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.     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得105～1050s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

层状介质瑞利面波速度频散特征的二维物理模拟研究

本文基于厚度小于传播波的第一菲涅尔带半径的二维模型,采用超声波物理实验方法,研究不同覆盖层厚的两层层状介质的瑞利面波的速度频散特征和影响因素.实验研究结果表明,在瑞利面波物理模拟实验中,以厚度小于第一菲涅耳带半径的薄板模型为二维物理模型是可信和可行的.相较于常规模拟走向无限延伸的,但具有三维尺度的拟二维模型,薄板二维模型具有远为更高的建模效率和更低的建模成本.对于低速覆盖模型,由于折射横波的能量较强,在依据最大能量拾取速度频散曲线时,地质模型的约束是非常重要的.此外,折射横波与瑞利面波的干涉效应,可导致面波能量频散分布出现局部不连续特征.对于高速覆盖模型,反射横波对瑞利面波速度频散特征影响不大,主要表现为对瑞利面波频散曲线的光滑性或连续性的影响.     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

河北平原北部的短周期面波频散与地壳中上部速度结构

根据新建的北京区域数字遥测地震台网的短周期Rayleigh波资料,用两台法计算了位于北京地堑与河北平原地震带北部５条路径上Rayleigh波周期（２～18s）的相速度频散曲线,按频散特征分两个区域反演得到了北京地堑北段和河北平原北部区域的地壳中上部横波速度结构．结果表明,在北京地堑北段区域深度９km处有一明显的界面,地壳中部的速度随深度变化不大;河北平原北部区域的地壳中部存在一厚约５km的低速层,其底部埋深为14.6km．      

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.     

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。     

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.      

基于重力异常反演的三维地震波速度结构分析方法研究

利用重力异常反演测试三维地震波速度结构,存在解不唯一、可靠性不高的问题。将面波反演充分融合到重力异常反演方程中,降低传统反演方法的非唯一性,并提升可靠性。以川滇地区为例,采用融合后的重力异常反演方法分析三维地震波速度结构。通过速度和密度的关系转换,得到对应的重力异常数据。由于面波频射数据主要对地震波横波速度敏感,因此将重力异常数据和初始横波速度相连,依据地震波速度和岩石密度之间的关系,获取重力异常反演方程,用于分析速度结构。选取21.6°~34.2°N、97.1°~105.9°E范围内的川滇地区活动块体作为实验数据,经过实验分析发现：使用该方法迭代反演川滇地区地壳上地幔顶部横波速度,重力异常数据和面波频射数据的残差值分别是6.24 mGal和0.027 km/s,实际拟合效果较好;分析该地区不同深度切面横波速度发现,在24 km深度处,上地壳中含有相对低速层,在44 km深度处,中下地壳中存在低速层;且该方法分析川滇地区三维地震波速度结构解的分辨率较高。     

基于CFS-CPML边界处理的LOVE面波有限差分模拟

建立近地表横波速度模型时通常需要用到面波分析的方法.Love面波是在低速层分界面附近传播的一种SH型不均匀平面波,本文利用高阶有限差分算子、合理的自由地表边界条件以及CFS-CPML吸收边界条件,获得了高精度的Love面波波场记录,并与传统的分裂式完全匹配层得到的波场记录作对比,体现了CFS-CPML吸收边界条件的优越性.在此基础上将数值模拟提取的频散特征与理论的频散特征进行对比,证明二者非常吻合,验证了Love面波有限差分模拟的精度很高,可以用来研究复杂情形下的Love面波频散特征,并分析了Love面波位移应力等一系列正演特征.     

