第十四讲地震波层析成像
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这两种方法主要是利用了地震波传播时，影响地震波传播的不 是简单的射线，而是形状与香蕉类似（即具有一定直径的弯曲 传播路径）的区域，而震源和记录台站是该香蕉的两个端点。 这两种方法优点是在依据地震波传播理论的基础上，考虑到了 地震波频率与模型介质尺度间的影响，同时也用到震相走时信 息。
finite frequency kernels for travel time perturbations
Input
Radon Projected
Recovered (output)
Back projection of the function is a way to solve f() from p()
(“Inversion”): f ( x , y ) p ( x c y s o ) ) d i , s n 0 精品PPT
▪ Remove instrument response, de-mean, detrend, bandpass filter, time-domain normalization, spectral whitening
▪ Cross-correlation: 1 day at a time. ▪ Stack over many days. ▪ Waveform selection (SNR) for tomography
在数学方法上出现了本质上与奥地利数学家1917年提出的Rndon逆变换方 法相同的褶积投影方法，Chapman首先从理论上证明了地震学中的τ-P 变换即是Radon 变换(Chapman , 1981)。
地震波层析成像首先由Aki等提出，并给出了小尺度（Aki and Lee, 1976） 和区域尺度（Aki et al., 1977）远震体波层析成像（Teleseismic body-wave tomography）。 Dziewonski等在1977年给出了全球尺度的体波层析成像成果（Dziewonski et al., 1977）。
Radon transform p ( s , ) f ( x , y ) ( x c y s o s ) d is n x
where p is the radon transform of f(x, y), and is a Dirac Delta Function (an infinite spike
A few of the early medical tomo setups
Parallel beam
Fan beam,
Multi-receiver, Moves in big steps
Broader fan beam, Coupled, moving source receivers, fast moving
精品PPT
PREM模型给出了地球的一维结构，而地球内部三维结构需要更精细的刻画。 地震层析成像方法是给出地球内部三维结构的最重要的方法。 某种意义上说，地震是照亮地球内部的明灯。 地震层析成像方法可以(kěyǐ)给出：
全球地球结构的横向不均匀性； 典型地球动力学过程的三维结构：俯冲带、地幔柱、大洋中脊等； 小尺度的构造（断层等）； 地震分布特征。
•
－－外核与内核分界面的发现者
精品PPT
地球(dìqiú)一维结构是远远不够的！
Plate tectonics
Topography
精品PPT
mantle convection
Travel time table from ak135 model
Travel time picks
精品PPT
Shearer, 2009
Measurements are repeatable: rigorous uncertainty estimates.
精品PPT
精品PPT
R. Weaver,Science, 2005
Station 109C Station Y12C 16.3 Month Stack
time (s)
Processing Steps:
Montagner and Kennett (1996).
另外 还有： MC35， STW105， TNA/SNA模型等
精品PPT
•
• 莫霍诺维齐（前南斯拉夫）——莫霍面（壳幔边界）
•
－－地壳与地幔分界面的发现者
• 古登堡（美国(měi ɡuó)）——核幔边界
•
－－地幔与地核分界面的发现者
• 莱曼（丹麦，女）—— （内外核边界）
体波层析成像：主流，对于远震距离，其可沿着多种穿过地球核%幔等路径传播 面波层析成像：仅能对上地幔及其以上部分提供约束，适合于台站稀疏和缺乏地震的区域，
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按成像的范围来分主要有三种：
全球层析成像，区域(qūyù)层析成像和局部层 析成像。
全球(quánqiú) 层析成像 区域层析成像
局部层析成像
3-D variations of Earth’s Structure from Seismic Tomography
Seismic waves in the Earth
Traveltime/waveform
3-D wave speeds
Inverse problem
Researchers at MIT and Harvard, led by Keiti Aki and Adam Dziewonski in late 1970’s and 1980’s, pioneered the technique of seismic tomography.
