基于震相特征的地震成像方法和應(yīng)用.pdf

1、地震震相在地球結(jié)構(gòu)的研究中扮演了重要的角色，從地球圈層一維結(jié)構(gòu)模型的建立到二維和三維結(jié)構(gòu)的層析成像，人們對(duì)地球結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)得益于對(duì)震相的識(shí)別和其特征的認(rèn)識(shí)程度。隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷更新、計(jì)算能力的提高以及數(shù)值方法的發(fā)展，地震成像方法自提出至今得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，根據(jù)方法我們可以簡(jiǎn)要的把成像方法分為三大類:
　　 (1)射線體波走時(shí)和面波頻散射線成像;
　　 (2)經(jīng)典波形反演成像;
　　 (3)現(xiàn)今流行的數(shù)值全波形反演

2、成像。
　　 這三類方法的一個(gè)區(qū)別在于對(duì)地震震相特征的利用:射線體波走時(shí)和面波頻散成像利用的是走時(shí)信息;經(jīng)典波形反演成像利用的了部分相位和振幅信息;數(shù)值全波形反演成像則是走時(shí)、相位和振幅都可以利用?，F(xiàn)今，如何很好利用震相特征來反演地球結(jié)構(gòu)是地震成像的一個(gè)重要方向。本文圍繞震相特征的利用，基于半解析方法，對(duì)井下擺近震記錄、Rayleigh面波頻散和橢圓率（偏振）、體波和面波多種測(cè)量量作了研究并發(fā)展了相應(yīng)的成像方法，同時(shí)利用長(zhǎng)周期波

3、形對(duì)東亞地區(qū)的上地幔剪切波速度結(jié)構(gòu)作了分窗波形反演成像。
　　 在觀察井下擺地震記錄時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了來自震源的直達(dá)波和經(jīng)過自由地表反射的震相，以及經(jīng)過沉積盆地基底轉(zhuǎn)換的震相。這些震相因?yàn)槠洚a(chǎn)生機(jī)理，為研究盆地的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了重要的天然地震數(shù)據(jù)。圍繞SH分量的直達(dá)波和地表反射震相，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)、理論數(shù)值模擬相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)直達(dá)波和地表反射波這兩個(gè)震相的到時(shí)差和波形相對(duì)振幅受震源深度的影響非常小，幾乎可以忽略，震中距離對(duì)兩個(gè)震相的到

4、時(shí)差影響也非常小，這兩個(gè)震相之間的到時(shí)差和波形差異攜帶了臺(tái)站上方的速度和衰減信息。研究還表明直達(dá)波和其相應(yīng)的地表反射波在淺部的入射角度很小，近乎垂直入射。我們使用平面近似將SH分量的直達(dá)波作為源，通過擬合地表反射波的波形來反演近地表速度和衰減結(jié)構(gòu)?；诶碚摵蛯?shí)際波形的反演表明我們發(fā)展的波形反演方法可以很好地獲得近地表的速度和衰減結(jié)構(gòu)，該研究可以為盆地三維結(jié)構(gòu)研究、強(qiáng)地面震動(dòng)模擬等研究提供重要的資料。
　　 面波的頻散攜帶了豐富的

5、地球結(jié)構(gòu)信息，利用面波頻散信息的成像技術(shù)無論在區(qū)域還是全球地震學(xué)結(jié)構(gòu)上都取得了一系列成果。但是由于面波頻散僅包含不同頻率面波的走時(shí)信息，對(duì)地球結(jié)構(gòu)能夠提供的約束較單一?；诘卣鹩涗洸煌至可厦娌ㄏ鄬?duì)振幅的面波橢圓率的提取和利用是近年來正逐漸活躍的研究方向。本文基于反射透射系數(shù)方法，研發(fā)了計(jì)算面波頻散曲線和橢圓率的程序，并結(jié)合模擬退火算法發(fā)展了利用面波頻散和橢圓率聯(lián)合反演地球結(jié)構(gòu)的一套工具。正演數(shù)值實(shí)驗(yàn)告訴我們地震面波頻散和面波橢圓率對(duì)地

6、下結(jié)構(gòu)具有不同的敏感性，面波相速度頻散對(duì)面波采樣深度范圍內(nèi)的平均速度敏感，而面波橢圓率對(duì)速度梯度敏感，兩者的結(jié)合使用可以幫助降低反演時(shí)模型的非唯一性?；诼?lián)合反演的測(cè)試證明了兩者的聯(lián)合反演能夠?qū)Φ厍蚪Y(jié)構(gòu)提供更好的約束。
　　 體波接收函數(shù)是研究地殼上地幔結(jié)構(gòu)的一種常用的方法之一，它的獨(dú)特之處在于不同分量上體波波形的反褶積盡可能的去除了震源和遠(yuǎn)處路徑上結(jié)構(gòu)的影響，而提取出對(duì)臺(tái)站下方結(jié)構(gòu)敏感的信息。接收函數(shù)波形攜帶了不同的轉(zhuǎn)換或多次

7、反射震相與直達(dá)波之間的相對(duì)振幅和相對(duì)走時(shí)信息，它僅對(duì)較大的速度跳變敏感（如Moho等），而對(duì)平滑的速度漸變和平均速度不敏感。我們探討了接收函數(shù)，Rayleigh波相速度頻散曲線和橢圓率曲線三種數(shù)據(jù)聯(lián)合起來反演殼幔結(jié)構(gòu)的可行性，研發(fā)了三種數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的成像工具，通過基于理論數(shù)據(jù)的反演實(shí)驗(yàn)探討了體波接收函數(shù)與兩種面波觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明體波接收函數(shù)和Rayleigh波相速度頻散以及橢圓率聯(lián)合反演具有對(duì)地球結(jié)構(gòu)約束很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)

8、，在區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)成像中將具有很好的應(yīng)用前景。
　　 東亞地區(qū)是一個(gè)地震活動(dòng)頻繁、災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)青藏高原-喜馬拉雅碰撞帶，西太平洋俯沖帶，天山—貝加爾構(gòu)造帶等等一系列活動(dòng)構(gòu)造形成了東亞地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造格局。本文收集了東亞及其鄰區(qū)可以公開獲得的高質(zhì)量遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，利用基于非線性漸進(jìn)耦合理論(non-linear asymptotic coupling theory:NACT)計(jì)算理論地震圖和敏感核函數(shù)對(duì)周期長(zhǎng)于60秒的波形進(jìn)

9、行波形反演成像。獲得的三維剪切波速度模型展示了與東亞地區(qū)構(gòu)造格局一致性很好的橫向非均一性。模型中穩(wěn)定塊體具有較厚的巖石圈，這些塊體如西伯利亞地臺(tái)、哈薩克斯坦地塊、塔里木克拉通、揚(yáng)子地塊、印度板塊、青藏高原除去羌塘昆侖的大部分區(qū)域，在模型中表現(xiàn)為較強(qiáng)的高速結(jié)構(gòu)。而興蒙地塊、貝加爾斷裂帶、華北克拉通、華南地塊、印支地塊、鄂霍次克?！毡竞！獤|?！_(tái)灣島一帶，菲律賓板塊以及中國(guó)南海的巖石圈較薄，在模型中表現(xiàn)為低速結(jié)構(gòu)。新模型表明印度巖石圈俯沖