基于邻域算法的瑞利面波垂直-水平振幅比及频散曲线联合反演及应用

瑞利面波垂直-水平振幅比(或ZH振幅比)是一个随频率变化的函数,对于台站下方浅层地壳结构非常敏感,且具有和频散资料不同的深度敏感核,是传统频散反演方法的一个很好的补充,从而可以将基阶瑞利面波的ZH振幅比和面波频散数据联合起来更好地反演获得观测台站下方的速度结构.本文提出了基于邻域算法的面波频散曲线与ZH振幅比联合反演方法,我们进行了基于理论模型的模拟测试,证明了联合反演是一种更为可靠的反演方法,且能更好地约束浅层地壳结构.相比于频散曲线单独反演,联合反演不仅可以精确反演获得地壳的Vs结构,对分层地壳的Vp/Vs也能很好地约束.然后我们将联合反演算法应用于实际测量数据,获得了中国西南昆明台(KMI)下方更为准确的地壳横波速度结构及Vp/Vs模型.     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得105～1050s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

云南壳幔S波速度结构与强震的构造背景

本文选取云南及周边65个台站记录到的47个地震事件,利用相匹配滤波技术分离出了基阶Rayleigh面波信号.选取与震中处于同一大圆弧上的两个台站,利用双台格林函数法获取了台间相速度频散,频散的周期范围在10～80 s之间.从2000个波形记录中提取了152个台站对之间的相速度频散,最后,利用台间的相速度频散反演得到云南...     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

基于矢量波数变换法(VWTM)的多道Rayleigh波分析方法

在近二十年来,多道面波分析法(MASW)由于其便捷、高效等特性在浅层地震勘探领域得到了广泛的应用.本文基于多道面波勘探的采集方式,提出了一种新的面波多道分析方法——矢量波数变换法(VWTM).该方法通过对震源的近似,基于水平层状模型得到台站与震源间近似格林函数,然后进行矢量波数变换得到含有高阶模态Rayleigh波(频率-相速度)频散能量图.本研究首先利用合成地震数据到频散能量图与理论频散曲线进行叠加分析该方法的有效性和正确性;然后与相移法进行对比分析,我们发现在频散能量图中VWTM法对基阶、高阶模态成像均具有更高的分辨率和成像质量;最后我们将其应用于实际多道瞬态面波探测中,通过与相移法进行对比分析,发现VWTM法是一种方便、实用、有效的Rayleigh波频散提取方法.VWTM法提取多模态的Rayleigh波频散特征具有巨大潜力,可为基阶、高阶面波频散联合反演提供丰富的高阶模态频散信息.     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

面波频散与体波接收函数联合反演研究回顾及展望

面波频散和接收函数是研究地壳上地幔速度结构的重要方法.面波频散对绝对S波速度较为敏感,但对界面结构约束不强;而接收函数对间断面具有很好的分辨能力.二者优势互补,通过联合反演,可以得到更为准确的壳幔内部界面及绝对S波速度结构.近十几年来,随着噪声地震学的迅猛发展以及大量宽频带地震仪的架设,该联合反演方法得到了更进一步的应用.为了便于梳理该研究方向的脉络,本文分别回顾了面波频散与体波接收函数的方法原理及其在壳幔结构反演中的应用,并分析了两种方法的优势与不足.在此基础上,介绍了二者的联合反演方法,以及在地壳上地幔速度结构研究中的应用.展望了联合反演方法的进一步发展,以及加入多种地球物理观测数据对反演地壳上地幔结构的意义.     

基于接收函数与背景噪声联合反演的研究与应用

本文回顾了接收函数线性反演及接收函数与频散曲线联合反演的理论.为了检验两种方法在实测数据中的应用效果,我们选择云南区域台网位于四个不同次级块体的四个台站为例:首先,计算了四个台站的远震P波接收函数;然后,分别运用接收函数线性反演和接收函数与背景噪声数据联合反演两种方法分别得到台站下方的S波速度结构;另外,运用H-k扫描方法验证两种反演方法获取的莫霍面深度的可靠性.在反演过程中,当我们提供具有深一些莫霍面的初始模型时,联合反演获取的莫霍面深度与H-k扫描结果具有很好的一致性,同时联合反演也能有效地捕捉低速层,对反演的S波速度也有较好的约束.由此推知,加入背景噪声相速度数据后的联合反演对初始模型的依赖性低于单独用接收函数反演的结果.     

Passive Surface-Wave Waveform Inversion for Source-Velocity Joint Imaging

Surveys in Geophysics - Reliable dispersion measurement between two seismic stations is an essential basis of surface wave imaging. Noise source directivity has become an inescapable obstacle and a...     

云南地区的背景弹性波场分析

利用云南省地震台网44个台站记录的2008年1-9月连续波形数据进行互相关计算,得到了台站间的格林函数,并获取对应的频散曲线,据此分析了该地区的区域背景弹性波场的来源及分布.研究发现,该地区的区域背景弹性波场有着明显的方向性,15s信号的总体传播方向是从东南向西北,也就是说主要来自云南省的东南方向,据此推测区域背景弹性...     

