维波场延拓复杂表层模型校正方法及应用

如何正确地消除复杂地表对地震波场的影响，提高地下构造成像的质量一直是中国西部复杂地区地震勘探中存在的难题.本文在三维复杂表层速度模型层析反演\[1\]的基础上，研究了关于复杂地表的静校正问题，提出用三维波动方程在炮集上对地震波场进行正、反向延拓，消除复杂地表对波场的影响，实现三维复杂表层模型校正.理论和实际应用证明，该方法已超越常规静校正的含义，属时变校正方法.用本方法处理复杂地表问题，不但能消除表层对不同深度反射波产生的不同时差影响，提高叠加剖面质量，而且能使校正后的地震波场保持波动特征不发生畸变，可为建立正确的深层速度模型和波动方程叠前深度偏移奠定良好的基础.     

高铁地震面波相速度频散曲线提取

为了充分利用高铁地震信号中的面波信息,本文将双台法和旋转法等面波相速度提取方法应用于高铁地震模拟记录,尝试提取基阶瑞利波与勒夫波相速度频散曲线.通过分析以高铁高架桥的桥墩为源的高铁波场干涉特征,给出了适用于高铁地震波场的面波相速度校正方法;通过数值实验,证明了方法的有效性.     

鄂尔多斯地区上地幔岩石圈三维速度结构面波反演研究

双平面波拟合法是一种新的面波成像方法,反演中考虑地震波场中的非平面波成分,提高反演的分辨率.本文利用双平面波拟合法,反演获得鄂尔多斯地区上地幔岩石圈的速度结构.所用资料为国家数字地震台网69个宽频带地震仪和北京大学34个流动数字地震台观测到的地震波面波资料.首先从面波记录中提取了研究区域20~125 s瑞利波相速度频散曲线,进而得到各个周期瑞利波相速度异常分布图.结果显示,短周期瑞利波相速度异常与地表的构造特征吻合较好,中长周期的瑞利波相速度可以反映出上地幔岩石圈的速度异常分布以及构造特征.由研究区20~125 s的瑞利波相速度分布图可以反演得到地表到地下200 km范围内的三维剪切波速度结构.结果显示,鄂尔多斯块体内部稳定均一,活化或改造的痕迹不明显;鄂尔多斯块体西南缘受到青藏高原的强烈作用,有大量地幔物质流动的痕迹存在;中央转换带下超过200 km深度存在地幔物质上涌,可能与太平洋板块的俯冲和青藏高原板块的挤压有关.     

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。     

瞬变电磁虚拟波场成像方法及其对未爆弹探测的试验研究

未爆弹严重威胁人类的安全,瞬变电磁是一种对其有效的探测方法.探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法,计算了三维数值模型和水槽物理模拟数据的反演结果,取得了良好的成像效果.结合未爆弹探测的工程实例,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法的实用性和有效性进行了验证.研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够解决微小低阻异常体精确定位的难题.     

消除海底起伏影响的海洋地震波场正反向延拓

为了解决海底起伏变化对地震波场的影响问题,本文提出将（x-z）域中的曲网格映射成（ξ,η）域中的矩形网格,推导出（ξ,η）域中的二维标量声波方程,根据推导出来的波动方程采用逆时有限差分法将海面上采集到的地震波场在（ξ,η）域中向下延拓至海底面,延拓时采用海水的速度,然后采用顺时有限差分法将延拓后的地震波场再反延拓到海面上,延拓时采用海底面以下地层的速度,从而消除了海底起伏带来的负面影响。模型及实际地震资料的计算分析表明该方法不但能够校正由于海底起伏所引起的海底面下地层反射波场的不连续性还能够校正由于海底起伏所引起的地震波的动力学特征的变化。对延拓前后的地震波场进行速度反演,延拓后反演的地层速度比延拓前反演的地层速度的精度提高很多,延拓前后地震波场的叠加剖面对比表明该延拓方法能够明显提高地震波场的成像质量。     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

2008年青海大柴旦Mw6.3地震地面运动模拟

2008年11月10日在青海柴达木盆地北缘发生了大柴旦M_W6.3地震,为了研究该地震的区域地震波传播与地面运动特征,本文利用地质资料和地壳速度结构研究成果,构建了柴达木盆地及周边区域三维传播介质模型,采用有限差分方法模拟了大柴旦地震波场传播过程以及地面运动分布特征.结果表明,柴达木盆地对波场传播有明显影响,表现为地震波传入盆地后在边界产生次生面波,盆地沉积物对地震波具有围陷作用,地震地面运动在盆地内振幅增大、持时延长.模拟结果给出的地震地面运动峰值速度分布以及理论地震图均和观测结果符合较好,反映数值模拟较好地给出了观测地面运动的主要特征以及传播介质模型的合理性.     

