波场模拟有限差分参数优化选取

有限差分方法(Finite-difference Method, FD)广泛用于地震波场数值模拟,但其存在固有的数值频散问题,影响模拟的计算效率和数值精度.本文主要研究了有限差分方法的空间数值频散误差和网格划分精度以及差分算子的关系,基于计算量最小准则,提出了最优化有限差分参数选取流程,为有限差分数值模拟参数选取提供理论指导.本文主要工作包括:(1)提出了空间数值频散正变换过程(Forward Space Dispersion Transform, FSDT)方法,该方法可以高效模拟出不同网格划分精度(波长采样点数)的带有空间数值频散的波场;(2)提出了波场空间数值频散误差衡量准则,可以定量地判断出数值模拟导致的波形频散程度,选取合适的频散误差阈值;(3)研究了给定空间数值频散误差阈值下,差分算子系数、差分算子阶数、网格划分精度与计算量之间的关系.文中基于雷米兹交换方法(Remez Exchange Method, RE)和泰勒级数展开方法(Taylor-series Expansion Method, TE)的差分系数,在空间数值频散误差阈值0.01时,数值模拟了不同差分算子阶数、网格划分精度与计算量的关系,并给出了有限差分参数选取的参考值.

日本9级超强地震，出乎意料？

2011年3月11日下午2时46分。日本东北地区沿海发生了该国历史上有记录以来最强的一次地震。地震破裂始于仙台正东约130公里的海域，先是由南向北．然后由北往南，横扫了包括宫城县、岩手县、福岛县、茨城县、千叶县的东北和关东地区沿海海域。整个破裂持续了150多秒，形成了长400多公里、宽100多公里的巨大断层。

基于重复微震的小江断裂带深部滑动速率研究

利用云南数字地震台网1999~2011年的波形资料，通过辨识源于同一位置破裂的重复微震来估算小江断裂带不同段落、不同深度的断层滑动速率．针对研究区台站分布稀疏的客观情况，应用了在子采样条件下基于孓P相对到时差来约束地震相对位置的方法，在小江断裂带识别出29组重复微震，其复发间隔存在差异变化．重复微震的时空分布初步分析表明：准周期的重复微震在空间上相对独立，远离其它重复微震和背景地震；在重复微震集中分布的区域，位置相近的重复微震可能会相互作用而影响其复发问隔；在背景地震活跃阶段，相邻背景地震发生引起的应力变化可能缩短重复微震的复发间隔．利用重复微震的地震矩和重复间隔，估算出小江断裂带孕震深处3～12km的滑动速率为1．6～10．1mm·a-1，显示不同破裂段的深部滑动速率存在明显差异．

鲜水河断裂带南段深部变形的重复地震研究

利用2000—2013年四川数字地震台网和水库台网的波形资料以及川西流动台阵的事件波形,通过辨识发生在同一断层位置上的重复地震来定量研究鲜水河断裂带南段的深部变形.针对研究区台站分布稀疏的客观情况,应用了子采样条件下基于S-P相对到时差来约束震源位置一致性的方法,在鲜水河断裂带识别出11组重复地震,并利用连续波形资料进行了重复地震完整性的初步测试,同时运用结合波形互相关资料的双差法来完成研究区背景地震和重复地震位置的精确定位.重新定位后的地震图像展示研究区中上地壳存在明显缺震层,其与壳内的低速低阻层相吻合.利用重复地震的地震矩和重复间隔,估算出鲜水河断裂带南段孕震深部的滑动速率为3.0~10.2mm·a^-1,显示研究区不同地震构造区的深部滑动速率存在明显差异.

利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。

基于重复地震研究川滇地区主要断裂带的深部变形

发生在同一断层部位上0.5~4.0级的重复地震(也称重复微震)是研究断裂带深部变形的天然(有力)工具.本文系统汇集了川滇地区主要断裂带识别出的76组重复地震研究结果,构建了川滇地区重复地震的时空分布图像和断裂带深部变形时空演化特征,结果表明:丽江—宁蒗断裂带在脆韧转换带约23 km深处的滑动速率为4.3~5.4 mm·a^(-1),小江断裂带3.0~12.3 km深处的滑动速率为1.6~10.1 mm·a^(-1),红河断裂带北段在6.0~13.4 km深处的滑动速率为2.3~10.0 mm·a^(-1),鲜水河断裂带南段3.0~18.7 km深处的滑动速率为3.0~10.2 mm·a^(-1),龙门山断裂带在4.0~17.3 km的汶川8.0级地震孕育深处的滑动速率为3.5~9.6 mm·a^(-1),龙门山断裂带南端3.6~18.7 km处滑动速率为5.8~10.2 mm·a^(-1).综合分析认为:川滇地区主要边界断裂带的深部滑动速率较为一致,揭示了川滇地块和巴颜喀拉地块整体协同变形的特征.由重复微震与深部滑动速率变化构建了孕震深处的变形模式,即重复微震与断裂带局部闭锁段在空间位置上存在密切的关联性,强震前孕震闭锁区存在明显的深浅部构造形变差异,震前存在的深部加速变形过程可能是断层亚失稳阶段的具体表征.

