基于地震背景噪声的四川威远地区浅层速度结构成像研究

地震S波速度是防震减灾中场地分类、强地面震动模拟建模等的重要参数.地震背景噪声成像方法可以重建地下浅层三维结构以及探测浅层速度结构变化,为页岩气开采提供参考,有效规避地震灾害风险.本文收集了2015年11月至2016年2月间四川威远地区50个流动台站记录到的垂直分量连续波形记录,利用波形互相关提取2~6 s的基阶Rayleigh波经验格林函数,采用一维地壳结构模型拟合相速度频散曲线,获得了该区域近地表 5 km以内的三维S波速度模型.结果表明,威远地区深度2 km以内的S波速度为2.0~2.7 km·s^-1;2.0~5.0 km深度的S波速度横向分布不均匀,西北地区大于2.7 km·s^-1,东南地区在2.3~2.8 km·s^-1之间,分别与背斜构造和较厚的盆地沉积层相对应.3个剖面图均表明S波速度随着深度的增加而逐渐增大,并且在台站S29附近的页岩气田钻井底部与2016年1月7日四川威远M_L3.9地震震源位置较为接近,均处于松散的沉积盖层与较为坚硬的花岗岩基底的分界处,推测它们之间可能存在一定的联系.

     

城市地下空间资源探测:面波与初至波层析成像联合探测济南泉域近地表速度结构

济南地区地质结构复杂,地下空间开发尚处于起步阶段,未来轨道交通规划和地下空间开发面临复杂的地质问题,如何保护泉水,避免地下空间的不当开发影响泉水断流,以及查明济南主城区地下地质结构与地质资源,是急需解决的关键问题.本文利用多道面波分析方法采集的数据,综合初至波层析成像与面波频散分析技术方法,建立了纵波速度、横波速度和纵横波速度比值模型,开展趵突泉敏感区东部边界地质结构探测工作,获得了测区浅层0～80 m地层结构特征,推测在泉水敏感区边界存在东西向径流通道,为济南中心轨道交通建设和其他地下空间资源开发利用提供了新的探测技术方法以及有力支撑.     

云南地区背景噪声层析成像

选取云南省区域台网46个地震台从2007年11月—2009年10月的宽频带噪声数据, 通过互相关方法获得经验格林函数, 采用自适应时频分析方法获取相速度频散曲线, 并且反演得到8—40 s的相速度分布图. 研究结果表明： 云南地区短周期相速度低速异常与地表断裂带分布和沉积层厚度密切相关; 在短周期相速度分布图上, 红河断裂南北段呈现差异, 表明红河断裂南北段周边介质存在物性差异, 这可能是造成地震活动南北差异的主要原因; 长周期相速度分布图显示, 红河断裂和小江断裂带存在低速异常, 可能是切穿地壳的超壳断裂, 该低速异常可能与深部热作用有关; 红河断裂和小江断裂带交汇地区存在高速异常, 该高速异常体对川滇块体深部介质向南运动可能起到了阻挡的作用. 本文结果为下一步反演云南地区的三维剪切波速度结构奠定了基础.     

用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

本文利用东北地区的黑龙江、 吉林、 辽宁和内蒙古等四省区区域数字地震台网122个宽频带地震台站记录的波形数据, 分别通过背景噪声互相关及地震面波提取8~25 s和25~70 s的瑞利面波频散曲线, 进而反演得到东北地区从浅到深直至约100 km的岩石圈速度结构。 结果表明, 周期为8 s至15 s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系, 盆岭边界的大型断裂对上地壳速度结构的控制作用明显, 松辽盆地呈现较厚的低速沉积盆地特征; 周期为20 s至30 s的群速度与短周期时相比出现明显变化, 反映了以大兴安岭—太行山重力梯度带为界, 西部地区莫霍面深度大于东部地区; 周期为50 s至70 s的长周期群速度图表现为随着周期的增加, 东部低速区域西移而西部显示稳定高速, 可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响, 大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中, 频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上, 提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性, 通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性, 通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性, 聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好, 精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中, 结果也验证了该方法的有效性.

