地震海洋学研究进展

地震海洋学是利用反射地震方法探测海水温盐结构的一门新兴交叉学科．其主要优势在于水平方向的分辨率较高,能够弥补传统物理海洋学观测在时空尺度上的缺陷,为研究温盐结构、海洋动力过程提供了一种可视化手段．本文将追溯地震海洋学的发展历程,详细阐述近年在地震剖面和海水温盐结构的关系、内波、地中海涡旋、潜流等海洋学现象研究以及在海水温度结构反演、地震波模拟等定量研究方面的最新进展．最后展望地震海洋学今后的发展,阐述了未来可能取得突破的7个研究领域,如混合,内波的3D波包等．     

地震海洋学方法在研究南海东北部海水水体结构中的应用

反射地震方法一般用于地下地质结构的探测.本文采用南海东北部的一条地震测线记录,通过对水体反射信号的处理,获取了该测线上海水的声速剖面,并获得了海水水体结构的直观图像.在反射地震剖面上,可以看出南海东北部上层海水结构较为稳定,没有明显的水体侵入痕迹,但中、深层海水中内波较为发育,这与物理海洋学上的研究结果是一致的.本文通过设计合理的数据模型说明了地震海洋学这种方法的可行性,并对地震海洋学的工作方法和方向上提出了一些意见和建议.     

南海东北部海洋内波的反射地震研究

已有的内波研究多来自单点的垂直剖面观测资料,但研究内波水平特征的实测资料却非常缺乏．利用反射地震方法研究海水温盐结构,具有高水平分辨率和短时间内对整个海水垂直剖面进行成像的优势,能够弥补传统物理海洋学观测方法的缺陷,为研究海洋内波提供有前景的新手段．本文通过对南海东北部地震剖面的重新处理、分析,认为地震叠加剖面上同相轴呈现的起伏变化反映了内波的总体形态．计算的水平波数能量密度谱与GM76模型谱基本一致,但在低波数段和高波数段中,两者的振幅及斜率存在着一定差异,经分析认为这种差异主要与内潮波和复杂海底地形的强烈非线性相互作用以及内波破碎等因素有关     

加勒比海东南部温盐阶梯的地震海洋学研究

通过处理EW0404航次的部分测线的多道地震数据,结合历史CTD（Conductivity,Temperature,Depth）数据,在加勒比海东南部发现了大量的温盐阶梯结构,地震剖面上阶梯层的结构和深度与测线附近的CTD,数据中发现的温盐阶梯有着较好的对应关系.分析认为加勒比海域有两种温盐阶梯形态：一种是连续且密集的阶梯层,阶梯层厚度中等,其在地震剖面上表现为大面积的块状密集高强度反射,是该海域主要的温盐阶梯形态;另一种是深度相差较大的阶梯层,阶梯层较厚,中间夹杂有小的阶梯,其在地震剖面上表现为水平延伸的条带状反射带.

     

南海东北部地震海洋学联合调查与反演

通过地震海洋学联合调查航次,获得了同时采集的高分辨率多道地震数据与水文数据（XBT）联合调查数据.通过针对性处理获得了清晰的海洋水体反射地震剖面,捕捉到南海东北部次表层涡旋,证明了该调查方法的有效性.利用背景场约束反演方法得到海水的波阻抗、声速、密度、温度和盐度剖面,揭示了涡旋具有相对低速、高密、低温与高盐特征.处理和反演结果表明,在浅部和部分噪声较强和无约束反演区域,结果误差较大,可靠性较低.调查结果说明,获得较高信噪比的原始高分辨率地震资料采集技术方法、联合约束数据的获取、针对性的特殊处理方法和有效的反演方法是地震海洋学资料有效分析利用的重要保证.

     

海底边界层异常(地震海洋学)反射地震特征的地球物理分析

通过对南海北部与西部大量反射地震剖面海水层部分进行再处理,与以往地震海洋学主要关注海水层内部的反射结构不同,本文重点对海底附近水体的各种复杂反射地震特征进行分类、分析与总结.与传统对海底边界层的定义不同,我们将海底边界附近的水体称之为海底边界层.本文利用传统地震相分析方法,分析海底边界层各种复杂反射地震结构的几何形态、内部反射结构、连续性、振幅以及视频率特征,结合过去相关的地震海洋学研究成果、海底边界层理论与其它各种海底附近作用/过程,不仅对中尺度涡旋、内孤立波和背风波在地震剖面上的反射地震特征进行了归类与分析,并推断最新发现的一些反射地震特征可能揭示的各种海洋作用/过程,例如不同的地震相特征可能反映了海底湍流边界层,海底沉积物再悬浮,天然气渗漏羽状流和麻坑内部异常上升流相关海底界面作用过程.结果分析表明,地震海洋学方法不仅能够对海洋内波、涡旋等物理海洋现象进行研究,同时也能够对海底附近各种复杂海洋作用/过程进行成像,从而拓展了地震海洋学的研究领域,一定程度上也能为过去不能有效对海底边界面发生的各种冷泉热液活动、生物和沉积等作用过程进行现场观测提供新的探测方法和研究视角.     

