地壳分层各向异性介质接收函数及其粒子群反演

地壳不同深度介质的地震各向异性是研究地壳不同深度范围变形方式的重要依据.鉴于地壳介质的复杂性,如何从远震体波接收函数中提取不同深度的各向异性参数仍是一个有待深入研究的课题.在已有研究的基础上,本文利用广义反射-透射系数矩阵方法计算的合成地震图,研究了复杂地壳分层各向异性介质的接收函数随反方位角（back azimuth）变化及不同层位各向异性参数对接收函数波场的影响,为各向异性介质接收函数的解释提供了新的理论依据.通过引入粒子群优化理论,发展了分层各向异性介质接收函数全局反演算法.数值及观测数据的验证结果表明,在各向同性速度模型确定的前提下,我们的方法能够可靠地提取地壳分层各向异性参数;在反演中引入曲波变换去噪技术,对于正确解析不同层位的各向异性参数具有重要价值.     

用接收函数方法研究华北克拉通中部造山带及其邻域地壳方位各向异性

首先基于理论地层模型,分析使用径向切向接收函数集联合反演地壳各向异性程序的可行性和可靠性。然后将该程序应用到余干地震台接收函数的实际分析中,结果显示,不同目标函数计算得到的快波偏振方向和时间延迟存在差异,联合目标函数结果表明,余干地震台快波方向约为79°,时间延迟约为0.19 s。     

接收函数方法应用的现状及其发展

利用远震PS转换波波形提取出的接收函数来研究地震台站下方地壳、上地幔速度间断面结构是有效的方法之一\[1\].最近几年，利用SP转换波波形的接收函数为进一步研究地壳、上地幔间断面提高了精度；并出现了利用SKS的Receiver Function及利用切向分量来研究地壳、上地幔的各向异性的研究.随着流动台阵和固定台阵地震数据资料的增加，台阵技术与接收函数的结合，为提高间断面精度提供了有利的技术保障.     

接收函数H-k叠加方法研究综述

接收函数H-k叠加方法自Zhu和Kanamori提出以来,已经成为处理地壳结构的常规工具。在近20年的方法使用和发展过程中,人们对该方法的认识逐渐加深,同时也对该方法进行了发展和改进。本文首先介绍该方法的基本原理,然后综述纵波速度、震相权重、高斯系数、倾斜界面、各向异性、沉积层和壳内间断面对该方法的影响,最后概述该方法在中国大陆地区的应用,总结当前的研究成果,并对下一步的研究方向进行展望。     

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.     

用接收函数Ps转换波研究地壳各向异性——以哀牢山—红河断裂带为例

倾斜界面与各向异性介质均可使接收函数的切向分量产生明显的能量.通过对不同模型的理论接收函数的研究,可以发现倾斜界面产生的接收函数切向分量与各向异性介质产生的接收函数切向分量具有显著的差异,主要表现在到时差与周期性上.利用各向异性和倾斜界面造成的切向分量不同的周期性,可以通过加权叠加的方法突出各向异性或倾斜界面的影响,并可对接收函数径向、切向分量进行波形互相关计算,获取各向异性分裂参数.通过对布设于红河断裂附近的4个三分量宽频带流动台站的接收函数莫霍面Ps震相的研究,获得红河断裂附近的地壳各向异性快波方向为132°,快慢波时间延迟为0.24s.地壳各向异性快波方向与红河断裂带构造走向一致,与上地幔各向异性的快波方向相差近90°,表明红河断裂地区地壳与上地幔构造可能存在解耦现象.     

利用接收函数方法研究腾冲地区S波速度结构

腾冲地区邻近印度板块与欧亚板块碰撞、俯冲的边界,地质环境和构造背景十分复杂,是我国地震、火山活动比较活跃的地区之一.本文采用最大熵谱反褶积方法提取腾冲地区1.0°×0.8°范围内5个流动数字地震台站的宽频带远震接收函数,反演得到台站下方0～100 km深度范围的S波速度结构,分析讨论了该地区的深部构造特征.结果表明:1)腾冲地区地质结构存在明显的横向非均匀性;2)盈江断裂两侧莫霍面深度有较大差异;3)腾冲和高黎贡山之间是地壳厚度和S波速度变化的高梯度带;4)盈江断裂东南、新生破裂带以西附近地区存在明显的低速层;5)盈江断裂和新生破裂带都可能对火山区的熔融体具有阻隔作用.     

