变井源距垂直地震剖面各向异性参数反演

利用微扰理论推导了弱各向异性(WA)介质参数正反演计算的基本公式;给出了在已知慢度矢量的一个分量和偏振矢量情况下确定WA参数的方法.如果这一方法被用于单一的变井源距垂直地震剖面(walkawayVSP)资料,可以获得9个WA参数.这9个WA参数完全决定了qP波和两个qS波在由剖面和钻井所决定的平面内传播的特性.对单条walkawayVSP观测系统数据的产生和WA参数的反演进行了数值模拟计算,对所能确定的WA参数及其可靠性进行了详细的讨论.

地壳和上地幔三维速度与界面结构层析成像——理论部分

提出了一种三维模型参数化方法，使得正问题和反问题可以用解析式表达．地壳和上地幔速度与界面结构分别由一组非常光滑的函数描述．在正问题和反问题中，使用了初值射线追踪方法，走时对模型网格节点参数的偏微商在射线追踪的同时进行了解析计算．由于速度和界面函数具有二阶连续偏微商，由射线路径的发散和聚焦在地表引起的影区可以避免．射线追踪之后，可以获得由矩阵和矢量组成的反问题．解决反问题使用了具有阻尼因子的奇异值分解法．一组由几条纵剖面组成的合成数据被用来进行数值模拟计算，结果表明方法是健全的．与二维方法比较，在地壳模型非常复杂的情况下，三维反演方法可以给出准确的速度结构和界面位置．

垂向非均匀介质的走时反演

本文提出了一种利用反射波走时曲线计算垂向非均匀介质速度和反射界面深度的方法。当在地球表面没有获得来自地下某一深度范围内介质的任何信息时,可以认为这一深度范围内的地震波速度具有连续性。利用来自其底部反射界面的反射波走时曲线,可以计算出该深度范围的地震波速度结构。对三种模型进行了理论计算,所得反演解与真实值较为一致,其中计算出的反射界面深度最为精确。利用本文提出的方法可以计算两个相邻反射面之间的垂向非均匀速度结构,如低速层等。

大别造山带宽角度反射射线方程偏移研究

二维介质中的宽角度反射射线方程偏移是一种基尔霍夫型叠前深度偏移算法．基于射线理论，这一算法对二维不均匀介质具有广泛的适用性，在宽角度反射研究中能够显示其优越性．通过计算射线场，插值出震源和接收器的波场，对旅行时间ｔＰ＝ｔＳＰ＋ｔＰＲ的深度点Ｐ，可以在地震图中找到与该点对应的强度（或振幅）ＡＰ．将ＡＰ按照一定的关系进行转化，移至该深度点，对多个震源和接收点进行同样的计算，并将结果进行叠加，就完成了射线方程偏移．数值模拟计算取得了令人满意的结果；处理了通过大别造山带的庄墓—岳西—黄梅—张公渡人工地震测深剖面，获得了沿测线的莫霍界面构造形态．结果表明：南大别岩块高压变质岩带与这里莫霍界面局部抬升有关．北大别岩块下面有“山根”存在，与重力均衡原理相一致．晓天—磨子潭断裂作为华北板块和扬子板块的碰撞缝合带穿透了莫霍界面．在六安附近有一深大断裂，它是洛南—明港断裂的东延部分，在这里得到了进一步的证实．

芦山M_S7.0强震前单台波速比变化特征研究

在搜集和整理中国地震局四川数字地震台网2001年1月—2013年7月震相观测报告的基础上,采用单台多震和达测定法,重点分析研究了芦山地震前波速比时空变化特征.为保证计算结果的可靠性和稳定性,对所收集到的单台震相数据和计算结果的精度进行系统的筛选和限定,同时对出现异常的地震台,进行不同台站方位和距台站不同空间范围的波速比时空变化特征的分区细化对比研究.根据其存在的共性和差异,探讨预测孕震体空间尺度的可能性.结果发现,龙门山断裂带南段及附近地区的小金、蒙顶山、油罐顶、花马寺和五马坪等5个台站的波速比在芦山地震前均存在较明显的降低过程;小金、蒙顶山、油灌顶和花马寺等4个台站的波速比异常降低过程大约持续了3年半,震前除小金台未见明显回返过程外,其它3个台站均在震前1年左右出现回返特征;峨眉山台和五马坪台的波速比时间演化特征差异性较大,表现出一定的复杂性.从芦山地震前波速比时间变化特征的动态跟踪中还发现,强震前波速比异常区的范围具有向未来震中及其附近地区收缩的趋势.

汶川地震前后波速比变化特征的再研究

收集整理了四川省地震台网1990—2012年产出的地震直达波震相数据,利用单台多震和达法对2008年汶川MS8.0地震前后四川地区的波速比变化特征进行了分析研究(共筛选出13个数据量较为丰富、连续性较好的台站).结果显示:其中位于龙门山断裂中北段西侧的4个台站,震前出现长达7年左右的中长期波速比低值异常;其它9个台站的波速比震前变化基本稳定.震前波速比出现异常的4个台站的分布与汶川MS8.0地震孕震区范围大体一致,从而为研究汶川MS8.0地震前是否存在地壳介质特性的时间变化过程,提供了有力的判定依据.