地震海洋学方法在海洋混合参数提取中的研究与应用——以南海内波和地中海涡旋为例

混合是海洋中普遍存在的一种海水运动形式,对多个海洋学分支的研究具有重要的影响.随着物理海洋学的研究重心从大尺度向中小尺度现象过渡,近年来混合问题的研究重心也逐渐转向了中小尺度现象.内波与中尺度涡都是非常重要的中小尺度物理海洋学现象,对海洋能量在不同尺度中的级联发挥着重要的作用.本文基于地震海洋学研究了海洋混合参数的提取方法,并以南海内波和地中海涡旋为例进行了计算和分析.结果显示,南海内波在200~600 m深度范围内所引起的混合可达10-2.79 m2·s-1左右,比大洋的统计结果10-5 m2·s-1高出两个数量级以上.而地中海涡旋所引起的湍流混合率可达10-3.44m2·s-1左右,与大洋统计结果相比高出1.5个数量级左右,并且地中海涡旋下边界的混合要强于上边界,这一特征与前人的研究一致,另外涡旋上边界之上以及侧边界的外侧也具有非常高的混合率.     

加利福尼亚海湾及其邻近海域亚中尺度现象的地震海洋学研究

亚中尺度过程连接了中尺度与小尺度过程, 在上层海洋物质垂向交换和能量传输方面起到重要的作用.在加利福尼亚湾及其邻近海域2002年采集的地震剖面上观测到了亚中尺度的涡丝, 锋面和涡旋结构.理论的涡丝垂向结构为一对偶极子次级环流, 由中间的高密度下沉流和两侧的低密度幅聚相向流构成, 密度结构呈人字形分布的多个相向倾斜密度锋.地震剖面上中尺度涡的亚中尺度涡丝由多组相对的叠瓦状倾斜反射体构成, 验证了涡丝内部密度锋的理论垂向结构.同时我们观察到亚中尺度涡旋的垂向结构及其涡丝结构, 其涡丝在地震剖面上呈现为近水平的括号状反射, 这种形态可能与旋涡星系的旋臂结构有一定相似性.随后计算了地震斜率谱和相对谱能量分布, 通过亚中尺度涡旋和其它区域在不同波数段的能量强度差异, 探讨了亚中尺度涡对能量耗散过程的影响.

     

利用地震海洋学方法研究南海东北部东沙海域内孤立波的结构特征

多尺度动力过程是当前海洋学研究的重点。地震海洋学能在数百km的剖面上获得分辨率为10 m的高质量数据,基于该数据能够解析涡旋边缘的亚中尺度动力现象（如北冰洋地震剖面研究发现的漂亮旋臂）和内孤立波的振幅垂向结构,并能够进行内孤立波波形变化与混合参数分布叠合分析等,本文对这些方面获得的新认识和新进展进行了综述。同时,共偏移距剖面叠前偏移方法充分利用多道地震的多次覆盖特点,获得随时间变化的一系列地震图像,为地震海洋学在海洋内部结构的时空演变研究方面增添了利器。因此,地震海洋学提供的新的时空视角必将在海洋多尺度动力过程研究中起到重要作用。     

地震照明叠前深度偏移方法综述

对地震照明叠前深度偏移的基本概念、实现方法进行了分类和阐述.地震照明叠前深度偏移是通过对震源和炮记录进行合理的选择和合成,从而进行地震照明成像的一种有效方法.其可以分为平面波偏移和小束波偏移.理论模型的处理效果证明地震照明叠前深度偏移成像技术有很高的计算效率,并且还可以提高地下特定目标的成像质量.     

细胞自动机用于地震偏移:数值模拟试验

利用细胞自动机模型进行了地震偏移处理的尝试．采用格子Boltzmann模型和三角形网格,以向下两个方向的粒子代表下行波,根据归一化的地震记录计算粒子数密度,在相应的时刻在代表地表的网格点上设定粒子数密度,以下行粒子在网格中的演化模拟波场延拓过程．粒子系统演化结束时即得到偏移后的波场图象．本文对一个常速介质理论模型进行了偏移处理,得到了满意的结果。     

利用地震观测资料预测震源区应力变化研究进展综述

地震的孕育和发生除了与区域背景构造应力的增长变动有关,也是震源区应力增长及破裂发展的结果.因此地震观测资料必然携带有震源区应力应变增长及破裂发展的信息.随着数字地震观测台网的普及和数字地震仪性能的提高,用地震观测资料进行震源区应力变化和破裂过程的研究已成为国际地震学界的研究热点.本文综述了岩石静态应力状态的变化对地震波传播与衰减的影响,及其对地震孕育和激发的作用;主要介绍了利用地震观测资料预测震源区应力变化的主要研究方法和目前的进展;讨论了该研究领域未来的发展前景,作为进一步研究的基础.     

