全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具.通常,远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线.由于地球存在广泛非均匀结构,传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响,最终导致对研究区域内的成像结果产生影响.为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响,本文利用迎风差分格式数值求解程函方程,得到全球非均匀模型中的远震射线,以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法.为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性,选取青藏高原东北缘为研究对象.合成测试和实际数据成像结果显示,在考虑地球非均匀结构以后,成像结果更精确,结果展现更多成像细节.

青藏高原东北缘基于W2度量的全波形成像

本研究收集青藏高原东北缘区域114个宽频带地震台站记录到的50个区域地震事件波形数据,采用基于二次Wasserstein(W2)度量的全波形成像方法,获得了10~100 s频带下该区域的高分辨率壳幔结构图像.结果显示,秦岭造山带中下地壳呈高速特征,表明高原内部弱物质未流入此处;而从松潘—甘孜地块跨过昆仑断裂至秦祁地块内的中下地壳呈现低S波速、正径向各向异性(V_(SH)>V_(SV))和高泊松比异常,暗示深部地壳物质存在水平流动.在秦祁地块中部,深部地壳高速特性及负径向各向异性(V_(SH)<V_(SV))和低泊松比异常表明地壳流在此处已终止.此外,龙日坝断裂在深部岩石圈表现为显著的结构异常分界线,其可能代表了扬子块体西向楔入青藏高原的最前缘.

基于逐元和轴对称谱元的混合方法及远震波场模拟

远震波形成像是研究地球内部结构和动力学过程的重要手段.然而,由于巨大的计算需求,当前在全球尺度(包含震源-台站)数值模拟高频(频率到2 Hz)地震波传播并不现实.谱元法是一种高有效性的数值模拟算法,具有高精度和网格剖分灵活的优点,并且已经成功应用于弹性波方程求解中.但缺点是求解远震问题时计算量和存储量较大.为了克服上述难题,本文发展了一种基于逐元并行谱元法与轴对称谱元法相结合的混合方法:即在全球尺度层状模型下使用具有快速计算效率的轴对称谱元法模拟远震背景波场,而在研究区域内使用逐元并行谱元法精确计算非均匀介质中远震波场传播.该方法减少了非均匀介质中远震波场模拟的计算量与存储量,并保持了逐元并行谱元法高精度、低存储量、易并行的优点.数值实验验证了该混合方法的可行性和精确性,并有望进一步应用于实际地震数据远震波形成像研究中.

基于程函方程的初至P和sPg波走时联合地震定位方法

由于初至波到时对震源深度敏感程度低,导致初至波到时定位难以获得可靠的震源深度信息.为了提升震源深度的定位精度,前人提出深度震相走时约束.深度震相定位方法利用深度震相对震源深度敏感的性质测定震源深度,极大的提高了震源深度的精确度.深度震相定位方法中,理论走时常在层状模型中计算获得,当实际地下结构与层状模型之间存在较大差异时,由深度震相方法测定的震源深度将会偏离真实深度.为了提高震源深度的测定精度以及减小速度模型误差对地震定位的影响,本文使用快速行进法求解程函方程获得非均匀模型中的初至P和sPg震相走时,并联合这两种走时开展重定位研究.以2022年四川泸定MS6.8地震为例的合成数据测试和实际定位结果显示,本文基于程函方程的初至P和sPg波走时联合地震定位方法能显著提高地震定位的精度.

近震远台的走时层析成像方法研究

远震层析成像是研究壳幔三维结构的重要手段.虽然远震层析成像已成功应用于台站分布较好区域的地下结构成像研究,但地球上有些关键构造区域缺乏地震台站,以至于难以应用远震层析成像研究壳幔结构.为了实现台站匮乏构造区的远震层析成像,根据互易性定理,将传统远震成像中研究区域周边远震激发地震波、区域内台站记录地震信号(远震近台)的观测系统,变换成研究区域内地震激发地震波、周边远震距离范围内台站接收信号(近震远台)的观测系统,实现近震远台的远震层析成像.首先,本文给出了基于近震远台的走时层析成像方法的基本原理和实现步骤.随后,分析了影响成像结果的三个主要因素:射线覆盖密度、走时拾取误差和震源不确定性.最后,以日本俯冲带为例,利用近震远台的成像方法反演实际数据,得到日本俯冲带上地幔速度结构,实际算例证实了该成像方法的有效性.

双相各向异性研究、问题与应用前景

地球内部流体的存在和岩石各向异性是地下介质的两大表征 ,考虑地下流体和介质各向异性问题的双相各向异性理论是当今地震学和地球物理学理论与应用研究的前沿和难题之一 .孔隙流体的存在、固体和流体之间的相互作用会弱化或硬化岩石的力学属性 ,从而引起声波或弹性波速度的频散和振幅的衰减 ,并产生第二类压缩波 .裂缝或裂隙的定向分布、岩层的旋徊性沉积、应力场的定向排列 ,都会引起传播速度的各向异性、横波发生分裂等重要现象 ,这些特性在石油地震勘探、地震预测、岩石物理、动力学研究以及优化人类生存发展等方面具有重要意义和应用前景 .为此 ,本文讨论了双相各向异性理论研究对于解决地球科学问题中的重要性与必然性 ,介绍了当今双相各向异性研究的发展和主要成果 ,重点论述当前双相介质理论发展中的最新成果— BISQ模型 ,并就双相各向异性理论的应用前景、存在问题及某些观点进行了总结 .