利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展

微地震监测是定量评估水力压裂改造效果的主要方法,对于高效开发非常规油气储层具有重要意义。然而,微地震监测技术在微地震事件产生机理、微地震弱事件检测和定位、综合解释等方面仍然面临诸多挑战。本文以四川盆地某页岩气井综合微地震监测实验为例,从监测台阵、微地震参数获取和资料解释三方面,总结了微地震监测技术的研究现状和发展趋势。结合课题组的研究特色,重点讨论了地面微地震监测台阵、样本事件扫描检测弱地震事件、震源机制反演等技术在水力压裂改造效果中的应用,展望了我国微地震监测技术未来发展方向。

中国大陆MS≥7.8大震的余震活动差异性特征及其成因研究

文章以20世纪60年代以来中国大陆发生的4次MS≥7.8大震,即1970年云南通海7.8级、1976年河北唐山7.8级、2001年青海昆仑山口西8.1级和2008年四川汶川8.0级地震为研究对象,探讨了8级左右巨大地震的余震活动及分类,并以流变模型讨论了序列类型差异性的物理力学成因。初步给出:①4次大震的余震序列可归为两种类型,即低活动序列类型和高活动序列类型;②余震的差异性特征与主震孕育过程密切相联,理论模型和实际震例资料均给出,余震活动持续时间长短与大震孕震时间长短之间呈正相关变化;③根据对汶川8.0级大震的研究,孕震区介质流变性和构造变形速率的高低可能是造成大地震余震序列差异性特征的重要原因。

用中国资料进一步约束地球最内核的各向异性

基于中国地震台网记录的发生于南美的4个地震事件数据,利用穿过内核并在内外核边界反射的PKIIKP波与直接穿过内核的PKIKP波的到时差,研究地球最内核的速度结构。通过比较PKIIKP-PKIKP波的观测到时差与理论到时差,进一步确认地球最内核的慢轴并不是沿着赤道平面,而是与赤道平面呈一定夹角,为地球内核物理性质和结构研究提供了新的证据。

由重复微震估算的龙门山断裂带深部滑动速率

使用断层附近两个数字地震台网记录的重复地震数据研究了发生2008年汶川M7.9灾难性地震的龙门山断裂带的深部滑动速率。通过波形互相关分析,识别出波形高度相似的231组相似地震对和224组多重相似对。大部分相似地震活动表现为非周期性,复发间隔从数分钟到数百天不等。针对每一组多重相似对,我们首先依据在同一地震台站记录的波形来塑造参考地震的波形,用以量取每个地震相对于参考地震的S与P波的相对到时差,并确定每个地震与多重相似对质心的相对距离,从而挑选出每组地震中的重复事件。我们识别出了位于M7.9汶川地震震源区的12组重复微震,大部分重复微震分布在2008汶川地震同震大破裂闭锁区的边缘,揭示了微震活动与未来破坏性大震在空间位置上的密切关系。由重复微震直接获取的滑动速率随深度增加而增大,在4～18km深度范围滑动速率为3.5～9.6mm/a,约为GPS和地质等浅表观测的滑动速率值的2倍。研究结果对于理解断层活动性和地震危险性分析具有重要意义。

唐山断裂带的板内重复地震识别及其滑动速率估算

华北地区以强烈的新构造运动、众多的板内地震、多发的破坏性地震著称。1976年7月28日发生在北京东约160km处的唐山7．8级大地震是历史上人员伤亡最为惨重的灾害之一。唐山断裂带是唐山大地震的主控断裂，由一系列互相平行的NNE向的走滑断裂组成，由于在构造表现和运动方式等方面存在明显的差异，基本上可划分为南、北两段。一直以来，唐山断裂带都保持着很高的地震活动水平。

基于重复微震研究小江断裂带的深部构造变形

小江断裂带是我国大陆地震活动最为强烈的地区之一。古地震和历史地震资料、综合断裂活动背景和地震活动性分析表明，位于川滇块体东边界的小江断裂带存在地震空区与潜在的强震危险。巴颜喀拉地块东边界发生2008年汶川8．0级巨震不到两年，其南边界的甘孜一玉树断裂带在2010年发生了玉树7．1级大地震，使与该地块相连的小江断裂带的强震危险性更受关注。断层滑动速率是评估未来地震危险性的重要依据，但获取孕震深处的滑动速率具有相当大的难度。

