关于全球地震层析成像反演方法的探讨

以全球地震面波相速度变化问题为例，使用约３００００道高质量的面波记录数据集，在数据空间和模型空间的误差服从零平均Ｇａｕｓｓ随机分布的假设下，研究反演中的阻尼和参量化问题．发现最佳分块尺度随频率增高而减小；分块参量化方法比球谐展开方法引入的人为因素少，但难以分辨甚低阶横向非均匀性，除非施加极端的空间平滑；球谐函数展开则具备恢复长波结构的优点．为此提出一种混合参量反演方法：首先用球谐函数作为全球基函数，恢复相速度的低阶球谐分量，然后用此作为进一步反演的初始模型，用分块模型迭代反演，得到最终结果．     

区域面波群速度反演的球谐函数法

一个定义在球面局部区域的复杂的面波速度函数如果直接利用球谐函数拟合可能需要展开到很高阶的球谐系数．通过保角变换，把一个球面局部区域扩展到球面上更大的区域上，变换过程中面波速度保持不变，在变换后的球面域上用球谐函数来拟合速度函数，达到降低球谐系数阶数的目的，使面波群速度的反演变成了球谐系数的线性化反演.通过球谐系数分析，可得到反演的分辨率.该方法不仅适用于面波群速度反演，同样适用于各种球面区域场的分析.     

全球地震面波相速度变化及其大地构造学意义

从1980年到1992年间震级M≥6．0天然地震的全球数字地震台网记录，搜集约30000个长周期地震图波形数据，建立了周期为85-250s的全球Love波和Rayleish波相速度变化模型．全部地震图均通过时间域和频率域的质量控制，震相为短大圆弧和长大圆弧基频振型G1，R1，G2和R2．利用将区域高分辨率反演结果嵌入全球模型框架的混合反演参量化方法，以及地形、地貌和地壳厚度模型，得到校正前、后的两种反演结果．与已有全球相速度模型比较，长波分量的幅度和空间图像符合较好．短周期相速度异常反映了地表板块构造，与大陆地盾、大洋中脊和构造活动区相关；板块构造相关性随面波周期增大而逐渐消失；部分海洋热点与100-200s周期的低速异常相联系．     

保角变换在区域面波群速度反演中的应用

通过保角变换，把一个球面局部区域扩展到球面上更大的球台域，再由球台域解析延拓到整个球面域.作为约束条件，变换过程中面波速度保持不变.在变换后的球面域上用球谐函数来拟合速度函数，达到降低球谐系数阶数的目的.面波群速度的反演变成了球谐系数的线性化反演，由球谐系数计算反演分辨核以及方差.该方法的优点是计算速度快，等值线光滑，构造界限清晰，该方法同样适用于各种局部球面区域的分析.     

利用Rayleigh波反演浅土层的剪切波速度结构

根据均匀半空间Rayleigh波相速度与介质剪切波速度之间的关系,对某一频率面波的影响深度内各层介质进行"均匀"化,使其等效于均匀半空间．并利用模型进行正演,以确定在这种均匀化的前提下,面波勘探深度与波长的关系．应用相匹配滤波技术从实测面波信号中分离出基阶Rayleigh波信号,对它进行多重滤波和叠加处理,精确地计算出5．0-30．0Hz之间的基阶面波相、群速度频散．使用"均匀"化的方法,从相速度频散曲线中获得反演的初始模型,利用群速度频散反演得到35m以上各土层的剪切波速度结构．结果表明,反演结果与钻孔资料较为吻合     

偏离大圆路径传播对四川西部面波相速度成像的影响

面波成像是研究地壳上地幔横波速度结构的一种重要方法．通常,面波相速度或群速度成像假设面波沿大圆路径传播．但是,在地下介质速度结构变化较大时,面波会偏离大圆路径传播,从而导致基于大圆路径假设下的面波成像结果存在一定的误差. 我们采用基于射线追踪的面波成像方法,研究了面波的偏离大圆路径传播对四川西部地区面波相速度成像结果的影响．使用快速行进法(fast marching method)进行面波传播路径的射线追踪,采用子空间反演法(subspace inversion)进行迭代反演,对理论模型合成数据和川西台阵的短周期背景噪声相速度频散数据进行成像分析,并与使用大圆路径传播的成像结果进行对比．对理论模型的测试结果表明,当速度结构变化较大时,基于偏离大圆路径传播的面波成像能够更好地恢复模型异常．对川西台阵的真实数据反演结果显示:在短周期为6 s时,基于偏离大圆路径传播的反演方法较基于大圆路径传播的反演方法所获得的相速度异常的幅度更大些,在四川盆地区域两者的差异接近0.2 km/s;在周期为10 s时,两种反演方法的差异显著减小,基本都在0.1 km/s以内．这主要是因为6 s周期的面波相速度对复杂的上地壳浅层结构更为敏感,从而使得面波的偏离大圆路径传播效应对反演结果的影响更为显著．本文结果表明,当某一周期不同路径的面波相速度测量值变化较大,例如相对于平均相速度的异常超过10％时,则需考虑采用基于偏离大圆路径传播的面波成像方法,否则速度异常较大区域的反演结果可能会造成较大的偏差．      