     

青藏高原东部和周边地区地壳速度结构的背景噪声层析成像

利用连续地震背景噪声记录和互相关技术获得瑞利面波格林函数,进而反演获得了青藏高原东部和周边地区的地壳三维速度结构.地震数据源于北京大学宽频带流动观测地震台阵,国家数字测震台网数据备分中心提供的部分固定台站的连续记录及INDEPTH IV宽频带流动观测地震台阵.首先对观测数据进行处理和分析取得所有可能台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,反演得到了观测台阵下方周期从6~60 s的瑞利波相速度异常分布图像.并且进一步反演获得研究区域三维剪切波速度结构和莫霍面深度分布.短周期(6~14 s)相速度异常分布与地表地质构造特征吻合较好,在青藏高原和四川盆地之间存在一个明显的南北向转换带.而本文最重要的结果是周期大于25 s的相速度异常分布图像显示,以昆仑断裂带为界,柴达木盆地和祁连山脉地区呈现与青藏高原截然不同的中地壳速度结构,反而与青藏高原东缘地区和川滇菱形块体速度结构相似.反演获得的剪切波速度在27.5~45 km深度的切片也明显地揭示:青藏高原的松潘—甘孜地块和羌塘地块呈现均一的低速层;然而,柴达木盆地和祁连山脉地区则呈现较强的横向不均匀性,尤其是柴达木盆地的高速异常和四川盆地的高速异常相对应.这些结果为前人提出的青藏高原东北向台阶式增长模式提供了重要的地震学观测证据.与全球一维平均速度模型(AK135)相比较发现,本文测量和反演获得的研究区域内平均相速度和剪切波速度都比AK135模型慢很多,尤其是青藏高原的中地壳(25~40 km)剪切波速度显著低于全球平均速度模型.进一步的层析成像反演证实松潘—甘孜和羌塘地块中地壳(27.5~45 km)呈现大范围均一的低速层,为青藏高原可能存在大规模中下地壳"层流"提供地震学观测证据.在祁连山脉的27.5~45 km深度观测到的明显低速异常体可能对应于该造山带下地幔岩浆活动导致的底侵作用,表明引起该地区地壳增厚的主要机制可能是来自地幔岩浆的底侵作用.     

华北克拉通中部地区背景噪声成像

利用华北地区的流动与固定地震观测台阵在2007年1月~12月期间的垂直分量记录,采用背景噪声层析成像方法获得了华北克拉通中部地区6~40 s的相速度和群速度分布图像.成像结果显示研究区地壳以及上地幔的速度结构存在很大的横向不均匀性.8~16 s的相速度以及8~20 s的群速度分布图像清晰地勾绘出华北地区盆地和隆起之间的边界.华北盆地以及山西断陷带呈明显的低速异常,表明相应区域存在较厚的沉积层并且在中、上地壳内存在低速带;而太行山隆起以及鄂尔多斯高原则呈现高速异常.相速度16~25 s以及群速度20~30 s的图像显示华北盆地由低速异常变为高速异常,表明华北盆地的地壳较薄.长周期(30~35 s)相速度图像表明华北盆地的上地幔顶部存在低速异常.华北盆地较薄的地壳和低速异常(明显低于全球平均水平),可能与该地区岩石圈减薄,软流圈物质上涌有关.8~35 s的群速度和相速度图像都显示,大同火山区是一个低速异常区,可能是由目前仍在活动的岩浆的加热而引起地壳升温造成的.     

利用地震背景噪声成像技术反演三峡库区及邻近地区地壳剪切波速度结构

本文利用三峡库区重庆遥测台网及邻近地区台网2012年1月至12月期间的连续波形记录,通过噪声互相关,提取了这些台站间的经验格林函数.并通过获取的经验格林函数瑞利面波频散信息,反演出该区域5~40 s瑞利面波相速度分布.周期5 s及10 s的相速度分布结果显示：四川盆地具有较厚的沉积盖层,其中盆地中部沉积层相对偏浅.而周期20 s及35 s的相速度分布结果显示：中下地壳的扬子克拉通整体呈现较高的相速度分布,具有相对坚硬的中下地壳结构.这其中吉首—常德的武陵山区附近出现明显高速异常,可能与江南古陆古火山岛链（雪峰—九岭弧形古火山群）活动有关,火山活动导致大量的基性-超基性幔源物质侵入地壳,造成了武陵山重力异常,并一定程度上阻挡了云贵高原和湘鄂西部的物质向南逃逸;在地形上,此处恰好对应我国地形第二阶梯向第三阶梯的过渡带,并将华南地块分隔为东西两大部分.最后我们在瑞利面波相速度成像的基础上,反演出该区域三维剪切波速度分布,结果显示四川盆地周边的龙门山、米仓山、大巴山、七曜山和大娄山等地质构造与地壳剪切波速度结构具有明显对应关系.研究结果有助于深入研究该区的深部地质构造特征与地震发生机理.     

