze-Changzhi profile and the southern section of Zhengzhou-Jinan profile. 2-D velocity structure is determined in Tangyin graben and its adjacent area. The result shows that velocity structure of the crust and upper mantle is obviously different in vertical and lateral directions. Crustal thickness varies apparently in this area, and there are local low velocity blocks in the interior crust. The swelling M-discontinuity corresponds to Tangyin graben and Moho depth at the highest swelling position is 31 km. Toward the east, its depth gradually increases to 32 km in Xunxian swelling; toward the west, M-discontinuity becomes a steep zone at the piedmont uplift of Taihang Mountain and reaches 40 km at depth near Changzhi. Through analyzing the relationship between historical earthquakes and deep structure in North China, we infer that seismic risk exists in Tangyin graben and its adjacent area.     

多震相走时和波形三维地震成像方法及在朝鲜半岛和祁连山地壳结构研究的应用

本项成果包括：提出天然地震走时反演层析成像技术,采用下列方法使得处理结果得以改善：1)利用Pg,Sg,Pm,Sm,Pn,Sn等震相增大约束条件;2)用已有精度较高的人工地震测深结果作速度约束;3)用波形反演来修改模型,把波源,介质吸收,散射等全部物理特征集中反映在记录中,把诸多物理量开发出来互为约束,以修改后的模型再作反演,使解的稳定性大大提高;4)采用最优化过程,选择遗传算法。可以进行震源定位,走时反演,波形反演;5)得到任意深度的速度分布及从地表到Moho面的速度剖面。主要应用结果：对于朝鲜半岛南部,划分为5(沿纬度)*６(沿经度)*8(沿深度)块,对于中部分288块.得到从地表到M面的8个水平切面;中部地区沿纬度13个二维剖面及其Moho面深度分布。上述方法也用于祁连山中东段地壳三维结构成像加上地震台网数字记录,反演。该区属塔里木-阿拉善地块走廊过渡带与北祁连褶皱带;从剖面可看出该地块上地壳低速层厚,下地壳有-低速层。北祁连褶皱带盆地与隆起构造之间的起伏差异,显示古浪断裂与金强河断裂之间的深部差异与界线。两地区的结果表明,这些剖面对认识大地构造、地质结构的稳定性,深部事件的性质是很有益的,对地球动力学研究也有重要意义。     

川滇地区地壳上地幔三维速度结构研究

根据云南和四川地震台网174个台站记录的4625个区域地震初至Ｐ波和Ｓ波走时资料，并结合其它深部地球物理资料，确定了川滇地区地壳上地幔三维速度结构．在上地壳速度异常分布中，四川盆地为正异常，川西高原为负异常，龙门山断裂带为正、负异常的边界．龙门山断裂、鲜水河断裂以及红河断裂等，在下地壳和上地幔的速度异常中仍显示出构造分界特征，说明它们可能穿透了莫霍界面．腾冲火山区和攀西构造带在50km深度上呈现负速度异常，与上地幔温度和物质组成的差异相联系．川滇地区地壳结构的总体特征是:地壳和上地幔的低平均速度，地壳厚度变化剧烈，地壳和（或）上地幔存在高导层、高热流值．这些同印度板块与欧亚板块碰撞的构造背景有关．川滇菱形块体在地壳内总体上为正常或正异常速度，而其边界的深大走滑断裂存在负速度异常，它有助于地壳块体沿断裂的侧向挤出．在主要的地震带上，中下地壳的负速度异常与地震活动性相关．多数强烈地震发生在具有正速度异常或正常速度分布的上中地壳深度上，而其下方则通常是负速度异常带．      

文安─蔚县─察右中旗剖面地壳上地幔速度结构与构造研究

利用文安～蔚县～察右中旗深地震测深剖面的资料，进行了一维、二维射线追踪走时拟合与合成地震图计算，获得了本区地壳上地幔速度结构。结果表明，地壳上地幔速度结构在纵向和横向上具有明显的不均一性。M面起伏较大，其埋深由冀中拗陷的31．0km向西至山西隆起区北部天镇达42．0km左右。浅部断裂较发育，根据对应其地壳深部界面及速度等值线起伏变化程度和反映断裂带附近各波组特征，推测了地壳深部断裂。     

中国南北带地壳和上地幔的三维速度图象

本文采用作者提出的地震层析成象法得到了中国南北带地壳和上地幔的三维速度图象。通过误差和分辨分析,以及同爆炸地震测深剖面的比较,证明了成象结果的可靠性。 成象结果表明:1.南北带的地壳和上地幔存在显著的横向不均匀性,深达450km这种不均匀性还依然存在;2.地壳上部的速度图象与地表的已知地质特征明显相关:四川盆地显著低速,康滇地轴显著高速;3.中地壳在很大范围内存在低速层,其最低速度值达5.60km/s;4.在25°N-38°N和100.0°E-103.2°E的长条带内,上地幔顶部出现低速异常,异常速度值约为7.49km/s。 成象结果还清晰地勾划了各块体间的焊接边界。120km深度的速度图象表明,扬子准地台自秦岭以南以龙门-大巴和盐源-丽江台缘褶带为其西部边界;西南以哀劳山褶皱带为界;东南则以右江褶皱带内的南盘江为界。 统计表明,地震活动与南北带的速度结构相关:从20km以上的速度图象发现,大地震大都发生在高速和低速间的过渡条带上。