震波层析显象法的地球物理基础

震波层析显象法是由医学界的 X 射线摄影诊断法发展而来的。本文对此法的地球物理基础作了综述,分为四个部分:①导言;②基本概念和具体解法,其中包括研究上地幔的面波分析、研究下地幔的体波分析和上地幔中波速的各向异性研究;③分布情形及其物理意义,包括上地幔的横向异质、下地幔的横向异质和上地幔的各向异性;④结语,其中指出,为地幔做震波层析显象,在地球物理上有极重大的意义,凡板块现象、热点、火山和地震的产生,地热和重力的分布,甚至地核、磁场的活动,都与地幔里物质对流的状况密切相关,利用地震资料的震波层析显象是极为有效的探索方法。     

地震层析成象

地震层析成象(Seismic tomography)是用地震波描述地球内部复杂的、不均匀的速度和/或衰减结构之图象的技术,它可以使用天然震源(地震)和人工震源(爆破和振动)的地震波。“Tomography”一词为医学家所创,来源于“tomograph”(即“切片图”)——一种受检病人身体某部分的高分辨率二维X射线图象。若干相邻切片图叠加在一起即可得到病体的三维图象,以辨认肿瘤或其它病变。地震层析成象与医学的层析成象有很强的相似性,二者都有来自多源的大量交叉射线从不同方向穿透物体,并被一组接收器所接收。就目前的技术发展水平,地震层析成象是用波速的变化来产生物体的图象,而医学层析成象(或称之为计算机辅助层面成象,或CT扫描)则是由X射线衰减的变化得到的。     

大规模三维地球构造的研究

大规模三维地球构造的研究,是研究地球状态及其发展过程的基础。80年代以来,美国东部哈佛大学和西部加州理工学院的两个研究小组在三维地球构造的研究方面始终处于领先地位。从这次 IUGG 大会的报告来看,哈佛大学杰旺斯基和伍德豪斯(Dziewonski and Wood-house)研究小组的成果更为突出。当前研究的主要成果是给出全球地震波速的三维图象,其次有密度的三维分布,Q 值的三维分布的研究还处于初始阶段。所利用的资料包括:①地震波资料(P、S 体波资料、面波资料和自由振荡的资料);②大地水平面和重力的资料;③     

地球质心偏移与各圈层形变

地幔结构的地震层析图象显示热心南偏和质心北偏可能是地球南北反对称的动力基础。建立了南北半球密度反对移分布的数学模型，计算结果表明：地壳地幔南北半球的密度不均匀人分布可使地核偏离地球质心１－３公里，完全符合张焕志１９８２年计算结果。     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

地球内部三维地震反演方法及其进展

三维地震反演是近十年发展起来的研究地球内部结构的地震学方法。近几年,由于从医学上引进了X射线断面成象技术,使三维地震反演在方法上有了新的突破,形成了一个新的反演分枝——地震层析成象技术。本文介绍了近十年来研究地球内部结构的三维地震反演方法及其进展,重点放在对地震体波反演方法上。     

不完全投影场合中图象重建和反演问题

本文讨论了三种情况下由不完全投影所获观测数据以进行图象重建的反演问题:一)根据地震台观测到地幔透射纵波P的振幅对周期的比值,地震面渡振幅、周期的比值,以求得地幔中地震波品质因数Q值的球谐函数的系数,从而拟合出地幔范围地震渡Q值的三维图象;二)用地震面波观测的振幅A对周期T的比值,采用某种先验知识以扩充不完全的观测资料,从而获得地壳面波品质因数Q值的分布图象;三)在有限角度内[θ,π—θ]范围中拥有数据,而在|φ|≤θ范围缺乏数据的情况下,如何进行图象重建的计算问题,给出了有关的数学表达式,这样的计算一般称为限角问题。不完全投影图象重建问题是地球物理反演工作中常常碰到的问题,本文试图就这个问题作些探讨,现分三个部分进行。     

应用地震层析成象技术研究深部速度结构

罗马尼亚Ｖａｎｃｅａ地震区是大陆上发生与板块磁撞和削减有关的中深部地震活动的地区之一。本文介绍了应用地震层析成象方法研究该地区深部速度结构成果。在研究中使用了地方和区域地震所记录的４３３个浅源和中部地震的到时资料反演求解深至２００ｋｍ的三维速度结构,在走时和射线路径的计算中利用了有效的三维射线跟踪技术,在反演中采用ＬＳＱＲ算法,高分辨率的地震层析图象揭示了速度结构的广泛不均匀性,结果表明,地震层析     

