波场梯度法研究进展

波场梯度法是一种基于密集台阵记录的地震波形的地震数据处理方法,适用于多种地震信号/震相,比如P波、S波、Rayleigh波、Love波和环境噪声等.由于充分考虑了波场的时空变化,可以获得更多的地震波传播参数或介质参数,比如应力、旋度、地震波速度、方位角、几何扩散、辐射模式、方位各向异性和Q值等.自2007年波场梯度法的原理提出以来,该方法在河湾河谷的强地面运动研究、断层探测、月壳浅层结构成像、地球浅地表或地壳地幔速度结构和方位各向异性反演等方面得到较好的应用.基于不同的信号处理方法,波场梯度法也发展出不同的研究分支,比如基于傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换的波场梯度研究;基于不同参考坐标系、不同台网类型或不同震相/信号源也可以将波场梯度法划分为不同的研究方向.本文主要从方法原理、研究进展和方法比较对波场梯度法进行详细地描述,同时对其发展趋势进行简单地讨论.     

基于波场梯度法研究安宁河—则木河断裂带速度结构

不同尺度的密集台阵为波场梯度法的发展提供了条件,与其他成像方法相比,波场梯度法在拓展应用上还相对较少.本文将波场梯度法应用于小区域的相对高频的地震波形获得高分辨率的速度结构.首先将台站数据网格化,利用网格点上波形数据得到相速度、方位角变化、几何扩散和辐射花样.研究区域为安宁河—则木河断裂带上的冕宁—西昌—越西区域,采用波场梯度法获得了该区域5～15 s Rayleigh面波的相速度,并反演出上地壳S波速度结构.结果显示沿断裂带浅层地壳的低速异常与张裂断陷沉积形成的昔格达地层特征相一致.安宁河断裂带附近有明显的高速异常,在不同深度高速异常都有着明显的变化,与研究区域花岗岩的分布相对应.不同深度高速体的分布可能与花岗岩体在上地壳的侵入有关.西昌地区上地壳的低速异常反映了较厚的沉积层.速度结构与实际地质构造基本吻合,表明利用波场梯度法可以有效地计算小区域高分辨率三维速度结构.本文将速度结构与不同深度的地质构造资料和震源分布相结合,为该研究区域上地壳的构造研究提供了可靠参考.     

利用接收函数探讨新疆几次中强地震的孕震位置

正地震发生前后孕震区的应力状态和介质属性会发生变化,监测地球内部介质变化,为研究地震的发生过程并发现地震前的异常变化提供了可能。由于难以直接深入地球内部进行测量,只能通过地震波分析来研究地球内部介质的变化,而地震波速变化能直接反映地下介质的应力状态和物质组成等物性参数。远震P波接收函数是,用远震P波波形的垂直分量,对径向分量或切向分量作反褶积得到时间序列,主要由直达波、     

透射法典型槽波数据波场分析

煤矿井下巷道煤层中采集的槽波地震数据中包含多种类型地震波,对这些波组认识存在争议.通过正演模拟获得的槽波波场过于理想化,与现场采集槽波数据存在一定偏差.针对煤矿实际采集的典型槽波数据,采用时频域极化滤波方法,利用槽波数据中的纵波在波传播方向能量最强、垂直方向能量最弱的特点,将目前国内煤矿常用的德国SUMMIT槽波地震仪水平双分量检波器接收到的信号,校正到平行波传播方向和垂直波传播方向,有利于判定地震波极化运动特征.经过槽波波场分离,得到三个特征明显的波组,按照时间到达先后顺序,认为分别是折射纵波、瑞利型槽波和勒夫型槽波.其中折射纵波传播速度最快,在共炮点道集上表现为双曲线特征;瑞利型槽波主频最低,水平平行分量和垂直分量都能接收到;勒夫型槽波振动方向垂直波传播方向,只在检波器水平垂直分量有显示.     

