微震震源定位研究现状及展望

微震震源定位研究是微震监测技术研究的重点之一,定位精度的高低直接影响着微震分析的结果.随着微震监测技术的广泛应用,出现了大量新的微震震源定位方法,针对不同的工程研究,这些方法各有千秋.首先,通过收集并分析近20年来国内外比较盛行的微震震源定位方法,其包括混合优化法、震源扫描算法、波速模型法和无预先测速法.然后,讨论这些方法的优缺点及适用条件,并主要分析微震检波器分布、首次到时拾取、波速模型和定位算法对微震震源定位的影响.最后,讨论地球物理学、声学、军事学等领域已有的先进定位方法在微震震源定位研究的意义.结果表明:(1)优化传感器的布置,必须协调自动到时拾取、波速模型和定位算法之间的关系;(2)减小波速模型和首次到达时间对震源位置的影响是微震监测未来发展的必然要求;(3)采用射线追踪理论、逆时偏移成像和被动时间反转镜技术可对速度结构模型进行优化;(4)利用双波定位、信息融合技术可进一步提高定位精度;(5)其他领域的先进定位方法在微震震源定位研究上具有潜在价值,可以达到微震震源定位更快、更准、更稳定的目的.     

线性单事件地震定位方法的改进及应用尝试

根据大震速报和快速预警实际需要,首先对Inglada线性单事件定位方法进行了适当的改进, 使其在仅有P波到时数据的情况下也能快速定位,且求解过程仅需简单迭代而不用奇异值分解; 其次, 尝试将改进后的方法从单层均匀模型引入到分层均匀模型中的近源台网定位情形,并通过单层均匀和分层均匀两种不同模型的理论实验讨论了该方法的可行性和适用范围; 最后整合了质量高且分布较好的距离2008年汶川M_S8.0地震震中最近的强震、微震, 以及川西流动台阵等观测记录资料,对汶川M_S8.0主震初始破裂点的时空参数进行了多种模型的定位实验. 结果表明, 改进后的线性单事件定位方法简单、快捷、易用,可广泛应用于近源地震定位,尤其是用于无法得到S波到时的中强以上直至巨大地震的速报、地震现场流动台网的快速定位以及地震的快速预警等.      

煤矿矿震定位中异向波速模型的构建与求解

针对煤矿上覆岩层层状赋存和离层带的特点,构建矿井尺度的微震监测系统异向波速模型,模型中波速向量由地面探头速度与井下探头速度组成.研究了在只有强矿震信号和混有爆破信号两种条件下,以到时残差最小为目标和震源定位误差最小为目标的两种求解模型,模型求解选用具有全局寻优特性的遗传算法与CMEAS算法结合的混合算法.现场实际应用得出,只使用爆破信号的到时残差法最优,混有强矿震信号的到时残差法其次;与爆破信号定位所用的统一简化波速模型相比,震源定位误差大幅度降低.在此基础上进一步减低定位误差,还需从微震台网的优化布设方面解决.     

地震定位:在多大距离内地球可不再被视为平坦的?

引言对记录到的近震和远震事件的定位程序传统上一直使用走时表 ,如 J-B走时表 ( Jeffreysand Bullen,1 958)。该表是以横向均匀球状地球的射线跟踪 ( e.g.,Boyed etal.,1 984)为基础的。由于地壳和上地幔波速结构的区域变化 (即这些事件的初至 P波和 S波花费了大部分时间的地球区域 ) ,因此利用当地和近区台站资料定位地震 ,这种走时表也许给出的不是精确的定位。直到最近 ,一项不平凡的工作是建立不同的球状地球速度结构的走时表。在过去的 3 0多年中 ,对大多数当地和近区域记录的事件一直是用穿过恒定速度层的平坦地球射线跟踪程序定…     