地震层析成像板块构造及地幔演化动力学

地震层析成像技术的飞速发展给人类提供了一个探测地球内部结构的强有力的工具，也给人类展示了一片新的天地，使人类更加清晰地在两个层次之上（地球的层圈构造和内部横向不均匀性）了解地球内部，特别是对幔内部非均匀结构，从全球和区域的尺度上揭示出地球内部特别是地壳和上地幔横向不均匀结构。呈现出全新的地球，特别是地幔结构的三维图像框架，很容易理解，这一基本框架正是地幔演化热动力学过程的现代表现，如此，我们可以利用该框架去追溯、探讨全球构造特别是地幔构造演化的历史，从而深化对于我们这个星球演化过程的理解。     

华北地区三维构造应力场

根据最新的地质构造、地球物理、原地应力测量以及震源机制解资料,建立了华北地区三维构造应力场模型;对华北地区构造应力场的三维图象进行了模拟计算;分析研究了区域构造应力场的总体特征和局部分区特性;并讨论了华北构造块体的动力边界条件、活动断裂构造和地壳物性分区等因素对华北构造应力场的控制和影响．      

地震CT技术在城市地质勘察中的应用研究

本文通过应用地震层析成像（cT）技术,对跨孔成像法采集得到的初至波走时,用基于最短路径法的弯曲射线追踪正演和基于LSQR算法的反演技术进行处理。与测井资料联合解释,得到井间波速分布图,对井控范围内的地层构造和地基注浆效果进行了研究,最终得到断裂构造带和人防空洞的分布。认为地震cT在进行城市环境地质调查与评价、浅层工程地质勘察时,能够解决地层岩性和构造的复杂性,对目标环境进行准确预测,在城市环境地质研究和基础设施建设中起重要作用,对促进城市地球物理勘察技术的发展有重要意义。     

地球质心偏移与动力学解释

根据马宗晋等人的工作结果，现今全球构造特征在球坐标系内表现出构造形态、物理场背景和动力学状态等多方面半球级的反对称关系（南／北，０°／１８０°）．地震层析深测到的地幔结构显示的热心南偏和质心北偏可能是地球南北反对称的动力基础。本文建立了南北半球反对称密度分布的数学模型，计算结果表明，地壳地僵南北半球的密度不均匀分布可使地核偏离地球质心１－３ｋｍ，完全符合张焕志１９８２年的计算结果。太阳风可能是地球质心偏移的初始动力。     

高温高压实验和硅酸盐地幔中的水

硅酸盐地幔中的水是影响地球的气候、宜居性、地球化学演化、地球物理学性质和地球动力学过程等的重要因素之一,也是近20年来国际地球科学研究中的热点和前沿方向.高温高压实验是了解硅酸盐地幔中水的种类、分布、储量和效应等的强有力手段.近年来通过高温高压实验,人们对硅酸盐地幔中水的多种物理、化学和动力学性质及其影响取得了一系列显赫进展,极大地丰富了人们对时间和空间尺度上地球水循环(尤其是深部地球水循环)的认识.本文就硅酸盐地幔中水的研究现状和一些主要认识进行简要评述(偏重于高温高压实验相关的成果),主要包括硅酸盐地幔中水的起源、含量和分布以及水对硅酸盐地幔一些物理-化学性质的影响等方面.     

全地幔三维异常密度的联合反演

由Hager(1981)提出的,叶正仁(1989)进一步发展的传播矩阵方法,提供了一种运用地球重力位、板块运动速度资料来探求地幔内部横向不均匀性的一条途径.但由于地球重力位、板块运动速度资料均是二维资料,故仅运用上述两种资料来反演三维异常密度会导致反演结果很强的不唯一性、不稳定性.作为80年代地球物理学最富有成效的成果之一就是利用地震P 波和S波的层析技术,提供了上、下地幔三维异常速度分布,从而为地球物理及地球动力学的研究提供了最新的先验知识.把传播矩阵方法、粘滞损耗最小原理运用于全地幔对流的地球动力学模型,并同时把长波地形起伏、板块运动速度、重力位资料以及傅容珊根据地震层析结果所合成的全地幔三维异常密度作为约束条件,联合反演全地幔的三维异常密度结构.计算结果显示:(1)从计算所及的密度横切剖面来看,至少在250—670km 深度范围内异常密度的高低与地表构造有一定的相关性:即全球的大部分发散边界和相当部分的大陆分别对应低异常密度区和高异常密度区,地幔的异常密度数值在1500km 深度附近达到最小.(2)从计算所得的密度纵切剖面来看,对应太平洋中脊、印度洋中脊、红海及亚丁湾地区,低密度的异常区从地表一直延伸到核一幔边界,不过太平洋中脊相对明显.除上述区域外全地幔的异常密度基本上(按数值大小及正负)分三层.     