腾冲火山区S波速度结构接收函数反演

腾冲火山区临近印度板块与欧亚板块碰撞、俯冲的边界, 火山活动与构造环境关系密切. 采用远震接收函数反演的方法揭示了该区域的深部结构特征. 结果显示, 腾冲火山区S波低速结构明显受到NE向大盈江断裂的影响, 断裂的南部存在明显的S波低速结构, 断裂的北部低速结构不十分明显. 火山区存在浅部的低速结构, 低速结构与地震活动性存在对应关系. 证实了低速结构是火山区热活动的直接因素, 并认为腾冲火山区存在再次活动的基本条件.     

直达Ps与接收函数Ps联合分析地壳各向异性

本文尝试直接利用地震图记录中的Ps转换波,而非传统的接收函数方法,检测地壳介质的各向异性.虽然远震记录中的P波对Ps转换波会有干扰,但P波与Ps转换波具有不同的偏振特性,最小能量法可以将Ps转换波的各向异性参数检测出来,对时间窗的选择也很强壮.本文利用IC台网（New China Digital Seismograph Network,中国新数字地震台网）中的KMI,ENH,LSA,BJT,XAN,WMQ六个台站接收的宽频远震记录进行了测试,并且对比了接收函数方法的结果.研究表明,利用最小能量法直接测量与利用旋转相关法测量接收函数中Ps转换波的结果基本一致.两种方法测量所得的快波偏振方向与地壳运动方向,最大水平主压应力方向,震源机制解压缩轴方向,最大主压应变率方向以及已有的各向异性研究结果基本一致.     

倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响

接收函数方法自Langston提出以来,经过近30年的不断发展,接收函数在提取方法、反演技术以及界面成像等方面取得了重要进展,已逐步成为研究地球内部、特别是地壳上地幔结构的重要手段.近年来,随着观测和研究的不断深入,倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响也逐渐引起人们的重视.本文通过建立不同的倾斜界面和各向异性模型,计算了不同模型的理论接收函数,比较系统的阐述了径向和切向分量接收函数的变化特征,通过分析发现倾斜界面和各向异性介质都能使接收函数的切向分量产生明显的能量,并使径向和切向分量呈现周期性的变化,倾斜界面和各向异性介质产生的接收函数波场特征的差异主要表现在周期性和转换震相的到时差上,通过分析不同方位角的径向和切向接收函数,研究直达P波和PS转换波振幅及到时随方位角的变化规律,可以较好地区分倾斜界面和介质各向异性的影响.     

华北克拉通地壳结构及动力学机制分析

本文对布设在华北克拉通三个陆块的199个宽频带台站记录的远震数据进行了接收函数计算.利用H-κ迭代方法获得了该区域基岩地区的地壳结构,平滑处理后作为背景结构模型中的基岩地区地壳结构;利用相邻算法对沉积层地区的接收函数进行了波形拟合计算,获得了沉积层结构,平滑后作为背景结构模型中的沉积层结构;结合前人的研究成果,完善了研究区域的背景结构模型.以此模型为基础,对接收函数进行了CCP（Common Conversion Point,共转换点）叠加成像,获得了Moho面成像结果,对比沉积层的成像结果发现：西部陆块中鄂尔多斯块体东部地区地壳厚度较大,约为42 km,泊松比较低,小于0.24,为长英质含量较多的地壳层;位于中部陆块的山西地堑地壳厚度小于鄂尔多斯块体,且变化较大,西侧地壳厚度约为40 km,东侧重力梯度带附近地壳厚度迅速减薄至36 km左右,张家口-怀来-大同一带出现了地壳的局部抬升,地壳厚度等值线基本以北北东方向为主,与构造带方向基本一致,地堑内泊松比约为0.26~0.28,前人对此区域的层析成像研究结果表明太行山隆起和阴山隆起存在壳内低速层,推测为地壳部分熔融以及上地幔物质上涌造成的;东部陆块中渤海湾盆地的地壳厚度较薄,约为32 km,部分地区小于30 km,其中冀中坳陷带地壳厚度最薄,约为28 km,沉积层基底分布与Moho面分布呈镜像对称趋势,沉积层较厚地区的地壳较薄,推测东部陆块在太平洋板块俯冲作用下,存在北西-南东向的拉张作用,使其内发育了大量断陷盆地.

