基于传播矩阵法改进的SS及其前驱波合成算法

410 km和660 km地幔间断面在地球内部动力学研究中具有重要意义. 在研究地幔间断面的方法中, SS前驱波由于具有全球采样优势得以广泛应用. SS及其前驱波模拟可利用有限差分和谱元法等数值模拟方法, 它们在模拟全球尺度地震波传播时具有高精度的特点, 但往往计算量很大. 因此, 该类方法难以应用于反射点广泛分布的情形. 而基于传播矩阵发展的SS及其前驱波模拟方法在保持高精度计算的同时, 可大幅提高计算效率. 本文针对SS及其前驱波的传播特征, 改进了基于传播矩阵方法的波形合成算法FASHSHWF. 通过简单层状模型对该算法进行了测试, 验证了算法及相应程序的正确性. 计算效率测试表明改进算法相较常规传播矩阵算法可节约50%以上的计算时间. 通过与AxiSEM计算的波形对比, 验证了FASHSHWF用于SS及其前驱波模拟的有效性. 在上述工作的基础上, 本文进一步探讨了新算法在研究全球近地表结构对地幔间断面复杂性探测影响中的应用.

     

P波速度对接收函数H-k搜索叠加结果的影响分析

从公式推导、 不同模型数值试验和实际资料处理等3个方面, 系统研究了P波速度v_PP对接收函数H(地壳厚度)-k(波速比)叠加搜索结果的影响. 结果表明, v_PP的变化与H正相关, 与k负相关; 且地壳模型越复杂, v_PP对H的影响越大.      

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.

     

偏离大圆路径传播对四川西部面波相速度成像的影响

面波成像是研究地壳上地幔横波速度结构的一种重要方法．通常,面波相速度或群速度成像假设面波沿大圆路径传播．但是,在地下介质速度结构变化较大时,面波会偏离大圆路径传播,从而导致基于大圆路径假设下的面波成像结果存在一定的误差. 我们采用基于射线追踪的面波成像方法,研究了面波的偏离大圆路径传播对四川西部地区面波相速度成像结果的影响．使用快速行进法(fast marching method)进行面波传播路径的射线追踪,采用子空间反演法(subspace inversion)进行迭代反演,对理论模型合成数据和川西台阵的短周期背景噪声相速度频散数据进行成像分析,并与使用大圆路径传播的成像结果进行对比．对理论模型的测试结果表明,当速度结构变化较大时,基于偏离大圆路径传播的面波成像能够更好地恢复模型异常．对川西台阵的真实数据反演结果显示:在短周期为6 s时,基于偏离大圆路径传播的反演方法较基于大圆路径传播的反演方法所获得的相速度异常的幅度更大些,在四川盆地区域两者的差异接近0.2 km/s;在周期为10 s时,两种反演方法的差异显著减小,基本都在0.1 km/s以内．这主要是因为6 s周期的面波相速度对复杂的上地壳浅层结构更为敏感,从而使得面波的偏离大圆路径传播效应对反演结果的影响更为显著．本文结果表明,当某一周期不同路径的面波相速度测量值变化较大,例如相对于平均相速度的异常超过10％时,则需考虑采用基于偏离大圆路径传播的面波成像方法,否则速度异常较大区域的反演结果可能会造成较大的偏差．      

川滇地区基于背景噪声的三维剪切波速度成像

川滇地区位于中国大陆西南部,其西部是活跃的青藏高原,东部是稳定的扬子地台,地质构造活动与印度板块和欧亚板块的强烈碰撞作用密切相关,是世界上最复杂的构造区之一。由于复杂的地质构造,该地区也是中国大陆地震活动性最强的区域之一,历史上发生7．0级以上地震44次,8级以上地震4次。川滇地区作为青藏高原与扬子板块之间的过渡带一直是科学家研究的重点区域。剪切波对于地下流体、深部温度变化和介质性质十分敏感,     

倾斜层转换波速度比分析和叠加——潘一煤层Ps波处理的实际应用

目前转换波处理主要局限在水平层假设的前提下,使用斜层共转换点叠加有助于缩短处理流程,提高剖面质量.基于射线定律和几何关系,推导出了单一斜层的转换点位置迭代公式和解析表达式,对不同的深度比,速度比和角度正弦对转换点位置的影响作出分析并与平层渐近转换点公式对比.应用斜层方法对单一煤层进行速度比扫描,提取该属性并对煤层叠加成像,比平层假设方法更能反映目的层的变化.进一步使用插值模型使连续层叠加不再使用拼接方式,而是采用逐个采样点归位叠加的方式形成完整意义上的剖面.对实际资料的三个煤层和新生界进行了方法实验,比单一斜层叠加和水平层假设的效果有所提高.     