Cunningham & Jurdy, 2000
Broader fan beam, Moving source, fixed receivers, fast moving
(1976)
Different “generations” of X-Ray Computed Tomography (angled beams are used to increase resolution). Moral: good coverage & cross-crossing
Ambient noise is enriched at short periods. Better constraints on crustal and uppermost mantle structure than information from earthquakes.
Particularly useful in aseismic areas; e.g., continental interiors. For temporary deployments -- do not have to wait for earthquakes to occur.
at 0 with an integral area of 1)
p is also called sinogram, and it is a sine wave when f(x, y) is a point value.
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Shepp-Logan Phantomห้องสมุดไป่ตู้
(human cerebral)
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1939:
Jeffreys & Bullen
First travel-time tables：Jeffreys-
Bullen Seismological Tables
→ 1D Earth model
Jeffreys-Bullen
1-D Earth Model
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地球(dìqiú)内部结 构
1. PREM参考地球模型： Preliminary Reference Earth Model
(Dziewonski & Anderson, 1981)
PREM一维全球速度(sùdù)模 型
2. IASP91速度模型 (Kennett and Engdahl, 1991)
3. AK135 速度模型 Kennett et al. (1995)；
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4. 噪音(zàoyīn)层析成像（Ambient seismic noise tomography, Shapiro et al., 2005; Sabra et al., 2005; Pollitz and Flecher, 2005）
对地震波的传统认识认为，震发生后所记录的有效地震事件波形为有效信号。除此 外，其余部分被称为噪音。这样，形成噪音的声源广泛地分布在地球表面的每个角 落(jiǎoluò)，如海浪、风暴和公路上的车流等，统被称为随机分布的波场( Yang and Ritzwoller, 2008) 在一个特定环境中，只要是记录这些随机分布的波场足够长，这些噪音也是有规律 的，就可以很好地认识区域噪音规律，对区域进行结构成像，跟面波成像方法相似。
Tomo— Greek for “tomos” (body), graphy --- study or subject Where it all began: Radon transform: (Johan Radon, 1917): integral of function over a straight line segment.
第六章 地震(dìzhèn)层析成像
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From IRIS
Seismic waves
• Seismic wave is currently the only effective tool that can penetrate the entire earth Structural information of the Earth
18
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19
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地震波层析成像的发展(fāzhǎn)历史
20 世纪60 年代初期，美国科学家Cormack 从数学和实验结果证实了根据X射线的投影可 以唯一地确定人体内部结构,从而(cóng ér)奠定了医学诊断上图像重建的理论基础,即X 射 线CT(X Ray Computer Tomography)。
全球间断面，全球波速场分布等；
研究地幔柱，洋中脊，板块俯冲带等
石油、天然气、煤矿、矿产等勘探，地下水流向等
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按成像的方法可以(kěyǐ)分为：
1. 体波层析成像 2. 面波层析成像 3. 噪音(zàoyīn)层析成像 4. 衰减层析成像 5. 有限频层析成像
体波速度：P，SV，SH 面波速度：Rayleigh，Love
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全球(quánqiú)地震层析成像
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地幔(dìmàn)柱
区域(qūyù)地震层析成像
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大洋(dàyáng)中脊
区域(qūyù)地震层析成像
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俯冲(fǔchōng)带
区域(qūyù)地震层析成像
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局部(júbù)地震层析成像
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地震(dìzhèn)层析成像的基础——Radon 变换
3. 地震波衰减层析成像方法 (Attenuation tomography, Rietbrock, 2001)
该方法是利用了地震波在传播过程中，地震波的固有频率会随着 周期变化成幂指数衰减的关系（即传播介质的品质因子）及其与 波速的关系，对周围介质进行成像，其优点是能够给出近地表介 质的更为精细结构特征。
类似于面波成像
品质因子，衰减系数
非射线理论，考虑地震波频率
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1. 体波走时(zǒushí)层析成像体波具有相对小的振幅和尖脉冲特征（Shearer，1999）
Fat-ray tomography (Husen and Kissling, 2001)
2.有限频带(píndài)走时层析成像Banana-doughnut tomography (Dahlen et al., 2000)
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Present Generation of models: Dense receiver sets, all rotating, great coverage and crossing rays.
