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2023年 54卷 第3期
PDF 24505KB
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2023, 54(3): 231-251.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-063
摘要
摘要:
利用面波频散数据进行各向同性和各向异性横波速度结构成像是研究全球和区域构造变形、获取地壳上地幔和近地表精细结构的一种非常有效的方法. 传统的基于频散数据的面波成像通常采用两步法，即首先反演二维相速度或群速度分布图，然后再基于格点的纯路径频散反演格点下方的一维横波速度模型，之后再拼合成三维速度模型. 在本文中我们较为详细地综述新发展的基于面波频散走时的三维面波直接成像方法体系，即面波一步法成像. 该方法体系包括通过所有路径、不同频率的面波频散走时直接反演三维各向同性横波速度结构的方法（DSurfTomo）、直接反演三维方位各向异性横波速度结构的方法（DAzimSurfTomo），以及直接反演三维径向各向异性横波速度结构的方法（DRadiSurfTomo）. 新的面波直接成像方法计算不同周期的面波射线路径，从而更好地考虑复杂结构下面波射线路径弯曲对成像精度的影响. 随后我们介绍面波直接成像方法的应用实例，包括地壳上地幔及地壳浅部的多尺度各向同性和各向异性横波速度结构的成像，这些成像研究为认识区域构造演化、孕震构造、断裂带浅部结构、成矿构造、城市地下结构等提供了重要的约束. 最后我们讨论面波直接成像方法的频散数据及模型参数化问题，以及基于有限频理论的面波直接成像和面波全波形成像，讨论并展望在面波直接成像方法框架下面波频散数据与其他地震或地球物理数据的联合成像问题.
利用面波频散数据进行各向同性和各向异性横波速度结构成像是研究全球和区域构造变形、获取地壳上地幔和近地表精细结构的一种非常有效的方法. 传统的基于频散数据的面波成像通常采用两步法，即首先反演二维相速度或群速度分布图，然后再基于格点的纯路径频散反演格点下方的一维横波速度模型，之后再拼合成三维速度模型. 在本文中我们较为详细地综述新发展的基于面波频散走时的三维面波直接成像方法体系，即面波一步法成像. 该方法体系包括通过所有路径、不同频率的面波频散走时直接反演三维各向同性横波速度结构的方法（DSurfTomo）、直接反演三维方位各向异性横波速度结构的方法（DAzimSurfTomo），以及直接反演三维径向各向异性横波速度结构的方法（DRadiSurfTomo）. 新的面波直接成像方法计算不同周期的面波射线路径，从而更好地考虑复杂结构下面波射线路径弯曲对成像精度的影响. 随后我们介绍面波直接成像方法的应用实例，包括地壳上地幔及地壳浅部的多尺度各向同性和各向异性横波速度结构的成像，这些成像研究为认识区域构造演化、孕震构造、断裂带浅部结构、成矿构造、城市地下结构等提供了重要的约束. 最后我们讨论面波直接成像方法的频散数据及模型参数化问题，以及基于有限频理论的面波直接成像和面波全波形成像，讨论并展望在面波直接成像方法框架下面波频散数据与其他地震或地球物理数据的联合成像问题.
2023, 54(3): 252-269.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-055
摘要:
如何利用观测到的地震图上尽可能多的信息来约束地下结构以及地震震源本身一直是地震学研究的前沿课题. 近年来，随着计算机计算能力的提高，使用基于全波形反演的方法已被用于不同尺度结构成像中，并取得了良好的效果. 但如何减小全波形反演对计算资源的巨大需求以及其反演的高度非线性仍是目前急需解决的问题. 此外，对于区域以及全球尺度成像，全波形反演的波形的拟合仅限于相对较低的频率. 目前，基于波形层析成像在区域尺度最高能拟合的频率大约为0.5 Hz，在全球尺度能拟合的频率更低，所以获得的波速模型的分辨率还有一定的改进空间. 地震学体波和面波联合反演是另一种可以综合利用更多信息的成像方法. 该种方法主要利用高频体波的走时信息以及面波的频散信息来约束地下结构. 由于只需要求解高频近似下的波动方程，其效率较全波形反演有较大提高. 相比于体波和面波数据单独反演，联合反演能利用体波和面波对地下结构约束的互补性来获得能同时拟合不同数据的波速结构模型. 此外，体波和面波数据联合反演能获得更为准确的泊松比模型，因此可以更好地约束岩性、孔隙度、熔融程度等. 鉴于目前海量的基于机器学习获得的不同震相的走时数据以及越来越多的密集流动地震观测，联合反演方法将在区域尺度地壳及上地幔结构的成像中发挥重要作用，进而为区域构造演化、地震灾害评估以及依赖波速结构模型的其他研究奠定基础. 本文将回顾区域尺度常用的地震成像方法，介绍联合反演方法的基本原理以及川滇地区的应用，最后探讨一些未来的发展方向.