二维起伏地形瑞利面波速度频散特性数值模拟研究

瑞利面波在起伏地形下传播的特性不仅与介质性质有关,而且与地形起伏程度有关.目前,国内外对水平地形下瑞利面波频散特性研究较为成熟,但对起伏地形下瑞利面波的频散研究较少.由于地形影响,面波和体波是耦合在一起的,完备的理论尚在探索中.本文以水平地形瑞利面波传播理论为基础展开起伏地形下瑞利面波传播特性研究.首先应用二维有限元数值模拟方法,基于波场快照和合成地表地震记录研究了起伏地形条件下瑞利面波波场的传播特征.在此基础上,研究了起伏地形引起的波场畸变对多道瑞利面波速度频散分析的影响.研究表明:由于起伏地形对波场能量的散射和反射产生传播波的模式转换,导致起伏地形远场为瑞利面波和转换S波叠加的复杂波场,该复杂波场会影响多道瑞利面波的速度频散特征.当地形高差小于0.2个优势波长时,地形影响较小可以近似忽略;而当地形高差接近或大于面波的优势波长时,地形影响较大,在资料解释需考虑.     

地震波数值模拟中优化的通量校正传输方法

为了有效提高地震波正演数值模拟精度,提出了一种优化的通量校正传输方法,即在每一步时间递推过程中,沿坐标轴方向和对角线方向均引入通量校正参数进行波场校正处理,以高频散的均匀介质地震模拟波场为例,研究对比了不同中心网格有限差分近似阶数、传统的FCT方法和优化的FCT方法校正得到的地震波场效果.数值计算结果表明,传统的FCT方法容易产生虚假波场,而优化的FCT方法可以削弱或消除这些假波动,并指出结合高差分阶数和应用优化的FCT方法可以更好地提高数值模拟记录的信噪比.     

Wavefield continuation datuming using a near surface model

When topography and low velocity zone differences vary greatly, conventional vertical static time shifts will cause wavefield distortion and influence wave equation seismic imaging for seismic data acquired on a complex near surface. In this paper, we propose an approach to datum correction that combines a joint tomography inversion with wavefield continuation to solve the static problem for seismic data on rugged acquisition topography. First, the near surface model is obtained by refracted wave tomography inversion. Second, the wavefield of sources and receivers are continued downward and upward to accomplish datum correction starting from a flat surface and locating the datum above topography. Based on the reciprocal theorem, Huygens＇ and Fresnel principles, the location of sources and receivers, and regarding the recorded data on the surface as a secondary emission, the sources and receivers are upward-continued to the datum above topography respectively. Thus, the datum correction using joint tomography inversion and wavefield continuation with the condition of a complex near surface is accomplished.     

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.     

利用噪声研究地下介质速度结构及其变化在中国大陆的应用

背景噪声层析成像技术已被广泛应用于地壳和上地幔速度结构的研究,这种方法不依靠地震的发生和人工源爆破,只需记录连续的噪声信号而无需产生信号,因为噪声穿过地下介质时会携带信息,然后通过利用台站记录到的连续背景噪声数据进行互相关计算和叠加,即可得到台站间的经验格林函数,从而获取对地下结构的认识。这种方法已经很好地应用于中国的东北地区、华北克拉通、青藏高原以及华南地区,并成功地揭示了这些地区地壳与上地幔顶部的速度结构。此外近年来,一些学者还利用噪声互相关技术研究地下介质地震波速度随时间的变化,通过对汶川大地震前后连续噪声记录的研究发现,大震发生后呈现同震波速降低和震后波速逐渐恢复的特点,这表明可以通过观测地震波特性的变化来监测地下应力的变化,从而为大震的预测预防工作提供科学依据。本文主要综述了近些年来背景噪声技术及其在中国大陆地区的应用。     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

三维复杂地形近地表速度估算及地震层析静校正

在地表一致性模型的基础上提出一种可适用于宽线剖面、弯曲测线、传统的二维和目前广泛使用的三维地震观测.在地形及近地表低降速带地质结构复杂的探区，低降速带厚度及速度估算的精度是静校正处理的关键.本研究根据三维地震观测的初至走时数据，利用最小平方与QR分解相结合的算法，在三维空间重建近地表低降速带速度模型，根据重建速度模型实现了静校正长波长分量与短波长分量的同步计算.分析了复杂的近地表低降速带模型初至波的性质，在观测值的自动拾取以及理论值的计算中充分考虑了可能成为初至波的直达波、折射波和反射波的利用，提高了低降速带速度模型反演的精度.在初至走时观测数据的拾取中，本研究采用分形算法克服了初至波波形差异以及折射波相位反转导致的拾取误差，实现了三维初至拾取的大规模全自动化运算.在射线路径与初至波理论走时的计算中，本研究采用一种计算量与模型复杂程度无关的三维射线追踪方法，该方法以最小走时射线路径保证了与观测数据有同等意义的初至波的射线追踪及理论走时的计算.野外实际资料的处理结果表明了方法的有效性.     

