基于照明分析和偏移成像实验的主动震源探测系统设计——以朱溪矿区为例

为了探讨利用绿色环保的非炸药主动震源技术勘查我国西部、南部复杂山地深部矿产资源的可行性,并提出可行的探测方案,以景德镇朱溪矿区为例开展了基于照明分析和叠前深度域偏移成像实验的主动源地震探测系统设计研究。在现场踏勘和充分收集地质、钻探成果的基础上,根据矿区42号线钻孔联合剖面和相应的岩石物性测量成果建立了地球物理模型。由于后续地震数据采集工作主要利用单分量纵波检波器开展,在地震波的数值模拟方面选用了粘声波方程;工区崎岖地表所带来的不规则自由表面问题则通过Acoustic-Elastic boundary Approach(AEA)方案解决。进行了震源-检波器组双向照明分析,以及高信噪比(20db)和低信噪比(6db)两种情况下的地震波叠前深度域逆时偏移成像实验。研究结果表明,通过合理布设较为密集的主动震源激发-接收系统,采用环境友好的非炸药主动震源技术可以查明目标区地下主要地层,和断层、逆掩推覆体等主要控矿构造的空间展布。后续实际的地震数据采集工作在本次研究的基础上开展,取得的朱溪矿区第一手非炸药震源绿色勘查成像剖面证明了本次研究所提出的探测方案是可行的和有效的。通过不断完善技术体系,非炸药主动震源技术有望为我国深部矿产资源勘探、隐伏断裂勘查、城市地下空间探测等研究领域提供一种环保、高效的技术手段。本次研究所采用的基于照明分析和偏移成像实验的复杂山地主动震源探测系统设计、论证方法值得进一步研究和推广。

基于密集流动地震台阵的青藏高原东北缘及邻区Rayleigh波相速度层析成像

本文利用喜马拉雅二期台阵674个流动地震台一年的远震垂直向观测资料,获取了18491条独立路径上的Rayleigh波相速度频散曲线,并反演得到了周期10~80 s的Rayleigh波的相速度分布图.通过对比,本文与已有成像结果具有较一致的高低速分布特征,表明了本文结果的可靠性.结果显示,研究区的相速度分布存在明显的横向非均匀性.短周期(如10~15 s)的相速度分布与地表地形密切相关,中等周期(如20~40 s)的相速度分布受地壳厚度的影响较大.在长周期(如60~80 s),鄂尔多斯块体的高速比阿拉善块体更显著、完整,表明同属于华北板块的阿拉善地块,其上地幔结构并没有鄂尔多斯稳定.从短周期至长周期,与周缘地块相比,青藏高原始终表现出较明显的低速异常,可能暗示其具有较活跃的地壳上地幔结构.松潘一甘孜和北祁连块体的中上地壳均存在低速层.全球参考模型Crust1.0和Lithos1.0均不能很好地解释我们的观测频散,基于本文获得的相速度结果可在很大程度上对Crust1.0和Lithos1.0模型进行补充和完善.

流动地震观测背景噪声的台基响应

大规模流动地震台阵技术发展为高分辨率深部结构成像提供了重要基础,背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素.为掌握流动地震观测噪声规律,发展流动地震观测降噪技术,编制流动地震观测技术规范,我们开展了针对不同台基流动地震观测背景噪声的观测实验与分析.其中,山西省临汾市五个地点架设了共22个对比观测台站,进行了超过一年半的连续观测.通过计算不同频段范围内背景噪声记录的加速度功率谱密度,研究了不同场地条件和环境噪声下流动地震观测台站的噪声特征及其台基响应,分析了不同台基处理方式对噪声的抑制效果.结果表明:(1)高频人为噪声和长周期自然噪声是影响流动地震观测质量的主要噪声,可以通过增加台基深度和改善台基处理方式等方法降低其影响;(2)增加台基深度能有效地降低长周期噪声和高频噪声,2m深坑能使高人为噪声台站各分量的高频频段和长周期频段分别降低5dB和10dB;(3)由于其不稳定性,沙子台基的水平分量在长周期频段一般要高于摆墩台基5dB,流动地震观测中推荐使用摆墩台基;(4)台站位置、台站内部温度和空气流动都是影响台站噪声的重要因素.在此基础上提出了不同场地条件和噪声环境下的台基处理建议和适合国情的移动地震台阵台站建设参考方案,有助于流动地震观测野外工作的标准化和规范化.

