中国大陆下扬子及邻区地壳结构基本特征:深地震测深研究综述

系统回顾了20世纪70年代以来在中国大陆下扬子及其邻区开展的深地震测深工程,总结了相关宽角反射/折射地震资料的波组特征及地壳结构的基本特征.下扬子及邻区深地震测深资料普遍具有较清晰的初至震波Pg、上地壳底界面反射波P1、中地壳底界面反射波P3、莫霍界面反射波Pm及上地幔顶部首波Pn,震相连续,易追踪对比.受浅表沉积盖层或基岩等的影响,Pg波常出现局部延迟滞后或走时超前现象.尤其是大别造山带个别炮点的反射能量较弱或同相轴扭曲、波形紊乱等,均与地壳内界面和莫霍面的深度突变或破碎有关.该区域地壳结构大致分为上、中、下3层,但视资料情况中地壳和下地壳又可进一步划分为2个亚层.华北地台和扬子地台地壳厚度30～ 36km,莫霍界面形态变化较缓,存在局部隆起,下地壳平均速度6.7±0.3km/s.但大别造山带下方地壳厚度32～41km,莫霍界面下凹且出现4～7km垂向错断,下地壳平均速度6.8±0.2km/s.

宾川地震信号发射台的震源系统、观测系统和观测结果

概括总结了宾川地震信号发射台及所处区域地球物理观测的基本情况,重点介绍了宾川地震信号发射台观测系统的构成以及气枪震源在水库、井中激发的特性和信号的传播距离。对发射台建成以来所开展的工作、取得的观测实验研究结果以及遇到的问题进行了总结和探讨。结合项目的目标提出了今后一段时间主要应开展的研究工作。

地震的应变张量观测与应用前景

地震发生时的动态应变场,在研究地震触发、地震破裂、地面破坏、水文和岩浆变化等方面都具有重要应用意义.地震的应变张量观测和现有的惯性地震仪观测的物理量不同.前者可以直接记录到地震发生时震源辐射的应变(应力)波,而后者记录到的是位移、速度或加速度.地震频率的应变测量在地震学中的应用前景主要表现在:①测量震源机制解理论预言的辐射4象限分布;②测量库仑应力变化;③换算成动态应力以评估地震烈度;④测量地震波的能量密度;⑤测量地震断层形变加速和形变局部化过程.用惯性地震仪的记录虽然在理论上也可以解算出动态应变值,然而种种原因导致计算结果的误差很大,往往不可接受.应变张量地震仪若能与现有的惯性地震仪配套起来,形成大规模台阵,则有可能推动应变地震学的诞生,在地震观测和地震学科领域引起重大革新.

汶川M_S8.0地震前区域性地电阻率异常初步研究

对汶川MS8.0地震震中周围17个台站的地电阻率观测资料进行了处理.以2007年的地电阻率观测数据为背景值,计算出每一个台站NS和EW两个测向2008年的地电阻率月均值相对变化的绝对值,然后选择较大的值作为当月的相对变化值.最终获得了汶川地震前5个月的地电阻率异常变化图像.结果表明,随着发震时间的临近,地电阻率异常分布的范围逐渐缩小,并最终集中分布在汶川地震震中附近;在临近发震时间(2008年3,4月),地电阻率异常分布的长轴方向与汶川MS8.0地震的破裂方向、龙门山断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直,而与其震源机制解的主压应力轴方向基本一致.

关于地震科学实验场的一些思考——地下云图

由中国地震局和美国国家科学基金委、地质调查局合作建立的地震预报研究实验场为中国早期地震工作的发展起到了良好的推动作用。由于种种客观原因,地震预报实验场的多数预想目标未能达成,发展受到了阻碍。最近几年,实验场重新受到重视,并更名为"地震科学实验场"。结合目前地震学发展的前沿和防震减灾事业的实际需求,本文提出增加"地下云图"作为实验场的新方向。利用高重复性、环境友好、安全性高的气枪震源,持续激发地震信号,实现对地下介质速度变化的连续监测;结合背景噪声成像获得的高分辨率3维地壳结构,构建4维(三维空间+一维时间)地下结构成像。"地下云图"可以反映地下速度和应力变化,为全国范围的地震监测预测提供新的业务手段,推动地震预测从经验预测到物理预测的转换。

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10^(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s^(-1),10μm·s^(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.