全球地震面波相速度的微分性质及其波谱特征

本文从理论上揭示了全球地震面波相速率球谐展开的振幅谱特征与横向非均匀结构微分性质的内在联系,对现今存在的两组不同的高阶振幅谱特征作了进一步的分析,并为选择更为合适的参数化方法或模型光滑度的限制条件提供了某种理论判据。     

引潮位展开中的面球谐函数及其递推公式

为了引潮位展开,文中定义了一种完全规格化的面球谐函数,同时根据勒让德（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）函数以及契比雪夫（Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）多项式之递推公式,导出一组面球谐函数的递推公式．据此改进引潮位计算程序,使引潮位展开在ＰＣ－５８６计算机上只需要不到１０ｍｉｎ时间即可完成．完全规格化的面球谐函数可以起到规格化的作用,没有必要再继续采用杜德森（Ｄｏｏｄｓｏｎ）规格化．即使采用,也没有必要使用严格的小数值,取其相近的整数值即可．以完全规格化的缔合球谐函数代替Ｄｏｏｄｓｏｎ规格化,并借助面球谐函数的递推公式,使引潮位的表达式更加简洁、规范．文中对高精度潮汐计算中的一些重要问题进行了讨论,指出以往在Ｄｏｏｄｓｏｎ常数归算上存在的误区,还就天体与测站坐标系统的一致性问题进行了讨论．     

计算最小走时和射线路径的界面网全局方法

用慢度分块均匀正方形模型将介质参数化，仅在正方形单元的边界上设置计算结点，这些结点构成界面网．根据Ｈｕｖｓｅｎｓ和Ｆｅｒｍａｔ原理，由不断扩张、收缩的波前点扫描代替波前面搜索，在波前点附近点的局部最小走时计算中对波前点之间的走时使用双曲线近似，通过比较确定最小走时和相应的次级源位置，记录在以界面网点位置为指针的３个一维数组中．借助这些数组通过向源搜索可计算任意点（包括界面网以外的点）上的全局最小走时和射线路径．这一方法不受介质慢度差异大小限制，占内存少，计算速度较快，适于走时反演和以Ｍａｓｌｏｖ射线理论为基础的波场计算．     

美国南加州地壳、上地幔三维P波速度成像-莫霍面起伏的影响

应用南加州地震台网记录的6 347次区域地震的146 422个P波到时数据，并结合其它地震学方法所得到的莫霍面深度资料，在考虑莫霍面起伏变化下，确定了该区0～35 km深度内的精细三维P波速度模型．检测板分辨率实验结果说明了反演结果的可靠性．该模型提供了有关区域结构的重要信息，浅层P波速度结构与地表的地质特征相关，非常准确地反映了山脉盆地、地形地貌的差异；各深度层上的速度结构表现为分块特征，反映了以大型活动断裂为界勾画出的分区，如洛杉矶盆地、文图拉盆地、莫哈韦沙漠、半岛山脉、圣华金山谷、内华达山区及思尔顿凹槽区域整体变化的特征．圣安德列斯断层成为研究区内明显的边界，几个深度层上可以看到两侧的速度存在明显的差异，而横跨该断裂的几个剖面图上则显示了位于断层西南侧的太平洋板块区域速度较高、不均匀性较大，地震活动较深；位于断层东北部的北美板块速度偏低，非均匀性稍弱，地震活动性则较弱．比较平缓莫霍界面和起伏莫霍界面下反演得到的结果可以说明:莫霍界面的起伏对中下地壳层位速度结构的影响是明显的，尤其是在莫霍面深度变化较大的部位，这种影响更为强烈．带莫霍面形状的模型能更精确地计算射线路径和理论到时，从而使反演后的残差更小、结果更精确．      

Inversion of receiver function by wavelet transformation

Introduction Receiver function has been extensively applied in studying S wave velocity of crust and up-per mantle for about 20 years (Owens, et al, 1987; LIU, et al, 1996), which is a time series ob-tained by the deconvolution of vertical component from horizontal component for teleseismic P waveform. Receiver function represents the teleseismic P plane wave response of crust and upper mantle beneath seismic station, from which the source and propagation effects are removed. Receiver funct…     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.     