基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制

有限差分方法被广泛应用于地震波数值模拟和传播.传统有限差分法采用Taylor级数展开实现空间偏导数的差分,但该方法会因为网格离散化而产生数值频散,降低地震波模拟的精度.优化差分系数正演方法能在一定程度上压制部分频散,然而纵、横波速度取值差异较大,在弹性波有限差分正演模拟中,在满足纵波最大速度确定的稳定性条件下,浅层低速横波波场往往会产生明显的频散现象.为了削弱弹性波场正演数值频散,提高数值模拟精度,本文首先采用优化差分网格系数降低数值频散,然后再采用通量校正传输(Flux-Correction Transport, FCT)法来进一步压制弹性波场有限差分数值频散.常规的FCT法是对弹性波场直接进行频散压制,但由于弹性波场中纵、横波速度差异明显,横波波场频散明显强于纵波,为了压制横波波场的数值频散,往往需要选取较大的频散压制参数,但这会使频散较弱的纵波产生假象.因此本文提出基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制方法,对分离之后的纵横波场分别选择合适的频散压制参数进行通量校正,可以有效压制数值频散,削弱纵波FCT产生的假象.通过理论分析和数值算例发现,本文方法能有效削弱弹性波场有限差分数值...     

瑞利面波频散曲线贝叶斯反演及其在活断层调查中的应用

瑞利波具有强能量和频散特性,面波勘探采集瑞利面波数据分析反演得到横波速度结构,在浅地表勘探领域得到了广泛的应用,根据面波频散反演速度结构是面波勘探的重要环节之一.面波频散与地下介质的弹性参数是非线性关系,全局优化方法是解决非线性反问题的有效办法,贝叶斯方法是一种基于统计的全局优化方法.贝叶斯公式反映了先验信息和条件概率乘积与后验概率之间的正比关系,利用马尔科夫链蒙特卡洛采样方法可以获得后验分布的采样.与其他方法相比,该方法不是给出一个模型最优解,而是统计出模型参数的平均值和方差,平均值即是反演的模型解,方差能对该反演结果的不确定性做出评价.本文采用贝叶斯方法对模拟和实测瑞利面波数据频散曲线进行反演,结果显示,该方法能获得比较精确的横波速度和厚度参数,验证了本文方法可行.在高丽营地区采集了多个单炮面波数据,对数据进行频散谱处理拾取频散曲线,通过贝叶斯反演方法获得了该测线二维横波速度剖面图,有助于划分和解释该测区地层及断层地质构造.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5-113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55-100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

利用广义反射-透射系数方法求解含低速层水平层状介质模型中面波频散曲线问题

在计算面波频散问题的广义反射-透射系数方法基础上研究了含有低速层的均匀平层固体地球模型的面波的频散曲线以及简正振型的计算问题. 当不存在低速层时,仅利用陈晓非1993年提出的单一的久期函数对求解这两个问题已经足够. 但是当模型中存在低速层时,该单一久期函数在数值求解较低阶模式很困难. 本文提出用久期函数族代替该单一久期函数、对不同的简正振型模式采用对应的久期函数来求解的方法,从而更加容易有效地求解较低阶的模式,完善了利用广义反射-透射系数方法求解面波频散问题的理论和算法.     

辽宁及邻区背景噪声相速度结构研究

收集辽宁及其周边地区（吉林、河北、山东、内蒙）70个宽频带地震仪2012年连续背景噪声波形数据,基于地震背景噪声层析成像方法,得到研究区面波群速度及相速度图像。利用台站对互相关方法,提取瑞利面波格林函数,采用时频分析法（FTAN）获取2 416条相速度频散曲线,从中筛选1 661条信噪比较高的频散曲线。将研究区以0.25°×0.25°进行网格化,采用Ditmar等提出的层析成像反演方法,得到周期10—40 s的瑞利面波群速度及相速度结构分布图。与群速度结果相比,分辨率更高,研究区大部可达0.5°×0.5°（局部可达0.25°×0.25°）。结果表明,辽宁地区地壳及上地幔面波相速度结构存在显著的横向不均匀性。在周期10—15 s的群速度图中,浅层及中上地壳速度分布与研究区地形地貌及主要地质构造单元具有较好的对应关系,盆地及沉积层低速,山区隆起高速,且在高低速转换带多为地震孕震区;在周期20—30 s相速度结构图中,下地壳至上地幔顶部深度范围内,相速度速度结构主要受地壳厚度及渤海湾内巨厚沉积层的影响,在海城至大连区域内出现的低速异常推测为地下热物质上涌;随着深度的增加,在周期30—40 s的相速度图中,速度分布逐渐受控于莫霍面起伏,明显变化出现在辽东半岛,由高速变为低速。     