基于逆散射成像条件的最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移(LSRTM)相对于常规逆时偏移(RTM)具有分辨率更高、振幅更准确、噪音更少等优势,可以对复杂的地质构造进行有效的成像.这种迭代更新反演成像方法十分依赖目标函数的梯度质量和计算效率.当地质模型中存在强反射界面或者记录中存在折射波时,基于常规互相关成像条件(CCC)的最小二乘逆时偏移梯度会包含很强的低频噪音,从而使反演的收敛速度和成像质量降低.为此,本文在最小二乘逆时偏移的梯度中引进了逆散射成像条件来压制这种低频噪音,并以此提出基于逆散射成像条件(ISC)的最小二乘逆时偏移方法.数值模拟结果表明,两者计算耗时基本一致,但逆散射成像条件能高效压制梯度中的低频噪音,从而使反演过程中收敛加速,成像质量得到显著提高.

基于程函方程与三维速度模型的中国东北地区地幔过渡带接收函数研究

本文利用中国东北地区NECESSArray记录到的45505条接收函数,结合该区域最新三维速度模型,采用快速行进法求解程函方程,计算了P-S转换波相对走时,并通过共转换点叠加成像方法获得了该地区下方地幔间断面起伏情况.结果显示,在长白山—五大连池连线一带东西约300 km,南北约900 km的狭长形区域内,660-km间断面下陷幅度达20~40 km.其结构可细分为南北两部分,南部更为狭窄且与日本海沟走向一致,对应于从日本海沟俯冲的太平洋板块在地幔过渡带的滞留区;北部对应于从千岛海沟俯冲的太平洋板块在地幔过渡带的滞留区.同时,在长白山西部,存在与长白山—五大连池下陷区形状类似的南北向狭长形抬升区,660-km间断面抬升幅度约为10 km,显示俯冲太平洋板块只延伸至松辽盆地东侧;而在盆地西侧,660-km间断面的下陷区可能与该地区岩石圈拆沉有关.同时,410-km间断面在松辽盆地—渤海一带,以及长白山火山西南和东北方向存在明显的下陷区;另外,在阿巴嘎及阿尔山也有小范围的下陷区.所有这些下陷区,均与地表新生代火山活动区/拉伸区有很好的对应关系,表明这些地表构造与深部热物质上涌有关.

秦岭造山带上地幔各向异性及相关的壳幔耦合型式

秦岭是具有复杂地壳结构、经历长期构造演化的复合型大陆造山带.本文通过地震资料精细反演上地幔各向异性,探索秦岭造山带构造演化及成因动力.采用最小切向能量法、最小特征值法和“叠加”分析法求得覆盖秦岭造山带及周边地区41个地震台站的SKS横波分裂结果:快波偏振方向(φ)和快、慢波的时间延迟(δt),据此绘制了秦岭造山带上地幔各向异性图.将已发表的地表GPS观测结果与上地幔各向异性相结合作上地幔变形因素分析,发现秦岭造山带自西向东的上地幔变形因素不是单一垂直连贯变形或地幔流动,而是共存的.同时,其上地幔变形的主控因素有区域性变化.研究表明秦岭造山带西、中部上地幔变形以壳幔垂直连贯变形为主,属壳幔强耦合,东部壳、幔耦合变弱,上地幔变形以简单地幔流动为主控因素.同时,SKS快波偏振方向(φ)于秦岭造山带显示出南缘略向北凸、北缘略向南凸的弧形展布,反映了造山带两侧刚性较强的扬子地块与鄂尔多斯地块旋转与秦岭造山带南北缘弧形流动有关.

利用多层横波各向异性测量方法计算两层介质的分裂参数

对实际两层各向异性介质,在一层假设条件下利用Silver和Chan(1991)的等效单层各向异性测量方法,以及在两层假设条件下利用剥去法和反演法,计算模型的分裂参数.首先利用理论雷克子波得到经过两层各向异性的观测数据,然后加入噪声之前和之后,分别计算不同反方位角覆盖条件下数据的各向异性,并与理论模型的分裂参数进行比较.结果发现在上层分裂特征已知的基础上,剥去法适用于任何模型,不管是否存在分裂,或者分裂特征在两层中如何分布;而反演法更适用于两层各向异性较强且不同的模型,其结果受噪声和方位角分布的影响.选取不同方位角分布的高信噪比数据,比较剥去法和反演法对下层分裂参数的计算结果,发现当入射方位角在两层快波方向之间时,反演结果比较可靠.最后利用这三种测量各向异性的方法,计算青藏高原东南缘CEArray台站观测到的SKS数据中记录的各向异性.除了云贵高原的台站YN.CUX表现出较明显的两层分裂特征,大部分台站下的岩石圈各向异性呈现一层或者较弱的各向异性.于是针对该台站,用反演法同时对这两层的分裂参数进行估计,上层的结果与接收函数计算的地壳分裂参数一致;下层的结果与剥去法计算的上地幔分裂参数一致,说明反演法同剥去法一样,都能有效的分析具有两层各向异性特征的介质.