多层介质中利用sPn与Pn到时差确定震源深度的研究

为利用sPn与Pn波的走时差测定震源深度,进一步提高地震震源深度的测定精度,推导多层介质下sPn与Pn波的走时差与震源深度的关系,发现走时差与震中距无关,只与震源深度及区域地壳速度模型有关。震源在同一层中,走时差曲线的斜率不变,而当震源位于不同层中时,sPn-Pn走时差曲线的斜率不同,并呈分段直线的走时差曲线形态。地壳速度结构纵向越不均匀,多层和单层介质下利用sPn-Pn走时差计算的震源深度误差就越大,走时曲线的各分段直线斜率相差越大;探讨地壳中sPn与Pn波传播路径相同但波速不同的单层地壳速度模型,发现单层介质下波速越大,测定的震源深度越大;对于同一地区相同的地壳分层结构,测得的震源深度随着泊松比的增大而减小。基于前人给出的中国五个典型块体多层平均地壳模型,给出sPn-Pn走时差与震源深度计算公式速查表。     

上海东部海域地区一维地壳速度结构模型建立

收集2009—2017年上海东部海域地震事件,通过波速拟合、速度稳定性分析及折合走时分析等方法,得到该区域一维地壳速度结构初始模型。在此基础上,采用Hyposat定位程序,通过对满足地震精度条件的地震资料进行试错,验证初始模型,最终确定上海东部海域一维地壳速度结构模型。     

剪切波分裂揭示的青藏高原上地壳地震各向异性基本特征

青藏高原整体隆升,构造运动与介质变形强烈,然而由于地震观测数据不足,青藏高原内部上地壳各向异性研究一直是一个空白.本研究使用西藏地区的地震台网(2009年5月—2017年5月)的观测资料,利用剪切波分裂研究青藏高原上地壳地震各向异性特征.由于青藏高原固定地震台站分布稀疏,可用于进行剪切波分裂研究的近场地震事件记录稀少,本研究采用地震事件的单台定位技术,对公开的地震目录里没有震源深度数据的地震事件进行震源位置约束,并引入微震模板匹配定位方法,对连续地震波形进行检索,识别出地震目录里遗漏的新的微震(小地震)事件波形.微震识别获得的新地震事件记录是地震目录里报告的地震事件记录的大约6倍,用于补充研究区的剪切波分裂数据分析.通过数据分析,对比快波偏振方向,证实微震识别获得的数据极大地增加了有效数据的数量,提高了结果的可靠性.研究结果表明,雅鲁藏布江缝合带与班公—怒江缝合带之间的拉萨地块东部地区,台站的快剪切波(快波)偏振方向主要受区域应力场影响,快波偏振方向主要是NS或NNE方向,表明了区域最大主压应力方向;但个别地震台站(当雄台)快波偏振方向受原地主压应力影响,其快波偏振方向既不平行于断裂走向也不平行于区域主压应力方向,揭示出地壳介质的局部变形导致的局部应力方向不同于青藏块体里的其他地区.研究区西部的改则、普兰和研究区北部的双湖,快波偏振方向显示与断裂等构造走向一致的特点.研究区东部的昌都和察隅,快波偏振方向除了与断裂走向(或构造线)一致,还与地表运动的方向相同,揭示了青藏块体东部的深部物质可能的运移方向.这个现象虽然还需更多的研究证实,但这个发现的重要启示是,地震各向异性结合地表变形可用于探讨地壳深部物质的运动.     

基于岩石声弹理论的波速-静水围压关系耦合模型

岩石的波速与静水围压的关系研究对于深部地球物质的判定、地壳应力评估等相关研究具有极其重要的意义.目前许多研究者基于静水围压作用下岩石超声波波速实验数据,仅从数学统计上考虑提出了不同的岩石波速-静水围压的关系模型,并且P波和S波的波速-静水围压统计关系互相不耦合.本文基于岩石声弹理论角度出发,给出岩石P波和S波波速-静水围压关系的耦合模型.其次,基于统计关系的非耦合模型和本文提出的耦合模型,对一系列岩石样本的P波和S波超声波波速-静水围压实验数据进行回归分析.最后,本文通过与非耦合模型的统计结果的对比分析,得出耦合模型相对于非耦合模型来说,不仅物理意义明确,而且更具有统计学意义.     