     

接收函数曲波变换去噪与偏移成像

增强接收函数偏移图像的垂向分辨率意味着提高参与叠加的接收函数的频率,但是采用高频接收函数通常伴随着对接收函数质量和参考速度模型的更高要求.通过叠加处理可去除部分接收函数中的随机噪声干扰,但同一台站的接收函数之间经常存在难以通过简单叠加消除的噪声信号.压制接收函数随机噪声的干扰可加强成像效果和提高图像分辨率,对推进叠加偏移成像质量的提高有重要的实际意义.本文利用在川西地区布设的31个流动台站所记录的远震波形数据,使用曲波变换去噪后信噪比增强的接收函数进行共转换点叠加（CCP）,获得沿北纬31°线下方800 km深度范围内速度间断面图像.研究结果表明：（1）对接收函数进行曲波变换去噪,可压制随机噪声,增强转换震相的追踪性,提高数据信噪比;（2）通过去噪处理,大幅提高接收函数用于偏移成像的主频率;（3）偏移结果确认了接收函数反演得到的松潘和川滇块体下方具有厚度约10~20 km的过渡性Moho的认识;（4）上地幔过渡带的结果预示在龙门山断裂带以西的小范围内有可能存在下地壳或上地幔物质的拆沉.

     

Any P-wave kinematic algorithm for vertical transversely isotropic media can be ADAPTed to moderately anisotropic media of arbitrary symmetry type

Most of P-wave anisotropic kinematic algorithms (modeling, processing, and inversion) have been developed for the case of Transverse Isotropy (TI). Does it mean that when dealing with more complex symmetry types (Arbitrarily tilted TI, orthorhombic, monoclinic or even triclinic), all these algorithms are irrelevant? In fact, not at all. It has recently been demonstrated that in 2D geometry any qP-wave TI kinematic algorithm can be simply generalized to the case of monoclinic symmetry using the so-called Azimuthally Dependent Anisotropy Parameter Transformation (ADAPT), assuming moderate anisotropy. The extension of the technique to the case of arbitrary anisotropy type (triclinic) is achieved in this paper. The method is successfully checked for seismic modeling in a full 2D model with layers of contrasted anisotropy types and with arbitrary vertical and horizontal velocity variations (non-constant gradient). Typically, the approximate travel times using ADAPT differ from the exact travel times by a few milliseconds for total travel times of the order of a few seconds. Applications to seismic processing are also described. The simplicity of the procedure and the generality of the applicability of the ADAPT recipe are striking and very convenient for practical applications. They certainly deserve further analysis.     

Gabor框架下的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法

地球介质广泛存在波动各向异性, 为研究地球内部结构、组分提供了新的信息.现今, 考虑介质的各向异性在地震波传播、成像以及反演中的作用越来越重要.高斯波包/束类正反演方法因其具有高效、简便等特点, 近年来在地震背景速度建模和成像方面取得了较大进展.因此, 在拟声学近似下, 本文发展了基于Gabor框架的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法.与传统的网格化参数扰动方式不同, 本文用空间分布的局部化Gabor基函数特征表达地下介质的参数扰动, 建立了模型域Gabor函数与数据域高斯波包的映射关系.该方法继承了各向同性高斯波包的优势和特点, 例如(1) 基于Gabor框架的扰动高斯波包模拟具有计算效率高、内存占用量小的特点; (2) 可以处理多波至, 能应用于复杂构造(盐丘、气云边界)和中深层构造的成像; (3) 利用Gabor函数可以稀疏表达地下的构造, 适合目标导向的灵活成像; 而且, (4)相较于各向同性高斯波包成像方法, 考虑介质的各向异性后, 本文的模拟结果更加准确, 成像剖面同向轴能量更加聚焦.通过数值实验对本文方法进行测试, 实验结果证实了该方法的有效性、高效性和灵活性.

     

粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

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.

     

稳定的频率域提取接收函数方法研究

频率域提取接收函数时引入“水准量”来代替垂向分量频谱中比较小的成分以保证反褶积结果的稳定性,却降低了精度,尤其对反映深部壳幔结构的低频信息影响较大;实际的等效震源时间函数长度是有限的,由于地震记录上后续干扰震相能量的影响,垂直分量波形往往比较复杂,若将其直接作为等效震源时间函数必然影响所提取接收函数的精度.针对以上问题,本文改进“水准量”的使用方法,并采取折中方案选取“水准量”和等效震源时间函数的长度,以便在频率域反褶积中得到稳定的接收函数,同时提高反褶积的精度.对观测数据的试验效果显示,本文方法提取的接收函数稳定性好、精度高,是一种有效的提取台站高质量接收函数的方法.