地壳浅部S波速度结构的多频接收函数两步反演法及其在中国东北盆-山构造区的应用

地壳浅部(<10km)速度模型既是地壳结构与变形研究和资源勘探前景评估的基础,又可为壳幔深部结构成像等研究提供先验信息.针对区域尺度结构,被动源方法相比主动源方法具有明显优势.被动源方法中,基于接收函数和/或体波振幅比的成像方法由于具有较高空间分辨率,近年来受到广泛关注.然而,盆地松散沉积层内部的反射混响常导致此类方法表现出较强的多解性及不确定性,限制了其应用.因此,本文提出一种基于多频径向接收函数波形及其与垂向接收函数振幅比的两步反演法,以约束地壳浅部S波速度结构.理论测试表明,两步反演策略能有效降低反演多解性、提高结果稳定性.将该方法应用于一条横跨中国东北沉积盆地的线性地震台阵数据,获得了地壳浅部S波速度精细结构图像.结果显示,盆地与山地地壳浅部结构差异显著:二连盆地浅部(<1.0km)和松辽盆地浅部(<2.5km)速度较低(<2.8km s^-1),反映低速沉积层;松辽盆地7km以深地壳速度较高(3.4～3.8km s^-1),可能反映早白垩世镁铁质岩浆侵入体.此外,成像结果中速度异常分布与盆地内大型断裂、隆起及沉积...     

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.     

沉积盆地地区地壳结构估计——预测反褶积方法消除接收函数多次波混响

接收函数方法被广泛地应用于地壳上地幔结构的研究中,H-κ叠加方法是其中最常用的方法之一.对于布设在基岩区台站计算的接收函数,H-κ叠加方法可以准确地估计台站下方地壳厚度和平均波速比,但是对于沉积盆地地区计算的接收函数,由于低速沉积层内会产生多次波混响,干扰甚至覆盖接收函数中莫霍面的转换波和多次波震相,从而影响H-κ叠加结果的准确性.为准确估计沉积盆地地区地壳结构,本文提出使用预测反褶积方法去除接收函数中低速沉积层内多次波混响,其中预测步长由接收函数归一化自相关函数获得,物理意义为沉积层内S波双程走时.合成接收函数和实测接收函数试验表明,本文提出的预测反褶积方法可以有效地去除沉积层多次波混响,并结合改进的H-κ叠加方法可以准确地估计沉积层下覆地壳厚度和平均波速比.相比于其他去除接收函数多次波混响的方法,本文提出的预测反褶积方法具有参数设定简单、运算量小、震相幅值较大等特点,适用于大批量数据处理.     

基于背景噪声的晋冀鲁豫交界地区瑞利波群速度层析成像

晋冀鲁豫交界地区位于华北克拉通的东南部, 研究该区地壳结构有助于进一步了解河北南部及其邻区地质构造演化特征、 发震机制、 发震规律。 本文收集了晋冀鲁豫交界地区两年84个地震台连续波形观测资料, 通过台站对波形互相关, 得到各台站对间的经验格林函数, 再利用图像分析技术提取瑞利波频散曲线。 本文基于面波直接成像方法得到不同深度剪切波速度结构。 结果显示, 该区部分速度异常与该区地表地质构造单元存在相关性, 速度异常呈区域分布特征, 山区和盆地呈现非常显著的速度差异, 浅层上地壳结构速度变化特征与沉积层厚度、 结晶基底埋深等区域构造密切相关, 中下地壳及上地幔存在不规则的速度异常, 与该区的地震发生存在相关性。     

区域尺度地震体波和面波走时联合成像：进展与展望

如何利用观测到的地震图上尽可能多的信息来约束地下结构以及地震震源本身一直是地震学研究的前沿课题.近年来,随着计算机计算能力的提高,使用基于全波形反演的方法已被用于不同尺度结构成像中,并取得了良好的效果.但如何减小全波形反演对计算资源的巨大需求以及其反演的高度非线性仍是目前急需解决的问题.此外,对于区域以及全球尺度成像,全波形反演的波形的拟合仅限于相对较低的频率.目前,基于波形层析成像在区域尺度最高能拟合的频率大约为0.5 Hz,在全球尺度能拟合的频率更低,所以获得的波速模型的分辨率还有一定的改进空间.地震学体波和面波联合反演是另一种可以综合利用更多信息的成像方法.该种方法主要利用高频体波的走时信息以及面波的频散信息来约束地下结构.由于只需要求解高频近似下的波动方程,其效率较全波形反演有较大提高.相比于体波和面波数据单独反演,联合反演能利用体波和面波对地下结构约束的互补性来获得能同时拟合不同数据的波速结构模型.此外,体波和面波数据联合反演能获得更为准确的泊松比模型,因此可以更好地约束岩性、孔隙度、熔融程度等.鉴于目前海量的基于机器学习获得的不同震相的走时数据以及越来越多的密集流动地震观测...     

