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，人們對地球結(jié)構(gòu)的認識得益于對震相的識別和其特征的認識程度。隨著觀測技術(shù)的不斷更新、計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足的發(fā)展，根據(jù)方法我們可以簡要的把成像方法分為三大類:
　　 (1)射線體波走時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。
　　 這三類方法的一個區(qū)別在于對地震震相特征的利用:射線體波走時和面波頻散成像利用的是走時信息;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、相位和振幅都可以利用。現(xiàn)今，如何很好利用震相特征來反演地球結(jié)構(gòu)是地震成像的一個重要方向。本文圍繞震相特征的利用，基于半解析方法，對井下擺近震記錄、Rayleigh面波頻散和橢圓率（偏振）、體波和面波多種測量量作了研究并發(fā)展了相應(yīng)的成像方法，同時利用長周期波

3、形對東亞地區(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，我們發(fā)現(xiàn)了來自震源的直達波和經(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。這些震相因為其產(chǎn)生機理，為研究盆地的三維精細結(jié)構(gòu)提供了重要的天然地震數(shù)據(jù)。圍繞SH分量的直達波和地表反射震相，通過觀測數(shù)據(jù)、理論數(shù)值模擬相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)直達波和地表反射波這兩個震相的到時差和波形相對振幅受震源深度的影響非常小，幾乎可以忽略，震中距離對兩個震相的到

4、時差影響也非常小，這兩個震相之間的到時差和波形差異攜帶了臺站上方的速度和衰減信息。研究還表明直達波和其相應(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)。基于理論和實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、強地面震動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信息，對地球結(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φ穹拿娌E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)值實驗告訴我們地震面波頻散和面波橢圓率對地

6、下結(jié)構(gòu)具有不同的敏感性，面波相速度頻散對面波采樣深度范圍內(nèi)的平均速度敏感，而面波橢圓率對速度梯度敏感，兩者的結(jié)合使用可以幫助降低反演時模型的非唯一性?；诼?lián)合反演的測試證明了兩者的聯(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處路徑上結(jié)構(gòu)的影響，而提取出對臺站下方結(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、反射震相與直達波之間的相對振幅和相對走時信息，它僅對較大的速度跳變敏感（如Moho等），而對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)的反演實驗探討了體波接收函數(shù)與兩種面波觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的優(yōu)缺點。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)合反演具有對地球結(jié)構(gòu)約束很強的優(yōu)點

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)是一個地震活動頻繁、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)量遠震波形數(shù)據(jù)，利用基于非線性漸進耦合理論(non-linear asymptotic coupling theory:NACT)計算理論地震圖和敏感核函數(shù)對周期長于60秒的波形進

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、哈薩克斯坦地塊、塔里木克拉通、揚子地塊、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、鄂霍次克海—日本?！獤|?！_灣島一帶，菲律賓板塊以及中國南海的巖石圈較薄，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