南海北部地壳密度结构:基于约束三维重力反演

地壳结构的揭示是研究陆缘伸展机制的基础.尽管在南海北部陆缘已开展了大量地壳尺度的二维地震探测,但目前还存在许多覆盖空白的地区,这些调查所得到的结果无法提供地壳结构的区域视图.为了揭示南海北部的地壳结构,本研究将水深和沉积物厚度信息作为约束条件,对空间重力异常进行区域三维反演,并利用地震研究的结果来衡量反演结果的质量.沿地震测线的密度切片显示,重力反演结果与地震研究结果具有良好的一致性.本研究通过选择两个与地震研究结果最匹配的密度异常等值面分别作为康拉德面和莫霍面,获取了莫霍面深度和上、下地壳的厚度.根据假设的相应初始地壳厚度,本研究进一步计算了全地壳、上地壳和下地壳的拉张因子.通过与已发表的居里面深度比较,发现南海北部大部分地区的居里面深度均位于莫霍面之下,其中西沙海槽的拉张因子β_w大于3.5并且缺乏岩浆活动,是地幔橄榄岩蛇纹石化的潜在区域.南海北部陆缘的地壳拉张因子显示其经历了伸展方向为128°和160°的两组张裂运动,分别对应于神弧运动和珠琼运动一幕及二幕,在张裂过程中应力场发生了顺时针旋转.此外,上、下地壳的拉张因子表明北部陆缘普遍存在正向和反向差异伸展,陆架区域表现为反向差异伸展,洋陆过渡带为正向差异伸展,推测这种正向和反向差异伸展可能是由下地壳流动导致的,由地壳厚度差异引起的横向梯度力、软流圈浮力和沉积物负载共同驱动.

     

青藏高原地壳三维密度结构的重力反演

在阻尼最小二乘法的基础上,提出了利用重力进行三维密度反演的选权拟合法,并利用密度分布的特点构造了约束权矩阵.为了改善单一重力反演的非唯一性,利用地震面波层析成像资料进行约束,得到了青藏高原不同深度高分辨率三维密度异常分布图.反演结果显示,青藏高原地壳内密度很不均匀,不同块体具有不同的密度异常特征,拉萨和羌塘地体为低的负密度异常区,松潘-甘孜地体东部存在较低的负密度异常区,塔里木盆地存在较高的正密度异常区.从中部到东部,上地壳物质存在差异,而下地壳物质存在一定连续性.     

重力和形变资料联合反演地壳密度时间变化的一种方法

基于单层位理论，利用动态大地测量基本方程，选取Ｂｊｅｒｈａｍｍａｒ虚拟球作球近似同时将地面观测数据δｇｔ（重复重力）和δＨｔ（重复水准）等解析延拓至Ｂｊｅｒｈａｍｍａｒ球面上，得到求解地壳内部密度时间变化及相关重力位场时间变化的一组公式，并给出了相应的迭代求解方法。     

利用重力资料研究地壳分层结构的遗传反演方法

根据模型分解思想，采用变密度多层地壳密度模型，据此推导了相应的重力异常正演计算公式。以遗传算法为基础，结合上述重力异常正演公式，形成了地壳多层密度结构的遗传反演方法。     

中国大陆地壳密度差异多尺度反演

利用小波分析方法原理,在对中国布格重力异常多尺度分解的基础上,反演了各种尺度意义下中国大陆地壳的密度差异,给出了中国大陆地壳中相对密度差异的空间分布,为研究中国大陆地壳构造、进行深部地质研究提供了新结果．     

中国大陆地壳密度差异多尺度反演

利用小波分析方法原理,在对中国布格重力异常多尺度分解的基础上,反演了各种尺度意义下中国大陆地壳的密度差异,给出了中国大陆地壳中相对密度差异的空间分布,为研究中国大陆地壳构造、进行深部地质研究提供了新结果．     

三维重力反演新方法——调和密度成像理论与模型测试

三维重力反演问题具有多解性,通常要施加一些先验信息来约束反演结果,得到最优解,但是通常要获取满足约束条件的先验信息具有一定困难.本文总结了调和密度直接成像理论的基础和发展现状,并给出模型测试结果.研究表明:调和重力反演方法不需要先验信息约束,可以直接计算出三维空间的等效源密度结构,结果可以为三维物性反演提供初始解,也可以通过约束来构建迭代运算得到合理的三维连续密度特征,本文基于该方法提出了一种等效模型置换法的反演思路.     

