基于震相特征的地震成像方法和应用

摘要

地震震相在地球结构的研究中扮演了重要的角色，从地球圈层一维结构模型的建立到二维和三维结构的层析成像，人们对地球结构的认识得益于对震相的识别和其特征的认识程度。随着观测技术的不断更新、计算能力的提高以及数值方法的发展，地震成像方法自提出至今得到了长足的发展，根据方法我们可以简要的把成像方法分为三大类:
　　 (1)射线体波走时和面波频散射线成像;
　　 (2)经典波形反演成像;
　　 (3)现今流行的数值全波形反演成像。
　　 这三类方法的一个区别在于对地震震相特征的利用:射线体波走时和面波频散成像利用的是走时信息;经典波形反演成像利用的了部分相位和振幅信息;数值全波形反演成像则是走时、相位和振幅都可以利用。现今，如何很好利用震相特征来反演地球结构是地震成像的一个重要方向。本文围绕震相特征的利用，基于半解析方法，对井下摆近震记录、Rayleigh面波频散和椭圆率（偏振）、体波和面波多种测量量作了研究并发展了相应的成像方法，同时利用长周期波形对东亚地区的上地幔剪切波速度结构作了分窗波形反演成像。
　　 在观察井下摆地震记录时，我们发现了来自震源的直达波和经过自由地表反射的震相，以及经过沉积盆地基底转换的震相。这些震相因为其产生机理，为研究盆地的三维精细结构提供了重要的天然地震数据。围绕SH分量的直达波和地表反射震相，通过观测数据、理论数值模拟相结合研究发现直达波和地表反射波这两个震相的到时差和波形相对振幅受震源深度的影响非常小，几乎可以忽略，震中距离对两个震相的到时差影响也非常小，这两个震相之间的到时差和波形差异携带了台站上方的速度和衰减信息。研究还表明直达波和其相应的地表反射波在浅部的入射角度很小，近乎垂直入射。我们使用平面近似将SH分量的直达波作为源，通过拟合地表反射波的波形来反演近地表速度和衰减结构。基于理论和实际波形的反演表明我们发展的波形反演方法可以很好地获得近地表的速度和衰减结构，该研究可以为盆地三维结构研究、强地面震动模拟等研究提供重要的资料。
　　 面波的频散携带了丰富的地球结构信息，利用面波频散信息的成像技术无论在区域还是全球地震学结构上都取得了一系列成果。但是由于面波频散仅包含不同频率面波的走时信息，对地球结构能够提供的约束较单一。基于地震记录不同分量上面波相对振幅的面波椭圆率的提取和利用是近年来正逐渐活跃的研究方向。本文基于反射透射系数方法，研发了计算面波频散曲线和椭圆率的程序，并结合模拟退火算法发展了利用面波频散和椭圆率联合反演地球结构的一套工具。正演数值实验告诉我们地震面波频散和面波椭圆率对地下结构具有不同的敏感性，面波相速度频散对面波采样深度范围内的平均速度敏感，而面波椭圆率对速度梯度敏感，两者的结合使用可以帮助降低反演时模型的非唯一性。基于联合反演的测试证明了两者的联合反演能够对地球结构提供更好的约束。
　　 体波接收函数是研究地壳上地幔结构的一种常用的方法之一，它的独特之处在于不同分量上体波波形的反褶积尽可能的去除了震源和远处路径上结构的影响，而提取出对台站下方结构敏感的信息。接收函数波形携带了不同的转换或多次反射震相与直达波之间的相对振幅和相对走时信息，它仅对较大的速度跳变敏感（如Moho等），而对平滑的速度渐变和平均速度不敏感。我们探讨了接收函数，Rayleigh波相速度频散曲线和椭圆率曲线三种数据联合起来反演壳幔结构的可行性，研发了三种数据联合反演的成像工具，通过基于理论数据的反演实验探讨了体波接收函数与两种面波观测数据联合反演的优缺点。研究结果表明体波接收函数和Rayleigh波相速度频散以及椭圆率联合反演具有对地球结构约束很强的优点，在区域壳幔结构成像中将具有很好的应用前景。
　　 东亚地区是一个地震活动频繁、灾害严重的区域，该区域内青藏高原-喜马拉雅碰撞带，西太平洋俯冲带，天山—贝加尔构造带等等一系列活动构造形成了东亚地区复杂的构造格局。本文收集了东亚及其邻区可以公开获得的高质量远震波形数据，利用基于非线性渐进耦合理论(non-linear asymptotic coupling theory:NACT)计算理论地震图和敏感核函数对周期长于60秒的波形进行波形反演成像。获得的三维剪切波速度模型展示了与东亚地区构造格局一致性很好的横向非均一性。模型中稳定块体具有较厚的岩石圈，这些块体如西伯利亚地台、哈萨克斯坦地块、塔里木克拉通、扬子地块、印度板块、青藏高原除去羌塘昆仑的大部分区域，在模型中表现为较强的高速结构。而兴蒙地块、贝加尔断裂带、华北克拉通、华南地块、印支地块、鄂霍次克海—日本海—东海—台湾岛一带，菲律宾板块以及中国南海的岩石圈较薄，在模型中表现为低速结构。新模型表明印度岩石圈俯冲到青藏高原之下，并且在青藏高原下自西向东具有不同的北部边缘，我们同时看到西太平洋俯冲到欧亚板块之下并滞留在地幔过渡带中。大尺度的高速和低速异常之间的边界与区域内构造带具有很好的相关性，譬如，中亚造山带、阿尔泰祁连—秦岭大别造山带。径向各向异性结果显示大洋地幔和深度大于300 km的区域Vsh＞Vsv，而在部分造山区域Vsv＞Vsh。