基于聚类分析的多尺度相似地震快速识别方法及其在汶川地震东北端余震序列分析中的应用

相似地震是具有相似波形记录的一组地震,往往以地震丛集的方式发生.而重复地震是一种特殊的相似地震,一般具有相近的震源机制解和几乎重合的破裂面积.对相似地震特别是重复地震的研究是我们认识断层的结构和变化的重要手段.本文提出了一种基于相似度距离概念和聚类分析技术的相似地震识别方法,可以利用单个台站对其记录到的地震事件进行快速的相似地震和重复地震识别.我们将此方法应用于汶川地震东北端的余震序列,获得了该地区相似地震的分布图像,并对其中存在的重复地震的发震机制进行了讨论分析.

安徽气枪实验固定台层析成像初步结果

为探索气枪震源在探测区域性地壳结构中的应用,2015年10月10～ 20日在长江马鞍山-安庆段开展了气枪流动激发实验（安徽实验）,在20个固定点激发2973炮,中间流动激发1872炮,由周边109个固定台、700个流动台（包括11条测线）进行接收.为获取郯庐断裂带南端较为精细的地壳速度结构,本文利用安徽气枪实验中采集到的固定台数据进行初至P波震相拾取,对20个气枪源、52个台站、335个震相进行体波层析成像,验证了利用气枪震源激发进行体波层析成像的可行性,并得到了P波速度结构的初步研究结果：①利用大容量气枪震源激发可进行三维体波层析成像;②15km深度的成像结果显示出大区域高、低速异常区的清晰轮廓,即从研究区中心向外整体呈现出低-超低-低-高的分布特征,该特征与地质构造背景相关,具有显著的横向不均匀性;③秦岭-大别造山带显示出高速异常,与其深部超高压变质岩相对应,而长江中下游地区整体呈现低速异常,与其特殊的成矿背景相对应.

模板匹配滤波技术在地震数据处理中的应用

模板匹配滤波技术(Matched Filter Technique,MFT)是一种近几年发展迅速的可用于检测遗漏信号的算法,在图像识别、行星探测等众多领域均有广泛应用。在地震学中,该技术通过扫描连续波形找出模板事件附近发生的、与模板事件相关性较好的遗漏地震事件,可用于完善地震目录,实现对地震活动性以及区域应力状态的更好刻画。本文综述了模板匹配滤波技术在地震数据处理中的应用,首先概述基本原理,其次介绍该方法用于探测各类地震事件的实例,包括前震和余震、远程动态触发地震、诱发地震和非火山震颤等,最后展望了用于提高算法效率及探测精度的一些改进方法。

2014年鲁甸M_S6.5地震前后地震活动性

2014年8月3日在云南省鲁甸县发生M_s6.5地震,造成了巨大的人员伤亡和财产损失.关于鲁甸地震的起因,特别是鲁甸地震与溪洛渡水库之间的关系存在一些争议.分析中强地震前后地震活动性的变化可以为判断主震起源提供一定的依据.然而,由于鲁甸地震震中附近固定台站数目少、台站距离震中远及主震后尾波干扰等因素的影响,会造成地震目录的缺失,从而可能影响地震活动性的可靠分析.为了获得更加完备的地震目录,本文采用模板匹配方法对鲁甸地震前后小地震进行了搜索和识别.以台网目录中的541个事件作为模板,在主震之前33天到主震后5天的连续波形中识别出991个未在目录中列出的地震,使余震的完备震级从1.8降低到1.3.根据检测目录得到主震前33天内的&值为1.04±0.18,余震的b值在震后5天内由0.5左右逐渐上升至0.9附近并保持稳定;根据2009年到主震发生前的台网目录得到该区域的背景b值为0.93±0.04.即鲁甸地震前后区域地震活动b值均与背景b值接近,这与典型水库诱发的中强震具有的b值特征不相符.同时通过进一步分析台网目录,未发现溪洛渡水库蓄水前后研究区域内的地震活动性存在明显变化,这也与典型水库诱发地震区域的地震活动性特征不相符.综合以上结果,我们认为2014年鲁甸M_s6.5地震不具有典型水库诱发地震的特征.