用接收函数Ps转换波研究地壳各向异性--以哀牢山-红河断裂带为例

倾斜界面与各向异性介质均可使接收函数的切向分量产生明显的能量.通过对不同模型的理论接收函数的研究,可以发现倾斜界面产生的接收函数切向分量与各向异性介质产生的接收函数切向分量具有显著的差异,主要表现在到时差与周期性上.利用各向异性和倾斜界面造成的切向分量不同的周期性,可以通过加权叠加的方法突出各向异性或倾斜界面的影响,并可对接收函数径向、切向分量进行波形互相关计算,获取各向异性分裂参数.通过对布设于红河断裂附近的4个三分量宽频带流动台站的接收函数莫霍面Ps震相的研究,获得红河断裂附近的地壳各向异性快波方向为132°,快慢波时间延迟为024s.地壳各向异性快波方向与红河断裂带构造走向一致,与上地幔各向异性的快波方向相差近90°,表明红河断裂地区地壳与上地幔构造可能存在解耦现象.     

sPL,一个近距离确定震源深度的震相

实际地震波形观测表明,对于大陆结构相对简单的地壳中的地震而言,有一震相出现在P 波和S波之间.一般在30~50 km附近发育得较好,其能量主要集中在径向分量,而垂向分量的振幅相对径向要小,切向分量上的振幅很弱,且波形以低频为主,通常没有P波尖锐.在利用FK方法计算合成地震图的基础上,发现该震相是由S波入射到自由地表形成水平传播的P波(文献称为surface P wave,自由地表P波)或者包括S波入射到地表后形成的多次P波或其散射震相.由于该震相是由S波和P波之间耦合而形成,本文将其定义为sPL(s coupled into P) 震相.理论波形研究表明,sPL相对直达P波的到时差对震中距离不敏感,而随着震源深度的增加几乎呈线性增加,因此可以很好的约束震源深度.本文以2005年江西九江地震为例,证实了sPL确定震源深度的可行性和可靠性.在观测到sPL震相的情况下,离震源50 km以内的一个三分量地震台站的波形就可以帮助获得可靠的震源深度,而不需要精确的震中距离.由于sPL震相出现距离较近,对于较小(三级以上)的地震也可以应用,因此在稀疏台网布局情形下sPL对于确定中小地震深度应该具有很好的应用意义.     

用多道反褶积方法测定台站接收函数

本文提出了一种在时间域用多道反褶积测定台站接收函数的方法, 以提高台站接收函数的测量精度与分辨率.在单道反褶积的基础上,选取若干个质量较好的远震P波波形事件,构成多道信号,以垂直分量为输入,径向和切向分量作为期望输出,依据最小二乘,设计多道滤波器,提取接收函数.合成地震图与观测地震图的检验表明, 多道滤波方法能有效地测定台站接收函数,特别是多道反褶积能够有效地恢复地壳上地幔间断面所产生的弱转换波震相.     

基于气枪信号偏振特征的震相自动判别研究

气枪震相拾取是地下结构探测的一项基础性工作,震相拾取的精度和波组类型的可靠度是速度结构反演的关键.本文提出了基于偏振特征的气枪震相自动识别方法,通过将水平分量旋转为径向和切向分量,由垂向分量和径向分量构成的偏振特征量初步判别P波组和S波组,根据质点运动轨迹确定出偏振角和偏振线性度参数,针对偏振角大小判别出具体波组类型 ...     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

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.      

A review of the wave gradiometry method for seismic imaging

As dense seismic arrays at different scales are deployed, the techniques to make full use of array data with low computing cost become increasingly needed. The wave gradiometry method(WGM) is a new branch in seismic tomography, which utilizes the spatial gradients of the wavefield to determine the phase velocity, wave propagation direction, geometrical spreading, and radiation pattern. Seismic wave propagation parameters obtained using the WGM can be further applied to invert 3D velocity models,...     

