接收函数的曲波变换去噪

压制横向非均匀地壳介质引起的散射波场对于基于水平分层介质模型的接收函数地壳结构成像及其地震各向异性研究至关重要.虽然通过数据叠加和低通滤波,在一定程度上能够压制散射波场,但也有可能导致不希望的波形畸变、信息丢失或数据分辨率降低.为了避免上述问题,本文将近年来快速发展的曲波变换理论用于远震接收函数的散射噪声压制.与勘探地震学不同,我们面临的主要问题在于地震台站和震源的空间缺失导致的接收函数空间不均匀采样.为此,我们将压缩感知理论与曲波变换去噪相结合,在对缺失数据进行波场重建的同时,实现散射噪声的压制.为了论证方法的可行性,本文进行了噪声压制和波场重建的理论检验.并将本文方法用于处理IRIS全球台网固定台站和川西台阵远震接收函数.结果表明:1)地壳介质横向不均匀引起的散射噪声可以得到有效压制,接收函数的信噪比得到提高,震相的可追踪性得到改善,从而利于进一步的接收函数反演和地震各向异性研究; 2)缺失数据可以正确重建; 3)本文的方法既可用于单台-多事件的数据集,也可用于单个事件-阵列观测的数据去噪,但单台-多事件数据集的结果优于阵列观测的情况.     

中国东北地区地幔转换带接收函数三维Kirchhoff偏移成像研究

中国东北地区地幔转换带结构对于研究新生代板内火山深部成因及板片俯冲作用具有重要意义.本文利用东北地区密集流动台阵记录提取到的约60, 000接收函数, 采用三维Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区410-km和660-km界面埋深以及转换带厚度分布图像.成像结果显示: 长白山火山下方410-km和660-km界面均出现下沉, 且660-km下沉的幅度较410-km更大, 在25km以上, 认为与太平洋俯冲板片在转换带的停滞有关.长白山及龙岗火山以西过渡带厚度呈现小幅度减薄的特征, 暗示俯冲板片在660km深度附近可能发生撕裂.板片撕裂引起的热物质上涌和俯冲板片脱水共同为长白山火山提供了深部热源.五大连池火山下方观测到410-km界面抬升, 而660-km界面下沉的现象, 认为410-km界面的抬升可能与岩石圈拆沉有关, 拆沉引起的局部对流可能为五大连池火山提供热源, 而660-km界面的下沉可能反映存在残留的太平洋俯冲板片.

     

小波与曲波变换探地雷达数据去噪对比分析

探地雷达勘探工程目标及观测工程环境越加复杂给其精确的数据处理带来极大挑战,高效的探地雷达数据去噪算法是当前关注的重要研究领域.基于阈值去噪思想,小波变换和曲波变换去噪算法在探地雷达数据去噪应用中受到限制,有必要开展上述两种去噪算法适用性和实用性系统评价及改进.基于传统高阶相关统计阈值和块状复数域阈值函数,本文开展了小波变换及曲波变换去噪算法在合成含噪数据去噪效果对比分析;提出窗口高阶相关统计阈值小波变换去噪算法、探讨了块状复数域阈值函数取值变化对曲波变换去噪效果影响规律.通过对实测数据去噪分析,验证了窗口高阶相关统计阈值小波变换和估计块状复数域阈值函数曲波变换去噪算法的可行性及有效性.     

基于曲波变换的航空电磁数据去噪方法研究

航空电磁法作为一种地形复杂地区资源探测的有效方法,近年来得到了广泛的应用.然而,由于系统所处的动态环境,噪声干扰严重.为了改善航空电磁数据质量,提高地下电性反演的准确性,需要研发相关去噪技术.传统航电去噪大多针对特定噪声或单一测线上的信号进行处理,难以兼顾相邻测线之间观测信号的相关性.本文采用曲波变换进行二维航空电磁数据去噪.由于曲波变换具有多尺度和多方向性特征,可以在对噪声精细分析的基础上进行有效去除,同时还保证了整个测区内信号的相关性.进而,我们提出Sigmoid阈值函数对传统阈值函数进行改进,以进一步改善去噪效果.为了验证曲波变换方法对航空电磁数据去噪的有效性,将曲波变换和传统去噪方法分别应用于理论模型和实测数据进行对比.试验证明本文曲波变换用于航空电磁数据去噪具有明显的优越性.