贝叶斯同化重力反演方法构建龙门山地壳密度模型

重力异常对地壳横向密度变化敏感,而无约束重力反演得到的密度模型其垂向分辨能力往往不理想.为了改善反演结果的垂向分辨率,本文参考已有先验分层模型,基于贝叶斯原理,提出了一种重震联合反演的新策略,可实现多种参考模型和复杂加权参数条件下的最大后验概率估计.理论模型测试结果表明,对于深度加权、多参考模型约束等多种问题,本文提出的新方法都可以稳健地获得最优化的模型参数.本文同时以中国地震科学台阵在龙门山地区及周边的一维接收函数分层模型和地震层析成像结果为参考,通过此方法对该区的重力异常进行反演,获得了该区的高精度三维密度结构,其水平分辨率优于10 km,垂直分辨率优于5 km.结合四条通过汶川和芦山地震震中的剖面进行分析后发现,反演得到的密度结构模型在过强震震源区位置横向变形显著,其揭示的分层地壳结构和变形模式与地表已知断裂构造具有相关性.本文提出的重震联合反演新策略,可为研究潜在强震风险源区的地壳结构和物性特征提供有效的科技方法支撑.

     

基于重力异常反演的三维地震波速度结构分析方法研究

利用重力异常反演测试三维地震波速度结构,存在解不唯一、可靠性不高的问题。将面波反演充分融合到重力异常反演方程中,降低传统反演方法的非唯一性,并提升可靠性。以川滇地区为例,采用融合后的重力异常反演方法分析三维地震波速度结构。通过速度和密度的关系转换,得到对应的重力异常数据。由于面波频射数据主要对地震波横波速度敏感,因此将重力异常数据和初始横波速度相连,依据地震波速度和岩石密度之间的关系,获取重力异常反演方程,用于分析速度结构。选取21.6°~34.2°N、97.1°~105.9°E范围内的川滇地区活动块体作为实验数据,经过实验分析发现：使用该方法迭代反演川滇地区地壳上地幔顶部横波速度,重力异常数据和面波频射数据的残差值分别是6.24 mGal和0.027 km/s,实际拟合效果较好;分析该地区不同深度切面横波速度发现,在24 km深度处,上地壳中含有相对低速层,在44 km深度处,中下地壳中存在低速层;且该方法分析川滇地区三维地震波速度结构解的分辨率较高。     

An alternative method for density variation modeling of the crust based on 3-D gravity inversion

In this paper we are proposing an alternative method for determination of density variations of the crust from constrained inversion of the terrestrial gravity data. The main features of the method can be summarized as follows: (i) Constructing a band-pass filter to remove the long and short wavelength signals from the terrestrial gravity data. (ii) Using an iterative method for stabilization and solution of the inverse problem. The mentioned regularization method is first validated by simulated gravity data and next the methodology is used for development of a new regional density variation model of the crust in three layers based on real gravity data in geographical area of Iran. Application of the band-pass filter to the latter data resulted the residual gravitation variations in the range of − 300 to 50 (mGal) which next based on the iterative method resulted following ranges for residual densities: −120 to 40 (kg/m³) in first layer, −40 to 40 (kg/m³) in second layer, and − 40 to 40 (kg/m³) in third layer.     

重力及重力梯度联合反演青藏高原及邻区岩石圈三维密度结构

本文利用GOCE L2观测重力梯度的五个独立分量（Txx,Tzz,Txy,Txz,Tyz）,联合EGM2008地球重力场模型计算垂直重力,反演计算了青藏高原及邻区0~120 km深度岩石圈三维密度结构.将经过低阶项改正、地形效应改正、沉积层界面起伏效应改正得到的剩余重力及重力梯度异常值作为观测值,以改正剩余量归一化权重作为观测权重,基于Tikhonov正则化理论建立反演目标函数.反演过程中,利用地震层析S波速度转换密度作为初始约束,通过非等权最小二乘迭代法计算得到最终反演密度.反演结果表明：（1）40 km深度,青藏高原内部为中地壳,表现为低密度,邻区为中下地壳,表现为高密度.青藏高原内部中地壳强低密度层主要分布在高原边界.其成因是印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡作用导致在高原边界形成的高应变积累闭锁区,为壳内低密度软弱物质的形成提供了条件.（2）80 km深度,青藏高原上地幔顶部显示出低密度的特征.高原内部东、中、西密度特征差异明显,低密度以95°E为中心线呈东西对称分布.以班公—怒江缝合带为中心,在拉萨块体和羌塘块体内从北向南出现了"低-高-低"的密度分布起伏特征.该特征与GRACE得到的莫霍面起伏特征一致,结合大地构造结果,这种起伏特征验证了印度、羌塘块体从南北两侧分别向喜马拉雅、拉萨地块挤入的双向俯冲模式.（3）四川盆地和鄂尔多斯盆地内,地壳高密度异常较地震波速异常明显偏低,表明古老的四川盆地和鄂尔多斯盆地比想象中更冷、更坚硬.塔里木盆地和柴达木盆地内壳、幔高密度的结构特征,对应地幔物质上涌.     