邻近算法在微地震震源位置和一维速度模型同时反演中的应用

微地震事件的空间分布可以用来监测水力压裂过程中裂缝的发育情况。因此,震源定位是微震监测中重要的环节。震源定位依赖准确的速度模型,而震源位置和速度模型的耦合易导致线性迭代的同时反演方法陷入局部极小值。邻近算法作为一种非线性全局优化算法,能够最大程度地避免陷入局部最优解。本文将邻近算法应用于单井监测的微震定位和一维速度模型同时反演,首先利用邻近算法搜索一维速度模型,再使用网格搜索方法进行震源定位,并根据定位的走时残差产生新的速度模型,最后通过若干次迭代使其收敛到最优解。理论和实际数据结果均表明该方法能够避免局部最优解,得到较为可靠的震源位置和一维速度模型。     

岩石临破裂前波速变化特征的实验研究

为了提高波速的测量精度以便能观测到岩石临破裂前波速的微小变化,采用了波形的数值化,波的叠加,波的互相关和DTE(Subsample delay time estimate)方法和cosine插值,使时间分辨率提高到0.001 μs,波速分辨率达到1 m/s.在较小的应力增量(0.17 MPa)下测量了波的延迟时间,进而得到速度随应力的变化规律.实验结果显示在0.98破裂强度时岩石波速最大,然后下降直到破裂,此期间的波速下降量约30m/s.同时对临破裂前波的主频能量进行了计算,其变化规律与波速相同,认为破裂前的有关变化与岩石膨胀有关.最后用涨落模型讨论了延迟时间的方差变化.     

海水速度差异对中深层偏移成像的影响分析

本文针对深水环境下中深层偏移成像质量差的问题,考虑海水速度变化对中深层偏移成像质量的影响,从在大水深中加入深海声道模型入手,分析在偏移成像当中海水速度的不同选取对水平层状介质、倾斜层介质以及较复杂介质模型偏移成像质量的影响,通过在同一模型上改变海水速度进行成像,分析中深层成像效果可以得出:在大水深反射资料数据处理当中应该考虑真实的海水速度进行成像处理,否则会由于海水速度的选取不当而造成偏移成像层位的空间位置和中深层层位几何形态的变化.     

三门湾沿海声层析潮流观测实验

2009年9月6日至9日在三门湾进行了沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,CAT)潮流观测实验.实验由7台沿海声层析仪组网进行,并分别由渔船定点抛锚于7个站位.实验期间,还进行了定点ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)观测.通过建立逆模式对声传播时间差进行解析,引入权重因子,用L-curve法确定阻尼因子的最佳值,继而根据阻尼最小二乘法得到流速的最佳解.根据逆模式得到的流速分布可知该海区的潮流以半日潮(M2)为主,M2潮流椭圆呈东南-西北走向,潮流基本都是顺着水道,即涨潮为西北流向,退潮为东南流向.西北向与东南向最大流速分别为1.03m·s-1和1.09m·s-1.实验期间该区域的余流是从湾外流入湾内,平均流速约为0.05m·s-1.CAT与定点ADCP流速的东分量和北分量的均方差均小于0.18m·s-1.这样大面积的潮流和余流水平分布的同步观测,用传统观测手段很难实现.通过以上结果可以得出,沿海声层析技术可以作为一种新的测流方法对强潮海区进行大面积潮流观测,可在我国沿海的海洋环境监测等方面发挥重要作用.     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10~(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s~(-1),10μm·s~(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.     

超导重力仪检测2011年日本东北Mw9.0级地震前的重力扰动信号

对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 为检验日本M_w9.0级地震是否存在震前扰动现象,本研究利用全球超导重力仪记录到的地震前后7天内20组秒采样数据进行分析. 经潮汐、大气改正等处理去除仪器的漂移及残余潮汐效应,得到非潮汐重力变化曲线.结果表明大部分振幅大于30×10^-8 m·s^-2的曲线反映了全球M_w≥6级地震引起的高频波动信号,其中11组数据在3月9日M_w7.3级前震之前出现了扰动现象.震前扰动可分解为三个频段,其中,低于0.1 Hz和高于0.18 Hz的分量分别反映了地震波动信号及非构造信息,中间频段(0.118~0.18 Hz)信号能够较大程度地压制地震波动信号、并同时保留异常扰动信息.它的振幅在3月7日10时之前基本保持约1×10^-8 m·s^-2,之后开始逐渐增大,到3月9日7.3级前震前后达到最大,此后振荡衰减,振幅保持约(5~10)×10^-8 m·s^-2,直至主震发生.中间频段信号的变化特征与主震前的应力迁移过程以及实验记录到的地震成核过程有许多相似之处;不过,震前重力异常是否与主震前的应力加速积累有关,仍待进一步研究.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

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.     