利用人工重复震源进行地下介质结构及其变化研究的探索和进展

在自然和人类活动的作用下,地球内部的介质会产生变化。通过分析来自重复地震、背景噪音和重复性人工震源等的地震波,进而研究地球介质的变化,是近年来地震学研究的一个热点方向。这些研究为人类认识地震、火山等灾害的物理过程提供了重要的手段。本文介绍了过去10余年中我们在利用人工震源(尤其是大容量气枪震源)探究地下介质结构及其变化方面的研究进展,以期为今后类似的研究提供参考。本文首先介绍了在不同类型震源的性能、数据处理方法等方面的研究进展和主要认识,最后也给出了关于下一步人工震源研究方向的一些思考。

水库气枪震源不同组合激发效率的对比研究

为研究气枪的激发特性,并为气枪发射台的堪选、建设提供参考依据,在宾川地震信号发射台进行了不同气枪组合的激发试验,并对试验数据进行了分析。结果表明:(1)单支气枪激发100多次的叠加信号可以被在150 km外的地震台记录到;(2)单支气枪激发与4支气枪同时激发的信号频率基本相同,且衰减基本一致,但4支气枪同时激发信号的均方根振幅约为单支气枪的4倍;(3)当气枪组合激发的信号的信噪比达到10 d B时,相关系数可以达到0.99以上;(4)4支气枪同时激发的激发效率是单支气枪的4倍。从分析结果可看出,宾川地震信号发射台在牺牲一定效率的情况下,单支气枪激发信号可以替代4支气枪组合的激发信号。

不同激发环境下井中气枪震源特征研究

基于单枪容量为250 in^3的BHS-2200LL井中气枪,在内径0.2、5.0m不同激发井中开展了气枪震源特征对比分析,研究表明:15.0m井中气枪激发产生的信号优势频率集中在10~40Hz,比在0.2m井中的低,这主要是由于较大水体利于气泡的振荡;2在能量方面,5.0m井中激发信号的能量强于0.2m井中的,相差1个数量级,单次激发的传播距离可达9km;32种激发环境下产生的气枪信号都具有较好的重复性。

气枪震源资料反褶积方法及处理流程研究

不同工作条件下气枪震源产生的信号会存在细微差异,反褶积方法能在一定程度上消除由震源变化引起的记录信号变化。为了去除气枪震源子波信号,获取气枪源到台站之间的格林函数,通常需要选取一种恰当的方法对地震波形数据进行反褶积处理。频率域水准反褶积和时间域迭代反褶积是在接收函数等领域已被广泛使用的2种反褶积方法。本文以云南宾川主动源资料为例,对比了利用这2种方法处理气枪震源信号的效果,结果表明,在计算效率方面,频率域水准反褶积方法更具优势;在处理结果的信噪比方面,时间域迭代反褶积方法表现更好,P波初至也更清晰。此外,进一步讨论了在多炮资料的处理过程中反褶积和叠加等操作的顺序问题,最后提出了从气枪震源资料中提取气枪源到台站之间的格林函数的一般流程。

玉溪盆地内普渡河断裂的电阻率层析成像探测

玉溪盆地是云南地区地震活动频度高、强度大的高潜在危险区之一。为了建立直接服务于该区域防震减灾的"标准"结构模型,利用电阻率层析成像技术探测了玉溪盆地盆山过渡带的电性结构以及隐伏并穿过玉溪盆地西缘的普渡河断裂。在数据采集中,作为地震浅层反射勘探的重要补充,共布设了6条电阻率层析成像测线来控制该断裂。使用的观测装置为Wennerα,电极间距为6m,最大隔离系数为30～75,每个排列的电极数目为112～288个。探测结果表明,玉溪盆地内的普渡河断裂分为NNE走向的东西两支;断裂带的宽度由南向北先从温泉镇到黑村附近逐渐变宽,经莲池小学、梅园村到玉昆钢厂附近后逐渐变窄;断裂的上盘为低阻破碎带,下盘为较均匀的高阻结构。东支(F1-2)的视倾向在梅园村及以北为SE/S,在莲池小学及以南为NW,视倾角为56°～73°;西支(F1-1)的视倾向为SE/E/S,视倾角为38°～66°。地震勘探结果认为普渡河断裂的东西两支的倾向在整个玉溪盆地内均为SE/E,视倾角为75°～80°,这与我们的结果略有差异。

熊家冢古墓电阻率层析成像探测

为了合理地设计熊家冢古墓的后续考古发掘工作,需要对其主冢和陪冢的位置和墓室埋深等进行地球物理探测。电阻率层析成像具有无损性的优点,利用该技术对熊家冢古墓的主冢和陪冢进行了试验性探测。在探测中,分别布设了展布南北和东西的2条测线来控制主冢和陪冢。根据反演后的电阻率图像,估算了主冢和陪冢的位置和尺寸,为古墓的后续考古挖掘工作设计提供了基本参数。

