一种用于走时层析成像的改进算法

走时层析成像是根据首波走时重建声波、地震波或电磁波波速的层析技术，其所用到的射线路径依赖于波速分布。本文提出了一个依据费马原理寻找射线路径的新方法。费马原理指出，从发射点到接点的射线首波的走时极小，因此寻找射线路径的问题是一个最优化问题。     

地震走时层析成像方法及在陨石坑探测中的应用

地震走时层析成像是地球物理反演中成熟的方法之一,已在许多领域得到广泛应用,并取得了良好的效果。本文介绍的地震层析成像方法包括模型参数化、射线追踪和理论走时计算、非线性方程组的线性化、线性化方程组的求解以及解的评价。观测数据使用了中国地震局地球物理勘探中心在岫岩陨石坑取得的浅层地震折射资料,反演得到两条近垂直交叉剖面的P波速度结构。结果表明,该坑为一简单坑,直接撞击形成的区域为直径约1．8km、深度约700m的坑体;坑中心深度约700m周围以及向下出现的7．0km／s以上的高波速可能是陨石撞击时所产生的高温高压使表层岩石达到熔融状态,改变了围岩的性质,致使围岩速度升高。     

地震体波走时层析成像方法研究综述

地球介质参数是地震深部探测的重要目标,蕴含了丰富的地球结构和演化信息.全波形反演技术由于计算量大的原因,目前阶段在实际壳幔结构成像应用中还存在较大的难度.基于P波和S波到时的体波成像仍然是壳幔精细速度结构成像的重要途径.本文主要介绍了三种具有代表性的地震体波走时层析成像方法,即基于高频近似射线理论的成像方法、基于程函方程数值解的初至波成像方法及有限频成像方法.基于射线理论的成像方法计算量小,计算效率高,长期以来是体波成像的主要方法之一;基于程函方程数值解的成像方法,在初至波走时成像方面有优势,但是要求网格节点较密,计算量大;有限频成像方法基于波动方程理论,比射线理论包含更丰富的介质信息,但是由于计算量大,目前在实现过程中引入简化的假设,成像效果还有较大的提升空间.     

利用单频双程波动方程计算初至走时及其振幅

通过在频率域双程波动方程模拟算法中加入一个复数频率（实部表示频率,虚部表示衰减因子）压制地震波初至走时之后的能量,从而把初至走时及其振幅的计算问题转换为单一频率波场中最大能量走时和振幅的拾取问题,然后利用单一频率域波场的相位项和振幅项分别计算初至走时及其振幅.本文还提出利用参数分析方法求取最优的复数频率,并给出数值计算例子,将本方法的计算结果与有限差分程函方程初至走时和最大能量走时振幅进行比较,结果表明,该方法具有适应于任意复杂介质和多炮多接收点走时和振幅的计算.     

全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具. 通常, 远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线. 由于地球存在广泛非均匀结构, 传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响, 最终导致对研究区域内的成像结果产生影响. 为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响, 本文利用迎风差分格式数值求解程函方程, 得到全球非均匀模型中的远震射线, 以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法. 为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性, 选取青藏高原东北缘为研究对象. 合成测试和实际数据成像结果显示, 在考虑地球非均匀结构以后, 成像结果更精确, 结果展现更多成像细节.

     

有限频体波走时层析成像及其在华北地区的应用

自层析成像被引入到研究地球内部结构以来,地震层析成像发展迅速,现已成为研究地球深部结构的有效方法之一。按层析成像的理论依据,可以把地震层析成像分为射线层析成像和有限频层析成像。本文旨在掌握一种有限频灵敏度算核的计算方法,进而构建有限频层析成像的反演计算,并用有限频层析成像的方法研究华北克拉通上地幔的速度结构及其动力学意义。     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法, 但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多, 其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时, 地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低, 利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法, 它可以对任意强度的TI介质模型进行反演, 文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演, 由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同, 所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数, 不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果, 与各向同性介质走时反演结果相比较, 各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.

     

联合地震初至走时与早至波形的深度学习速度建模

地震初至走时和早至波形数据含有丰富的速度结构信息,被广泛用于地震速度建模.采用初至走时建模稳定,但精度不足;而地震波形速度建模虽然精度较高,但稳定性较低.联合采用初至走时和早至波形可能有助于同时提高速度建模的稳定性和精度,但走时和波形的物理意义不同,在数据结构上存在明显差异,难以直接在常规层析成像或波形反演中联合.本文提出联合地震初至走时与早至波形的深度学习速度建模方法,通过对特征数据集的异构数据进行维度变换,使初至走时和早至波形以不同通道输入到深度神经网络,形成相对应的速度模型映射.数值实验结果表明,该方法实现了初至走时和早至波形在速度建模中的优势互补,其建模精度优于仅采用初至走时及仅采用早至波形的深度学习建模方法和层析成像方法.利用异构数据开展深度学习速度建模的思路,对联合其他数据开展高精度速度建模也具有借鉴意义.

     

南北地震带南段远震P波走时层析成像研究

南北地震带南段位于青藏高原东南缘,是青藏高原与扬子克拉通的过渡地带.本文收集了该区域内90个固定台站和356个流动台站的远震波形数据,采用波形互相关方法拾取了88691个P波走时残差数据,应用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像方法获取了南北地震带南段深部的三维P波速度结构.结果显示了研究区深部的结构具有显著的不均匀性:腾冲火山地区深部400 km以浅的深度内分布着明显的低速异常;四川盆地西南部下方300 km内具有较强的高速异常;在上地幔顶部,沿川滇菱形块体周边的大型断裂带及川滇菱形块体南端分布着显著的低速异常,这些低速异常为青藏高原物质向东南方向挤出提供了必要的通道;保山地块下方存在一东倾的高速异常带,该高速异常带为印度板块岩石圈向东俯冲的体现.     