Crustal structure of eastern Cuba,derived by constrained 3D gravity inversion

A three-dimensional crustal model for Eastern Cuba, obtained through a process of gravity data inversion is presented. The study area cover a rectangular area of 64 600 km². The initial model for the inversion was constrained by surface geology, seismic and drilling data. The inversion algorithm uses gravity data to estimate 3-D topographies from the main geological units. The model provides quantitative information on the depths and thicknesses of the geological formations. The resulting model provides new information about the regional composition of the crust. Alien sequences are observed with different compositions and origin over the basement of Bahamas carbonate platform. Most of the maximum gravity anomalies are associated with presence of dense shallow ophiolite sheets. The most remarkable detail is the gravity “southwest” maximum, related to the presence of denser oceanic crust generated in the Cayman spreading center.     

甘肃东南部地壳速度结构的区域地震波形反演

利用2007年完成扩建的甘肃东南部及邻近地区的24个宽频带固定地震台站记录到的2008年8月1日汶川地震余震的三分量地震全波形资料,采用小生境遗传算法和反射率法结合的波形反演方法,给出了甘肃东南部两个分区的地壳速度模型.西区和东区分别对应青藏高原块体和它与鄂尔多斯块体之间的过渡带,反演给出的平均模型显示,两个区上、中地壳的平均P波速度非常接近,由酸性岩和中性岩组成,下地壳P波速度差别较大,东区为6.41 km/s,西区为6.96 km/s,厚度相差也较大,东区为9.3 km,西区为19.8 km,地壳厚度由西向东减小,分别为54.6 km和47.9 km.显示西区下地壳由基性岩组成,而东区下地壳由中性岩组成,支持研究区内青藏高原东北缘地壳增厚主要发生在下地壳的观点.西区的上地幔顶部P波速度为7.73 km/s,对应年轻的构造活动区,而东区为8.05 km/s,对应稳定的古老地块.东区在上地壳上部存在厚约6.5 km的沉积层,P波速度为5.78 km/s,但是该沉积层在西部缺失.和PREM模型给出的全球平均地壳速度值相比,两个分区的地壳速度值整体偏低.     

北京地区地壳三维结构的综合建模

综合基础地理信息数据、数字化地质图、沉积层的地脉动探测结果、人工地震测深和宽角折射等多种资料,在对数据进行分析和整理的基础上,利用建模工具软件GoCAD,建立了北京地区（东经115．5°-117．5°,北纬39°—41°）地壳及上地幔顶部P波速度结构和地质界面模型。在模型建立的过程中,分析得到了人工地震剖面数据的地学统计特性,并设计了一种适合离散光滑插值（DSI）约束点权重的光滑估计方差,对模型的插值结果进行了质量评估。分析了北京地区地壳上地幔速度结构的特征,又将速度结构模型与层析成像结果进行对比,模型比较好地反映了北京地区的地下结构。     

3-D density model of Mt. Etna Volcano (Southern Italy)

A detailed density model of Mt. Etna and its surrounding areas has been evaluated using a 3-D inversion of the gravimetric data acquired in the 1980's. Several high-density and low-density bodies are found, penetrating from shallow depths as far down as 12 km bsl. A positive correlation (in terms of location, extent, density, and velocity) is established between several anomalies of the density model and features identified in previously published seismic tomographies. A prominent high-density body extending down to 7 km bsl is recognized in the southern part of the Valle del Bove, and interpreted as a solidified magmatic intrusion. On the western boundary of this anomaly, a low-density body is interpreted as a bubble and liquid magma mixture. Outside the central area, three other high-density anomalies are imaged and attributed to the earliest phases of volcanic activity in the area. Several interesting low-density anomalies are also identified and correlated with known fault lines and other structural features of the region.     

庐枞矿集区矾山-将军庙地区AMT三维反演及地质结构解释

庐江-枞阳矿集区是长江中下游成矿带内的一个重要的多矿种成矿区.为揭示矾山-将军庙地区的地质结构以指导找矿,首先,在庐枞矿集区北部的矾山-将军庙地区开展了三维音频大地电磁数据采集工作,采用Rhoplus方法进行AMT数据死频带校正保证数据质量,利用相位张量分析地下介质的维性特征;其次,利用模块化三维反演并行代码ModEM开展了实测数据的三维反演,获得了一个典型的具有双层结构特征的火山岩盆地三维地下电性模型;最后通过电性模型及其他地质资料的综合解释,依据反演模型中近地表的低阻层和深部的高阻隆起区,分别勾画出了火山岩地层的厚度和深部侵入岩的分布范围,并在小岭地区发现地表浅部下方存在一个含矿次级火山机构的高导体.     

重磁异常三维物性反演随机子域法方法技术

本研究针对三维物性反演中存在的困难和问题,提出三维物性反演的随机子域方法技术,首先是将正反演中保持不变的几何格架分离计算并存储,避免重复计算,从而提高正反演计算速度;其次是利用对称性等实现等效计算,明显降低格架计算和存储要求;再通过随机子域方式,降低反演的维数问题;另外,通过概率方式控制子域生成的分布,实现约束新机制. 模型和实例计算表明了方法技术的效果,为大面积重磁数据的三维反演提供了有效的途径.