SEISMIC MIGRATION IN ELLIPTICALLY ANISOTROPIC MEDIA1

The study of wave propagation in media with elliptical velocity anisotropy shows that seismic energy is focused according to the horizontal component of the velocity field while the vertical component controls the time-to-depth relation. This implies that the vertical component cannot be determined from surface seismic velocity analysis but must be obtained using borehole or regional geological information. Both components of the velocity field are required to produce a correctly focused depth image. A paraxial wave equation is developed for elliptical anisotropic wave propagation which can be used for modelling or migration. This equation is then transformed by a change of variable to a second paraxial equation which only depends on one effective velocity field. A complete anisotropic depth migration using this transformed equation involves an imaging step followed by a depth stretching operation. This allows an approximate separation or splitting of the focusing and depth conversion steps of depth migration allowing a different velocity model to be used for each step. This split anisotropic depth migration produces a more accurate result than that obtained by a time migration using the horizontal velocity field followed by an image-ray depth conversion using the vertical velocity field. The results are also more accurate than isotropic depth migration and yield accurate imaging in depth as long as the lateral variations in the anisotropy are slow.     

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.     

从高波速比试论云南丽江7级地震的孕震模式

利用震中周围多台地震波资料计算平均波速比, 并对计算误差作了统计和分析, 提出了在介质存在横向不均匀的情况下数据处理方法。在资料有相当可信度的基础上, 动态追踪了１９９６ 年２ 月３ 日云南丽江７ 级地震前滇西北地区波速比的十余年时空演化图象。显示出： 丽江地震孕震区的高波速比异常图象经历了由小到大、由大到小并再次扩大的过程;而低波速比的异常图象则由大到小、由小到大并再次缩小的过程; 地震发生在低波速比异常区包围的高波速比异常区的交汇部位。其时间进程的演化显示丽江地震的孕震区在１９８８年耿马—澜沧７６ 、７２ 级地震后进入非线性阶段, １９９５ 年孟连西中缅边境７３ 级地震前进入失稳阶段。结合滇西北地区地震垂直分布图象和对照含硬包体试样在破裂孕育过程中波速场的演化图象, 表明丽江地震的孕震区具备了坚固体孕震模式的高波速特征     

内蒙古阿巴嘎地区地壳方位各向异性研究

本文利用架设在内蒙古阿巴嘎地区38个宽频带地震台站记录到的远震数据,通过拟合P波接收函数径向Pms转换波到时和叠加不同方位切向分量,确定了地壳各向异性参数.结果表明,大部分台站Pms延迟时间在0.35 s左右;而少数台站时差较大,推测可能受到索伦缝合带附近地壳残留倾斜界面影响.各向异性快波方向变化范围在N95°E到N180°E之间,平均为N130.6°E±19.1°,推测中下地壳矿物在ENE-WSW向区域主压应力作用下发生晶格定向排列可能是导致地壳各向异性的主要成因.研究区壳幔变形特征和机制不同,属于解耦变形.     

山西原平4．2级地震山西数字强震动记录分析

对2009年3月28日山西原平4．2级地震山西数字强震动台网7个台的地震加速度记录进行了处理和分析,包括对加速度波形数据的基线校正、滤波、水平分向矢量合成以及部分台站速度计算（包括水平向速度矢量合成）和加速度付氏谱、反应谱计算。结果表明：记录的最大单分向（水平）加速度峰值为27．5cm／s^2,水平合成最大加速度PGAn为28．5cm／s^2,其折合地震烈度为5度。多数台站的垂直向加速度峰值大约为水平向的1／2。最大速度峰值PGVH为0．51cm／s。原平台加速度记录的谱分析表明,对于4～5级这样强度的地震,因为震源本身产生的地震波中的长周期成分很少,所以,厚覆盖土层对长周期地震波的影响在工程的意义上可以忽略。     

Application of passive source surface-wave method in site engineering seismic survey