利用模板匹配技术检测米尺度岩石断层黏滑实验中的声发射事件

声发射观测是岩石摩擦实验中研究强震孕育机制的重要观测手段之一.传统的声发射观测以触发记录为主,难以捕捉并提取微弱的声发射信号.近年来天然地震学中发展的模板匹配技术可以在连续波形记录中识别出微弱的事件,大大提升事件检测能力.本文发展了适用于多通道连续记录的声发射信号的模板匹配技术,并将该技术应用于分析米尺度岩石断层黏滑失稳过程.研究结果显示:模板匹配技术识别出的声发射数量约为传统方法识别的5倍,相对完备震级降低约0.3.临近失稳,检测目录完备震级以上声发射率表现出幂律增加的特征,且声发射事件聚集在失稳破裂起始点附近.失稳后,检测目录完备震级以上声发射率表现出幂律衰减,其中失稳后早期表现出较慢的衰减速度.另外,失稳后早期声发射事件表现出随对数时间沿断层迁移的趋势.最后,通过与天然地震学观测的结果对比表明,声发射模板匹配识别技术是研究大尺度岩石摩擦滑动失稳过程中前震和余震时空演化规律的有效手段,该技术助于在方法上为室内实验和野外观测进行融合研究提供思路.

大容量气枪主动源波形资料处理(一)：云南宾川

宾川气枪地震信号发射台以水库大容量非调制气枪阵列为震源,可以连续不断地激发重复性极高的地震信号。本文利用其2013年的数据,对地下介质进行了观测。由于水库水位的变化对震源波形及远处台站接收到的地震波形会产生影响,因此,为了区分介质变化与震源变化,研究了陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波形的特征和合适的处理流程。结果表明:1水库水位变化较大时,同一台站记录的地震波形之间的互相关系数过小,不能直接进行叠加处理,需进行震源聚类分析,而震源聚类受水位变化量的控制;2为消除水位的影响,进行了反褶积处理,当震中距小于10km时,对不同水位激发的信号进行叠加再进行反褶积的效果优于直接进行叠加的效果;3通过互相关计算和信噪比分析发现,4个台站的波形变化可能是由地下介质变化引起的。

S变换在地震资料处理中的应用及展望

S变换是近年来发展起来的一种具有高时频分辨率的信号处理方法,它的时频分辨率与信号的频率有关,反变换简单,基本小波不必满足容许性条件,并且不存在交叉项.广义S变换弥补了S变换的一些不足,具有更高的频率聚集能力.本文总结了实际应用中具有代表性的几种广义S变换类型,并结合实例从4方面内容综述了S变换在地震资料处理中的应用:应用S变换和广义S变换在时频域滤波去噪以提高信噪比,压制面波和拾取初至波;通过检测频率和振幅等地震波属性信息研究地层中地质体和精细构造,提高地震波的主频进行地震高分辨分析;进行地层吸收衰减补偿和地层品质因子Q值的求取;以及瑞利面波频散分析和面波频散曲线的提取.本文介绍的结果及其他很多应用均表明S变换和广义S变换是地震资料处理中的一个有效手段.但是,目前S变换多应用于勘探地震学中,我们在文章最后分析展望了S变换在天然地震学中的潜在应用.

基于云计算的九分量噪声互相关函数计算及其在China Array密集台阵数据的应用

提出一种基于云计算的九分量噪声互相关函数的计算方法,可以利用弹性的云计算服务,实现海量噪声互相关函数计算的分解和加速。本文将此技术应用于"中国地震科学台阵探测——南北地震带北段"674个宽频带台站2014~2015年的三分量连续记录,获取了所有台站间的九分量噪声互相关函数。总体计算共完成了约22万条台站对路径上近14.9亿条单天互相关函数的计算,整体平均耗时约为10.2h,完成等量计算,传统计算模式需要耗时近6个月,基于云计算的NCF计算技术实现了近400倍的加速,并可以弹性地扩充。分析了所得九分量噪声互相关函数中瑞利面波的ZH振幅比,并与天然地震中瑞利面波的振幅比进行了比较,验证了计算结果的可靠性。基于云计算的噪声互相关函数计算方法,为利用现代计算技术处理海量数据提供了重要参考。