基于背景噪声面波的浅层地壳结构成像：方法研究及其应用

发布时间：2020-06-21 01:43

【摘要】：地震面波沿着地表传播,中短周期面波对地球浅部的横波速度结构有很强的敏感性,常用于近地表或者地壳尺度的横波速度层析成像。目前面波成像使用的面波信号通常来自于地震和背景噪声。近年来,基于背景噪声的面波成像方法发展迅速。利用背景噪声提取较高频率的面波信号可以得到高分辨率的横波速度结构,且越高频的面波信号对应的敏感深度越浅。使用噪声互相关方法采集面波数据还具有安全,低成本的优点。本论文主要研究郯庐断裂带安徽段及其邻区的浅层地壳结构,由于郯庐断裂带安徽段并没有较多且分布均匀的近震事件,同时人口也较为密集,不适宜使用人工爆破源,因此背景噪声成像的方法是较为合适的选择。较高频(如0.5Hz以上)的噪声的产生与人类活动密切相关。如何在噪声影响较大的区域提取到可靠的高频面波信号以及所需的叠加时间都需要进一步的研究。同时,传统的面波成像一般利用射线理论。射线理论基于高频假设,无法考虑射线路径周围的结构对面波走时的影响,给计算带来误差。而弹性波全波形反演虽然结果准确,但其计算成本非常昂贵,且硬件要求较高,在实际大规模使用中会带来不便。本论文拟使用基于走时信息的有限频方法,来同时获得较高的计算精度以及计算效率。但是有限频效应在小区域近地表及浅层地壳的影响仍然需要进一步验证,基于该理论在小区域尺度上的反演计算方法也需要继续应用与发展。围绕上述的实际需求,本论文中我们主要开展了以下四个方面的研究:(1)城市近地表的三维横波速度结构成像人类活动对背景噪声中高频面波信号的影响较大。为了研究这类区域的高频噪声特点和验证使用基于背景噪声方法恢复城市浅层地下结构的准确性,我们在合肥市区5km*3km区域内布设了 17个流动地震台站,搜集了约两周的连续背景噪声数据,通过互相关得到互相关函数,我们使用了基于S变换的相位加权叠加方法来提高叠加后互相关函数的信噪比,然后提取了0.5-2s周期内的群速度和相速度频散曲线,通过基于射线追踪的面波直接反演方法反演获得了该区域浅层400m的横波速度结构。结果显示,噪声成像获得的速度模型与当地地质构造情况吻合,验证了城市中可以提取背景噪声中可靠高频面波信号的方案。(2)复杂构造区域的浅层地壳三维横波速度结构成像郯庐断裂带庐江段位于郯庐断裂带,大别造山带,合肥盆地以及庐枞火山岩盆地的交汇处,地质结构复杂。我们使用80个台站的连续波形数据,通过背景噪声的方法得到了 0.5-8s的面波群速度和相速度的频散曲线。我们使用基于射线追踪的面波直接反演方法得到了地表至地下5km处的较为精细的三维横波速度结构。我们的结果与当地地质构造吻合,显示了断裂带,造山带,盆地以及火山侵入岩在速度结构上的耦合性,解释了断裂带内火山侵入岩的演化及动力学机制。(3)几种不同理论的面波走时预测精度对比由于射线理论基于高频近似假设,无法准确反应射线路径周围速度异常体对走时的影响,而全波形的三维反演则需花费巨大的计算成本,因此我们希望通过使用走时有限频的方法在计算精度和计算成本上达到平衡。基于走时有限频的理论,我们构建了基于射线追踪的经验性的二维面波相速度敏感核。为了验证在浅层地壳速度结构研究中不同理论的适用性和准确性,我们对基于全波形,经验性和解析性的二维相速度敏感核,非大圆路径假设下的射线追踪以及大圆路径假设下的射线理论五种方法得到的面波相位走时差的精确度进行系统性的分析。这里我们将使用谱元法(SEM3D),射线追踪的快速行进法(fast marching)等广泛使用的正演方法获得对应情况下的走时差。对比结果发现,经验性的二维敏感核的结果在精度上明显优于射线理论和解析性的二维敏感核,运算效率上明显优于全波形理论,这为使用该敏感核进行反演奠定基础。(4)基于射线追踪的伪三维面波相速度经验性敏感核的直接反演方法及应用我们提出了一套基于射线追踪的经验性伪三维面波相速度敏感核直接反演三维横波速度结构的方法。该方法将构建由于较大结构差异引起的射线路径弯曲的经验性面波相速度有限频敏感核,并被应用于台北盆地区域的实际数据的测试中,以验证该方法的可靠性。未来该方法还可以进行进一步的拓展,例如加入群速度走时的经验性三维敏感核,以提升数据的使用效率和数据量。另外,还可以通过加入体波的三维敏感核来提升不同结构体的分辨能力,同时使得反演结果更加可靠。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4
【图文】：

该板块以较慢速度正向俯冲至中国东部大陆下方（Ｍａｒｕｙａｍａｅｔａｌ．，１９９７），并且俯逡逑冲角度逐渐增大（Ｚｈｏｕ邋＆邋Ｌｉ，２０００）。这种高角度的俯冲引发的软流圈上涌和岩石逡逑圈拆沉使得郯庐断裂带呈现出伸展活动。（如图１．３ｂ）逡逑（３）挤压活动期。晚第三纪以后，郯庐断裂带上的断陷盆地基本停止了断逡逑陷活动，甚至开始消亡。断裂带内部大量断层由伸展期的正断层转换为逆冲断层逡逑（刘茂强等，１９９３；陈义贤等，１９８５）。现代的震源机制解，地应力测量以及ＧＰＳ数逡逑据显示

本文编号：2723296