新疆东准噶尔花岗岩类岩石高温高压弹性波速度及其对地壳结构的约束

应用超声波反射-透射法,在最高压力为1.0 GPa（室温）,最高温度为700℃（1.0 GPa）的条件下对新疆东准噶尔地区的卡拉麦里花岗岩带和野马泉岩体的典型花岗岩类岩石（碱长花岗岩、碱性花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和石英闪长岩）的纵波速度（V_P）和横波速度（V_S）进行了测量.结果显示,在常温、压力0.4~1.0 GPa条件下,东准噶尔地区花岗岩类岩石的V_P和V_S均随压力呈线性增加,说明在这个压力段岩石中的微裂隙已基本闭合.室温、1.0 GPa时花岗岩类岩石的V_P是5.79~6.84 km·s^-1,V_S是3.26~3.85 km·s^-1.依据压力与V_P及压力与V_S的线性关系,拟合得到常温常压下花岗岩类岩石的纵波和横波压力系数分别是0.1568~0.4078 km/（s·GPa）和0.0722~0.3271 km/（s·GPa）,V_P0和V_S0分别是5.62~6.47 km·s^-1和3.15~3.75 km·s^-1.恒压1.0 GPa、室温到700℃条件下,花岗岩类岩石的V_P和V_S均随温度的升高呈线性降低,温度系数分别为（-3.41~-4.96）×10^-4 km/（s·℃）和（-0.88~-3.22）×10^-4 km/（s·℃）.利用实验获得的花岗岩类岩石的V_P0、V_S0及温度系数和压力系数,结合东准噶尔地区的地热资料,建立了V_P和V_S随深度变化的剖面.将获得的V_P和V_S-深度剖面与该区地球物理探测结果对比,发现东准噶尔地区的碱长花岗岩、碱性花岗岩、二长花岗岩和部分花岗闪长岩的V_P和V_S与该区上地壳速度吻合很好,同时这几种岩石的平均泊松比也与上地壳泊松比一致,因此我们认为这几种类型的岩石是该区上地壳的重要组成部分.另外,石英闪长岩的V_P和V_S均符合中地壳的速度,可能为中地壳中的一种岩石.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

蒙古中南部地区面波相速度层析成像

本文采用小波变换频时分析技术提取了1893条蒙古中南部地区双台间基阶Rayleigh波相速度频散曲线,通过对提取到的相速度频散进行二维反演,首次重构了蒙古高原中南部10~80s周期内分辨率为0.5°×0.5°的相速度分布图.结果表明,短周期相速度频散(10~20s)明显受地表地形控制,表现为杭爱—肯特山盆地为相对高速异常,而南部的戈壁带表现为相对低速异常;在30s到60s周期内,南部的戈壁带和北部的杭爱—肯特山盆地都显示出稳定的高速异常,而中部戈壁带则表现为低速异常.该低速异常区与新生代火山岩出露位置的一致性,暗示该低速异常可能与新生代火山活动有关.穿过蒙古高原中部的两条主要断裂带与研究区内的地震波速度分布具有很好的一致性,可能暗示两条断裂带一直延伸到整个岩石圈.此外,蒙古中南部地区的壳幔速度低于全球平均大陆值,且其相速度频散曲线与遭受破坏的克拉通,尤其大陆裂谷很相似,可能暗示着研究区具有薄的、活跃的岩石圈构造.     

黏滑实验的震级评估和应力降分析

本文通过三种结构模型的黏滑地震模拟实验,利用高频速度连续观测系统获得了地震失稳过程的速度特征,讨论了最大位移量的选取方法,估算了实验室黏滑型地震的矩震级,探讨了黏滑类型、应力降大小与震级的关系.结果表明,黏滑型地震的应力降过程可能包含一次到多次高频振荡,对应若干次黏滑子事件.高频振荡的摆动幅度很大,包含有多种频率成分,峰值速度0.003~0.008 m·s^-1.初步估计黏滑型地震的震级范围为-4.4~-3级,断层构造面的差异对各种黏滑模型的地震震级分布有明显影响.总体来看应力降与地震震级没有明显相关性,决定地震震级的主要因素应当是震源尺度.