SS波形复杂性研究

通过使用传播矩阵方法计算全波场理论地震图和对观测资料分析,对40°—180°震中距范围内SS波形复杂性的影响因素进行了定量探讨.研究表明,S波在反射点的莫霍面和地表产生的透射转换与反射转换震相,是造成SS波形复杂化的主要因素;反射点莫霍界面两侧的波速差异程度对各转换震相幅度有重要影响.当反射点地壳比较薄时,台站地壳也对SS波形的复杂化起作用.这些影响因素共同造成了SS的切向与径向分量之间的分裂时间与反射点地壳厚度具有明显正相关性.对SS反射点分别落在中国东部和西部的两组观测波形资料进行了分析,并测量了切向与径向之间的分裂时间.结果表明,地壳较厚的西部的分裂时间明显大于地壳较薄的东部的分裂时间,并有可能发展一种利用SS分裂时间来估算地壳厚度的新方法.

综合近震及远震波形反演2006文安地震(M_w5.1)的震源机制解

2006年7月4日,在距离北京100km左右的文安地区,发生了Mw=5.1级地震,引起了北京地区的强烈震感.为了更好的认识区域构造,我们利用近震及远震波形反演的方法得到了此次文安地震的震源机制.选择了北京数字地震台网的9个地震台,震中距小于600km,台站的方位角覆盖较好.为了更好地利用信号相对较弱的P波信号,对于一个地震记录,本文分别截取出P波和面波两个部分,分别给予不同的权重进行反演,结合格点搜索的方法,得到了与记录P波及面波三分量对应较好的地震的方位角、倾角和滑移角.同时考虑到北京西北地区地壳较厚,本文在利用F-K方法计算近震理论波形的时候,对不同的方位角,采用了不同的地壳速度模型.随后结合远震信号中的直达P、pP、sP波形得到了分辨率较高的地震震源深度.反演结果表明,此次文安地震是一个较为典型的走滑型地震,方位角为210°,倾角80°,滑移角-150°,地震的深度为14～15km,地震的震级为（Mw=5.1）.反演结果与断层的几何分布、余震分布及北京地区北北东向应力场有很好的一致性.

利用远震地震波形畸变现象探测地幔低速体

地幔低速异常体的精确探测对于研究热点/地幔柱的成因至关重要.但是,由于观测手段以及波前愈合现象的影响,远震走时层析成像在探测地球深部的低速异常体时具有极大的限制.因此,越来越多的学者利用地震波穿过低速体后产生的绕射波和直达波.干涉造成的波形畸变信息来研究地幔低速体.本文通过三维地震数值模拟来拟合长白山、黄石公园地区宽频地震记录,分析绕射波和直达波相互干扰造成的波形畸变现象.模拟结果显示,绕射波/波形畸变对于探测地幔深处的低速体具有较高分辨率;目前常用的基于互相关测量的有限频层析成像方法对于深部低速体速度异常低估现象明显.如果将有限频层析成像结果在深部的速度异常值放大到原来的2倍,数值模拟可以很好的拟合观测到的地震波形畸变现象.通过对长白山地区、黄石公园地区记录的地震波形畸变现象的拟合,我们进一步确认了长白山、黄石地区下方分别在400~600 km、700~1000 km处存在地幔低速体,并对低速体速度异常值进行了矫正.

基于无监督机器学习的噪声信号聚类分析——以郯庐断裂带潍坊段短周期密集台阵观测为例

非构造活动震源所引起的地面震动通常被看成是地震记录中的噪声信号,此类噪声与微震或非火山震颤等弱构造活动信号往往在时间域或频率域都难以区分,从而会影响利用常规方法对弱构造活动信号的识别与检测.即使利用最新的机器学习方法对微地震信号检测,若缺乏对噪声信号特性的了解,也会对监督模型的训练产生不利的影响.因此,有必要剖析地震噪声信号,理解其特征属性,以及背后可能的物理震源.本研究中,我们利用一个布设于华北东部地区的短周期密集观测台阵,使用K-means算法聚类分析不同类型的地震噪声信号.分析表明密集台阵可以观测到6类噪声信号,噪声来源包括轨道交通、风和附近的电力输送线.