多尺度重力反演方法及其在城市活动断层探测中的应用研究

摘要

当今中国城市迅猛发展，建设有超高层建筑群、桥梁、公路、铁路、核电站等大型设施。这些重大设施与地震、地质灾害等紧密相关，一旦灾害发生将对人类生命和财产产生毁灭性地打击。城市活动断层是诱发地震和地质灾害的潜在威胁，其研究对城市规划建设和社会可持续发展具有重要意义。 长期以来，相关部门利用各种地质、地球物理、大地测量等资料对城市活动断层进行了探测，但只是局限于浅层，断层深部信息非常欠缺，不利于城市长期的地质抗灾、水资源规划及重点建筑的安全保障。重力数据反映了整个地球内部结构的分布，可以有效获取城市活动断层浅部和深部信息。本文将高精度重力观测数据用于反演城市活动断层，旨在为城市超高建筑、大跨结构等安全提供直接的科学证据，同时为城市长期的地质灾害防治、探寻中长期地质灾害的发生原因、市政建设工程的地下勘探等提供科学依据。 本文深入研究了多尺度重力反演方法:断层识别的重力异常小波多尺度分离方法、探测断层分布的分层水平构造应力反演方法和基于重力异常多尺度边缘的断层参数反演方法，并将其应用于研究深圳活动断层，以全方位地获取地下断层的相关信息。主要工作与成果如下: (1)在大量阅览国内外相关参考文献的基础上，阐述了多尺度重力在研究城市活动断层方面的独特优势和重要意义;作为本文的理论基础，介绍了重力反演中的正问题和反问题，讨论了小波多尺度分析的相关理论。 (2)提出了断层识别的重力异常小波多尺度分离方法。该方法基于小波多尺度分离、场源埋深估计和断层识别准则可以准确给出城市活动断层的空间分布特征。它有效解决了其他数据资料无法确定断层破裂深度的问题。将其应用于探测深圳活动断层，主要研究结果为:1）深圳活动断层破裂深度约为2.5km至20.0km;2）随着深度的增加，北西向断层(L1)逐渐向西旋转，东西向断层（L4与L5）之间的距离也在逐渐增加;3）断层破裂的最大规模约在6km深度处;4）研究结果与其他地质、地球物理、大地测量等资料研究结果具有较好的一致性。因此，深圳活动断层的实例分析验证了该方法用于探测城市活动断层分布的正确性与有效性，也显示了高精度重力测量数据研究断层的可行性。 (3)给出了探测断层分布的分层水平构造应力反演方法。该方法可以根据重力异常的小波多尺度分离结果计算地下介质各层密度和水平构造应力分布，进一步获取城市活动断层空间分布特征，分析断层稳定性。它为判断断层分布和稳定性提供了一条新的思路和途径。将其用于研究深圳活动断层，主要结果如下:1）每层的应力分布与断层的走向具有强烈的相关性，根据这一对应关系获取了断层分布;2）地壳各层水平构造应力大小整体上处于0.1MP量级，属中等偏弱，基本上接近于平面的等压状态，表明深圳断层较为稳定，短期内对城市规划与建设没有较大影响。深圳活动断层的成功探测验证了该方法的正确性和有效性，同时也展示了重力方法在研究地球内部构造方面的独特优势。 (4)提出了基于重力异常多尺度边缘的断层参数反演方法。推导了断层引起重力异常的小波多尺度边缘计算公式，建立了断层参数与小波多尺度边缘之间的关系，并采用遗传算法进行了断层参数反演。模拟结果与分析验证了该方法的正确性与有效性。将该方法用于反演深圳活动断层F5的参数，主要结果为:1）该断层为正断层，上盘的上下底面埋深分别为6.1±2.3km和19.3±5.6km，下盘的上下底面埋深分别为2.5±2.1km和14.7±5.7km，倾角为50.4°±5.7°;2）这一结果与余成华(2010)的结果能够较好吻合。深圳活动断层参数的反演结果进一步验证了该方法的有效性。 (5)独立研制了一套多尺度重力反演软件，具备高精度重力数据预处理、小波多尺度分离、场源埋深估计、分层密度和水平构造应力计算、小波多尺度边缘计算、断层参数反演等功能。该成果适用于城市活动断层的探测以及相关地下地质结构的研究。 综上所述，本文提出的多尺度重力反演方法能有效探测城市活动断层的深度，展示断层分布随深度变化的动态过程，评估断层稳定性，确定断层参数，为城市活动断层的研究提供了一个崭新的视角，也为相关地球物理反演提供了一个新的方案。

目录

声明

摘要

第1章绪论

§1．1研究背景

§1．2重力方法反演断层的研究现状

§1．3本文主要研究内容

第2章多尺度重力反演的基础理论

§2．1重力异常正问题

2．1．1均质球体

2．1．2均质水平圆柱体

2．1．3台阶体

2．1．4二度长方体

2．1．5倾斜脉

2．1．6不规则形体

§2．2重力异常反问题

2．2．1特征点法

2．2．2频率域法

2．2．3直接法

§2．3小波多尺度分析

2．3．1小波变换

2．3．2多尺度分析与Mallat篁法

2．3．3小波多尺度边缘

2．3．4重力场的多尺度边缘

§2．4本章小结

第3章重力异常的小波多尺度分离与断层识别

§3．1小波多尺度分离

§3．2场源埋深估计

§3．3断层识别

§3．4重力数据预处理

3．4．1采用数据

3．4．2完全布格重力异常改正

3．4．3粗差探测

3．4．4插值计算

3．4．5数据格网化

§3．5应用实例

3．5．1深圳区域地质背景

3．5．2数值计算与分析

§3．6本章小结

第4章分层水平构造应力反演与断层分布

§4．1分层密度反演方法

§4．2分层水平构造应力计算方法

§4．3应用实例

4．3．1分层密度反演结果与分析

4．3．2分层应力反演结果与分析

§4．4本章小结

第5章基于重力异常多尺度边缘的断层参数反演

§5．1断层参数与多尺度边缘之间的关系

§5．2断层参数求解方法

§5．3模拟分析与验证

5．3．1正演结果

5．3．2反演结果

§5．4应用实例

§5．5本章小结

第6章结论与展望

§6．1主要工作与成果

§6．2未来工作展望

参考文献

作者简历攻读博士学位期间的主要工作与成果

致谢