含流体多孔介质的BISQ模型

ＢＩＯＴ流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中固一流相互作用的两种重要力学机制，它们作为一个耦合过程同时对声波或弹性波的衰减和频散产生影响。传统方法将这两种力学机制分开、单独处理，并建立了基于宏观描述的ＢＩＯＴ理论和基于单个孔隙结构的喷射流动理论，这些理论在实际应用中暴露出很大的局限性。Ｄｖｏｒｋｉｎ和Ｎｕｒ（１９９３）将ＢＩＯＴ流动机制和喷射流动机制综合起来，提出了统一的ＢＩＳＱ模型［１］，这种ＢＩＳＱ模型将基于微观水平的喷射流动机制与固体和流体宏观性质联系起来，建立了弹性波相速度和衰减与固相弹性常数、孔隙率、渗透率、饱和度、流体黏滞度、压缩性、频率以及特征喷射流动参数等之间的关系。对 ＢＩＳＱ模型的综合研究表明：ＢＩＳＱ模型中的喷射流动机制是造成弹性波强衰减、高频散的主要原因；ＢＩＳＱ模型能更真实地预测波的衰减和频散，在采油动态监控和拾取渗透率等各向异性参数方面具有巨大的应用潜力，值得作进一步的研究和开发。

三分量地震波场的近似解析离散模拟技术

首先将二维各向异性介质中地震波动二阶偏微分方程组降为关于时间ｔ的一组一阶偏微分波动方程组，然后利用Ｔａｙｌｏｒ展式和插值逼近的方法构制了一种与有限元法、反射率法、射线追踪法、有限差分法等传统方法不同的近似解析离散方法（ＮＡＤＭ）．对双层各向同性介质以及横向各向同性介质中的三分量地震波场进行了模拟，并与传统的有限差分法作了比较，结果表明ＮＡＤＭ算法可行．

各向异性介质中三分量地震记录的FCT有限差分模拟

基于声波或弹性波方程的有限差分方法是数值模拟地震波场或合成VSP地震记录的有力工具。然而传统的有限差分方法在每一波长内采样太少时，会存在严重的数值频微，降低数位结果的分辨率。本文将流体动力学方法中的通量校正传输技术（FCT）与求解各向异性波动方程组的有限差分方法结合，获得了一种适用于求解各向异性介质中二阶声波和弹性波方程的FCT有限差分算法，有效地压制了传统有限差分数值模拟中的数值频微。横向各向同性介质中的波场快照和VSP三分量地震记录合成均表明这种FCT技术和有限差分法的结合不仅能消除粗网格条件下数值频微而引起的伪波动，而且还能有效地压制大梯度变化、间断等所引起的数位解的不稳定。

各向异性动力学方程反演新算法

基于各向异性介质中的动力学波动方程组，并利用多波多分量观测数据，发展了一种适用于直接反演介质弹性参数和密度或地震波速度的动力学反演新算法．由于这种方法能充分地利用全波场信息，因此反演结果十分可靠．为了证实这种方法的有效性和适用范围，基于拟ＳＨ波方程，并选取了不同的初始模型，对地震波速度进行了反演．结果表明：即使初始模型参数的扰动量达到１２．３％时，仍能获得相当好的结果．此外，由于方法构造的特殊性，使得这种方法的向量化和并行化计算非常容易实现．

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型 ,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程 ,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件 .最后 ,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟 .结果表明 :有限元方法和吸收边界条件有效、可行 ,在理想相界条件下 ,不论是从固体位移 ,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波 ;在黏滞相界情况下 ,能否观察到慢速拟P波 ,与含流体地层介质的耗散性质有关。对实际含流体介质 ,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波 .

各向异性问题数值模拟中的交替算法

利用有限差分数值模拟对各向异性在内界面存在的问题进行了研究．首先给出了含有１５个弹性参数二维各向异性介质波动方程组的有限差分格式；然后主要分析了在二维横向各向同性情况下，这一差分格式在内界面处切应力的连续性问题．从而提出了各向异性问题数值模拟中的交换模拟技术，并对理论模型进行了数值模拟．数值计算表明，结果与理论模型的分析是一致的．

渤海地球物理场与深部潜在地幔热柱的异常构造背景

渤海是中国东部陆缘的一个裂谷型盆地，通过重力、航磁、古地磁、天然地震、地热、应力场、地壳与上地幔结构及地震层析成像等资料，对渤海湾及其周边地带的深部结构、地球物理场效应和深层物理过程进行了综合研究．这一盆地是由NNE－NE向、近EW向和NW向3组断裂组成，这3组断裂与3组地幔隆起带基本相对应，并在渤中坳陷交汇、渤海内部的现代构造运动以水平构造应力场作用下的走滑运动为主要特征，渤海区内地壳厚度仅28-29km，上地幔向上隆起，等温居里面埋深浅（为12km），并为较高区热流值区（56-77mW／m2）．该区岩石层厚度变化显著，庙岛西部中地壳中有一近似圆形的低速体，在120km深度仍为低速异常区．深大断裂可为深部热物质与气态物质上涌的通道．通过综合研究，提出渤海湾很可能是一个潜在的、尚在发展中的地幔热柱．