Brain Scanning Cool Fact:
According to an earlier report, the best valentine’s gift to your love ones is a freshly taken brainogram. The spots of red shows your love, not your words!
finite frequency kernels for travel time perturbations
Input
Radon Projected
Recovered (output)
Back projection of the function is a way to solve f() from p()
(“Inversion”): f ( x , y ) p ( x c y s o ) ) d i , s n 0 精品PPT
▪ Remove instrument response, de-mean, detrend, bandpass filter, time-domain normalization, spectral whitening
▪ Cross-correlation: 1 day at a time. ▪ Stack over many days. ▪ Waveform selection (SNR) for tomography
在数学方法上出现了本质上与奥地利数学家1917年提出的Rndon逆变换方 法相同的褶积投影方法，Chapman首先从理论上证明了地震学中的τ-P 变换即是Radon 变换(Chapman , 1981)。
地震波层析成像首先由Aki等提出，并给出了小尺度（Aki and Lee, 1976） 和区域尺度（Aki et al., 1977）远震体波层析成像（Teleseismic body-wave tomography）。 Dziewonski等在1977年给出了全球尺度的体波层析成像成果（Dziewonski et al., 1977）。
Radon transform p ( s , ) f ( x , y ) ( x c y s o s ) d is n x
where p is the radon transform of f(x, y), and is a Dirac Delta Function (an infinite spike
A few of the early medical tomo setups
Parallel beam
Fan beam,
Multi-receiver, Moves in big steps
Broader fan beam, Coupled, moving source receivers, fast moving
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PREM模型给出了地球的一维结构，而地球内部三维结构需要更精细的刻画。 地震层析成像方法是给出地球内部三维结构的最重要的方法。 某种意义上说，地震是照亮地球内部的明灯。 地震层析成像方法可以(kěyǐ)给出：
全球地球结构的横向不均匀性； 典型地球动力学过程的三维结构：俯冲带、地幔柱、大洋中脊等； 小尺度的构造（断层等）； 地震分布特征。
•
－－外核与内核分界面的发现者
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地球(dìqiú)一维结构是远远不够的！
Plate tectonics
Topography
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mantle convection
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Measurements are repeatable: rigorous uncertainty estimates.
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R. Weaver,Science, 2005
Station 109C Station Y12C 16.3 Month Stack
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Processing Steps:
Montagner and Kennett (1996).
另外 还有： MC35， STW105， TNA/SNA模型等
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•
• 莫霍诺维齐（前南斯拉夫）——莫霍面（壳幔边界）
•
－－地壳与地幔分界面的发现者
• 古登堡（美国(měi ɡuó)）——核幔边界
•
－－地幔与地核分界面的发现者
• 莱曼（丹麦，女）—— （内外核边界）
体波层析成像：主流，对于远震距离，其可沿着多种穿过地球核%幔等路径传播 面波层析成像：仅能对上地幔及其以上部分提供约束，适合于台站稀疏和缺乏地震的区域，
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按成像的范围来分主要有三种：
全球层析成像，区域(qūyù)层析成像和局部层 析成像。
全球(quánqiú) 层析成像 区域层析成像
局部层析成像
3-D variations of Earth’s Structure from Seismic Tomography
Seismic waves in the Earth
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Researchers at MIT and Harvard, led by Keiti Aki and Adam Dziewonski in late 1970’s and 1980’s, pioneered the technique of seismic tomography.
Cunningham & Jurdy, 2000
Broader fan beam, Moving source, fixed receivers, fast moving
(1976)
Different “generations” of X-Ray Computed Tomography (angled beams are used to increase resolution). Moral: good coverage & cross-crossing
Ambient noise is enriched at short periods. Better constraints on crustal and uppermost mantle structure than information from earthquakes.
