地震体波面波联合反演研究及应用

摘要

地震成像是研究地球内部结构最重要的工具之一，但成像精度通常受限于数据分布、数据类型等因素。为了改善地震成像的精度，本论文主要从模型参数化以及同时利用体波和面波数据两个方面出发，发展了基于小波变换的多尺度地震成像和联合体波面波数据成像的方法。新发展的小波域成像方法与传统成像方法对比结果显示:基于小波变换的地震成像方法具有数据自适应的优点，能在数据覆盖较密区域得到高精度的图像。新发展的联合反演方法则被应用于南加州地区，反演结果显示了与当地地质结构较高的一致性，并且反演的模型相比于南加州区域模型能更好地拟合观测数据。此外，为了使体波面波数据联合反演变得直接，本论文还发展了基于射线追踪的面波数据的直接反演方法，并将其应用于台北盆地。利用直接反演方法得到的Vs模型在沉积盆地中显示低速并延伸到0.5公里左右，为该地区的强地面运动模拟奠定了基础。
　　围绕如何提高地震成像分辨率，本论文主要进行以下四个方面的研究:
　　1)基于小波变换的体波数据多尺度成像
　　近震体波数据成像的分辨率受地震事件以及台站分布等因素的约束。通常地震事件和台站的分布非常不均匀，即地震事件通常不均匀分布于断层附近，而台站分布也很难达到理想的均匀分布。为了实现分辨率随数据覆盖变化而变化，本论文提出在小波域中进行稀疏约束地震成像。相对于传统的基于平滑约束方法，由于小波的多尺度分辨特性，新发展的小波域成像方法也具有多尺度成像的特点，即在射线分布较密的区域具有较高的分辨率，而在射线分布较疏区域也能保证大尺度的结构的准确性。
　　2)面波频散数据直接反演及其应用
　　传统的面波频散数据反演分为两步，首先通过提取的频散数据反演得到一个二维的相速度或群速度分布图，然后通过线性或非线性反演得到每个点下方的一维速度结构，再将一维速度结构合成伪三维速度结构。本论文提出一种基于射线追踪的面波数据直接反演方法，即由面波频散数据直接反演得到三维速度结构。相比于传统方法，该方法能够最大限度地利用已有数据。换言之，该方法并不会因为某个周期数据少而舍弃该周期的数据。此外，该方法考虑了面波传播非大圆路径的影响，这在复杂介质中面波传播是很重要的。最后，由于该直接反演过程及公式与体波反演非常相似，这为体波面波数据联合反演奠定了基础。
　　3)体波面波数据联合反演及其应用
　　联合反演充分利用了面波数据直接反演的优点，将面波数据反演整合到体波反演框架中。利用两种数据的互补性，得到一个统一的P波和S波速度模型。本论文将详细对比联合反演方法和面波或体波数据单独反演方法，得出联合反演方法的有效性。此外，我们将该方法应用于南加州地区，并对反演模型进行地质解释，同时也利用波形正演验证所得到的速度模型。
　　4)利用体波面波数据进行三维Vp/Vs成像
　　Vp/Vs模型对岩性、部分熔融、水或气体饱和度和孔隙度等非常敏感，因此它在地质解释中非常重要。然而，由于P波数据和S波数据不同的解析度，在地震体波成像时通常难以得到一个可靠的Vp/Vs模型。P波数据和S波数据不同的解析度源于P波和S波不同的数据数量和质量，通常P波数据在数量和质量上都优于S波。由于面波数据对S波速度结构最为敏感，面波数据的加入可以增加Vp/Vs模型的可靠性。本论文将着重讨论利用体波和面波数据反演Vp/Vs结构的方法，并将其应用于南加州地区。结果显示:反演所得的Vp/Vs模型在浅部区域与当地的岩性及断层带有着较好的对应关系;地震活动性较强区域下方观测到了较高的Vp/Vs异常，因此，我们猜测高地震活动性可能和该地区由于流体产生的蠕动有关;地震空区观测到了相对较高的Vp/Vs异常，对后续地震活动性和危险性评估有着非常重要的作用。

目录

声明

摘要

第1章 地震成像理论及方法

1．1 地震成像中的数据类型

1．1．1．体波数据

1．1．2．面波数据

1．2 模型参数化

1．2．1．单元格、节点以及基函数参数化

1．2．2．不规则网格、多尺度以及自适应网格方法

1．3 反演方法

1．3．2．优化方法

1．3．3．基于概率分布的方法

1．4 模型分辨率及误差估计

第2章 小波域中基于稀疏约束的双差地震成像

2．1 引言

2．2 理论方法介绍

2．2．1．双差地震成像

2．2．2．连续小波变换

2．2．3．基于提升方案的小波变换

2．2．4．小波域中的双差地震成像

2．3 合成数据测试

2．4 讨论

2．4．1．棋盘模型测试

2．4．2．小波系数置为零的影响

2．4．3．小波域中的灵敏度矩阵

2．4．4．小波函数的选取

2．5 结论

第3章 面波频散数据直接反演

3．1 引言

3．2 理论方法

3．2．1．正演问题

3．2．2．反演问题

3．2．3．小波域稀疏约束反演

3．3 台北盆地数据的应用

3．4 讨论

3．5 结论

第4章 体波面波联合反演

4．1 引言

4．2 方法介绍

4．2．1．地震体波到时成像

4．2．2．一步法面波成像

4．2．3．联合反演

4．3 南加州地区的应用

4．4 讨论

4．5 结论

第5章 利用体波面波数据联合反演地壳三维Vp／Vs结构

5．1 简介

5．2 数据及理论方法

5．3 反演结果

5．3．1．模型评估

5．3．2．模型地质解释

5．4 讨论

5．4．2．高地震活动性与低Vp／Vs异常

5．4．3．地震空区和高Vp／Vs

5．4．4．三断层区域高地震活动性

5．5 结论

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果