泰安—忻州剖面S波分裂计算及介质各向异性与深部构造相关性探讨

利用深地震测深资料进行S波震相的有效识别和S波分裂参数计算方法 ,对泰安—忻州剖面S波资料的计算分析 ,得到了该区域地壳介质各向异性、区域应力场方向异常的可靠证据 .与震源机制解及深部的构造结果对比分析表明了S波传播和S波偏振异常的超壳断裂带和深部构造活动密切相关 ,表明测深资料S波分裂研究了对了解介质各向异性构造活动特征 。

利用三维弯曲界面的反演方法重建唐山震区莫霍界面三维构造形态

研究利用反射波的走时反演三维弯曲界面和介质层速度的计算方法．各层界面利用分段非完全三次多项式描述．正问题采用一种快速的三维射线追踪方法．反演过程采用变阻尼最小二乘法．数值模拟结果表明，解很快收敛到真模型．处理了通过唐山震区的实测资料，重建了该震区莫霍界面三维构造形态，并揭示了该区域构造与地震活动的关系．

界面和速度的两步反演——唐山震区三维细结构研究

研究区域界面和速度的两步反演计算方法．三维界面采用分段非完全多项式描述，三维速度的重建采用泛函空间的最小二乘原理．计算采用两步进行：第１步反演三维界面形态；第２步将剩余走时残差按加权分配的方式进行三维速度反演．处理了唐山滦县震区地震测深资料，获得了唐山震区深部三维构造形态及唐山、滦县震区三维地壳速度分布．结果表明：唐山震区深部三维构造总体为北东走向，北东向的丰台—野鸡坨断裂与北东向的唐山断裂所夹的构造为莫霍界面隆起区．该区中下地壳三维速度结构沿北东向的唐山断裂存在明显低速异常带，其位置与唐山地震活动带的位置相一致．沙河驿附近较大的低速异常块体对应于较密集的地震分布．该区域存在一条北西向的高速异常带，可能是一条隐伏深断裂．唐山７．８级地震震中区下地壳为北东向的低速异常带与北西向的高速异常带相交处．这两组构造对控制唐山７．８级地震的孕育和发生起了重要作用．

多测线变偏移距VSP地震各向异性反演

本文从一般弱各向异性介质参数反演中得到了使用两条相互正交的变偏VSP测线计算弱各向异性(WA)参数的反演公式.如果仅仅使用qP波,则可以确定9个独立的WA参数,这9个WA参数可以完全地描述井中接收点在两个剖面内介质的各向异性性质.通过对走时曲线进行最小二乘条件下的三次样条光滑,可以获得慢度矢量的垂直分量和水平分量.如果介质是横向非均匀介质,则水平分量仅仅被用作反演时的约束条件.为了获得偏振矢量,本文引入质心计算方法,该方法计算简单、稳定,而且不存在解的奇异问题.在寻找与一般各向异性介质最接近的高对称性正交各向异性介质和TTI各向异性介质时,使用qP波各向异性坐标变换方法和最小二乘求解方法,得到了与一般各向异性介质最接近的正交各向异性和TTI各向异性参数及其对称轴方向参数的计算公式.使用这些方法,对瓜哇海地区布设的两条相互正交的变偏VSP测线数据进行各向异性反演,获得了井中10个接收点处介质的WA参数.数值计算和实际资料反演表明,本文所使用的反演方法能够准确地得到VSP井中接收点处介质的WA参数,这是地震勘探中研究地壳介质各向异性性质最直接和最可靠的方法.

基于walkaway VSP下行P波的TTI各向异性参数反演

本文基于弱各向异性(WA)介质的正反演公式和qP波的坐标变换,推导了利用qP波反演任意倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质的各向异性参数和对称轴方向的公式.理论和数值实验表明,利用2个相互正交的变井源距垂直地震剖面(walkaway VSP)可以完全确定钻井中TTI介质qP波的3个WA参数和对称轴的2个方向参数.我们完成了几个由不同数量剖面组成的walkaway VSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,证明了反演公式的正确性和可靠性.使用这些公式,对来自Java Sea的由3条剖面组成的walkaway VSP观测数据进行了各向异性反演,获得了钻井中接收点处介质的WA参数.

三维分块倾斜界面的反演及其应用

介绍了利用反射波走时反演介质层速度和包含直立断层的三维界面的计算方法．对各层界面利用多个倾斜或平界面方程来描述．给出了数值计算实例．结果表明，反演解与真模型很接近，说明计算方法是有效的．利用该方法处理了唐山地震区的ＰｍＰ反射波资料，获得了该区域莫霍界面的三维分块形态．唐山附近莫霍界面错断与该区域１９７６年唐山地震及一系列余震的发生有密切的联系．