利用初至波走时速度成像进行近地表静校正的方法

提出了一种利用常规地震初至波走时速度成像进行近地表静校正的方法。该方法的基础是回折波射线的走时层析成像，它能准确地求出近地表连续速度分布，用浅层速度成像结果能够得到准确的近地表静校正量。文中给出了初至波走时射线层析成像的理论模型试验结果，成像是令人满意的。     

利用背景噪声成像技术反演陕西及邻区地壳剪切波速度结构

利用地震背景噪声层析成像技术处理陕西及邻区所布设的257个宽频带台站的连续背景噪声数据,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法获得陕西及邻区地壳(6～39 km)高分辨率剪切波速度结构。成像结果显示:(1)渭河盆地顶部形成于新生代,厚的沉积层造成其浅部显著的低速异常,盆地中、上地壳为低速结构。渭河盆地与南北两侧地质构造单元交界区域的下方存在高速与低速结合带,以及在块体间相互运动的作用下,在块体内部,特别是界带深部可能存在着物质与能量的强烈交换,为渭河盆地及邻区的地震孕育发生提供深部环境。(2)南鄂尔多斯块体并不是一个均匀的整体,块体地壳浅层东薄西厚的低速异常结构,可能与鄂尔多斯自显生宙以来的整体掀斜,以及晚白垩纪以来差异性整体抬升和受强烈而不均匀的剥蚀有关。块体中地壳速度比上地壳和下地壳较高。壳内不存在显著的低速体,说明壳内低速体并没有贯穿整个鄂尔多斯地块。我们推测南鄂尔多斯块体仍保留着稳定克拉通的属性,其地壳结构可能反映了克拉通早期形成时的结构特征,至今还未遭受明显改造。(3)秦岭造山带东,西深部结构存在显著差异,具有分段分区的特征。造山带中地壳速度较高,可能因在板块碰撞和造山过程中,下地壳物质被抬升进入中地壳,从而造成中地壳速度偏高。     

长白山火山区地壳S波速度结构的背景噪声成像

利用探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids的60个流动台与固定地震台2010年7月至2014年12月的垂向连续波形数据,采用地震背景噪声成像方法获得了研究区6~40 s周期的瑞雷波相速度分布,并通过相速度频散反演得到了研究区下方0~50 km的三维S波速度结构.结果表明：研究区下方地壳S波速度结构存在明显的横向和纵向不均匀性,浅部速度结构与浅表地质构造单元有较好的对应,深部速度结构较好地反映了区域火山活动及深部热物质作用的结构特征;在长白山火山下方9~30 km深度范围内存在明显低速区并有向下延伸的趋势,推测可能为长白山火山地壳岩浆囊;在龙岗火山下方12~30 km深度范围内发现较弱的低速区,可能代表火山喷发后的残留物,而在镜泊湖火山下方没有明显的低速异常,说明镜泊湖火山地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质.

     