Site engineering seismic survey provides basic data for seismic effect analysis. As an important parameter of soil, shear-wave velocity is usually obtained through wave velocity testing in borehole. In this paper, the passive source surface-wave method is introduced into the site engineering seismic survey and practically applied in an engineering site of Shijingshan District. By recording the ubiquitous weak vibration on the earth surface, extract the dispersion curve from the surface-wave components using the SPAC method and obtain the shear-wave velocity structure from inversion. Over the depth of 42 m underground, it totally consists of five layers with interface depth of 3.31, 4.50, 7.23, 17.41, and 42.00 m; and shear-wave velocity of 144.0, 198.3, 339.4, 744.2, and 903.7 m/s, respectively. The inversion result is used to evaluate site classification, determine the maximum shear modulus of soil, provide basis for further seismic hazard analysis and site assessment or site zoning, etc. The result shows that the passive source surface-wave method is feasible in the site engineering seismic survey and can replace boreholes, shorten survey period, and reduce engineering cost to some extent.     

Research Note: Insights into the data dependency on anisotropy: an inversion prospective

While velocity contrasts are responsible for most of the events recorded in our data, the long wavelength behavior of the velocity model is responsible for the geometrical shape of these events. For isotropic acoustic materials, the wave dependency on the long (wave propagation) and short (scattering) wavelength velocity components is stationary with the propagation angle. On the other hand, in representing a transversely isotropic with a vertical symmetry axis medium with the normal moveout velocity, the anellepticity parameter η, the vertical scaling parameter δ, and the sensitivity of waves vary with the polar angle for both the long and short wavelength features of the anisotropic dimensionless medium parameters (δ and η). For horizontal reflectors at reasonable depths, the long wavelength features of the η model is reasonably constrained by the long offsets, whereas the short wavelength features produce very week reflections at even reasonable offsets. Thus, for surface acquired seismic data, we could mainly invert for smooth η responsible for the geometrical shape of reflections. On the other hand, while the δ long wavelength components mildly affects the recorded data, its short wavelength variations can produce reflections at even zero offset, with a behavior pattern synonymous to density. The lack of the long wavelength δ information will mildly effect focusing but will cause misplacement of events in depth. With low enough frequencies (very low), we may be able to recover the long wavelength δ using full waveform inversion. However, unlike velocity, the frequencies needed for that should be ultra‐low to produce long‐wavelength scattering‐based model information as δ perturbations do not exert scattering at large offsets. For a combination given by the horizontal velocity, η, and ε, the diving wave influence of η is absorbed by the horizontal velocity, severely limiting the η influence on the data and full waveform inversion. As a result, with a good smooth η estimation, for example, from tomography, we can focus the full waveform inversion to invert for only the horizontal velocity and maybe ε as a parameter to fit the amplitude. This is possibly the most practical parametrization for inversion of surface seismic data in transversely isotropic with vertical symmetry axis media.     

CORRELATION PATTERNS IN CHARACTERISTICS OF SPATIALLY VARIABLE SEISMIC GROUND MOTIONS

A methodology for the investigation of the spatial variation of seismic ground motions is presented; data recorded at the SMART-1 dense instrument array in Lotung, Taiwan, during Events 5 and 39 are used in the analysis. The seismic motions are modeled as superpositions of sinusoidal functions, described by their amplitude, frequency, wavenumber and phase. For each event and direction (horizontal or vertical) analysed, the approach identifies a coherent, common component in the seismic motions at all recording stations, and variabilities in amplitudes and phases around the common component sinusoidal characteristics, that are particular for each recording station. It is shown that the variations in both the amplitudes and the phases of the motions at the station locations around the common component characteristics contribute significantly to the spatially variable nature of the motions, and, furthermore, they are correlated: increase in the variability of the amplitudes of the motions recorded at individual stations around the common amplitude implies increase in the variability of the phases around the common phase. The dispersion range of the amplitude and phase variability around their corresponding common components appear also to be associated with physical parameters. The spatially variable arrival time delays of the waveforms at the stations due to their upward travelling through the site topography, in addition to the wave passage delays identified from signal processing techniques, constitute another important cause for the spatial variation of the motions; their consideration in the approach facilitates also the identification of the correlation patterns in the amplitudes and phases. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.