南海东北部内孤立波包的地震海洋学和遥感研究

在南海东北部东沙环礁附近,内孤立波被大量地观测报道.在该地区内孤立波的传播和演化过程仍然存在许多待解决的问题.利用改进的地震海洋学处理方法对2009年夏的一段海洋勘探地震测线进行了重新处理,获得了50 m水深之下的水层反射图像,发现了包含8个内孤立波的下沉型内孤立波包.遥感仪器中分辨率成像光谱仪（MODIS）图像在该段地震测量的3 h内,捕捉到同一个内孤立波包,经处理分析,获得前5个内孤立波的清晰图像.本文采用了两种方法计算内孤立波相速度,方法一是利用不同的叠前共偏移距道集剖面估算内孤立波的视相速度,并根据MODIS图像上内孤立波的传播方向对其进行校正;方法二是利用地震与MODIS图像联测直接获得传播相速度.将这两种方法得到的相速度分别进行对比,发现它们在数值大体一致.地震海洋学剖面可直接获得内孤立波包中8个内孤立波的特征参数,包括振幅、视半高宽和视波间距.该内孤立波包的最大振幅为117 m,最大视半高宽为1020 m,最大视波间距为4100 m.由于地震采集船和内孤立波之间存在类多普勒效应,且二者前进方向存在夹角,所以利用地震与MODIS图像联测得到的传播相速度,结合MODIS图像所推断的内孤立波传播方向对视半高宽和视波间距进行校正.首波的半高宽与遥感估算的特征半波宽的比值是1.75,接近理论比值的1.763;校正后的真波间距和遥感量测波间距数值基本一致.最后,结合地震观测前后的遥感图像和潮流数据推断这一内孤立波包为Type-b型.结果表明,将地震海洋学和遥感方法结合,可以更好地研究内孤立波的特征.

     

2.5维地震波数值模拟评述：声波模型

本文的目的是对基于声波模型的2.5维地震波数值模拟工作进行评述,以便能够找出其存在的问题和解决这些问题的可能途径,根据定义,2.5维问题是三维问题中的一种特殊情况,其特点是:(1)介质参数沿走向保持为常数;(2)场源具有球对称性;(3)场源和接收点均位于垂直于走向的直线上,与三维数值模拟问题不同,2.5维数值模拟问题分为两部分:(1)在垂直于走向的平面内用数值方法解相应的微分方程,这在实质上是二维问题;(2)采用积分变换或其他方法处理来自于计算平面外的影响,这实际上是将一个特殊的三维问题转化成为了无限多个(在离散情况下是有限多个)二维问题的叠加,与二维模型相比,2.5维模型能得到计算平面内的精确地震波振幅信息,鉴于声波模型是反射地震偏移成像理论和应用研究中的基本数据模型,所以对2.5维声波数值模拟的研究具有重要的意义,根据对计算平面外传播效应的处理方式可以将到目前为止提出的2.5维声波数值模拟方法分为四类:(1)几何射线法;(2)滤波校正法;(3)Fourier变换法;(4)近似波动方程法.其中,几何射线法具有直观、快速的特点,但是在焦散区内失效,滤波校正法只在均匀介质条件下严格成立,在一般条件下只是一种精度难以估计的近似,Fourier变换法是一种经典方法,其研究程度已经相当深入,该方法的基本思想是通过沿走向的Fourier变换将2.5维问题转化为有限多个二维问题,从而,对反变换的数值实现直接影响到该方法的精度和效率,近似波动方程法的宗旨是针对2.5维波动问题建立专门的波动方程,与Fourier变换法相比,近似波动方程法等同于一个二维数值模拟,因此可以大大地降低计算量,但是,根据笔者所掌握的资料,到目前为止提出的几个近似波动方程不是具有很大的振幅误差,就是难以进行数值计算,因此,有必要对近似波动方程的形式进行进一步的研究.     

岫岩5．4级地震前震源参数与地震波异常变化

通过搜集辽宁地震台网1997～2004年8个台站记录的ML≥2．5地震观测资料,结合前期工作,对岫岩5．4级地震前后地震波特征进行了分析。结果表明：在岫岩5．4级地震前,P波初动、P波和S波振幅比、小震综合节面解及岫岩ML≥4．0地震震源机制解等同时出现明显的变化。