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.     

井间地震数据直达波走时层析成像

本文利用矢量射线追踪正演模拟技术计算地震波直达波传播的路径及走时,进而利用射线走时及路径的内插,发展了弯曲射线迭代反演技术.该方法可用来重建井间地层的速度图像.基于所发展的方法,我们对较为复杂的典型地质模型进行了井间速度重建.结果表明该方法是一项快速、高精度的走时层析成像技术.     

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。     

地震走时CT波前追踪

把走时CT结果作为地震衍射CT(DCT)的背景场可以改善DCT之成像质量。本文由Radon变换、泛函分析变分原理和微分几何导出程函方程后,采取有限差分法求解,实行波前追踪。通过对反射地震勘探和VSP 结构的源——接收系统编程实际运算,表明该波前追踪程序输入简单,适合于多层介质模型,各网格点的走时能迅速确定。     

石油地震纵横波速度层析成像

本文以分层均匀“多层介质模型”为依据,正演模拟多炮人工地面地震记录。其观测方式为:三炮位置分别在1500m,2500m,3500m处;道检距25m,140道(或道检距5m,700道),偏移距1000m。为提高地震反射层析成像的精度,运用“走时最小纵横波速度层析成像”与“波形基本解纵横波速度层析成像”相结合的方法,反演各层界面形状及各层纵波、横波速度,这是本文的特点。反演结果图与“多层介质模型”基本一致,相对误差小于5%,达到实际部门的要求。我们在数学上发展了“层析成像”的内容,如探索出求二维场强公式用一维基本解表示,因此大大提高了数值计算速度,具有一定的实用与理论价值。用“ProMAX软件”分析实际地震数据,获得地下11层垂直剖面图与纵横波速度层析成像结果。“项目程序系统”可供相关部门实际参考使用。     

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.

     

地震初至波走时的有限差分计算

本文提出了用有限差分解程函方程求取地震初至波走时的快速、精确方法。算法考虑了首波，散射波开采新的延拓方法。在任意复杂的速度结构中能得到精确的结果。本方法对叠前偏移、层析成像是非常适宜的。     

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.     

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。     

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。     

安新—宽城测深剖面的时域有限差分数值模拟

利用时域有限差分方法进行地震波模拟能够得到丰富的波场信息, 对研究复杂地质构造条件下的地震波波场十分有效。 该文在对时域有限差分方法进行概述的基础上, 以2002年4月施测的安新—宽城地震测深剖面资料为基础, 采用时域有限差分方法对该剖面进行二维全波数值模拟, 同时以理想匹配层作为模拟的吸收边界条件。 将模拟得到的合成地震图, 通过与野外实验得到的记录截面和射线追踪合成记录相比较和讨论, 验证了时域有限差分方法在模拟地震波传播过程的有效性。     

2018年台湾海峡6.2级地震前地震活动及应力状态研究

通过对2018年台湾海峡6.2级地震震中及邻区地震活动、小震震源机制解、地震视应力等资料进行综合分析, 研究了6.2级地震前区域地震活动及应力状态特征, 结合大陆和台湾岛GPS测量资料的分析, 探讨岛陆两地相对运动对区域应力场等的影响.结果表明: (1)地震前5年起上述区域地震活动明显由弱转强, 中小地震及震群活动由海域逐步向粤闽赣湘交界广泛扩散, 表明地震活动增强可能是较大范围应力场增强所致; (2)震源机制和应力场的分析表明, 区域应力场呈现拉张(震前15年)-挤压(震前5年)-拉张(震前半年)的演化特征; 地震视应力计算结果同样显示震前5年开始区域应力水平快速大幅上升并持续至临震前半年转为下降; (3) GPS基线长期观测表明台湾岛相对大陆存在年度"分离-相聚"交替运动, 6.2级地震前两岸经历了"分离-相聚-分离"2次明显的倒转运动, 运动方式倒转时间与应力场及地震活动变化存在准同步性.分析认为台湾海峡及粤闽赣湘交界等区域应力状态及地震活动可能主要受制于两岸相对运动方式, 台湾岛震前持续近5年朝大陆挤压造成区域应力持续增强可能是导致6.2级地震以剪切破裂方式发生的直接因素.菲律宾海板块位于台湾岛东部的动力触角作用可能是造成台湾岛相对大陆往返运动最主要的驱动力.     