如何利用观测到的地震图上尽可能多的信息来约束地下结构以及地震震源本身一直是地震学研究的前沿课题. 近年来，随着计算机计算能力的提高，使用基于全波形反演的方法已被用于不同尺度结构成像中，并取得了良好的效果. 但如何减小全波形反演对计算资源的巨大需求以及其反演的高度非线性仍是目前急需解决的问题. 此外，对于区域以及全球尺度成像，全波形反演的波形的拟合仅限于相对较低的频率. 目前，基于波形层析成像在区域尺度最高能拟合的频率大约为0.5 Hz，在全球尺度能拟合的频率更低，所以获得的波速模型的分辨率还有一定的改进空间. 地震学体波和面波联合反演是另一种可以综合利用更多信息的成像方法. 该种方法主要利用高频体波的走时信息以及面波的频散信息来约束地下结构. 由于只需要求解高频近似下的波动方程，其效率较全波形反演有较大提高. 相比于体波和面波数据单独反演，联合反演能利用体波和面波对地下结构约束的互补性来获得能同时拟合不同数据的波速结构模型. 此外，体波和面波数据联合反演能获得更为准确的泊松比模型，因此可以更好地约束岩性、孔隙度、熔融程度等. 鉴于目前海量的基于机器学习获得的不同震相的走时数据以及越来越多的密集流动地震观测，联合反演方法将在区域尺度地壳及上地幔结构的成像中发挥重要作用，进而为区域构造演化、地震灾害评估以及依赖波速结构模型的其他研究奠定基础. 本文将回顾区域尺度常用的地震成像方法，介绍联合反演方法的基本原理以及川滇地区的应用，最后探讨一些未来的发展方向.
2023, 54(3): 270-286.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-054
摘要:
波场梯度法是一种基于密集台阵记录的地震波形的地震数据处理方法，适用于多种地震信号/震相，比如P波、S波、Rayleigh波、Love波和环境噪声等. 由于充分考虑了波场的时空变化，可以获得更多的地震波传播参数或介质参数，比如应力、旋度、地震波速度、方位角、几何扩散、辐射模式、方位各向异性和Q值等. 自2007年波场梯度法的原理提出以来，该方法在河湾河谷的强地面运动研究、断层探测、月壳浅层结构成像、地球浅地表或地壳地幔速度结构和方位各向异性反演等方面得到较好的应用. 基于不同的信号处理方法，波场梯度法也发展出不同的研究分支，比如基于傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换的波场梯度研究；基于不同参考坐标系、不同台网类型或不同震相/信号源也可以将波场梯度法划分为不同的研究方向. 本文主要从方法原理、研究进展和方法比较对波场梯度法进行详细地描述，同时对其发展趋势进行简单地讨论.
波场梯度法是一种基于密集台阵记录的地震波形的地震数据处理方法，适用于多种地震信号/震相，比如P波、S波、Rayleigh波、Love波和环境噪声等. 由于充分考虑了波场的时空变化，可以获得更多的地震波传播参数或介质参数，比如应力、旋度、地震波速度、方位角、几何扩散、辐射模式、方位各向异性和Q值等. 自2007年波场梯度法的原理提出以来，该方法在河湾河谷的强地面运动研究、断层探测、月壳浅层结构成像、地球浅地表或地壳地幔速度结构和方位各向异性反演等方面得到较好的应用. 基于不同的信号处理方法，波场梯度法也发展出不同的研究分支，比如基于傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换的波场梯度研究；基于不同参考坐标系、不同台网类型或不同震相/信号源也可以将波场梯度法划分为不同的研究方向. 本文主要从方法原理、研究进展和方法比较对波场梯度法进行详细地描述，同时对其发展趋势进行简单地讨论.