全球地震面波相速度的微分性质及其波谱特征

本文从理论上揭示了全球地震面波相速率球谐展开的振幅谱特征与横向非均匀结构微分性质的内在联系,对现今存在的两组不同的高阶振幅谱特征作了进一步的分析,并为选择更为合适的参数化方法或模型光滑度的限制条件提供了某种理论判据。     

基于近震P波走时的南加州地区速度结构层析成像

采用2015—2018年南加州地区密集分布的宽频带地震台站记录的505个近震事件,利用AIC准则拾取了35 600个初至P波到时,应用FMTOMO软件进行走时层析成像,获得了该地区0～40 km深度的三维P波地壳速度结构,其分辨率达0.5°×0.5°×5 km。不同深度的速度结构表明:南加州地区P波速度不仅随深度的变化而变化,且该地区地壳具有明显的横向不均匀性。反演结果显示:中地壳以上的速度结构与地壳岩层和断层系统密切相关,下地壳以下的速度结构存在大范围低速区,呈现横向不均匀性。     

基于频率-贝塞尔变换法的关东盆地S波速度成像

将一种新的方法——频率-贝塞尔变换法（F-Jmethod）应用于日本NIED在关东盆地布设的MeSO-net台网的背景噪声数据中,证明频率-贝塞尔变换法可以有效地从背景噪声中提取高阶频散曲线.利用提取的基阶和高阶频散曲线反演关东盆地区域的沉积层和地震基岩层的S波速度结构,并将我们反演得到的S波速度结构与Koketsu等提出的日本综合速度结构模型进行对比讨论.我们的例子证明,在基阶面波的基础上,高阶面波能减少在反演中的非唯一性,得到更为准确的S波速度结构.

     

沧州地区地壳上地幔的远震P波三维速度结构成像

利用架设在沧州地区的20台流动地震台站于2006年12月至2010年7月间记录的271个远震事件,读取的2308个P波到时数据,采用地震层析成像方法反演得到沧州及其邻区（38.0°N～39.0°N,116.5°E～117.5°E）的地壳上地幔P波三维速度结构。层析成像结果表明,沧东断裂两侧的地壳介质的速度分布表现出明显的横向差异,浅层速度分布同地表地质结构分布相一致。沧东断裂西北侧沧县隆起的地壳速度较高,表明其基底抬升;断裂带东南边的黄骅拗陷速度较低,说明基底埋藏较深。本文的远震层析成像研究结果和前人使用重力、电磁和人工地震的探测结果都表明,沧东断裂带两侧的地质构造和地球物理性质有明显的变化,     

逆时偏移对棱柱波和回折波的成像效果分析

断层或盐体悬伸侧翼等陡倾角构造可以产生棱柱波,当地震波的速度随着深度线性增加时则会产生回折波,这两类地震特殊波包含了一次反射波所不能反映的地下构造的信息.逆时偏移是一种成像精度高和能够处理强横向速度变化的双程波动方程偏移方法,不对方程进行近似,能够对高陡构造进行准确成像,其应用越来越广泛.本文将逆时偏移和棱柱波、回折波相结合,充分利用棱柱波和回折波的信息,探索了逆时偏移成像特殊波的能力,分析了逆时偏移成像棱柱波时对速度场精度的要求,用棱柱波来描述盐丘侧翼的垂直边界.同时分析了不同成像条件下逆时偏移成像回折波的效果,并用回折波成像盐体内部和盐体遮挡下构造.     

关于对地幔底层S波速度的界面

一些最近的地震研究表明，在地幔底层存在一个薄的超低P波速度层（ULVZ）这一速度层被解释为是由于存在局部熔融，局部熔融将导致S波速度的急剧下降，在这种速度下不会有地震发生。S波速度的这种下降将对这种地层上部边界S波向P波变频的SKS震相产生出一种很强的前驱波。我们分析了北美地震台站对太平洋西南部区域中俯冲地带地震的记录，变频震相在地震源一侧这个区域中扩展，而那里的超低P波速度也早已探测出。我们的分析表明，这个地层中S波速下降公源于比通过熔融假说所推测的速率下降得多，要私就是这种的地层太薄（不到10－15km)，我们的技术还探测不到。     

岩石中裂纹对弹性波速度的影响

本文在常温常压下,对岩石中的层理,裂纹或裂缝引起的弹性波速变化特征进行了实验研究,并通过简化的人工裂缝模型,研究了裂缝密度和相对位置的变化对波速的影响取得了一些有意义的结果。     

海水速度差异对中深层偏移成像的影响分析

本文针对深水环境下中深层偏移成像质量差的问题,考虑海水速度变化对中深层偏移成像质量的影响,从在大水深中加入深海声道模型入手,分析在偏移成像当中海水速度的不同选取对水平层状介质、倾斜层介质以及较复杂介质模型偏移成像质量的影响,通过在同一模型上改变海水速度进行成像,分析中深层成像效果可以得出:在大水深反射资料数据处理当中应该考虑真实的海水速度进行成像处理,否则会由于海水速度的选取不当而造成偏移成像层位的空间位置和中深层层位几何形态的变化.     