中国西北地区岩石层瑞利波三维速度结构与沉积盆地

研究了中、新生界沉积层所覆盖的我国西北各沉积盆地：准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地，以及一系列中小型盆地和其邻近地域的深部岩石层三维速度结构，探讨其和造山带与油气田的关系．使用了适配滤波频时分析方法，分析了我国数字台网的中长周期瑞利面波资料，计算得到２５７条混合路径的面波群速度频散．利用改进的分格随机反演理论与方法，从混合路径中提取了１００条频散突出路径的４°×４°网格单元的纯路径频散，并反演研究区的三维Ｓ波速度结构．频散的周期从１．９５ｓ到１５１．７ｓ，浅部分辨率可达１ｋｍ，得出了该区深达２００ｋｍ范围内三维瑞利波群速度的分布与特征．所得结果表明：塔里木盆地、哈密－吐鲁番盆地、伊宁盆地以及藏北地区的羌塘盆地具有较好的油气前景．我国西北邻国接壤地带，也均为良好的油气盆地潜在地带．

青藏高原地体划分的地球物理标志研究

基于青藏高原巨厚的地壳结构和复杂的地球物理场特征，提出依据地震活动与波场标志、岩石层结构与速度场标志、古地磁标志、位场标志、温度场标志、地质与构造标志作为进行青藏高原地体划分的原则．据此，由北向南将青藏高原及其相邻地带划分为７个地体，即柴达木地体、昆仑地体、可可西里－巴颜喀拉地体、羌塘地体、拉萨－冈底斯地体、喜马拉雅地体和恒河平原地体，它们的分布格局与特征对青藏高原的形成、演化和板块运动及动力机制的研究起着重要的作用．

青藏高原整体隆升与地壳短缩增厚的物理－力学机制研究（上）

本文综合研究了青藏高原大地构造格局、地壳与地幔结构、地球物理场特征，对青藏高原整体隆升的物理一力学机制，进行了总结，并提出了隆升、地壳短缩和增厚的动力学模式。论文对以下五个问题进行了研究和讨论：第一，青藏高原巨厚的地壳、薄的岩石图结构、不同产状深大断裂以及推覆、切割和碰撞造山带的基本模式；第二，地震活动、断层面解与区域应力场；第三，板块运移与地体拼贴和大陆增生；第四，青藏高原隆升的物理一力学机制分析；第五，青藏高原隆升的地球动力学模式。研究结果表明，南部印度板块向北运移并与欧亚大陆板块碰撞，北部则受古亚洲板块阻隔并向南推移。在长期的碰撞与挤压作用下，造成了高原地区异常的地震活动和应力场，Ｌｇ波能量向南快速衰减和Ｑ值向南递增，水热活动强烈和地壳“南热”、“北冷”及岩石围中“壳热”、“慢冷”的格局。喜马拉雅南、北麓重力未达均衡，高山仍在上升，沿雅鲁藏布江由深部上涌的蛇绿岩套长达１７００ｋｍ，一系列走滑断层的形成和强烈的形变，形成了南界恒河平原北缘、北抵雅鲁藏布江的宽约３００～５００ｋｍ的碰撞挤压过渡带。基于此，青藏高原的隆升和地壳短缩增厚的物理一力学机制为软流圈的拖曳作用，促使印度板块与欧亚板块的碰撞和长期的挤?

青藏高原整体隆升与地壳短缩增厚的物理－力学机制研究（下）

青藏高原整体隆升与地壳短缩增厚的物理－力学机制研究＊（下）滕吉文张中杰胡家富尹周勋刘宏宾万志超杨顶辉张秉铭张慧（中国科学院地球物理研究所）（承接本刊２卷２期１３３页）４青藏高原隆升与地壳短缩的物理－力学机制讨论青藏高原平均高度为４５００ｍ，面积达３０...

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制 ,对地震波和声波的传播均产生重要影响 .Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot Squirt)模型 ,基于这一模型 ,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究 ,然而 ,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道 .本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发 ,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟 ,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较 .数值模拟结果表明 :同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢 ,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强 .

基于非饱和多孔隙介质BISQ模型的储层参数反演

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制 .文中基于同时包含这两种力学机制的非饱和多孔隙BISQ模型 ,利用小生境遗传算法实现了储层参数 (孔隙度、渗透率、含流体饱和度等 )的反演 .结果表明 ,本文方法在储层参数的反演过程中目标函数收敛快、且具有较强的抗“噪声”干扰性能 ,当观测噪声ε≤ 5 %时 ,储层参数的反演精度很高 .最后 ,通过实测数据的反演应用验证了该方法处理储层参数反演问题的有效性和非饱和BISQ模型的准确性 .

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制(Biot流动和喷射流动机制)有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt(BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内(地震波勘探频率)黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.