     

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.     

基于曲波变换的航空电磁数据去噪方法研究

航空电磁法作为一种地形复杂地区资源探测的有效方法,近年来得到了广泛的应用.然而,由于系统所处的动态环境,噪声干扰严重.为了改善航空电磁数据质量,提高地下电性反演的准确性,需要研发相关去噪技术.传统航电去噪大多针对特定噪声或单一测线上的信号进行处理,难以兼顾相邻测线之间观测信号的相关性.本文采用曲波变换进行二维航空电磁数据去噪.由于曲波变换具有多尺度和多方向性特征,可以在对噪声精细分析的基础上进行有效去除,同时还保证了整个测区内信号的相关性.进而,我们提出Sigmoid阈值函数对传统阈值函数进行改进,以进一步改善去噪效果.为了验证曲波变换方法对航空电磁数据去噪的有效性,将曲波变换和传统去噪方法分别应用于理论模型和实测数据进行对比.试验证明本文曲波变换用于航空电磁数据去噪具有明显的优越性.     

压缩感知高分辨率接收函数叠加成像及其应用

接收函数成像方法纵向分辨能力高,而其水平分辨能力很大程度上取决于地表观测台站分布.经典共转换点(Common Conversion Point,CCP)叠加成像方法应用中,如果存在台站稀疏区,往往需要统一选取较大尺度叠加半径以获得连续的成像剖面.这不仅造成台站密集区域成像分辨率损失,且使成像界面产生明显的叠加痕迹.本文结合压缩感知理论和经典CCP成像方法实现提高空间分辨率的接收函数成像.我们假设地下界面在局部范围内变化较缓慢、形态特征稳定,那么接收函数信号相应具有一定的稀疏特性.基于此假定,首先通过压缩感知稀疏促进算法从稀疏、不规则分布的地震台阵接收函数重构出密集、规则化的“虚拟台阵”接收函数.之后,利用重构得到的“虚拟台阵”接收函数,采用小尺度叠加半径进行共转换点叠加成像获得高分辨率转换界面成像剖面.特别地,我们在叠加成像前进行了叠前成像点振幅补偿处理,以克服台站分布不均匀导致的成像能量不均衡问题.台站越稀疏的区域,其振幅补偿值越高.本文方法可以极大减少经典CCP成像方法实际应用中为了兼顾台站稀疏区域采用大尺度叠加半径所造成的空间分辨率损失和“阶梯状”界面的叠加痕迹,在保证台站密集区高分辨率成像结果的同时有效提高台站稀疏区的成像分辨率并提升成像质量.数值模拟测试和华北克拉通科学台阵观测数据应用结果表明,压缩感知接收函数叠加成像方法可以实现可靠的高分辨率深部转换界面成像,在高分辨率深部结构研究中具有广阔的应用前景.

     

曲波阈值法地震弱信号识别及去噪方法研究

深层勘探及小断裂、小幅度构造等隐蔽油气藏勘探是目前老油区增产的重要手段,而进行这类油藏勘探时所面临的共同问题是在相对较高的噪音中识别信号,即弱信号的识别问题.利用小波的多尺度特性,可以在——定程度上压制噪声,识别弱信号.但小波变换在处理二维数据时,对线性奇异性的边缘的识别有一定局限性,而曲波变换能较好地识别二维奇异性边...     

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.     