长三角地区地壳P、S波速度结构模型

利用收集到的瑞利面波频散数据和区域地震台网震相数据,分别采用面波层析成像和体波走时层析成像方法反演了长三角地区地下速度异常分布,获得了该区地壳P、S波速度结构.层析成像结果表明速度结构模型与地质特征基本一致,研究结果有助于深化对长三角地区沉积盖层和地壳结构以及强震活动深部环境的认识.     

面波频散与接收函数联合反演南北地震带北段壳幔速度结构

通过对南北地震带北段区域所布设的676个流动地震台站观测资料进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了研究区内地壳厚度、沉积层厚度的分布情况以及地壳上地幔高分辨率S波速度结构成像结果.反演结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向外总体逐渐变薄,秦岭造山带地壳厚度较同属青藏高原东北缘的北祁连块体明显减薄;鄂尔多斯盆地及河套盆地分布有非常厚的沉积层,阿拉善块体部分区域也有一定沉积层分布,沉积层与研究区内盆地位置较为一致;松潘—甘孜块体、北祁连造山带等青藏高原东北缘总体表现为S波低速异常;在中下地壳,松潘—甘孜块体下方的低速体比北祁连造山带下方的低速体S波速度值更小、分布深度更浅,更有可能对应于部分熔融的地壳;鄂尔多斯盆地在中下地壳以及上地幔内有着较大范围的高速异常一直延伸到120 km以下,而河套盆地地幔只在80 km以上部分有着高速异常的分布,此深度可能代表了河套盆地的岩石圈厚度,来自深部地幔的热物质上涌造成了该区域的岩石圈减薄;阿拉善块体在地壳和上地幔都表现出高低速共存的分布特征,暗示阿拉善块体西部岩石圈可能受青藏高原东北缘的挤压作用发生改造.     

基于背景噪声成像方法的新疆呼图壁储气库地区近地表速度结构研究

近年来,背景噪声成像方法在恢复高频面波信号及获取近地表速度结构方面得到了广泛的应用,本文将该方法应用于准噶尔盆地南缘的呼图壁背斜地区的呼图壁储气库.采用储气库及其周边区域22个台站记录的连续背景噪声数据的垂直分量,通过噪声互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了0.5~1.5 s的基阶瑞利面波群速度频散曲线.首先根据区域平均频散曲线得到了该地区地下数百米的平均一维横波速度结构,然后利用基于面波射线路径追踪的面波频散直接成像方法得到该地区深度为500 m以上的三维横波速度结构.反演结果显示该地区沉积层较厚,整体横波速度值较小（0.4~0.9 km·s^-1）.储气库在地表投影区域的横波速度值较小,这可能是由于抽注水、气引起的沉积岩石裂隙所导致.储气库东北和东南方向均有明显的相对高速区,推测是区域地下水位和地形起伏综合作用的结果.本研究获得的近地表三维速度结构为呼图壁储气库地区的上覆地层物性研究、区域微震精定位、场地效应的评估和去除浅层影响的深部介质成像等研究提供了重要基础.     

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.     

联合多源数据反演郯庐断裂带南段地壳三维速度结构

郯庐断裂带南段位于不同块体交汇区,高分辨率的地壳速度结构有助于理解该地区的构造特征及成因.本文基于多源数据,利用2015年安徽实验中气枪的体波和高频面波,2008—2018年区域地震体波信号以及背景噪声面波频散等资料,将不同来源、不同周期的面波频散数据和体波走时进行联合反演,获取了郯庐断裂带南段的高精度地壳速度结构.研究结果表明：(1)加入面波信息进行联合反演后,获取的P波和S波速度模型的分辨能力较单一体波数据反演在中下地壳均有显著提升.(2)郯庐断裂带是控制区域异常的主要因素,两侧具有明显的速度差异.地震主要发生在断层附近,集中分布于高低速交界区.(3)秦岭—大别造山带下方5～10 km深度存在明显的高速异常体,对应于超高压变质岩,是大陆深俯冲经历超高压变质作用后折返上升到中上地壳形成的.(4)长江中下游成矿带的矿集区呈现高的P波和S波速度值,可能是陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和一系列成矿作用共同造就的.     