龙门山断裂带南段横波分裂分析

基于2009年1月—2015年4月芦山地震震源区(龙门山断裂带南段)大量地震的双差重定位结果,对固定台站(BAX,MDS,TQU)和流动台站(L131,L132,L134,L135)周围处于横波分裂窗内的地震记录进行了横波分裂分析.研究结果表明:除台站TQU外,其它台站的快波偏振优势方向与龙门山断裂带的走向基本一致;台站TQU处于前山断裂与一条SE向断裂的交汇处,其偏振方向具有一定的方位性,表明SE向断裂可能是导致台站TQU快波偏振优势方向偏离的原因之一.各台站位于1角区(入射射线与裂隙面夹角为15°—45°的双叶区域)和2角区(入射射线与裂隙面夹角为0°—15°的区域)的归一化时间延迟结果显示,除台站L135由于缺少震后持续数据外,其余6个台站在1角区内的归一化时间延迟在芦山地震主震后均逐渐减小.另外,从BAX,MDS,L134,L131这几个台站的玫瑰图中可见,芦山地震后快波偏振矢量发生了90°翻转现象,说明各向异性孔隙弹性(APE)理论在该研究区的适用性,即该理论可用于监测研究区的区域应力场变化.

三维初始破裂的理论与实验研究及其在解释断层现象中的意义

简述了受压表面(半椭圆)裂纹的三维破裂实验结果,并对三维破裂的应力判据理论进行了研究。对弥合初始破裂的方法进行了改进。指出Palaniswamy和Knauss提出的极值(EV)方法存在重要缺陷,主要是只考虑了两个欧拉角(2EA),忽略了第三个欧拉角的变化。如果将三个欧拉角(3EA)全部考虑进去,其弥合效果会有质的变化,能够弥合成实验观测到的曲面,而不是平面。提出了法向矢量法(NSDV),并证明和3欧拉角法(3EA)等效。证明法向矢量法(NSDV)可以进一步优化为求最大主应力的主面集合法(CFPDP)。用主面集合法的计算结果可以很好地弥合已有的三维破裂实验中观察到的初始破裂曲面。主面集合法可以用于椭圆裂纹模型弥合埋深断层的滑动段破裂。三维破裂研究的结果,可以用来解释地震断层中大量的跨尺度破碎现象,解释板缘断层在低剪切力作用下地震的发生以及孕震过程中EDA(张性扩容各向异性)裂隙引起的介质各向异性机理。

利用qP波慢度和偏振矢量计算弱各向异性介质参数

提出了一种使用慢度矢量分量和偏振矢量计算变井源距垂直地震剖面(walkawayVSP)钻孔中接收点附近介质弱各向异性(WA)参数的方法.假定介质是任意弱各向异性介质,从一般公式中得到了只有一条观测剖面情况下的反演公式.如果知道了慢度矢量的垂直分量和偏振矢量,可以通过反演得到与剖面和钻孔所在平面相关的WA参数,反演过程不用进行射线追踪,与上覆介质无关.用合成数据检验了公式和方法的正确性,并把它们应用于在爪哇海地区得到的一条变井源距垂直地震剖面的弱各向异性参数反演中.

龙门山断裂带中段深地震宽角反射/折射剖面研究

射线追踪方法是研究地震波在横向非均匀地壳介质中传播的重要方法.本文推导了理论走时对网格化节点速度的偏导数公式,提出了针对深地震宽角反射/折射剖面数据反演的联合迭代法,并使用该方法对横跨龙门山断裂带中段的一条深地震宽角反射/折射剖面进行了反演和解释.首先,对每一炮的观测数据进行一维反演,在此基础上插值出一个粗略的二维速度模型;然后,使用射线追踪方法计算理论走时,再根据理论走时与观测走时的拟合程度对二维模型进行调整,以获得更加接近实际的二维速度模型;最后,利用联合迭代法对观测走时进行反演,经反复迭代使所有接收点理论走时与实测走时的残差平方和最小,最终获取该剖面的二维地壳速度结构.反演结果表明:测线东段的沉积盖层明显厚于中段褶皱带和西部高原,中部褶皱带部分地区出现基岩裸露;构造转换带两侧的地层分界面近于水平层状分布,其西侧的中、下地壳内各存在一个层间速度间断面;构造转换带内存在薄厚不等的低速层,自西向东有增厚趋势.此外,龙门山断裂带的3条主断裂向下深切结晶基底,这是由于西部松潘—甘孜地块自西向东运动,受到刚性扬子地块的阻挡,沿铲式断裂向上爬升所致;而在断层上盘距地表约15km深处出现的最大剪应力极值区,正是发生汶川M_S8.0地震的震源位置.

北京地震台地震走时表的研制

长期地震观测发现,北京地震台实际地震记录的震相走时与全球地震走时表IASP91之间存在走时偏差。结合北京地震台及周边地下40 km精细速度结构的研究成果和AK135模型,构建其地震走时表的计算模型。通过对该地震台2003-2008年NCDSN地震观测实际走时比对,对模型结构进行修正,最终建立北京地震台地震走时表。

并行计算技术在地球物理非线性反演中的应用

随着地球物理学及非线性反演技术的发展,数据量的增加,处理步骤的复杂,地球物理反演对计算与存储方面的需求持续上升。面对种种挑战,并行计算无疑是一个很好的解决方案。本文总结了四种常见的并行计算模型,并阐述了如何构建适合于地球物理反演的并行计算环境与模式。