海洋拖缆地震资料初至波走时层析反演

初至波走时层析反演技术作为建立近地表速度模型的重要手段,是解决陆地资料复杂静校正问题的关键技术。而折射波广泛发育的海洋地震资料,对折射波信息的关注与运用并没有得到广泛的重视。本文首次将层析反演方法应用于海洋拖缆地震数据的近海底速度模型的建立。本文方法与陆地资料层析反演的主要区别在于:①在震源信号的最小相位化处理后进行初至时间的拾取,避免了混合相位子波初至拾取不准带来的误差;②以海水深度与海水速度作为反演约束条件,减小了迭代误差。实测二维资料的层析反演结果表明,本文方法可反演出较为精确的海洋地层速度结构。      

On the effect of topography on surface wave propagation in the ambient noise frequency range

Due to the increasing popularity of analyzing empirical Green’s functions obtained from ambient seismic noise, more and more regional tomographical studies based on short-period surface waves are published. Results could potentially be biased in mountainous regions where topography is not small compared to the wavelength and penetration depth of the considered waves. We investigate the effect of topography on the propagation of short-period Rayleigh waves empirically by means of synthetic data using a spectral element code and a 3-D model with real topography. We show that topography along a profile through the studied area can result in an underestimation of phase velocities of up to about 0.7% at the shortest investigated period (3 s). Contrary to the expectation that this bias results from the increased surface distance along topography, we find that this error can be estimated by local topographic contrasts in the vicinity of the receiver alone. We discuss and generalize our results by considering topographic profiles through other mountain ranges and find that southern Norway is a good proxy to assess the topography effect. Nevertheless, topographic bias on phase velocity measurements is in general not large enough to significantly affect recovered velocity variations in the ambient noise frequency range.     

3D S-wave velocity structure of the Ningdu basin in Jiangxi province inferred from ambient noise tomography with dense array

The Ningdu basin, located in southern Jiangxi province of southwest China, is one of the Mesozoic basin groups which has exploration prospects for geothermal energy. A study on the detailed velocity structure of the Ningdu basin can provide important information for geothermal resource exploration. In this study, we deployed a dense seismic array in the Ningdu basin to investigate the 3D velocity structure and discuss implications for geothermal exploration and geological evolution. Based on the dense seismic array including 35 short-period (5 s-100 ?Hz) seismometers with an average interstation distance of ～5 ?km, Rayleigh surface wave dispersion curves were extracted from the continuous ambient noise data for surface wave tomographic inversion. Group velocity tomography was conducted and the 3D S-wave velocity structure was inverted by the neighborhood algorithm. The results revealed obvious low-velocity anomalies in the center of the basin, consistent with the low-velocity Cretaceous sedimentary rocks. The basement and basin-controlling fault can also be depicted by the S-wave velocity anomalies. The obvious seismic interface is about 2 ?km depth in the basin center and decreases to 700 ?m depth near the basin boundary, suggesting spatial thickness variations of the Cretaceous sediment. The fault features of the S-wave velocity profile coincide with the geological cognition of the western boundary basin-controlling fault, which may provide possible upwelling channels for geothermal fluid. This study suggests that seismic tomography with a dense array is an effective method and can play an important role in the detailed investigations of sedimentary basins.     

青藏高原东北缘噪声层析成像研究

利用青海、甘肃和宁夏3个区域地震台网两年的波形数据,通过地动噪声层析成像方法给出了青藏高原东北缘8—40 s的瑞雷面波二维群速度结构和三维地壳上地幔顶部的剪切波速度结构。研究结果显示,相比传统的面波层析成像方法,噪声层析成像给出的短周期面波信息能够较好地约束地壳和上地幔顶部结构。8 s和10 s周期的群速度图像与沉积层和基底结晶深度有关,具体而言:祁连山和西秦岭造山带表现为高速体特征,柴达木盆地、河西走廊和鄂尔多斯西缘表现为低速特征;周期为15 s和20 s的瑞雷面波群速度图像反映的是中地壳结构,15 s周期群速度图像上造山带下方高速体向北和向东方向扩展,20 s周期群速度图像呈现大范围低速体,推测为中下地壳低速层影响所致;30 s和40 s周期的群速度图像反映的是莫霍面深度附近的速度结构,具体表现为青藏高原大范围的低速体,向北和向东逐渐表现为高速体,说明青藏高原的莫霍面深度较深,且向北和向东逐渐减薄。另外,三维剪切波速度结构显示祁连地块和甘孜地块中地壳存在大范围低速层,且由柴达木盆地东侧深部的低速层连接,该低速层可能是青藏高原物质北移的一个通道。