背景噪声面波与布格重力异常联合反演:山西断陷带三维地壳结构

讨论了利用面波与布格重力异常联合反演三维地壳速度结构的新方法,并利用该方法联合反演获得山西断陷带地壳S波速度结构.通过建立速度与密度之间的经验关系,利用非线性迭代反演方法获得最终速度模型.结果显示,联合反演获得的速度模型可以同时提高对面波及重力数据的观测拟合程度,而面波单独反演得到的速度模型则无法很好的拟合重力观测数据.相比较,联合反演速度模型中的大同火山区中下地壳的低速异常幅值小于面波单独反演模型中低速异常体的幅值.联合反演速度模型结果揭示,吕梁山地区在中下地壳存在低速异常,并且和北部的大同火山区低速异常相连接,说明可能导致新生代以来大同火山区岩浆活动的上地幔构造活动(上地幔局部上涌,地幔柱)可能对山西断陷带的形成和构造活动起到了一定的控制作用,并且导致了吕梁山地区中下地壳的低速异常.

近震体波走时与重力联合反演华北地区地壳上地幔顶部P波速度结构

华北是克拉通破坏的典型案例,也是陆内强震活动最为强烈、频繁的地区之一,对该区壳幔速度结构进行研究,可为深化认识克拉通的形成演化、板内强震与火山发生机理等研究提供重要的深部约束.利用202个固定台站、360个流动台站所记录到的天然地震事件P波资料和实测布格重力异常,采用近震体波走时与重力联合反演方法获得了地壳、上地幔顶部P波速度结构.重力资料的引入不仅对壳幔结构进行了更合理的约束,而且有效提高了浅层和边缘射线分布稀疏区的成像能力.联合成像结果显示,鄂尔多斯地块和华北平原浅层表现为明显的低速异常,可能与其存在厚的松软沉积层有关;鄂尔多斯东部上地壳存在明显的P波高速异常,推测该高速异常与古元古代孔兹岩带的形成有关.大同火山区15~25 km和25~40 km表现为明显的低速异常,且这两个低速层是连通的,推测与地幔热物质上涌导致的多期次岩浆侵位有关.三河—平谷8.0级地震和邢台7.2级地震震源都位于脆性的上地壳,均下伏低速异常,推测在区域动力环境加载作用下,韧性的壳内蠕变导致脆性上地壳岩石中弹性应变能的局部积累,从而引起地震的发生.

利用地震面波和重力资料联合反演地壳—上地幔三维密度结构的方法探讨

本文探讨了利用地震面波和重力资料联合反演地壳—上地幔三维密度结构的反演问题。首先建立了地震面波和重力资料的观测方程，然后应用广义线性反演理论给出了反演问题的解。模型试验结果表明，与单纯面波反演的结果相比，联合反演的解在分辨率和方差两个方面都有改善，当加入扰动重力数据时。

利用重力和面波联合反演确定四川地区三维岩石圈速度结构

基于不同地球物理数据对地下结构不同的敏感性和数据分布,联合地球物理反演可以减少反演的非唯一性和提高反演模型的可靠性。在研究中,利用噪声成像得到的地震面波相速度,并结合当地的布格重力异常数据对四川地区的岩石圈速度结构进行了联合成像研究。地震面波频散数据主要对地下岩石的横波速度敏感,而重力数据对地下介质的岩石密度有很好的约束性,为了将两种数据归并统一到同一个联合反演系统中,利用了地震波速度和岩石密度之间的经验关系。基于面波和重力联合反演成像算法,得到了四川地区岩石圈的三维横波速度模型。该模型不仅与地表已观测到的地质特征有较好的吻合性,而且能够比较好地拟合面波数据和重力数据,新的模型对于研究四川地区的地震灾害有着重要的参考意义。

基于多台站的接收函数和重力联合反演确定莫霍面起伏和地壳平均波速比

地壳厚度和波速比是研究地壳结构和组分的两个重要参数,可为区域构造研究提供重要约束。接收函数被广泛地用于确定地壳厚度和波速比,例如H-κ方法或H-κ-c方法,但是该方法只能确定台站下方的地壳厚度和速度比,当地震台站分布稀疏时,很难约束台站间的横向不均匀性。另一方面,重力数据也可用于莫霍面的起伏变化研究,它在横向上覆盖很好,有较高的分辨率,但在纵向上分辨率相对较低。为此,本研究提出了一种联合反演算法求解莫霍面深度和地壳波速比参数。联合反演算法综合考虑了接收函数在纵向上的较高分辨率和重力数据在横向上的较高分辨率,同时拟合区域内所有台站上的接收函数和区域重力数据。模型测试表明联合反演算法较单一的接收函数反演更精确,特别是对于地壳厚度的确定。

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构.本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得10.5～105.0s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数.联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构.结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.