2023, 54(3): 287-317.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-031
摘要:
全波形反演是一种基于声波/弹性/黏弹性波动方程来反演三维地球模型的高分辨率成像方法. 目前该方法已经被广泛应用于油气勘探、地壳与上地幔结构以及地幔对流的研究当中. 使用该方法，可以建立一个统一的理论和算法框架来反演地球内部的多个地震学参数模型，主要包括P波和S波速度、各向异性、黏滞性衰减、密度以及反射系数等. 通过联合解释这些地震学多参数结果，可以更好地约束地球内部的温度变化、物质构成、地幔对流以及水和挥发成分的分布. 目前，关于全波形反演的研究前沿主要包括目标函数的选取、多参数联合反演、模型正则化约束、分辨率和不确定性分析，以及其在新型地震数据，例如背景噪声和线性密集台阵中的应用. 此外，为了更好地解释反演所得到的地震学多参数模型以及探讨相关的地球科学问题，需要多学科之间的交叉合作，包括结合地震学以及岩石矿物实验和地球动力学模拟等的结果. 相关的成果对更好地认识油气储层构造、盆地结构、断层分布以及地幔对流具有重要的科学意义.
全波形反演是一种基于声波/弹性/黏弹性波动方程来反演三维地球模型的高分辨率成像方法. 目前该方法已经被广泛应用于油气勘探、地壳与上地幔结构以及地幔对流的研究当中. 使用该方法，可以建立一个统一的理论和算法框架来反演地球内部的多个地震学参数模型，主要包括P波和S波速度、各向异性、黏滞性衰减、密度以及反射系数等. 通过联合解释这些地震学多参数结果，可以更好地约束地球内部的温度变化、物质构成、地幔对流以及水和挥发成分的分布. 目前，关于全波形反演的研究前沿主要包括目标函数的选取、多参数联合反演、模型正则化约束、分辨率和不确定性分析，以及其在新型地震数据，例如背景噪声和线性密集台阵中的应用. 此外，为了更好地解释反演所得到的地震学多参数模型以及探讨相关的地球科学问题，需要多学科之间的交叉合作，包括结合地震学以及岩石矿物实验和地球动力学模拟等的结果. 相关的成果对更好地认识油气储层构造、盆地结构、断层分布以及地幔对流具有重要的科学意义.
2023, 54(3): 318-338.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-034
摘要:
地幔过渡带位于410-km和660-km两个地震学间断面之间，是深入认识地球内部温度结构、物质组成以及动力学演化过程的关键区域. 地幔过渡带的上下界面分别对应橄榄石到瓦兹利石和林伍德石到布里奇曼石和铁方镁石的矿物相变. 本文总结了地幔过渡带间断面结构的主要地震学研究方法以及研究进展. 这些方法包括SS和PP前驱波方法、接收函数方法、ScS多次反射波方法、P'P'前驱波方法、三重震相波形模拟方法、背景噪声体波干涉成像方法等. 总体而言，地幔过渡带的厚度与地幔过渡带速度在大尺度结构上存在正相关性，表明两者都主要受控于温度结构，与橄榄石矿物相变预测一致. 然而，地震学观测得到的410-km和660-km间断面的绝对深度和几何形态则缺乏相关性，可能是由于地幔过渡带上下界面处的横向温度变化特征并不一致或者由于水含量和化学成分等差异所导致. 410-km和660-km间断面的强度（包括速度、密度和波阻抗跳跃值）和宽度主要受到地幔过渡带化学成分和水含量的影响. 一些地震学研究还探测到了地幔过渡带内部的520-km和560-km间断面，前者被认为由瓦兹利石到林伍德石的相变所导致，而后者可能与钙-钙钛矿从超硅石榴子石中出溶有关. 地幔过渡带附近的低速层可能与过渡带物质进入上下地幔发生脱水熔融存在一定联系. 尽管地幔过渡带研究取得了长足进展，但仍有许多重要科学问题悬而未决. 精确可靠的地幔过渡带地震学成像结果可以为这些问题提供关键信息，但同时也需要与矿物物理学、地球动力学、地球化学等学科交叉融合. 本文最后对未来的地幔过渡带地震学研究方向进行了展望.