大同地震台远震波形走时残差的计算和应用

选取大同地震台记录的2010-2019年531个Ms≥5.0地震事件,根据发震区域的不同对其波形走时残差进行分析,得到不同发震区域地震波形的平均走时残差.结果 表明,日本、喜马拉雅地区地震波形的走时残差总体为负值,平均残差分别为-1.51 s、-0.70 s;斐济、中国台湾地区、南美洲西海岸地区大多为正值,平均残差为0...     

台湾海峡深地震探测:HX9测线试验及初步成果

利用海上大容量气枪震源、陆上地震台站(包括流动台站和固定台站)和海底地震仪首次在台湾海峡地区开展了深地震探测试验。试验结果表明,"延平2号"科考船气枪枪阵信号最远传播距离达280km,成功获得了数万道高质量的地震数据,并且识别了不同类型的P波震相。HX9剖面一维地壳结构模型表明,由2个速度间断面产生的Pc及Pm P两组反射波和基底折射波(Pg)所反映的地壳结构构成了该区基本的地壳结构特征,康拉德界面和莫霍界面的深度分别为16.0~17.5、28.0~29.5km。     

钦杭—武夷山成矿带上地壳速度结构与基底特征:万载—惠安宽角反射/折射地震剖面约束

钦杭成矿带和武夷山成矿带是华南大陆两个重要的成矿带,成矿作用主要发生于中生代陆内造山时期.地质研究表明,基底和地表断裂的特征对成矿过程有重要的控制作用,研究上地壳结构特征对成矿差异性特征的认识有重要的参考价值.为此,本文基于跨越钦杭、武夷山成矿带江西万载至福建惠安的NW-SE向深地震测深剖面初至波数据,利用有限差分走时反演方法,获得了钦杭、武夷山成矿带8 km深度范围内的上地壳P波速度结构,其主要特征为：（1）钦杭、武夷山成矿带上地壳P波速度横向非均匀特征明显,以5.8 km·s^-1速度等值线作为基底参考面,发现剖面基底埋深较浅,约1.0~3.0 km;钦杭成矿带的基底埋深总体小于武夷山成矿带,分别为0.5~2.0 km和1.5~3.0 km;（2）P波高速区（速度正异常区）与地表出露的岩浆岩对应较一致,P波低速区（速度负异常区）与主要的断裂位置或沉积盆地对应较一致,绍兴—江山—萍乡断裂和政和—大浦断裂下方的低速特征显示两条断裂至少向深部延伸8 km以上,暗示两条断裂具备深大断裂的性质,推测绍兴—江山—萍乡断裂可能是扬子块体和华夏块体的边界;（3）综合已有的地质、地球物理资料,我们推测钦杭成矿带和武夷山成矿带上地壳P波速度的不同,反映了深部岩浆作用过程的差异,基底深度及断裂性质是造成两个成矿带成矿差异的重要因素.

     

钦杭—武夷山成矿带上地壳速度结构与基底特征:万载—惠安宽角反射/折射地震剖面约束

钦杭成矿带和武夷山成矿带是华南大陆两个重要的成矿带,成矿作用主要发生于中生代陆内造山时期.地质研究表明,基底和地表断裂的特征对成矿过程有重要的控制作用,研究上地壳结构特征对成矿差异性特征的认识有重要的参考价值.为此,本文基于跨越钦杭、武夷山成矿带江西万载至福建惠安的NW-SE向深地震测深剖面初至波数据,利用有限差分走时反演方法,获得了钦杭、武夷山成矿带8 km深度范围内的上地壳P波速度结构,其主要特征为：（1）钦杭、武夷山成矿带上地壳P波速度横向非均匀特征明显,以5.8 km·s^-1速度等值线作为基底参考面,发现剖面基底埋深较浅,约1.0~3.0 km;钦杭成矿带的基底埋深总体小于武夷山成矿带,分别为0.5~2.0 km和1.5~3.0 km;（2）P波高速区（速度正异常区）与地表出露的岩浆岩对应较一致,P波低速区（速度负异常区）与主要的断裂位置或沉积盆地对应较一致,绍兴—江山—萍乡断裂和政和—大浦断裂下方的低速特征显示两条断裂至少向深部延伸8 km以上,暗示两条断裂具备深大断裂的性质,推测绍兴—江山—萍乡断裂可能是扬子块体和华夏块体的边界;（3）综合已有的地质、地球物理资料,我们推测钦杭成矿带和武夷山成矿带上地壳P波速度的不同,反映了深部岩浆作用过程的差异,基底深度及断裂性质是造成两个成矿带成矿差异的重要因素.     