各向异性介质中S波接收函数成像方法

岩石圈各向异性主要由上地幔矿物晶格优势排列方向和上地壳内裂缝、裂隙的定向分布造成.在各向异性特征显著区域,利用SKS震相剪切波分裂获得的延迟时间高达1.5 s以上.本文根据方位各向异性,利用广义反射透射系数矩阵方法正演S波接收函数,研究各向异性对不同反方位角接收函数转换震相走时的影响.我们发展了基于HTI模型各向异性走时校正的方法,成功的在单层和多层（快轴方向相同或不同）的各向异性介质中对齐不同反方位角接收函数的Moho面和LAB的转换震相走时.我们将该方法应用于在青藏高原东北缘的流动台站,试图在各向异性强度较大区域对实测数据转换震相走时的校正效果进行测试.结果表明：各向异性走时校正能够加强单台接收函数转换震相的可追踪性,能量增强的叠后转换震相在时深转换后更利于对界面深度的识别与判断;在考虑三维成像的情况下,我们的各向异性校正方法对提高成像结果的准确性有重要意义.

     

接收函数的克希霍夫２D偏移方法

本文将地震反射资料成像的Kirchhoff偏移方法引入到接收函数成像研究,提出了一种接收函数的Kirchhoff偏移方法,以适应介质速度的横向变化,提高接收函数成像的精度和分辨率. 模型检验表明,与传统的水平分层的共转换点偏移叠加方法相比,Kirchhoff偏移方法能够实现转换波的有效归位,消除水平分层共转换点偏移叠加造成的假象. 一个很重要的现象是,倾斜或弯曲界面的成像明显受控于远震的入射方向,其成像精度的提高有赖于不同方向接收函数的联合成像.     

接收函数方法及其新的进展

远震P波波形数据中包含了大量地震台站下方地壳和上地幔速度间断面所产生的PS转换波及其多次反射波的信息，由此提取的接收函数是了解地壳上地幔速度细结构的重要步骤手段之一．最近几年，接收函数和面波联合反演方法获得了较大的成功，两种分别对两种波形进行拟合，对反演的速度结构提供了有效的约束．地震勘探中的一些成熟技术被引进接收函数的数据处理，使其可用于地壳和上地幔主要速度界面的侧向变化研究．为增强接收函数的信噪比，将不同事件提取的接收函数进行分类，按方位角进行叠加，可以反应一些速度界面的横向变化．接收函数方法可用于PS转换震相的剪切波分裂研究．泊松比是推测地球内部物质构成的有效参数之一．接收函数方法分离出的转换波为获取泊松比提供了一条行之有效的便捷途径，单一的地震台远震记录中转换波可以估计点位下面地壳Vp/Vs值．另一方面，一些最新的反演技术被引入接收函数的反演．例如，格子收索方法力图解决接收函数反演中的不稳定性和非唯一性问题，格子搜索设计比较容易地结合先验约束并保证搜索是全空间的，避免了使用任何初始模型．该方法能保证在格子的间隔和参数的限度内获得全局最小，该方法被用于中东、南美及临近地区的深部结构．相邻算法是基于计算几何的概念而构建的一种非线性反演方法．该方法避免了此前一些方法(遗传算法、模拟退火)的一些缺陷，如大量样本的舍弃、过多参数的引进等，该算法对我国的五大连池和腾冲火山区的深部结构的反演，以及滇西地区的深部动力学研究获得了良好的效果．     

Crust and upper mantle structures beneath Northeast China from receiver function studies

P-wave and S-wave receiver function analyses have been performed along a profile consisted of 27 broadband seismic stations to image the crustal and upper mantle discontinuities across Northeast China. The results show that the average Moho depth varies from about 37 km beneath the Daxing’anling orogenic belt in the west to about 33 km beneath the Songliao Basin, and to about 35 km beneath the Changbai mountain region in the east. Our results reveal that the Moho is generally flat beneath the Daxing’anling region and a remarkable Moho offset (about 4 km) exists beneath the basin-mountain boundary, the Daxing’anling-Taihang Gravity Line. Beneath the Tanlu faults zone, which seperates the Songliao Basin and Changbai region, the Moho is uplift and the crustal thickness changes rapidly. We interpret this feature as that the Tanlu faults might deeply penetrate into the upper mantle, and facilitate the mantle upwelling along the faults during the Cenozoic era. The average depth of the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) is ~80 km along the profile which is thinner than an average thickness of a continental lithosphere. The LAB shows an arc-like shape in the basin, with the shallowest part approximately beneath the center of the basin. The uplift LAB beneath the basin might be related to the extensive lithospheric stretching in the Mesozoic. In the mantle transition zone, a structurally complicated 660 km discontinuity with a maximum 35 km depression beneath the Changbai region is observed. The 35 km depression is roughly coincident with the location of the stagnant western pacific slab on top of the 660 km discontinuity revealed by the recent P wave tomography.     