用卫星测高和船测重力资料联合反演海洋重力异常

基于多颗卫星最新测高资料联合解算的全球平均海平面和中国近海船测重力异常数据,采用3种方法 (Stokes公式逆运算法、垂线偏差法、最小二乘配置法)分别计算了中国近海及其邻域(0°～40°N,105°～145°E)2′× 2′重力异常,重点对3种方法的优缺点及其计算结果进行了比较和分析。结果表明,在海底地形起伏较为强烈的南 海盆地,与船测重力异常比较,最小二乘配置法(LSC)计算精度较高,达到11.2×10-5ms-2。

天山及其邻区地壳上地幔S波速度结构的接收函数与面波频散联合反演

根据天山及其邻近区域88个宽频带地震台站的接收函数和欧亚大陆的基阶瑞利波群速度图像,联合反演了这些台站下的地壳上地幔一维S波速度结构.在这些速度模型的基础上,利用线性各向同性变差克里金空间插值技术得到了该区域的地壳上地幔三维S波速度模型.通过在垂向不同深度上的切片和横向上剖面投影的方式,显示和分析了天山及其邻区地壳上地幔的剪切波速度特性与构造特性之间的关系.结果表明,天山及其邻区的地壳结构垂向上分为上、中、下3层,每层的界面大致位于20,40和50km,并且这些界面的起伏随不同块体的构造差异而变化.天山地区和塔里木盆地隆起区的上地壳表现为高速特征,而沉积盆地大部分地区和山前坳陷区的上地壳则表现为低速特征.东、西天山之间下地壳存在的近南北向低速带以及上地幔高速盖层在深度上的差异均说明东、西天山在构造活动和形变上有明显的差别,这种差别可能是由于印度板块与欧亚大陆的碰撞对它们产生的不同影响而造成的.

利用面波频散与接收函数联合反演青藏高原东南缘地壳上地幔速度结构

青藏高原东南缘对于青藏高原的隆升、增厚和物质逃逸等问题有着重要的研究价值.本文对研究区内布设的大型流动地震台阵的观测记录进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了地壳厚度、沉积层厚度分布情况以及地壳上地幔高精度S波速度结构.联合反演的结果表明:(1)研究区域内地壳厚度变化很大,从西北往东南方向地壳厚度逐渐变薄;(2)沉积层厚度与研究区内沉积盆地的分布情况较为一致;(3)在研究区中下地壳内由北向南呈条带状分布有两条主要的壳内低速体,其中一条从川西北次级块体向南延伸,穿过丽江断裂到达滇中次级块体下方,另一条低速体沿小江断裂分布,向南延伸到24°N左右,两条低速体在中地壳范围被四川盆地及峨眉山大火成岩省内带下方的高速异常所隔开.

面波频散与接收函数联合反演南北地震带北段壳幔速度结构

通过对南北地震带北段区域所布设的676个流动地震台站观测资料进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了研究区内地壳厚度、沉积层厚度的分布情况以及地壳上地幔高分辨率S波速度结构成像结果.反演结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向外总体逐渐变薄,秦岭造山带地壳厚度较同属青藏高原东北缘的北祁连块体明显减薄;鄂尔多斯盆地及河套盆地分布有非常厚的沉积层,阿拉善块体部分区域也有一定沉积层分布,沉积层与研究区内盆地位置较为一致;松潘—甘孜块体、北祁连造山带等青藏高原东北缘总体表现为S波低速异常;在中下地壳,松潘—甘孜块体下方的低速体比北祁连造山带下方的低速体S波速度值更小、分布深度更浅,更有可能对应于部分熔融的地壳;鄂尔多斯盆地在中下地壳以及上地幔内有着较大范围的高速异常一直延伸到120km以下,而河套盆地地幔只在80km以上部分有着高速异常的分布,此深度可能代表了河套盆地的岩石圈厚度,来自深部地幔的热物质上涌造成了该区域的岩石圈减薄;阿拉善块体在地壳和上地幔都表现出高低速共存的分布特征,暗示阿拉善块体西部岩石圈可能受青藏高原东北缘的挤压作用发生改造.