台湾海峡及其邻区现今构造应力场数值模拟

本文将台湾海峡及其邻区划分为多个具有不同弹性参数的等厚区块,并利用基于弹性理论的有限元数值模型,以GPS观测速度和由震源机制解(FMS)得到的主应力轴方向为约束条件,计算了该研究区的现今构造应力场.结果表明:(1)最大主应力轴在台湾海峡中部和台湾岛弧中部大致为NW-SE向,在东北部呈顺时针旋转,而在南部呈逆时针旋转;(2)研究区水平位移场大致以23°N为界,南强北弱,且在北部呈顺时针旋转,南部呈逆时针旋转;(3)东沙-澎湖-北港隆起因强度大于周边盆地区而成为"阻挡带",导致在其南北出现两个反向的构造逃逸区,并且隆起东南区形变特别强烈,而其西北区则相对较弱.     

台湾海峡及其邻区现今构造应力场数值模拟

本文将台湾海峡及其邻区划分为多个具有不同弹性参数的等厚区块,并利用基于弹性理论的有限元数值模型,以GPS观测速度和由震源机制解(FMS)得到的主应力轴方向为约束条件,计算了该研究区的现今构造应力场.结果表明:(1)最大主应力轴在台湾海峡中部和台湾岛弧中部大致为NW-SE向,在东北部呈顺时针旋转,而在南部呈逆时针旋转;(2)研究区水平位移场大致以23°N为界,南强北弱,且在北部呈顺时针旋转,南部呈逆时针旋转;(3)东沙-澎湖-北港隆起因强度大于周边盆地区而成为"阻挡带",导致在其南北出现两个反向的构造逃逸区,并且隆起东南区形变特别强烈,而其西北区则相对较弱.     

台湾海峡架桥铺路的层析技术问题的初步分析

关于在台湾海峡架桥和修筑隧道的问题从1987年至2002年在福省召开过三次"台湾海峡两岸地质地震和架桥与修筑隧道的研讨会",以后陆续出版了相应的论文和论文集,提出了"台湾海峡架桥和修筑隧道的可行性研究",和"台湾海峡隧道工程设计总建议"等[1-4],论述了修建该工程的可行性等问题.提出平潭岛可作为海峡北线的端点,探讨了如何具体建桥和相关工程的问题.近年来地球层析技术的发展,可对台湾海峡隧道工程的工程地质问题,海港的开发和沿海陆地的充分利用等,做出探测台湾海峡地下地层三维成像细结构和地球物理场的空间分布,作为台湾海峡架桥铺路工程基本设计的必要依据.为了让大中小轮船在台湾海峡顺利通航,利用现代的科技研讨台湾海峡两岸连接的最佳方案.为了架成大型的高桥和修建堤坝式的地基,必须用地震层析和应力波等方法探测桥梁和堤坝地基的结构和地层的坚实程度,以便决定桥墩深入海底的深度,和设计坚固而又经济的桥墩与堤坝的基础.参考开采海底石油平台施工和荷兰填海造田的工程经验,以双边海堤与大型高桥及活动的船闸相结合,从平潭岛东至台湾新竹西海岸,在124千米距离上架设4-6段桥梁和5-7段堤坝型的路基,既让大中小船舶照常航行,海洋生物照常游动,又可在其上通车,以缩短两岸距离,适应中国大陆和台湾经济快速发展的需要,争取和平沟通的愿望.由于架桥铺路的工程费用较修筑隧道的投资低得多,在福建近海地带局部填海造地,充分利用海洋资源和建筑深水码头,可得到较大的经济补偿,在现阶段较易实施.本文初步分析了有关的地球层析和工业CT技术的作用问题.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.