宽频带数字地震波形反演与中国大陆地壳上地幔速度结构的研究

本文对利用体波波形资料研究地壳上地幔速度结构的理论与方法进行了系统的研究 ,通过引入非线性反演中的遗传算法 ,发展了一种灵活有效的体波波形反演方法。利用中国的CDSN台网和中美合作在青藏高原架设的PASSCAL临时地震台站记录的宽频带体波波形资料 ,对中国大陆地区地壳上地幔速度结构进行了研究。在青藏高原地区 ,通过对高原中部地区瑞利波衰减特性及相速度频散特性的测定 ,反演了该地区地壳上地幔的 Qβ结构和 S波速度结构 ,并对 S波速度的横向不均匀特征进行了探讨。本文对上地幔速度结构的主要研究方向进行了系统的总结 ,这些…     

三峡地区上地壳结构的远震虚震源反射地震成像

远震虚震源反射成像方法利用远震初至波在台网之下地表与地下界面间形成的反射波(PPdp震相)波形资料进行台网地区地震反射结构研究.此方法先用台网各台站的平均初至波形求取震源信号,再用该震源信号与各道地震记录作反褶积从而取得反射剖面.本文介绍了远震虚震源反射成像的基本原理和实现步骤,并以三峡地区的观测资料为例,得到三峡库首区上地壳的反射地震剖面.成像剖面中解释出的四川盆地和秭归盆地的底界面位置和形态与地表地质观测和大地构造背景吻合.为验证虚震源成像的能力,本文使用弹性波正演模拟合成地震数据,经过处理实际资料一样的步骤获得虚震源成像结果.正演模拟表明,叠加多个远震的反射地震剖面可以有效地改善成像的信噪比和连续性;虚震源成像需要选择特定的震源频率范围,以减轻高频噪音以及低频造成的成像问题.在研究上地壳结构时,建议在不适合主动源采集和缺乏低频信号的地区尝试远震虚震源方法.     

地震体波走时层析成像方法研究综述

地球介质参数是地震深部探测的重要目标,蕴含了丰富的地球结构和演化信息.全波形反演技术由于计算量大的原因,目前阶段在实际壳幔结构成像应用中还存在较大的难度.基于P波和S波到时的体波成像仍然是壳幔精细速度结构成像的重要途径.本文主要介绍了三种具有代表性的地震体波走时层析成像方法,即基于高频近似射线理论的成像方法、基于程函方程数值解的初至波成像方法及有限频成像方法.基于射线理论的成像方法计算量小,计算效率高,长期以来是体波成像的主要方法之一;基于程函方程数值解的成像方法,在初至波走时成像方面有优势,但是要求网格节点较密,计算量大;有限频成像方法基于波动方程理论,比射线理论包含更丰富的介质信息,但是由于计算量大,目前在实现过程中引入简化的假设,成像效果还有较大的提升空间.     

密集台阵背景噪声双聚束成像化龙断裂精细结构

双聚束成像法(Double beamforming,简称DBF)是利用地震背景噪声进行地下速度结构成像的新方法,该方法通过对环境噪声场中能量相干部分的叠加达到提高信号信噪比的目的,识别和提取不同类型的地震波信号及其入射方位角(微弱体波、反射面波等),从而进行地下速度结构成像研究等.特别是进行背景噪声面波成像时,DBF能...     

面波反演苏北—南黄海盆地地壳三维S波速度结构

区域地壳速度结构对于地震定位和地球动力学特征认识十分重要,一直是地震反演研究的主要内容。利用收集到的基于背景噪声面波成像方法的瑞利面波相速度数据,我们对苏北—南黄海地区地下三维S波速度结构开展了深度反演,进而探讨苏北—南黄海盆地地质结构与地震构造的关系。面波层析成像结果表明区域速度结构模型与地质特征基本一致,速度结构清晰刻画出了苏北—南黄海沉积盆地的主要沉积构造范围和基底起伏。反演结果还揭示了南黄海盆地中地壳内存在一显著的低速层,与历史强震集中分布区高度一致,表明浅源强震活动与壳内的低速层密切相关。     

利用接收函数方法确定青藏高原东北缘近地表S波速度

公式推导和数值实验都表明远震接收函数直达波幅度对近地表S波速度比较敏感,可以用于确定近地表（如沉积层）的S波速度值.本文利用该方法分析了青藏高原东北缘区域数字地震台网36个台站的远震资料,得到了研究区近地表S波速度分布特征.研究结果表明：在深度5±2.5 km范围内,祁连山—河西走廊区域近地表S波速度均值较小;位于地形梯度带的甘东南区域近地表S波速度呈现较为复杂的分布.通过与该区域沉积层厚度结果对比,发现近地表S波速度与沉积层厚度呈现较好的负相关.本研究是对目前接收函数方法的有效补充,在探测研究近地表速度结构方面,相比人工地震方法其成本几乎可忽略且环保.在目前地震波观测数据海量增长的背景下,该方法对于确定不同区域近地表结构具有较大潜力.     