基于背景噪声初步研究河北及邻区的剪切波速度结构

本文根据2010年1～12月河北及邻区的83个宽频地震仪12个月连续噪声记录, 分析了河北及邻区瑞利面波的群速度频散曲线并反演了主要分区内的典型路径剪切波速度结构。 首先采用多重滤波方法提取了台站对5～50 s的面波群速度频散曲线, 然后用Herrmann线性反演方法反演了剪切波速度结构。 结果表明, 群速度频散曲线及剪切波速度分布特征与地表地质和构造特征表现出较好的相关性, 清晰地揭示了地壳内部的横向速度变化。 在短周期(8～20 s), 拥有较厚的沉积层的平原地区表现为明显的低速特征, 而隆起地区则表现为较高的群速度分布特征: 随着周期的增加(>20 s)速度的特征有所改变, 30 s之后由于受地壳厚度的影响, 两者的速度差异逐渐缩小, 在中下地壳波速度随深度增加而增大。 同时, 研究发现在研究区域内西南方向的噪声源占主导作用。     

应用背景噪声成像研究祁连山地区地壳S波速度结构

利用祁连山地区(36°~42°N,96°~104°E)38个台站2014年8月—2015年12月的垂直分量连续背景噪声记录,获得了台站对之间的互相关函数和瑞利面波相速度频散曲线,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法,得到了观测台站下方5~40 km深度范围内的S波速度分布图像。结果表明:在5 km深度处,速度结构分布特征与地表构造分布存在一定的相关性,松散沉积层厚度影响明显;在18 km深度处,S波速度横向不均匀性明显,呈现为高低速相间不同尺度大小的区域性。同时,5~20 km深度范围内速度随深度增加而逐渐增加,其变化幅度为0.2 km/s;在30 km深度处,祁连和门源地区高低速相间分布明显;在35~40 km深度,随深度增大,祁连山北缘断裂带、托莱山断裂、冷龙岭断裂带以北地区为高速区,以南为低速区。     

用瑞利面波资料反演中国大陆东部地壳上地幔横波速度的三维构造

利用中国大陆东部21个台站的43条面波大圆路径上瑞利面波记录的双台资料,计算出双台间地震面波相速度频散,采用Tarantola概率反演的方法求得相速度频散曲线的分布,并由各处相速度频散曲线反演得到地壳上地幔的三维横波波速图像,进而得到中国东部地壳上地幔的S波速度结构.结果表明:我国大陆东部地壳厚度总体上呈东薄西厚的趋势,以105°E为界向西地壳厚度逐渐加深到55 km以上,其中有一个北东向的h形地壳厚度的坡度带.豫西及晋南地区为相对薄地壳的地区.大别山地区和泰山附近地区地壳变厚,但秦岭地区地壳不变厚.上地幔低速层上界面的深度在华北地区较浅,为80-90km,在鄂尔多斯、四川东部以及黔湘地区为120-130km.扬子地块东部及华南褶皱系中、东部上地幔顶部速度偏低使低速层的速度反差不明显.滇黔褶皱系的西部在200 km以内的上地幔中未出现低速层.     

用面波联合勘探技术探测浅部速度结构

瑞雷面波勘探技术以其快速经济、受场地条件限制小等优点广泛应用于浅部横波速度结构探测.人工源面波勘探方法对浅部地层的探测精度高,但探测深度较浅;天然源面波勘探方法探测深度较深,但对浅部速度结构的探测精度不高.本文在夏垫和玉溪两地分别开展了人工源和天然源面波联合探测试验,尝试采用不同排列和相同排列两种方法,采集人工源和天然源面波信息,联合处理数据并提取频散曲线,反演得到浅部地层的横波速度结构.探测结果表明:人工源和天然源面波联合勘探,尤其是采用相同排列的方法,可以在几乎不增加常规面波勘探工作量的条件下,既能保证浅部地层的探测精度,又明显拓展探测深度,大大提升了面波勘探能力,有望在工程勘察领域中推广应用.