用小波变换方法反演接收函数

提出了一种用小波变换方法反演接收函数的新方法. 通过对接收函数作离散小波变换，将接收函数展开到不同分辨尺度，从一给定的初始模型出发，分别在不同分辨尺度上用广义线性反演方法，对展开后的接收函数进行反演. 并将低阶接收函数的反演结果作为高阶接收函数的初始模型，在大尺度空间找到包含全局极小值的一个邻域，并逐步缩小该邻域.渐进地获取介质结构的跳变信息，从而保证反演结果稳定地收敛到全局极小点，降低接收函数波形反演对初始模型的依赖，尽可能克服波形反演的非唯一性，得到比较可靠的高分辨率的地壳上地幔速度结构．      

Comparison of two methods for calculating tidal loads

The spherical harmonic expansion up to order n = 1440 of the oceanic tidal heights is derived for the waves of the CSR3.0 model. On the basis of the load Love numbers for the PREM model, the oceanic load effect in gravity is calculated. It is shown that the results provided by the spherical expansion technique and the method utilizing the Green’s function satisfactorily agree even at the order of the expansion n = 720. The obtained model predictions are compared to the oceanic load effect measured by the Global Geodynamics Project (GGP) network of superconducting gravimeters.     

High Resolution Constituents of the Earth’s Gravitational Field

During the General Assembly of the European Geosciences Union in April 2008, the new Earth Gravitational Model 2008 (EGM08) was released with fully-normalized coefficients in the spherical harmonic expansion of the Earth’s gravitational potential complete to degree and order 2159 (for selected degrees up to 2190). EGM08 was derived through combination of a satellite-based geopotential model and 5 arcmin mean ground gravity data. Spherical harmonic coefficients of the global height function, that describes the surface of the solid Earth with the same angular resolution as EGM08, became available at the same time. This global topographical model can be used for estimation of selected constituents of EGM08, namely the gravitational potentials of the Earth’s atmosphere, ocean water (fluid masses below the geoid) and topographical masses (solid masses above the geoid), which can be evaluated numerically through spherical harmonic expansions. The spectral properties of the respective potential coefficients are studied in terms of power spectra and their relation to the EGM08 potential coefficients is analyzed by using correlation coefficients. The power spectra of the topographical and sea water potentials exceed the power of the EGM08 potential over substantial parts of the considered spectrum indicating large effects of global isostasy. The correlation analysis reveals significant correlations of all three potentials with the EGM08 potential. The potential constituents (namely their functionals such as directional derivatives) can be used for a step known in geodesy and geophysics as the gravity field reduction or stripping. Removing from EGM08 known constituents will help to analyze the internal structure of the Earth (geophysics) as well as to derive the Earth’s gravitational field harmonic outside the geoid (geodesy).     

GOCE Data Processing: The Spherical Cap Regularization Approach

Due to the sun-synchronous orbit of the satellite gravity gradiometry mission GOCE, the measurements will not be globally available. As a consequence, using a set of base functions with global support such as spherical harmonics, the matrix of normal equations tends to be ill-conditioned, leading to weakly determined low-order spherical harmonic coefficients. The corresponding geopotential strongly oscillates at the poles. Considering the special configuration of the GOCE mission, in order to stabilize the normal equations matrix, the Spherical Cap Regularization Approach (SCRA) has been developed. In this approach the geopotential function at the poles is predescribed by an analytical continuous function, which is defined solely in the spatially restricted polar regions. This function could either be based on an existing gravity field model or, alternatively, a low-degree gravity field solution which is adjusted from GOCE observations. Consequently the inversion process is stabilized. The feasibility of the SCRA is evaluated based on a numerical closed-loop simulation, using a realistic GOCE mission scenario. Compared with standard methods such as Kaula and Tikhonov regularization, the SCRA shows a considerably improved performance.     

基于接收函数约束的川滇地区莫霍面深度反演研究

本文利用川滇地区宽频地震接收函数结果和WGM2012全球布格重力场模型数据,采用正则化参数和接收函数结果交叉验证得到最优莫霍面参考深度和上下界面密度差,使用基于球坐标系下的快速非线性重力反演方法建立川滇地区莫霍面深度模型.研究结果显示,川滇地区整体莫霍面深度介于30～69km,青藏高原内部地区莫霍面深度大于50km;四川盆地莫霍面深度在36～38km;攀枝花地区莫霍面出现明显的隆起和下凹,变化范围在42～48km;川滇菱形地块莫霍面深度在40～50km;滇西和滇南地块莫霍面深度由南向北逐渐变深,变化范围在38～44km.本文反演莫霍面深度与接收函数结果平均误差为0.18km,与该区域天然地震层析成像、人工地震探测以及重力数据反演结果基本一致,但细节更加丰富,进一步确认了莫霍面在攀西裂谷地区存在隆起,小江断裂带下方存在下凹的特征.该结果可作为精细化川滇地区地壳密度界面模型,为研究该地区岩石圈结构和地质构造演化提供参考.