起伏地表下地震波传播数值模拟方法研究进展

起伏地表是地震数据的采集、处理和解释中普遍遇到的难题.起伏地表下的地震波传播数值模拟,对起伏地表观测的地震资料处理解释有重要意义.地震波场模拟和地震波走时场分别描述地震波的动力学和运动学信息,为研究地震波传播理论的两种重要途径.本文从地震波场和地震波走时场两方面回顾和总结了起伏地表下的地震波传播数值模拟方法的研究进展,并展示了该领域的一些最新研究成果,为使读者能从中找到突破点,为起伏地表这一勘探领域的经典难题做出贡献.     

基于Matlab平台GUI的地震走时层析成像快速实现

地震走时层析成像是地球物理反演中的成熟方法之一,已在许多领域得到广泛应用,并取得了良好的效果。本文围绕地震走时层析成像GUI的快速实现,首先简要介绍了地震走时成像方法的原理和方法,并基于Matlab软件平台,利用GUI开发环境编写了二维横向非均匀地震走时层析成像图形用户界面（GUI）,实现了方便快捷地反演地震测深资料的速度结构并以人机交互方式快捷灵活地将图像显示出来;结合实际观测资料处理结果表明,本文编制的GUI软件能够有效地实现地震走时层析成像结果的窗口化、图像化和快捷化。     

Vp和Vp/Vs联合反演:在日本东北地区深部结构成像(英文)

本文提出了一种新的反演方法:通过采用纵、横波走时数据对(从相同的震源产生的P和S波被同一台站记录)来联合反演纵波速度(Vp)和纵、横波速度比(Vp/Vs),然后单独反演横波速度Vs,在反演过程中同时对地震参数进行定位。该方法不需要假设P和S波的射线路径一致,它是沿着P和S波射线路径计算相对慢度扰动值。该方法直接把Vp/Vs作为一个模型参数,由此能获得比采用从独立反演获得的Vp和Vs计算出Vp/Vs的方法更精确的速度比值。该新方法被应用到反演日本东北地区的壳幔速度及波速比结构的研究中,获得了较好的效果。反演结果表明,在日本东北地区,太平洋俯冲板块为一高Vp,高Vs和低Vp/Vs异常区,而在活火山下方的浅部地幔楔以及背弧深部地区为低Vp,低VS和高Vp/VS异常。虽然这些特征在前人的研究中已经报道过,但与前人的研究结果相比,本次研究所获得的Vp/Vs的空间分布具有较小的分散性,同时,它的分布特征能较好的与地震波速度结构相吻合。     

基于残差重采样粒子滤波的土壤水分估算和水力参数同步优化

陆面数据同化由于能将观测数据和模型模拟有机结合,已逐步发展为地球科学研究的重要方法之一.通过数据同化方法在模型中不断融入新的观测数据,一方面可以有效地校正陆面过程模型的预测轨迹,提高模型状态变量的估算精度,另一方面可以不断减小模型中的不确定因素,优化模型中的相关参数.在众多数据同化算法中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,适用于任意非线性非高斯动态系统,逐渐成为当前数据同化算法研究的热点.本研究基于残差重采样粒子滤波算法发展了一个数据同化方案,将微波亮温数据同化到大尺度半分布式VIC(Variable Infiltration Capacity)陆面水文模型中,对土壤水分进行估算,并对模型中的三个水力参数进行同步优化.最后设计了一系列对比实验并利用美国亚利桑那州在SMEX04(Soil Moisture Experiment 2004)期间获取的一套完整的实验数据对该同化方案进行了验证.结果表明,该同化方案能够大幅度提高土壤水分估算精度,同时模型中的三个水力参数也得到了较好的优化,从而证明了该数据同化方案的有效性.     

有限频体波走时层析成像及其在华北地区的应用

自层析成像被引入到研究地球内部结构以来,地震层析成像发展迅速,现已成为研究地球深部结构的有效方法之一。按层析成像的理论依据,可以把地震层析成像分为射线层析成像和有限频层析成像。本文旨在掌握一种有限频灵敏度算核的计算方法,进而构建有限频层析成像的反演计算,并用有限频层析成像的方法研究华北克拉通上地幔的速度结构及其动力学意义。     

用于地震预警的三维实时定位方法

为了尽快定位地震,在“着未着”定位算法基础上,尝试引入三维地壳模型,构建具有三维空间格点分布的走时表.根据已触发台站的到时和未触发台站的位置信息设计概率分布函数,通过八叉树搜索方法,快速给出震源在三维空间的可能位置.使用波前追踪算法,计算中国几个地区三维地壳模型的走时网格,利用中国地震台网资料,对区域内发生的地震进行定位分析.结果显示,在一定的台网密度条件下,三维实时定位方法能在震后数秒给出震源位置,可满足地震预警要求.     