基于图像分析的双台面波相速度频散曲线快速提取方法

双台波形的互相关方法是面波相速度频散曲线提取的一种常用方法。传统的方法精度不高,效率较低。本文提出了一种基于图像分析的频散曲线快速提取方法,采用图像显示互相关振幅矩阵,且提出了快速追踪整条频散曲线的算法,并用Matlab编写了交互式的处理软件。基于这种方法编写的资料处理软件提高了双台相速度频散曲线提取的速度和精度,为大批量处理地震数据资料提供了坚实的软件基础。基于图像分析的方法可以更为清晰地展现出双台问的面波频散曲线的特征,对频散曲线的识别和分析也提供了更为有效的研究工具。     

Seismic characterization of shallow bedrock sites with multimodal Monte Carlo inversion of surface wave data

Sites with a limited overburden over a stiff basement are of particular relevance for seismic site response. The characterization of such stratigraphies by means of surface wave methods poses some difficulties in interpretation. Indeed the presence of sharp seismic contrasts between the sediments and the shallow bedrock is likely to cause a relevance of higher modes in the surface wave apparent dispersion curve, which must be properly taken into account in order to provide reliable results. In this study a Monte Carlo algorithm based on a multimodal misfit function has been used for the inversion of experimental dispersion curves. Case histories related to the characterization of stations of the Italian accelerometric network are reported. Spectral ratios and amplification functions associated to each site are moreover evaluated to provide an independent benchmark test. The results show the robustness of the inversion method in such non-trivial conditions and the possibility of getting an estimate of uncertainty related to solution non-uniqueness.     

Shallow geology characterization using Rayleigh and Love wave dispersion curves derived from seismic noise array measurements

The local geology and shallow S-wave velocity structure of a site are recognized to be key factors for the increase in the damaging potential of seismic waves. Indeed, seismic amplitudes may be amplified in frequency ranges unfavorable for building stock by the presence of soft sedimentary covers over lying hard bedrock. Hence, microzonation activities, which aim at assessing the site response as accurately as possible, have become a fundamental task for the seismic risk reduction of urbanized areas. Methods based on the measurement of seismic noise, which typically are fast, non-invasive, and low cost, have become a very attractive option in microzonation studies.Using observations derived from seismic noise recordings collected by two-dimensional arrays of seismic stations, we present a novel joint inversion scheme for surface wave curves. In particular, the Love wave, the Rayleigh wave dispersion and the HVSR curves are innovatively combined in a joint inversion procedure carried out following a global search approach (i.e., the Genetic Algorithm).The procedure is tested using a data set of seismic noise recordings collected at the Bevagna (Italy) test-site. The results of the novel inversion scheme are compared with the inversion scheme proposed by Parolai et al. (2005), where only Rayleigh wave dispersion and HVSR curves are used, and with a cross-hole survey.     

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。     

浅层地震反射资料的多阶振型面波反演

浅层地震反射波法和面波方法是两种相互独立发展的地震勘探方法,在各自的数据采集和处理中,对方都是作为干扰信号而存在. 本文利用浅层地震反射资料中被视为干扰的面波信号,通过成熟的多道面波勘探技术处理浅层地震反射资料,在频率-波数域中提取多阶振型面波的频散曲线,并基于该曲线反演浅地表S波速度结构. 这种方法充分开发利用了已有数据,无需单独的面波数据采集系统,同时为解释浅层地震反射资料提供了额外的信息约束. 结果表明:浅层地震反射资料中可提取出可靠的多阶振型面波频散曲线,并能给出稳定的反演结果,同时,面波反演的多解性可以通过高阶振型反演得以进一步约束;低速层的存在是观测频散曲线出现振型跳跃或呈“之”字形回折的必要条件而非充分条件.      

Estimated Green's function extracted from superconducting gravimeters and seismometers

Estimated Green's function (EGF) between stations has been extracted from ambient seismic noise, direct surface wave and coda waves. It is also confirmed by laboratory experiments on ultrasonics and theoretical derivations assuming diffusive wave field, equi-partition of modes or random sources on an enclosed surface. This method provides a new approach to study the crust and mantle structure at regional scale, continental scale and global scale. Following the achievements with seismometer records, the records of infrasonic station, hydrophone and microphone were also used to obtain the EGFs of different wave fields. Since superconducting gravimeter is a better long period instrument than regular seismometer, EGF at longer period is expected to be obtained with the cross correlation of gravity data. In this paper, we will show the EGFs extracted by cross-correlations between the superconducting gravimeters and the seismometers. Both the travel times and dispersion curves obtained from different data types are consistent. The result shows that it is possible to retrieve the deep structure by the cross correlation of gravity data.     

地震面波频散的数字计算——方法与试验

在108-乙型数字计算机上进行了地震面波频散处理方法的试验。包括:（1）参数固定的和可变的数值滤波;（2）测定群速度的“移动窗”和“多重滤波”技术;（3）测定相速度的互相关法。应用了快速傅氏变换计算两个台记录的地震面波的互相关函数。使用数字处理技术分析地震面波频散,除了提高计算速度和便于处理之外,还可扩大测量周期的范围至20-70秒,从此可作出对地壳参数性质的更可靠的测定。