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地震层析成像杂谈

归档日期:05-26       文本归类:地震层析成像      文章编辑:爱尚语录

  近年来,地震层析成像技术广泛应用于地球内部结构的研究,取得了丰硕的研究成果。地震层析成像就是通过对观测到的地震波各种震相的运动学(如走时、射线路径)和动力学(如波形、振幅)特性的资料进行分析,用反演反方来反推地下介质的速度结构及其它物性参数等重要信息的一种地球物理方法。

  按所依据的理论基础一般分为基于射线方程的层析成像和基于波动方程的层析成像。前者按射线追踪时所用的地震波资料的不同又可分为体波和面波层析成像;按反演的物性参数可分为走时层析成像、衰减层析成像和各向异性层析成像;按研究区域的尺度又可分为全球层析成像、区域层析成像和局部层析成像。虽然地震层析成像类别很多,有些类别的成像技术还处于理论试验和完善阶段。基于射线理论的成像方法基本趋于成熟。人工源地震已经成为主流的资源勘探方法,而天然地震主要应用于地球内部结构的科学研究。这里我主要讨论天然地震在地球物理反演中的应用。

  相对于其它基于射线理论的成像方法,利用体波到时资料进行层析成像发展的较早,且目前发展最为成熟。其原理是:将待反演的模型空间划分为小块体或格网节点,用方块或格点代替相对初始一维模型的速度或慢度的扰动值来作为待求的未知参数。当地震射线穿过一系列的方块或格点时,每一个方块或格点对射线走时进行扰动。从地震震源到地表台站的理论走时和观测走时的差值,即走时残差,为该射线上所有走时扰动的积累,这样每一条地震射线对应着一个线性方程,对应每个小块体或格网节点都有多条射线穿过,故可建立联合观测方程组;求解该方程组得到各个块体或格网节点的速度,最终获得研究区三维速度结构分布。此方法虽然理论上已经很成熟,而且得到了广泛的应用,但其还存在以下不足:成像结果分辨率依赖于研究区射线分布情况。由于地震发生的位置不可控,地震台站成本高,成像结果分辨率受到很大影响;震中定位不准确,尤其是在深度方向上,这会给成像结果带来一定的影响;射线追踪的精度有限。由于射线追踪过程中做了简化了的数学处理,使得射线追踪精度受到影响。为了改善以上缺陷,很多学者提出了一些新的解决办法。除初至波以外,加入后续震相(如PS,SP,PmP或SmS等)联合利用多种震相的走时资料进行层析成像取得了良好的效果。近年来,Zhang和Thurber(2003)在双差定位的基础上提出了双差层析成像方法,该方法运用绝对走时和差分走时资料实现三维速度结构和震源参数的联合反演。

  除体波外,面波也广泛应用到层析成像技术。面波的频散特性能够直观地反映传播路径上的平均速度,不同周期的面波对应不同深度的速度结构。一般来说,短周期面波主要反应浅部特征,长周期的面波反应了深部特征。也有些学者用面波层析成像来反演三维横波速度结构。方法分两步:先是进行不同周期的二维面波层析成像反演,然后进行不同网格的一维横波速度反演。随后,一种新的区域面波层析成像技术,直接利用面波频散观测反演三维横波速度结构得到发展。

  近年来利用背景噪声进行面波层析成像的研究也开始成为热点,得到越来越多的应用。其原理是:通过对两个台站记录的长时间序列的连续波形进行互相关,得到台站对之间的格林函数,进一步对格林函数做FIAN分析即可获取面波的频散曲线,然后利用层析成像反演得到研究区域的波速结构。天然地震成像中地震震中和发震时刻定位存在误差,而对于背景噪声来说,台站间的位置是固定的,而且精确已知的,所以,噪声层析成像有效消除了地震定位不准确带来的误差。天然地震成像分辨率取决于台站和地震之间射线分布情况,而噪声层析成像结果横向分辨率取决于台站之间的间距,只要是台网密集就可以有很高的射线分布。但噪声层析成像也有其要求和一定的不足。噪声层析成像通常通过足够长的观测时间来保证信噪比,同时要求两个台站之间的距离不能太小。利用噪声只能够提取的频散最大周期较短,一般为40s,着重于研究浅部结构,很难获得更深的上地幔结构信息。且由于水平分量受地方性干扰源的影响较大,信噪比比垂直分量低,噪声层析成像主要是利用背景噪声中提取的瑞利面波进行成像,利用勒夫波进行噪声层析成像的研究较少。

  地震层析成像在地壳、上地幔速度结构和大地构造单元特征的研究所已经取得了很多成果,尤其是在重要构造带的动力学研究和地震多发区的孕育、发震机制等方面进行了较深入的探讨,深化了人们对地球深部构造的认识。随着地震台网的加密、高精密地震仪器的研制和地震层析成像方法的不断改进,地震层析成像将在未来的地球物理学研究中发挥越来越大的作用。

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