利用接收函数研究渤海湾盆地沉积层结构

对布设于渤海湾盆地地区的70个台站2006年9月—2009年9月记录到的895个远震数据进行接收函数计算,发现位于沉积层上的台站记录的接收函数震相较为复杂,由沉积层基底的转换波、多次波及莫霍面转换波、多次波共同构成,且随着沉积层厚度的增加,沉积层基底转换波、多次波与莫霍面转换波、多次波震相相互叠加,使之无法分辨出莫霍面转换波及多次波到时.为此,本文利用相邻算法对沉积层模型进行搜索, 以获取与实际波形误差最小的波形相对应的模型,即台站下方的沉积层结构.结果显示:① 渤海湾盆地由NNE向展布的坳陷带与隆起带组成,冀中坳陷带的沉积层厚度为3—6 km, 坳陷带内沿NE-NNE向分布着带状凹陷带与凸起带相间的次级构造,而且其东侧靠近沧县隆起区的凹陷带沉积层基底埋深最大,体现了渤海湾盆地基底受正断层控制而形成的半地堑(地堑)-半地垒(地垒)构造;② 隆起带的波速比v_P/v_S大于坳陷带的波速比,推测与隆起带下第三系地层的缺失有关, 坳陷带内高波速比地区与地热田的分布相对应, 说明沉积层内高温环境下波速比较高;③ 隆起带内的S波平均速度较坳陷带内的S波平均速度小,且冀中坳陷带内沉积层较厚地区对应的S波平均速度比其它地区更大, 说明渤海湾地区沉积层厚度与沉积层内的S波平均速度成反比关系,推测与下第三系地层的厚度有关,且下第三系地层越厚的地区,S波平均速度越大.以上结果表明,利用接收函数研究的结果与通过地质、地热等方面的研究结果存在着良好的对应关系.      

利用背景噪声和接收函数研究华北克拉通地壳结构

收集华北克拉通地区188个宽频带流动台站观测资料进行处理.通过背景噪声面波数据和接收函数双重资料约束联合反演,得到了研究区沉积层厚度、地壳厚度及地壳S波速度结构.结果显示:(1)沉积盖层厚度与地质构造相对应,盆地区与隆起区分界明显.(2)研究区地壳厚度变化范围约29～46 km,自西向东逐渐变薄.(3)中、上地壳华北盆地S波速度偏高,可能与新生代以来多次沉降所造成的相对高的岩石强度有关;(4)下地壳S波速度显示研究区主要存在三个低速区,分别是唐山—天津周边、张北及太行山造山带地区;华北盆地存在显著高速异常,推测可能是由于华北盆地经历下地壳拆沉后,大规模的伸展作用相伴随的幔源基性铁镁质岩浆底侵至下地壳结晶所造成的.(5)多个发生过强震的区域表现出沉积层下方存在较大范围的(约10 km)高速体,并且高速体又被其下低S波速度包裹,壳内岩石强度的差异为应力积累及地震发生提供条件.     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

中国东北和朝鲜半岛地区地壳Lg波宽频带衰减模型

利用1996年10月至2016年10月间发生在中国东北、朝鲜半岛和日本南部的113个壳内地震在602个宽频带地震台站观测到的波形资料,建立Lg波衰减成像数据集.根据22,551条垂直分量波形,计算Lg波振幅谱,提取单台、双台和双事件数据,采用区域Q值、震源函数和台基响应联合反演方法,建立中国东北和朝鲜半岛地区0.05~10.0 Hz的宽频带衰减模型.模型显示火山岩山脉地区如大兴安岭和长白山具有弱衰减特征,沉积盆地衰减相对较强,海水覆盖区域如渤海、黄海和日本海等衰减最强.日本海具有较薄的海洋地壳,对地壳Lg波传播有阻挡作用.通过较大地震事件的跨海记录调查Lg波的传播,强衰减特征最为显著.