接收函数反演地壳S波速度结构的有效约束方法

本文通过对径向接收函数和垂直向接收函数进行低通滤波,获取了S波视速度随低通滤波参数的变化曲线,然后利用经验关系将它转换成了台站下方的S波速度结构,并以此作为接收函数反演的初始模型.理论数值实验表明:由于初始模型的S波速度值提供了有效的约束,即使Moho面深度并不准确,但反演迭代过程还是快速地向真解逼近.另外,通过给观测波形加入10%的噪声,在保持S波速度不变的情况下,分别对波速比进行5%的正负扰动(即泊松比分别扰动为0.23和0.27),反演结果仍然快速向真解收敛.对保山台记录的远震接收函数反演结果表明:用本文方法反演所得结果与测深结果较为一致.这充分说明只要S波速度值(而非泊松比)能够提供有效的约束,接收函数的反演过程对P波速度的选取并不敏感.     

印度板块下地壳北向俯冲与榴辉岩化的地震学证据:接收函数成像结果

印度地壳与岩石圈地幔的俯冲前缘和俯冲形态,对认识高原构造变形、隆升机制有重要意义.本文基于青藏高原西缘分布的流动宽频带地震台站（TW-80测线和Y2台网）记录的远震波形数据,通过接收函数H-κ网格搜索与CCP叠加方法,对研究区地壳结构进行成像.结果显示：（1）研究区西侧北西—南东向剖面（剖面1,2）,狮泉河逆冲断裂带以南,深度67~80 km范围内均观测到连续的Moho界面;40~55 km范围内存在另一组横向上可连续追踪的界面,其形态与之下Moho面横向变化趋势近乎平行;（2）研究区东侧剖面3下方,Moho面从南端喀喇昆仑断裂带下方向北逐渐加深,在雅鲁藏布江缝合带附近增至大约67 km,进入拉萨块体至台站WT20和WT03下方至最深75~80 km,然后向北有所抬升.基于成像结果和岩石学研究成果推测藏南块体下方,自西向东均存在俯冲印度板块下地壳的榴辉岩化现象,可以用来指示印度板块地壳尺度的俯冲前缘,其在青藏高原西部（约80°E）位于班公湖—怒江缝合带附近,向东逐步递减至拉萨块体中部.

     

印度板块下地壳北向俯冲与榴辉岩化的地震学证据:接收函数成像结果

印度地壳与岩石圈地幔的俯冲前缘和俯冲形态,对认识高原构造变形、隆升机制有重要意义.本文基于青藏高原西缘分布的流动宽频带地震台站（TW-80测线和Y2台网）记录的远震波形数据,通过接收函数H-κ网格搜索与CCP叠加方法,对研究区地壳结构进行成像.结果显示：（1）研究区西侧北西—南东向剖面（剖面1,2）,狮泉河逆冲断裂带以南,深度67~80 km范围内均观测到连续的Moho界面;40~55 km范围内存在另一组横向上可连续追踪的界面,其形态与之下Moho面横向变化趋势近乎平行;（2）研究区东侧剖面3下方,Moho面从南端喀喇昆仑断裂带下方向北逐渐加深,在雅鲁藏布江缝合带附近增至大约67 km,进入拉萨块体至台站WT20和WT03下方至最深75~80 km,然后向北有所抬升.基于成像结果和岩石学研究成果推测藏南块体下方,自西向东均存在俯冲印度板块下地壳的榴辉岩化现象,可以用来指示印度板块地壳尺度的俯冲前缘,其在青藏高原西部（约80°E）位于班公湖—怒江缝合带附近,向东逐步递减至拉萨块体中部.