南北地震带北段的远震P波层析成像研究

本文利用"中国地震科学台阵"探测项目在南北地震带北段布设的678个流动地震台站在2013年10月至2015年4月期间记录到的远震波形数据,经过波形互相关拾取到473个远震事件共130309条P波走时残差数据,通过远震层析成像研究获得了该区(30°N-44°N,96°E-110°E)下方0.5°×0.5°的P波速度扰动图像.结果显示,研究区下方P波速度结构显示强烈的不均一性和显著的分区、分块特征.岩石圈速度结构具有显著的东西差异:祁连、西秦岭和松潘甘孜地块组成的青藏东北缘地区显示明显的低速异常,而属于克拉通性质的鄂尔多斯地块和四川盆地则显示高速异常,表明东部克拉通块体对青藏高原物质的东向挤出起到了强烈的阻挡作用.阿拉善地块显示出弱高速和局部弱低速的异常并存的特征.阿拉善地块西部显示低速异常,而东部与鄂尔多斯相邻的地区显示高速异常,可能表明该地区的岩石圈的变形主要受到青藏高原东北缘的挤压作用.在鄂尔多斯和四川盆地之间的秦岭下方100~250 km深度上表现为明显的低速异常,表明该处可能存在软流圈物质的运移通道.鄂尔多斯北部的河套裂陷盆地下方在100~500 km深度内低速异常表现明显,说明该区有深部热物质上涌且至少来源于地幔过渡带.青藏东北缘上地幔显示低速异常且地幔过渡带中出现明显的高速异常,这种结构模式暗示了在青藏高原东北缘可能发生了岩石圈拆沉作用,而高速异常体可能是拆沉的岩石圈地幔.

南北地震带南段远震P波走时层析成像研究

南北地震带南段位于青藏高原东南缘,是青藏高原与扬子克拉通的过渡地带.本文收集了该区域内90个固定台站和356个流动台站的远震波形数据,采用波形互相关方法拾取了88691个P波走时残差数据,应用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像方法获取了南北地震带南段深部的三维P波速度结构.结果显示了研究区深部的结构具有显著的不均匀性:腾冲火山地区深部400km以浅的深度内分布着明显的低速异常;四川盆地西南部下方300km内具有较强的高速异常;在上地幔顶部,沿川滇菱形块体周边的大型断裂带及川滇菱形块体南端分布着显著的低速异常,这些低速异常为青藏高原物质向东南方向挤出提供了必要的通道;保山地块下方存在一东倾的高速异常带,该高速异常带为印度板块岩石圈向东俯冲的体现.

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。

以形变观测为约束的芦山M_S7.0地震孕震机理数值模拟研究

本文以2013年4月20日芦山MS7.0地震前后在震中附近开展的形变观测研究结果为约束,利用震区天然地震成像、大地电磁测深、人工地震探测剖面、余震精确定位、震源破裂过程、地质考察、GPS观测、构造应力场等结果,建立了芦山地震震中及邻近地区的深浅部构造二维有限元数值模型,探讨了青藏高原向东挤出运动、区域地形特征、地壳内低速带和滑脱面、震区主要断裂带活动等可能因素对芦山地震孕育和破裂的控制作用.模拟结果显示,汶川地震后的青藏高原东部物质相对四川盆地运动速率增大是引发或加快芦山地震发生的主要动力学控制因素,龙门山断裂带西侧上中地壳内部低速带和滑脱面的存在是控制芦山地震震源位置的重要条件,其他因素则是控制龙门山断裂带长时间尺度区域构造活动的动力学因素;同时本文给出了主震破裂为复杂"y"型双破裂面的同震位移,模拟计算的地表垂直位移与观测结果一致,进一步支持了余震精确定位提出的主震为"y"型破裂面的推测.

云南宾川地震信号发射台的流动观测数据服务系统及数据质量评估

对2011年以来云南宾川地震信号发射台的实验数据进行规范化处理,整理原始Reftek数据库,构建为统一的G1数据库(Mini SEED格式),并提供SAC等数据格式的截取服务。对台站分布及数据连续性、各台站仪器类型及经纬度位置变更情况、气枪激发时刻与集中加密实验、台站背景噪声水平等进行数据质量评估,并对宾川附近天然地震分布进行了统计分析。结果表明:G1数据库是对历史数据的检验,格式与信息均可达到统一,也可作为新疆、甘肃等地主动源数据整理的模板。

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.

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.

利用井间地震层析成像方法探测隐伏断层

针对目前隐伏断层探测中存在的技术难题,提出了在地面反射地震勘探初步确定的断点附近,用井间地震层析成像方法探测隐伏断层及其上断点的埋深。首先介绍井间地震技术的应用现状和井间地震层析成像的基本原理,并结合实例讨论了井间初至走时层析成像的野外数据采集和室内资料处理方法。芦花台隐伏断层的井间地震层析成像结果表明,采用弯曲射线追踪方法反演得到的跨芦花台隐伏断层的井间纵波速度结构图像与钻孔联合剖面揭示的断层特征相吻合。

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.

利用地震光照成像法研究青藏高原东南缘岩石圈间断面结构及其动力学意义

为了进一步认识青藏高原东南缘的构造演化等动力学问题以及该区域的深部孕震机理,本文使用位于该区域内的中国地震科学台阵探测项目的台站所记录到的远震P波波形数据,采用地震光照成像法获取了岩石圈间断面的结构,并讨论了该方法的准确性和稳定性。研究结果显示,青藏高原东南缘的岩石圈西薄东厚,其中:滇缅泰地块腾冲火山附近最薄,约为60 km,其较薄的岩石圈可能是软流圈地幔物质上涌造成的;扬子地块岩石圈厚度从四川盆地向南逐渐减薄,特别是四川盆地下方最厚,可达190 km左右;滇缅泰地块腾冲火山下方150 km深度左右探测到明显的间断面,该间断面可能是腾冲火山原始岩浆源的位置即岩浆源。本研究所得结果“印支地块与滇缅泰地块结构的连续性”进一步为印度板块的推挤作用造成腾冲火山低速物质向东溢出的结论提供了地震学证据。此外,研究区域最北端的剖面显示,峨眉山大火成岩省的内带在50—250 km深度范围及其上方地壳内存在明显的局部高速异常,其不均匀分布特征可能与二叠纪火山喷发过程中岩浆底侵及中新生代以来多期次构造活动有关。