松辽盆地沉积层结构的短周期地震背景噪声成像研究

使用位于松辽盆地内部的NECESSArray台阵连续两年背景噪声数据,通过波形互相关和多重滤波方法提取到2~14 s较短周期的Rayleigh波群速度和相速度频散曲线,基于快速行进（FMM）面波成像方法得到群速度和相速度成像结果,并采用最小二乘迭代线性方法反演获得了松辽盆地深至12 km的三维S波速度结构.本文成像结果显示：松辽盆地内部S波速度分布的横向不均匀性与该区域的构造单元呈现出良好的空间对应关系.从地表至下方的6 km深度,盆地北部比南部表现出更加强烈的低速异常,这一特征可能与盆地南北的沉积构造差异有关.中央坳陷区低速异常的边界与嫩江断裂走向相互平行,表明盆地基底断裂对盆地形成演化具有一定的控制作用.在垂直速度结构剖面中,2.9 km·s^-1的S波速度等值线与地震反射剖面显示的盆地基底深度大致对应.基于S波速度模型和盆地基底速度（2.9 km·s^-1）,我们获得精细的松辽盆地沉积层厚度模型,结果表明松辽盆地的沉积层厚度分布呈现出中间厚、四周薄的特征,中央坳陷区的沉积层厚度范围大约在3~6 km.

     

利用密集台阵背景噪声研究通州—三河地区高分辨率三维S波速度结构

北京通州—河北三河地区中存在几条大型隐伏断裂,地质构造复杂.为研究该区隐伏断裂的空间展布、断裂与隆起和凹陷的构造关系,本文利用布设在该区的914个短周期地震仪组成的密集台阵,获得了45天的连续波形记录,通过噪声互相关方法获得台站之间的面波经验格林函数,提取2~8 s基阶勒夫波群速度频散曲线,反演获得该区深度7.5 km以内的三维精细S波速度结构.结果表明,研究区的断裂展布影响了地质构造单元的速度异常分布,其中夏垫断裂、南苑—通州断裂和李桥断裂是高低速区的分界带,南苑—通州断裂附近的高速体大致沿NE向展布,南口—孙河断裂附近的高速体大致沿NW向展布,高速体的展布方向与断裂的走向有相关性.研究区的S波速度分布有明显的非均匀性,高速区主要分布在大兴隆起上,而在大兴隆起的中部还存在一个明显的低速体,大厂凹陷和俸伯凹陷主要表现为低速特征,断裂两侧的较大地层密度横向差异可能是地质构造单元呈现出高低速异常的原因之一.研究区的结晶基底埋深差异较大,大兴隆起的结晶基底埋深约为2 km,大厂凹陷的结晶基底埋深约为4~7 km,断裂影响了结晶基底的埋深状态.本文获得的通州—三河地区三维精细S波速度结构,为认识该区的隐伏断裂、隐伏隆起和凹陷的物性结构提供了更多的地球物理学依据,对城市的地质灾害风险评估、安全建设等有重要意义.

     

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...     

3D S-wave velocity structure of the Ningdu basin in Jiangxi province inferred from ambient noise tomography with dense array

The Ningdu basin, located in southern Jiangxi province of southwest China, is one of the Mesozoic basin groups which has exploration prospects for geothermal energy. A study on the detailed velocity structure of the Ningdu basin can provide important information for geothermal resource exploration. In this study, we deployed a dense seismic array in the Ningdu basin to investigate the 3D velocity structure and discuss implications for geothermal exploration and geological evolution. Based on the dense seismic array including 35 short-period (5 s-100 ?Hz) seismometers with an average interstation distance of ～5 ?km, Rayleigh surface wave dispersion curves were extracted from the continuous ambient noise data for surface wave tomographic inversion. Group velocity tomography was conducted and the 3D S-wave velocity structure was inverted by the neighborhood algorithm. The results revealed obvious low-velocity anomalies in the center of the basin, consistent with the low-velocity Cretaceous sedimentary rocks. The basement and basin-controlling fault can also be depicted by the S-wave velocity anomalies. The obvious seismic interface is about 2 ?km depth in the basin center and decreases to 700 ?m depth near the basin boundary, suggesting spatial thickness variations of the Cretaceous sediment. The fault features of the S-wave velocity profile coincide with the geological cognition of the western boundary basin-controlling fault, which may provide possible upwelling channels for geothermal fluid. This study suggests that seismic tomography with a dense array is an effective method and can play an important role in the detailed investigations of sedimentary basins.     