Particularly useful in aseismic areas; e.g., continental interiors. For temporary deployments -- do not have to wait for earthquakes to occur.
at 0 with an integral area of 1)
p is also called sinogram, and it is a sine wave when f(x, y) is a point value.
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Shepp-Logan Phantomห้องสมุดไป่ตู้
(human cerebral)
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1939:
Jeffreys & Bullen
First travel-time tables：Jeffreys-
Bullen Seismological Tables
→ 1D Earth model
Jeffreys-Bullen
1-D Earth Model
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地球(dìqiú)内部结 构
1. PREM参考地球模型： Preliminary Reference Earth Model
(Dziewonski & Anderson, 1981)
PREM一维全球速度(sùdù)模 型
2. IASP91速度模型 (Kennett and Engdahl, 1991)
3. AK135 速度模型 Kennett et al. (1995)；
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4. 噪音(zàoyīn)层析成像（Ambient seismic noise tomography, Shapiro et al., 2005; Sabra et al., 2005; Pollitz and Flecher, 2005）
对地震波的传统认识认为，震发生后所记录的有效地震事件波形为有效信号。除此 外，其余部分被称为噪音。这样，形成噪音的声源广泛地分布在地球表面的每个角 落(jiǎoluò)，如海浪、风暴和公路上的车流等，统被称为随机分布的波场( Yang and Ritzwoller, 2008) 在一个特定环境中，只要是记录这些随机分布的波场足够长，这些噪音也是有规律 的，就可以很好地认识区域噪音规律，对区域进行结构成像，跟面波成像方法相似。
Tomo— Greek for “tomos” (body), graphy --- study or subject Where it all began: Radon transform: (Johan Radon, 1917): integral of function over a straight line segment.
第六章 地震(dìzhèn)层析成像
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• Seismic wave is currently the only effective tool that can penetrate the entire earth Structural information of the Earth
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地震波层析成像的发展(fāzhǎn)历史
20 世纪60 年代初期，美国科学家Cormack 从数学和实验结果证实了根据X射线的投影可 以唯一地确定人体内部结构,从而(cóng ér)奠定了医学诊断上图像重建的理论基础,即X 射 线CT(X Ray Computer Tomography)。
全球间断面，全球波速场分布等；
研究地幔柱，洋中脊，板块俯冲带等
石油、天然气、煤矿、矿产等勘探，地下水流向等
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按成像的方法可以(kěyǐ)分为：
1. 体波层析成像 2. 面波层析成像 3. 噪音(zàoyīn)层析成像 4. 衰减层析成像 5. 有限频层析成像
体波速度：P，SV，SH 面波速度：Rayleigh，Love
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全球(quánqiú)地震层析成像
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地幔(dìmàn)柱
区域(qūyù)地震层析成像
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大洋(dàyáng)中脊
区域(qūyù)地震层析成像
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俯冲(fǔchōng)带
区域(qūyù)地震层析成像
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局部(júbù)地震层析成像
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地震(dìzhèn)层析成像的基础——Radon 变换
3. 地震波衰减层析成像方法 (Attenuation tomography, Rietbrock, 2001)
该方法是利用了地震波在传播过程中，地震波的固有频率会随着 周期变化成幂指数衰减的关系（即传播介质的品质因子）及其与 波速的关系，对周围介质进行成像，其优点是能够给出近地表介 质的更为精细结构特征。
类似于面波成像
品质因子，衰减系数
非射线理论，考虑地震波频率
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1. 体波走时(zǒushí)层析成像体波具有相对小的振幅和尖脉冲特征（Shearer，1999）
Fat-ray tomography (Husen and Kissling, 2001)
2.有限频带(píndài)走时层析成像Banana-doughnut tomography (Dahlen et al., 2000)
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Present Generation of models: Dense receiver sets, all rotating, great coverage and crossing rays.
Brain Scanning Cool Fact:
According to an earlier report, the best valentine’s gift to your love ones is a freshly taken brainogram. The spots of red shows your love, not your words!