台湾海峡西南部深地震探测剖面Pg波走时层析成像

采用走时有限差分层析成像方法,利用2014年在台湾海峡西南部区域得到的3条海域测线的Pg波资料,获得了沿探测剖面沉积层上地壳基底的速度结构、基底形态和埋深。3条剖面基底深度为1.5~4.2km。基底埋深虽有一定变化,但仅在局部地区起伏较明显,显示了断裂或凹陷在上部地壳内的结构特征。通过和台湾海峡地质构造区划进行对比,反演得到的基底结构特征与地震剖面穿过区域的地质构造比较吻合,本次走时层析成像结果也为后续深部结构的反演提供了可靠的浅层速度信息。     

电磁波层析成像在绵阳污水处理工程场地勘探中的应用

电磁波层析成像(CT)是一种新的地球物理勘探方法，不仅勘探精度高，而且还具有快速、省钱的优点，本文叙述了电磁波层析成像技术的基本原理、工作方法及污水处理工程场地的勘探实例。最终以二维图像的形式直观、清晰地重现地下介质的构造形态，为工程场地地基安全稳定性评价提供重要依据。     

反射波走时高阶多项式拟合在三维地震透射中的应用

利用高阶多项式拟合的方法取代传统的T2-X2法进行反射波走时曲线拟合得到分层地壳中的走时残差,对其应用基于广义反演理论的速度层析成像技术,重建研究区台阵下方的上地壳三维速度结构图像.数值模拟和长白山天池火山三维地震透射速度层析成像都显示了该方法的有效性.     

浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

地球物理勘探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间, 但其成效与工程师的期待往往有不小的落差, 以致于在一般的工程应用上仍不普遍.近年来浅地表地球物理技术有显着的进展, 特别是在走时速度层析成像(Traveltime Tomography)、电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬态面波法(Multi-channel Analysis of Surface Wave).本文首先介绍这些方法在台湾岩土工程的应用, 主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染调查及地基改良的质量管控等, 应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用, 本文从工程师的角度提出地球物理勘探工程大量应用的挑战与瓶颈, 包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、探测深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题, 并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨, 降低物探师与工程师认知上的差距, 提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.     

远震层析成像在柴西狮子沟构造背景研究中的应用

利用2004——2007年在柴达木盆地西部狮子沟地区布设的地震台站的连续观测资料,挑选远震P波到时,采用远震体波走时层析成像方法进行反演处理,获得了该地区地下三维速度结构图象．反演结果表明,在研究观测地区西南侧存在一近北西走向的低速异常体,以较大倾角向北东方向插入;在该低速异常体的北部、东北部和东部环绕着相对高速的异常,其走向和分布范围基本与狮子沟背斜构造一致．      

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Matlab平台GUI的地震走时层析成像快速实现

地震走时层析成像是地球物理反演中的成熟方法之一,已在许多领域得到广泛应用,并取得了良好的效果。本文围绕地震走时层析成像GUI的快速实现,首先简要介绍了地震走时成像方法的原理和方法,并基于Matlab软件平台,利用GUI开发环境编写了二维横向非均匀地震走时层析成像图形用户界面(GUI),实现了方便快捷地反演地震测深资料的速度结构并以人机交互方式快捷灵活地将图像显示出来;结合实际观测资料处理结果表明,本文编制的GUI软件能够有效地实现地震走时层析成像结果的窗口化、图像化和快捷化。     

基于初至走时层析的弱全变差约束波场重构反演（英文）

全波形反演的目标泛函是一个强非线性函数,反演过程非唯一性强,容易陷入局部极值。本文首先在波场重构过程中将波动方程作为惩罚项引入到目标函数构建中,拓宽了解的搜索空间降低陷入局部极小值的风险,且反演过程不需要计算伴随波场,可显著提升计算效率;其次,考虑到全变差约束可以有效重构速度模型中的不连续界面,本文引入弱全变差约束来避免强全变差约束下的模型过度平滑估计,该策略的缺点是对初始模型的依赖性较强。鉴于此,本文将初至走时层析获取长波长初始模型作为一种先验模型约束,提出了基于初至走时层析的弱全变差约束波场重构反演方法。数值实验结果表明：新方法降低了对初始模型的依赖性,界面刻画更为准确误差降低,迭代收敛效率也得到了显著提升。     

改进Moser方法二维初至波走时层析成像正演研究

地震层析成像是剖析地球内部结构与性质的主要手段之一。以二维初至波走时层析成像为研究方向,剖析Moser初至波走时层析成像的基本原理,指出在原始算法中走时计算误差较大和射线路径追踪存在的问题,讨论提出两种改进办法,分别是：（1）使用动态节点提高走时计算的精度;（2）使用多重链表散列改进波前节点的处理效率。通过均匀介质模型验证改进Moser方法在正演中比原始算法在计算精度上的大幅提高,其中五个动态节点模型相对误差可达0.1%,解决了原始方法存在的问题。另外实现了改进的Moser方法在Marmousi2复杂介质模型中的正演计算,从绘制的波前射线图中可以看出与理论预期的结果相符,从而证明了改进Moser方法的准确性。