地幔过渡带位于410-km和660-km两个地震学间断面之间，是深入认识地球内部温度结构、物质组成以及动力学演化过程的关键区域. 地幔过渡带的上下界面分别对应橄榄石到瓦兹利石和林伍德石到布里奇曼石和铁方镁石的矿物相变. 本文总结了地幔过渡带间断面结构的主要地震学研究方法以及研究进展. 这些方法包括SS和PP前驱波方法、接收函数方法、ScS多次反射波方法、P'P'前驱波方法、三重震相波形模拟方法、背景噪声体波干涉成像方法等. 总体而言，地幔过渡带的厚度与地幔过渡带速度在大尺度结构上存在正相关性，表明两者都主要受控于温度结构，与橄榄石矿物相变预测一致. 然而，地震学观测得到的410-km和660-km间断面的绝对深度和几何形态则缺乏相关性，可能是由于地幔过渡带上下界面处的横向温度变化特征并不一致或者由于水含量和化学成分等差异所导致. 410-km和660-km间断面的强度（包括速度、密度和波阻抗跳跃值）和宽度主要受到地幔过渡带化学成分和水含量的影响. 一些地震学研究还探测到了地幔过渡带内部的520-km和560-km间断面，前者被认为由瓦兹利石到林伍德石的相变所导致，而后者可能与钙-钙钛矿从超硅石榴子石中出溶有关. 地幔过渡带附近的低速层可能与过渡带物质进入上下地幔发生脱水熔融存在一定联系. 尽管地幔过渡带研究取得了长足进展，但仍有许多重要科学问题悬而未决. 精确可靠的地幔过渡带地震学成像结果可以为这些问题提供关键信息，但同时也需要与矿物物理学、地球动力学、地球化学等学科交叉融合. 本文最后对未来的地幔过渡带地震学研究方向进行了展望.
2023, 54(3): 339-354.
doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-039
摘要:
得益于地震波传播理论的快速发展、数据分析方法日新月异的变化以及地震观测覆盖区域的增加，我们对地球深部的探测能力从原有的百千米尺度提升到目前的千米尺度. 地震层析成像研究很早就揭示出体积庞大的下地幔存在数千千米尺度的不均匀体，而对下地幔更小尺度上（约十千米至百千米）的认识则来自于基于台阵分析的高频地震散射波探测技术. 大量证据表明整个下地幔分布着数千米至数千千米不同尺度的速度不均匀体，其形成可能与俯冲至下地幔的洋壳和俯冲板片的岩石圈地幔物质密切相关. 因此，对下地幔不均匀体的探测及其分布规律和形成机理的认识，将有助于理解地球内部物质构成及其矿物相变、热化学结构等，进而深化我们对地幔流变性、地幔对流模式和地幔混合效率等地球内部热化学、动力学过程的认识. 本文聚焦于分布在约700～2000 km中-下地幔深度的小尺度不均匀体/散射体，首先从散射体的定义和小尺度不均匀性的统计学描述出发，分别介绍探测下地幔小尺度散射体的地震波“探针”及探测方法的特点和局限性，简要回顾一些代表性研究；其后基于搜集到的200余个下地幔散射体数据，分析统计了散射体的深度分布特点；最后针对下地幔散射体探测方法中的问题给出思考，并对该研究方向进行了展望.
得益于地震波传播理论的快速发展、数据分析方法日新月异的变化以及地震观测覆盖区域的增加，我们对地球深部的探测能力从原有的百千米尺度提升到目前的千米尺度. 地震层析成像研究很早就揭示出体积庞大的下地幔存在数千千米尺度的不均匀体，而对下地幔更小尺度上（约十千米至百千米）的认识则来自于基于台阵分析的高频地震散射波探测技术. 大量证据表明整个下地幔分布着数千米至数千千米不同尺度的速度不均匀体，其形成可能与俯冲至下地幔的洋壳和俯冲板片的岩石圈地幔物质密切相关. 因此，对下地幔不均匀体的探测及其分布规律和形成机理的认识，将有助于理解地球内部物质构成及其矿物相变、热化学结构等，进而深化我们对地幔流变性、地幔对流模式和地幔混合效率等地球内部热化学、动力学过程的认识. 本文聚焦于分布在约700～2000 km中-下地幔深度的小尺度不均匀体/散射体，首先从散射体的定义和小尺度不均匀性的统计学描述出发，分别介绍探测下地幔小尺度散射体的地震波“探针”及探测方法的特点和局限性，简要回顾一些代表性研究；其后基于搜集到的200余个下地幔散射体数据，分析统计了散射体的深度分布特点；最后针对下地幔散射体探测方法中的问题给出思考，并对该研究方向进行了展望.