单轴压缩条件下房山花岗岩超声波速度成像实验研究

在实验室对房山花岗岩进行单轴压缩加载,通过布设在岩石四周的26个超声波探头,在不同变形阶段,观测了岩石的超声波速度,反演了P波速度结构。速度成像结果显示,在压实和线弹性变形阶段,P波速度逐步全局升高。最终失稳破裂前,高速区域范围逐渐收缩,同时,形成条带低速带,最终失稳破裂发生在低速带上。

地层衰减定量模拟的地震物理模拟方法

Q值是描述地层衰减特征的重要地震物理参数,研究Q值对提高地震资料分辨率,提高地震成像精度具有重要意义.本文从地震物理模拟中模型材料的动力学特征出发,提出了一种地层衰减定量模拟的地震物理模拟方法.通过铝样验证了衍射校正方法的准确性,利用有机玻璃实验分析了不同测量方法求取Q值的测量精度问题,从而优选测量方法;然后基于复合材料的实验数据,建立复合材料配比与各物理参数之间的函数关系,利用该函数关系指导地层衰减定量模拟.结合单层地震物理模型和近地表地震物理模型,研究了模拟地震记录及其频谱特征与野外实际情况之间的相似性,基于建立的函数关系研究分析了地层衰减定量模拟的准确性.实验结果表明,基于地震衰减定量模拟方法构建近地表地震物理模型时,模型中模拟参数不仅与设计参数保持很好的一致性,同时具有很高的准确性,模拟地层的频谱衰减特征与野外地层保持一致.

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。

长宁—昭通页岩气示范区小微地震地方性震级测定

利用长宁—昭通页岩气示范区高密度宽频带流动地震台阵观测资料,基于LOCFLOW流程,获得了2021年4—10月的108727个震级介于-0.1~5.2之间的地震事件精定位目录.鉴于LOCFLOW内置算法测量的震级与中国地震台网中心发布震级之间存在系统偏差,根据里克特震级的定义,分别基于参考震级校正和考虑台基校正的量规函数参数拟合反演两种方法,建立了适用于研究区的地方性震级公式.反演获得的量规函数能够更加准确地反映四川盆地南部研究区小微地震的振幅衰减特征,并获得研究区小微地震更加准确的地方性震级,可应用于页岩气开发区震级-频度关系等与震级相关的研究.

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了＂中国地震科学探测台阵-南北地震带南段＂项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期（如10s）的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期（如20~30s）的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘—甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期（如40~60s）的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动（如岩浆作用）有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60s一直为较低的速度,尤其是到40s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部（约100km）.

青藏高原东南缘地壳结构及云南鲁甸、景谷地震深部孕震环境

通过联合解释青藏高原东南缘地区Rayleigh波群速度频散和固定地震台站的远震接收函数,构建了青藏东南缘3维地壳剪切波速度模型.结果表明研究区地壳结构具有强烈的横向不均一性.该区地壳厚度变化强烈（30～ 65km）,其总体趋势是东南浅、西北深.研究显示该区存在2个明显的壳内低速异常带,其中中地壳（15～ 20km）低速带主要分布在腾冲、川滇菱形块体内部;而25～40km深度范围的中、下地壳低速带主要出现在研究区的北部,而在四川盆地和研究区南部则普遍缺失.鲁甸地震所在地震带的上地壳表现为高速异常,中、下地壳范围内存在2个显著的壳内低速带.鲁甸地震主震及其多数余震分布在高速的上地壳之中.与之不同,景谷地震序列及其所在思茅-普洱地震带下方没有显著的壳内低速带的出现,但其上地壳则表现为S波低速异常,该上地壳低速异常可能与地壳强烈破碎及断层/微裂隙中的流体有关.

近场全波形反演:芦山7.0级地震及余震矩张量解

2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合于四川盆地和龙门山断裂东南地区、西南山区、西北山区速度模型,利用TDMT_INVC方法计算矩张量,获得了芦山主震及其16个余震的高质量矩张量解;根据P轴、B轴和T轴的倾角对主震及余震的断层类型进行了分类,结果表明:芦山地震的震级为Mw6.46(矩震级),地震矩为0.61×1019 Nm,震源深度为13km,震源机制类型为逆断层.芦山余震类型简单,主要为逆冲型;芦山地震序列震中分布于龙门山断裂带西南端的彭县—灌县断裂上,本研究获得的主震和余震的震源机制主要为逆冲型,这表明了龙门山断裂西南端主要为逆冲特征.芦山地震震源性质与汶川地震相近,发震间隔时间短,且均发生于同一构造单元内,表明了该地震与汶川地震可能有密切关系.