基于背景噪声成像方法研究郯庐断裂带中南段及邻区地壳速度结构与变形特征

郯庐断裂带是贯穿我国东部北北东走向的一条深大断裂,其中南段及其邻区（115°E-121°E,29.5°N-35°N）穿过了大别造山带、苏鲁造山带、长江中下游成矿带及合肥盆地.为了研究该区域地壳速度结构及变形特征,我们使用安徽省和江苏省及其周边地区105个台站（固定台站98个,流动台站7个）的垂向连续波形数据,时间范围从2014年5月到2015年7月,共计14个月.利用背景噪声互相关方法,从垂直分量互相关函数中最终提取了2590条瑞利面波相速度频散曲线,反演得到周期范围为5~30 s的瑞利波方位各向异性相速度分布图,再反演每个网格点瑞利面波相速度频散得到一维层状横波速度模型,然后拼合起来组成三维横波速度模型.根据本文反演结果并综合已有资料,我们得出如下结论：（1）在北大别、蚌埠隆起、长江中下游成矿带、合肥盆地北部大桥凹陷区域存在中地壳横波高速体,可能与岩石圈和下地壳拆沉以及中生代中国东部大范围岩浆活动有直接关系,更深层原因可能与古太平洋俯冲相关;（2）苏鲁造山带南缘,垂直于嘉山响水断裂,从南向北中上地壳低速体深度变浅,这个低速体可能是高压/超高压变质岩与扬子板块接触处的破碎带,是扬子板块与华北板块接触的边界;（3）郯庐断裂合肥-嘉山段两侧以及大别造山带东缘短周期瑞利面波相速度快轴方向与郯庐断裂带走向基本一致,可能是三叠纪碰撞期与白垩纪时期的大规模左旋走滑活动的结果;（4）合肥盆地南部15~20 s周期的瑞利波相速度快轴方向为北西-南东向,反应该区域中下地壳快波方向为北西-南东向,推测是大别造山带折返的痕迹;（5）郯庐断裂带的结构和地震活动性存在明显的分段性,嘉山-郯城段郯庐断裂带现今地震活动性弱,但发生过较强的古地震,推断现今郯庐断裂带宿迁段可能处于闭锁状态,从长远来看要注意该地区发生大震的可能.

     

新疆地区环境噪声层析成像研究

本文利用北京大学宽频带流动地震台阵和新疆地震监测台网12个月连续地震记录数据,采用环境噪声层析成像方法获得了新疆地区的周期从10~35 s范围内的瑞利面波相速度异常分布图像.研究结果与地表地质构造相一致,新疆地区的天山、两盆大地构造与瑞利面波相速度异常有较好的对应关系.短周期10~20 s的图像显示两个盆地内都呈现低速异常,对应盆地较厚的沉积层.中长周期25~35 s的层析成像结果显示东西天山地区存在明显异常差异.本文获得的新疆地区地壳和上地幔相速度结果,也为进一步结合传统天然地震面波成像方法,最终获得新疆地区的三维剪切波速度结构奠定基础.     

川西地区台阵环境噪声瑞利波相速度层析成像

2006年中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区(26°N~32°N,100°E~105°E)布设了由297台宽频带数字地震仪组成的流动观测台阵.利用该密集台阵29°N以北156个台站2007年1~12月份的地震环境噪声记录和互相关技术,我们得到了所有台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,并进一步反演得到了观测台阵下方2~35 s周期的瑞利波相速度分布图像．本文结果表明,观测台阵覆盖的川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地的地壳速度结构存在显著差异,具体表现为：(1)短周期（2~8 s）相速度分布与地表构造特征相吻合,作为川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地之间的边界断裂,龙门山断裂带和鲜水河断裂带对上述三个地块上地壳的速度结构具有明显的控制作用,四川盆地前陆低速特征表明相应区域存在较厚的（约10 km）沉积盖层;(2)中周期（12~18 s）相速度分布表明,川滇地块和松潘-甘孜地块中上地壳速度结构存在明显的不均匀横向变化,并形成了尺度不同且高、低速相间的分块结构,而四川盆地中地壳整体上已经表现出相对高速;(3)长周期（25~35 s）相速度分布表明,松潘-甘孜地块,特别是川滇地块中下地壳表现为广泛的明显低速异常,意味着它们的中下地壳相对软弱,而四川盆地的中下地壳呈现整体性的相对高速,意味着四川盆地具有相对坚硬的中下地壳,并且以汶川地震的震中为界,龙门山断裂带的地壳结构显示了北段为高速异常,南段为低速异常的分段特征．