通过地震成像分辨率研究近地表复杂介质散射对成像质量的影响

近地表广泛分布的小尺度非均匀介质严重影响地震数据和成像质量. 本文引入参数化的随机介质来描述近地表非均匀介质;借助功率谱、相关长度、均方根扰动等随机统计特征量研究近地表非均匀介质层对地震波传播、散射及成像的影响;通过成像过程的点弥散函数表述成像分辨率. 利用数值方法建立模型的随机统计特征量与成像分辨率特征量之间的关系,以定量或半定量的方式研究二者之间的相关性.数值计算结果表明,近地表非均匀介质层的厚度、速度扰动的幅度以及非均匀体的尺度等都对地震数据质量和成像品质有明显的影响.以全数值方法建立起关于近地表非均匀介质复杂性和地下成像质量之间的关系,有望成为研究近地表非均匀介质对地震数据采集和成像分辨率影响的有效工具.     

不同尺度裂缝对弹性波速度和各向异性影响的实验研究

裂缝广泛分布于地球介质中并且具有多尺度的特点,裂缝尺度对于油气勘探和开发有着重要的意义.本文制作了一组含不同长度裂缝的人工岩样,其中三块含裂缝岩样中的裂缝直径分别为2 mm、3 mm和4 mm,裂缝的厚度都约为0.06 mm,裂缝密度大致相同（分别为4.8%、4.86%和4.86%）.在岩样含水的条件下测试不同方向上的纵横波速度,实验结果表明,虽然三块裂缝岩样中的裂缝密度大致相同,但是含不同直径裂缝岩样的纵横波速度存在差异.在各个方向上,含数量众多的小尺度裂缝的岩样中纵横波速度都明显低于含少量的大尺度裂缝的岩样中纵横波速度.尤其是对纵波速度和SV波速度,在不同尺度裂缝岩样中的差异更明显.在含数量多的小尺度裂缝的岩样中纵波各向异性和横波各向异性最高,而含少量的大尺度的裂缝的岩样中的纵波各向异性和横波各向异性较低.实验测量结果与Hudson理论模型预测结果进行了对比分析,结果发现Hudson理论考虑到了裂缝尺度对纵波速度和纵波各向异性的影响,但是忽略了其对横波速度和横波各向异性的影响.

     

流体分布对松散介质中P波速度和衰减的影响

为了深入研究流体对岩石中弹性波速度和衰减的影响,必须考虑到流体的分布和粘性。引入气体包裹体模型来研究粘性流体的分布对松散介质中P波速度和衰减的影响,用气泡平均半径来描述流体分布的不均匀性,计算了不同气泡半径和频率下P波速度和衰减随饱和度变化的曲线,并与有效流体模型作了比较,由于流体喷流的存在会使Gassmann方程在高频下不适用,用干燥和饱和流体的P波、S波速度修正了理论曲线。测量了玻璃微珠中不同水饱和度下高频P波的速度和衰减,并尝试用峰值频率来计算衰减。此方法求出的Q和频谱比法求出的Q在干燥或饱和水时基本相同,随饱和度的变化规律也基本一致,但衰减峰的大小有差异。根据实测值得似事经修正的波速和衰减理论曲线从而估算出气泡平均半径,认为P波速度和衰减不仅与饱和度有关而且也与介质内部气体－液体压力平衡有关。     

第26章：夏威夷冒纳罗亚火山与基拉韦亚火山的地壳三维P波速度成像

火山地震监测的主要目的和成果之一就是追踪震源、识别和解释那些可以预测未来火山喷发的火山地震活动（Koyanagi et al，1988；Harlow et al，1996）。建造传统的火山监测网是为了准确确定与岩浆运移有关的震群。在构造活动区域内地震监测网的运行，一项基本要求是具有准确记录和测量地震波初动的能力。     

美国南加州地壳、上地幔三维P波速度成像-莫霍面起伏的影响

应用南加州地震台网记录的6 347次区域地震的146 422个P波到时数据，并结合其它地震学方法所得到的莫霍面深度资料，在考虑莫霍面起伏变化下，确定了该区0～35 km深度内的精细三维P波速度模型．检测板分辨率实验结果说明了反演结果的可靠性．该模型提供了有关区域结构的重要信息，浅层P波速度结构与地表的地质特征相关，非常准确地反映了山脉盆地、地形地貌的差异；各深度层上的速度结构表现为分块特征，反映了以大型活动断裂为界勾画出的分区，如洛杉矶盆地、文图拉盆地、莫哈韦沙漠、半岛山脉、圣华金山谷、内华达山区及思尔顿凹槽区域整体变化的特征．圣安德列斯断层成为研究区内明显的边界，几个深度层上可以看到两侧的速度存在明显的差异，而横跨该断裂的几个剖面图上则显示了位于断层西南侧的太平洋板块区域速度较高、不均匀性较大，地震活动较深；位于断层东北部的北美板块速度偏低，非均匀性稍弱，地震活动性则较弱．比较平缓莫霍界面和起伏莫霍界面下反演得到的结果可以说明:莫霍界面的起伏对中下地壳层位速度结构的影响是明显的，尤其是在莫霍面深度变化较大的部位，这种影响更为强烈．带莫霍面形状的模型能更精确地计算射线路径和理论到时，从而使反演后的残差更小、结果更精确．