基于邻域算法的瑞利面波垂直-水平振幅比及频散曲线联合反演及应用

瑞利面波垂直-水平振幅比(或ZH振幅比)是一个随频率变化的函数,对于台站下方浅层地壳结构非常敏感,且具有和频散资料不同的深度敏感核,是传统频散反演方法的一个很好的补充,从而可以将基阶瑞利面波的ZH振幅比和面波频散数据联合起来更好地反演获得观测台站下方的速度结构.本文提出了基于邻域算法的面波频散曲线与ZH振幅比联合反演方法,我们进行了基于理论模型的模拟测试,证明了联合反演是一种更为可靠的反演方法,且能更好地约束浅层地壳结构.相比于频散曲线单独反演,联合反演不仅可以精确反演获得地壳的Vs结构,对分层地壳的Vp/Vs也能很好地约束.然后我们将联合反演算法应用于实际测量数据,获得了中国西南昆明台(KMI)下方更为准确的地壳横波速度结构及Vp/Vs模型.

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波(P波)与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演(Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI)可获得近地表横波(S波)速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.

复小波变换反演重力异常

对国外最新研究位场连续复小波变换理论的一系列文章进行了系统归纳、推导与总结,推出了板状体重力场的小波变换系数解析式。对齐次场源形成的重力场进行柯西小波变换,等效于重力场向上延拓和求导两种运算相结合,并服从小波变换双尺度定律。利用小波变换系数模沿极值轴线的变化特征同时反演重力场源的几何形状、埋深、倾角。独立编写了所有程序,并对不同理论模型进行了大量计算,对所有结果进行了分析与讨论。此法为重力场反演提供了一条新的途径,实用于重磁资料自动化处理、反演与解释。

基于融合重力异常的大别造山带东段莫霍面反演研究

利用实测布格异常和EGM2008重力异常融合结果,采用频率域位场反演方法计算大别造山带东段莫霍面三维空间分布,结合区域地质构造和地震活动等资料讨论大别造山带东段莫霍面分布特征及其构造含义等。研究结果显示:(1)莫霍面空间分布体现了块体构造差异,大别造山带莫霍面最深,最大深度达42km,显示东大别造山带存在明显山根,扬子地块深度次之,华北地块最浅;郯庐断裂带及其东侧区域存在莫霍面上隆带;(2)大别造山带北侧和南侧莫霍面陡变带分别位于青山—晓天断裂附近和襄樊—广济断裂以北,体现华北地块和扬子地块向大别造山带之下俯冲的构造特征,指示了深部构造缝合带位置;莫霍面深度特征表明郯庐断裂带区域构造边界带属性明显,其切割深度至少达到壳幔边界,大别造山带商城—麻城断裂两侧经历了差异隆升;(3)研究区域绝大多数地震发生在莫霍面以上深度,莫霍面深度陡变带、上隆带及不同莫霍面深度特征区的转换带为区域地震活动提供了深部构造条件。

利用接收函数、面波频散和ZH振幅比联合反演青藏高原东南缘地壳结构及其动力学意义

本文利用布设在青藏高原东南缘350个宽频带流动地震台站2011年至2014年记录到的远震体波和面波数据来更好地约束研究区地壳S波速度结构.我们采用分步线性迭代反演算法对远震P波接收函数、瑞雷面波相速度和ZH振幅比进行联合反演获得了研究区高分辨率三维S波速度结构.得到如下结果:(1)在中下地壳主要存在两个低速体,一个从川西北次级块体向西南方向延伸穿过红河断裂进入滇缅泰块体;另一个沿着小江断裂和普渡河断裂分布,向南延伸到24°N左右.且这两个低速体与主要断裂有很好的关联性.(2)两个中地壳通道流是由于滇中次级块体中部(峨眉山大火成岩省内带)的高速异常体对来自青藏高原中部东南方向的中下地壳弱物质流的阻挡而形成,并且我们推测东南侧的地壳流很可能是西北侧的主地壳流沿着安宁河断裂流入.绝大多数地震分布于低速通道流的边界区域,说明低速通道流的存在有助于断裂发生剪切运动而诱发地震.(3)基于以上结果,我们认为除了中下地壳流模型,沿着主要走滑断裂的刚性块体的挤压滑动对于青藏高原东南缘的地壳形变和动力学演化也起着非常重要的作用.(4)在峨眉山大火成岩省内带下方10 km到Moho面总体呈现高速异常,推测可能是二叠纪峨眉山大火成岩省形成时期火山作用和基性超基性岩浆侵入地壳所致.