目录

声明

摘要

致谢

第1章 绪论

1．1 地震震相和地球圈层结构的发现

1．2 震相特征利用和地震成像的发展

1．3 本文的内容和结构

第2章 井下摆近震震相特征及其在近地表结构反演中的应用

2．1 引言

2．2 井下近震波形的特征

2．2．1 井下摆观测资料：以文安台近震记录为例

2．2．2 井下地震波形的理论模拟

2．3 井下摆地震波形反演

2．3．1 井下摆地震波形反演方法

2．3．2 井下摆地震波形反演理论测试

2．3．4 井下摆波形反演的应用：以文安台为例

2．4 结论与讨论

第3章 面波速度频散和椭圆率的计算与联合反演

3．1 引言

3．2 面波频散和椭圆率的计算

3．2．1 计算频散曲线的理论回顾

3．2．2 面波相速度频散和椭圆率的理论基础

3．2．3 Rayleigh波频散曲线和椭圆率计算实例

3．3 Rayleigh曲波频散和椭圆率对结构的敏感性

3．3．1 地壳厚度对频散曲线和椭圆率的影响

3．3．2 地壳平均速度对频散曲线和椭圆率的影响

3．3．3 Moho面厚度对频散曲线和椭圆率的影响

3．3．4 壳内速度梯度对频散曲线和椭圆率的影响

3．3．5 壳内低速层对频散曲线和椭圆率的影响

3．3．6 沉积层对频散曲线和椭圆率的影响

3．4 相速度频散和椭圆率的互补性

3．5 面波频散和椭圆率的联合反演

3．5．1 面波频散和椭圆率联合反演方法

3．5．2 面波频散和椭圆率联合反演理论测试

3．6 结论和讨论

第4章 体波和面波多种测量量的联合反演

4．1 体波接收函数方法

4．2 典型地壳模型下体波接收函数的特征

4．3 体波接收函数与面波数据的联合反演

4．3．1 联合反演方法

4．3．2 联合反演的理论测试

4．4 结论和讨论

第5章 长周期波形反演成像在东亚地区的应用

5．1 引言

5．2 方法

5．2．1 一阶Born近似解

5．2．2 NACT理论

5．2．3 地壳矫正

5．2．4 模型参数化

5．2．5 反演方法

5．3 数据

5．4 结果

5．4．1 一维平均模型

5．4．2 三维速度结构

5．7 结论

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果