主、被动源地震联合层析成像方法研究

摘要.............................................................................................................................. I ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 第一章引言 (1)

第二章地震层析成像研究进展 (3)

2.1 主动源地震层析成像 (3)

2.2 被动源地震层析成像 (4)

2.3 主、被动源地震联合层析成像 (6)

第三章地震层析成像数值模拟计算 (9)

3.1地震层析成像的正演方法 (10)

3.1.1 射线追踪法与最短路径法 (10)

3.1.2 有限差分法 (11)

3.1.3 快速波前追踪法 (14)

3.1.4 快速波前追踪算法的改进 (16)

3.2 模型参数的优化方法 (18)

3.2.1 层析成像中的反演理论与方法 (18)

3.2.2 子空间反演法及目标函数的优化 (19)

3.3 主动源地震记录特征 (21)

3.4 均匀层模型 (24)

3.4.1 速度结构成像 (25)

3.4.2 Moho界面成像 (30)

3.4.3 分析与讨论 (31)

3.5 复杂速度层模型I（含近水平的起伏界面） (32)

3.5.1 速度结构成像 (36)

3.5.2 Moho界面成像 (39)

3.5.3 分析与讨论 (40)

3.6 复杂速度层模型II（含倾斜的起伏界面） (41)

3.6.1 速度结构成像 (43)

3.6.2 Moho界面成像 (44)

3.6.3 分析与讨论 (45)

3.7 含低速层及隐伏断裂构造模型 (45)

3.7.1速度结构成像-主动源地震 (48)

3.7.2 速度结构成像-主、被动源地震联合 (54)

3.7.3 分析与讨论 (57)

第四章结论 (59)

参考文献 (61)

致谢 (70)

作者简介 (71)

摘要

获取足够分辨尺度的3D地壳结构图像，一直是深部地球物理学家,特别是地震学家致力追求的重要目标之一，这是因为，地壳的精细结构特征对于认识不同尺度地质构造块体之间的空间耦合关系，构建地震动力学模式，认识大陆破坏性强震孕震机理及对潜在震灾的科学设防等，均起着至关重要的基础作用。目前，高分辨的地壳深浅部结构与构造特征主要来自于地震学方法的探测研究结果。地震学方法之所以有比其它地球物理探测方法更高的分辨和精度，主要是因为在穿过地球内部结构而被调制之后所能观测到的各种波中，地震波的波长最短，同其它地球物理观测量，如地热流、静位移、应变、重力、电磁量等相比，地震波受到的波形畸变最小，振幅衰减也最小。新近发展起来的地震快速波前追踪层析成像方法克服了传统地震成像方法的一些不足，可利用同一数据体的多震相资料或联合应用不同数据体的多波数据及各自的空间区域分辨优势,基于同一正则化准则、一致的优化方法以及统一的模型构建方式来获取研究目标区内较高分辨的三维精细结构和构造图像，国外的一些应用实例，显示了其较大的应用潜力。在我国，随着"十五"起开始建设的数字地震观测网络的运行、中国地震科学台阵探测计划(Chinarray)项目的实施、物探中心轻便低功耗主动源专用数字地震仪器的研制成功和批量生产及局部区域人工地震观测网的不断增加,主、被动源地震观测数据得到了快速的积累，而这些大数据的处理方法技术的研发却明显滞后。此外，物探中心虽已具备3D深地震测深数据采集的硬件条件，显然3D观测系统不能像传统2D线性探测剖面那样，仅凭经验去评估设计，需要尽快研发储备基于现代地震学反演算法基础上的观测系统设计及评估方法技术。

在本文中，我们基于物探中心已有的深地震测深专用仪器设备条件及深部探测成果，构建数值计算模型，设计3D观测系统，利用最新发展起来的、在任意复杂结构模型中无条件稳定的快速波前追踪算法FMM（Fast Marching Method）及子空间反演技术，基于同一正则化准则、一致的优化方法以及统一的模型构建方式，利用理论合成的3D主、被动源地震折射/反射数据体，对强速度对比结构及Moho界面横向起伏变化等不同模型进行联合波前成像分析研究：首先，对单个折射震相Pg、Moho宽角反射震相PmP及两震相联合对速度结构模型的重建能力进行了地震成像数值模拟计算，并对其分辨能力进行了分析，然后为了弥补主动源资料的不足，在成像模拟计算中加入了区域天然地震资料，获取了更加精细的深浅部结构模型。结果表明：折射震相Pg对上地壳细结构有较高的分辨，宽角反射震相PmP可较好地约束中下地壳及Moho界面的细结构特征，但对浅部结构的分辨较差，折射和反射地震的联合成像可有效恢复深浅部3D空间的强速度对比结构及Moho界面形态特征。主动源分辨能力可以由加入被动源地震资料得以改善，主、被动源地震联合层析成像可有效提高探测目标区的分辨。这些研究为开展3D折射/反射及主、被动源地震联合探测研究奠定了必要的基础，对于复杂构造区地壳细结构的3D主、被动源地震联合探查具有重要意义，本数值模拟中使用的计算方法、调试的程序模块及有关参数还可为3D深地震测深观测系统的设计提供参考。

关键词：主动源地震，被动源地震，快速波前追踪，联合成像，3D深部细结构