基于深度学习的重力异常与重力梯度异常联合反演

高效高精度的反演算法在重力大数据时代背景下显得尤为重要,受深度学习卓越的非线性映射能力的启发,本文提出了一种基于深度学习的重力异常及重力梯度异常的联合反演方法.文中首先提出了一种基于网格点几何格架的重力异常及重力梯度异常的空间域快速正演算法,这为本文深度学习反演算法的实现奠定了基础;其次对大量的不同密度模型进行正演计算获得样本数据集;然后设计了一种端到端的深度学习网络结构(GraInvNet),再利用样本数据对该网络结构进行训练;最后进行反演预测.组合模型试验表明,多维度数据联合反演相比单一分量反演其结果更“聚焦”,且与模型边界高度吻合,并且对于复杂模型的姿态与物性预测具有极为显著的优势,以及对于含噪声数据的反演,其质量也不会降低;Vinton岩丘实测重力数据也验证了文中方法的有效性;从而证明了深度学习在重力数据的高效高精度反演方面具有的巨大潜力.

接收函数、面波与重力联合约束地壳厚度与波速比

提出了一种利用接收函数、面波频散和重力数据联合约束地壳厚度、vP/vS和平均P波速度的改进方法,并基于两种地壳模型对改进后的方法进行了验证。结果显示,改进后的方法不仅可以提高地壳厚度和波速比的估计精度,还能更准确地估计地壳平均P波速度。在此基础上,将该方法应用于华南地区两个固定台站的地壳结构分析,相关结果也证实了该方法在确定地壳结构中的可行性。

接收函数和面波频散联合反演广西北流M_(S)5.2级地震震源区地壳速度结构

华南陆块属于比较稳定的陆块,地震活动不论是强度还是频度都比西部和华北地区弱很多,2019年在广西北流与广东化州交界处发生的M_(S)5.2中强地震为探讨华南板内中强地震成因提供了理想场所。本文计算了北流地震震源区布设的7个宽频带流动地震台站、120个短周期流动台站和4个固定台站的远震P波接收函数,结合前人在该区域的面波频散曲线,采用线性阻尼最小二乘反演算法联合反演了研究区地壳三维S波速度结构。得到如下结果:①研究区S波速度具有明显横向不均匀性,上下地壳速度在断裂附近存在明显差异性,新丰断裂南侧及东侧上地壳整体S波速度较高;②石窝断裂附近存在一条NW向连续性较好的低速带,震中区位置10 km深处存在明显局部高速异常,并随着深度减小异常逐渐增加,在浅处其与焦林断裂和新丰断裂附近的高速异常汇聚成一条NNE向连续异常带;③结合研究区地质调查结果和余震分布,震中区的局部高速异常可能是NW向石窝断裂南西盘发生右行走滑,并受到新丰断裂高速体的限制和互相作用发生了应力积累,从而引发此次中强地震;④地壳厚度泊松比反演结果显示研究区存在NE向明显地壳增厚(26~30 km),结合华南地区应力场分析,地壳增厚可能与中下地壳局部的NE向挤压作用相关。

地震面波与重力联合成像分析苏拉威西周缘壳幔热-流变学结构

苏拉威西岛位于苏拉威西海、班达海之间,是研究海陆耦合、俯冲后撤等地球动力学问题的重要地区.本文利用这一地区24台宽频带地震台站记录的地震面波和背景噪声数据中提取出的面波频散数据和来自卫星的重力异常数据,开展了地震面波与重力联合层析成像反演,获得了苏拉威西周缘地区深至240 km深度的三维VS速度模型.基于三维波速模型,本文利用热-流变学方法,计算了该区岩石圈底界的热流变学边界层厚度、黏性变化特征,结果表明:(1)苏拉威西岛岩石圈流变边界层东南厚、西北薄,这可能导致新生代苏拉威西岛在陆壳碎块位移与重组过程中,岛东支的东部北向速率最大,岛北支西部北向速率次之;(2)北苏拉威西海沟俯冲后撤板片上覆地壳对应S波波速低值异常区,可能代表了富含流体的软弱板片,推测苏拉威西俯冲带是一个慢速俯冲带,且后撤过程不连续.

基于遗传算法的地震面波和大地电磁数据一维联合反演算法研究

利用快速标量传递算法进行了一维层状模型的地震面波频散曲线正演计算,得到了基阶频散曲线;利用传统方法对一维层状模型进行了大地电磁正演计算,得到大地电磁的视电阻率曲线数据和相位数据。利用遗传算法对合成数据分别进行了单独反演和联合反演,得到拟合差分布图来分析两种数据的兼容性并研究联合反演的可行性。通过对比单独反演和联合反演的结果,可以看出地震面波频散曲线和大地电磁数据的联合反演结果较之单方法的反演结果要更加精确,收敛速度更快,两种数据的耦合情况较好,同时联合反演能够有效地限制多解性。