建立华北及西北地区垂线变化试验监测网的意义和可行性

本文介绍了天文时间和纬度观测资料的残差值在天体测量仪器周围一定范围内的地震发生前夕出现短期异常波动的现象,及不同地区天体测量仪器的观测残差与地震关系的特征,认为地方铅垂线的震前异常变化是造成天文时纬观测资料的残差值出现异常波动的主要原因.相关的研究结果曾两次获得中国科学院科技进步奖.本文还论述了该现象发展成为有效的短期地震前兆的可能性和目前该研究面临的情况,及利用天体测量仪器监测垂线变化及对其开展深入研究的意义.讨论了利用一定数量的天体测量仪器组建试验观测网对认识什么构造区带上的什么类型的地震更容易使处于何种构造区带上的时纬仪器提前出现残差异常,异常特征和时间提前量出现差别的主要原因是什么,异常与地震三要素的定量或半定量的关系,以及优化观测和提取有效信息的方法的必要性.讨论了组建观测网所需观测仪器的性能,简要介绍了中国科学院国家天文台与山东科技大学测绘学院合作试制的新仪器的特征.再次提出了在多震的华北、西北地区组建试验观测网的建议,讨论了组网的意义、可行性和有关问题.     

针对复杂地形的三种地震波走时算法及对比

复杂地形条件下地震波走时算法对于研究复杂地形地区的成像问题有着重要的意义.为了得到精度高且适应于复杂地形的走时算法,首先提出阶梯网格迎风差分法.然后将该方法与不等距网格有限差分法和混合网格线性插值法进行对比研究,得出如下结论:混合网格线性插值法的计算精度最高,但其计算效率最低;阶梯网格迎风差分法的计算精度最低,但其计算效率最高;不等距网格有限差分法的计算精度和计算效率均居中;而究竟选取哪种算法作为给定复杂地形模型的地震波走时算法,应该综合考虑地形的特点、所研究问题对计算精度及计算效率的要求等因素.最后通过一个计算实例验证了三种算法在面对复杂地形、近地表及地下复杂介质等复杂地质条件时均有很好的适应性和稳定性.     

三维复杂速度模型的交切法地震定位

地震定位是地震监测与减灾研究重要基础.基于均匀或横向均匀介质模型,利用震源轨迹确定震源位置的交切法具有稳健和效率高的优点,但定位精度较低,特别是震源深度.为提高震源定位精度,我们提出适用于三维复杂速度模型的地震定位交切法.将地壳速度模型由均匀或横向均匀介质模型扩展为三维复杂速度模型;均匀或横向均匀介质模型对应的原假设为球面或双曲面的震源轨迹通过最小走时树射线追踪技术予以确定.确定震源位置的震源轨迹以到时差作为约束条件;将震源定位于震源轨迹交汇最密集的点处,即总的到时差残差(RDT)最小的点处.定位结果的不确定性可通过RDT值较小节点的空间分布予以定性表示.考察了准确速度模型、扰动速度模型、扰动观测到时及地震在台网外等4种情况下改进方法的地震定位效果,结果表明改进的交切法可用于三维复杂速度模型的地震定位;综合利用P波与S波的到时差信息,可明显改善震源位置约束;使用多条震源轨迹进行定位,有助于减少由随机因素导致的定位误差.     

贴体网格各向异性对坐标变换法求解起伏地表下地震初至波走时的影响

笛卡尔坐标系中的经典程函方程在静校正、叠前偏移、走时反演、地震定位、层析成像等很多地球物理工作中都有应用,然而用其计算起伏地表的地震波走时却比较困难.本文通过把曲线坐标系中的矩形网格映射到笛卡尔坐标系的贴体网格,推导出曲线坐标中的程函方程,而后,用Lax-Friedrichs快速扫描算法求解曲线坐标系的程函方程.研究表明本文方法能有效处理地表起伏的情况,得到准确稳定的计算结果.由于地表起伏,导致与之拟合的贴体网格在空间上的展布呈各向异性,且这种各向异性的强弱对坐标变换法求解地震初至波的走时具有重要影响.本文研究表明,随着贴体网格的各向异性增强,用坐标变换法求解地表起伏区域的走时计算误差增大,且计算效率降低,这在实际应用具有指导意义.