秦岭造山带三维结构及其动力学分析

根据秦岭造山带地表地质、地球化学和地球物理综合研究,概括其现今结构呈现为具流变学分层的“立交桥”式三维结构几何学模型。并从其构造几何学与运动学特征,进行构造动力学分析,认为它是在长期构造演化基础上,主要是中新生代以来深部地幔动力学和岩石圈圈层关系调整变动的产物。     

地球物理问题中电磁感应的实验室模拟模型研究

在地球物理问题中,有两种方法通常用于解释地磁和地电异常,这就是数字模型技术和实验室模拟模型法。实验室模拟模型对于分析不易求得数学解的问题非常有用,并且已经广泛用于研究复杂的地球物理问题。本文评述了国外特别是加拿大开展模拟模型研究的情况;描述了平面波、线电流、磁偶极等各种类型的场源模型;给出了该法在研究海岸效应、岛陆通道电流、海浪电磁效应和各向异性导体等方面的应用。模拟模型测量和数字计算的比较结果显示了非常好的一致性,这就进一步证实了模拟模型法对于研究复杂二维和三维感应问题的可靠性。该项研究工作对于了解天然电磁场源的性质、进行地球物理勘探以及研究地球地壳和地幔的电性结构都十分有益。     

层析成像技术在多相流中的研究动态

在多相流检测中,层析成像技术可获取多相流体二维/三维的时空局部的、微观的分布信息,是目前多相流参数检测技术研究发展的前沿和趋势之一.本文较系统阐述了国内外应用电阻层析、电容层析、射线层析、超声层析技术进行多相流检测的原理、研究现状以及层析成像技术在多相流应用方面的发展.     

水对地幔矿物弹性性质的影响及其地球物理意义

构成地幔的大部分名义上无水矿物,包括橄榄石及其同质异象体、辉石以及石榴石等,均可以羟基形式赋存一定量的水.水在地幔不同深度的出现不仅对一系列物理性质(包括密度、波速、熔融温度、电导率和流变强度等)有重要影响,并且对地幔的动力学行为、横向结构和成分的不均一性以及地球深部的演化过程具有重要意义.近年来,地震学研究在地幔不同深度和不同区域均发现低速带的存在,而观测到的地幔速度异常很可能与地幔中的水密切相关.高温高压矿物学利用实验和理论计算,对水是如何影响地幔主要构成矿物的弹性模量和波速进行了深入研究,并取得了大量进展.这些研究对正确理解地幔速度异常的形成机制,查明地幔中水的分布,探寻水在地球内部的迁移形式至关重要.本文针对近年来高温高压矿物学在地幔含水矿物弹性模量的研究成果进行了综述,介绍了该研究方向的进展和不足,并对未来的研究方向进行了阐述.     

地球内部构造研究的进展综述

第三篇文章较详细地综述了地球内部构造研究的进展情况,特别是有关地幔结构的一些新的研究成果,其中包括参考地球模型、上地幔及过渡带中的次级间断面和低速层,以及地幔结构的横向不均匀性。     

以新的地球物理信息为基础的天山构造圈结构

根据新的地球物理信息，得到天山及毗邻区地壳参数模型、地幔参数模型、构造圈重力模型和均衡模型，提出地壳和地幔的物质不均匀性深达300km。查明地幔在横向和垂向上的明显的不均匀构造。密度模型参数表明，天山地台后的造山带，是地幔流体质量转换影响地壳和地幔物质密度变化的结果，相变型式为辉长岩石榴岩粒晶榴辉岩。根据实验数据，提出地壳和地幔环流作用新模式，环流取决于深部源于地核的热质流，它是形成构造运动和地幔构造的主要原因。天山构造圈的参数模型几何上符合于地幔内梯级环流圈。