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《中国地震局地球物理研究所》 2012年
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一维速度结构和三维有限频全波层析成像研究

孙安辉  
【摘要】:盆岭体系是板块构造演化中的两个主要末端,在岩石圈结构构造及其演化中扮演中重要的角色。本文针对对我国东西部两个不同区域的盆岭体系,以北天山东部与准噶尔盆地结合区域和华北首都圈区域为例,结合各自不同的数据基础特点,优化地壳一维速度模型以及应用全三维有限频方法进行全波层析成像,这将有助于我们深入理解盆岭体系中相邻板块间的相互作用以及构造与地震活动性之间的关系。 三维地震层析成像是目前世界上研究地壳速度结构广泛使用的直接又有效的手段。精确的反演数据基础和先进的反演理论及方法技术都是提高反演结果可靠性的有力保障。数据基础中的初始参考速度结构和震源参数对层析成像的结果有着重要的影响。不合适的初始速度结构除了将影响震源参数确定的准确性,还将给层析成像带来虚假的结果。因此我们结合初始速度结构和震源参数耦合的特性,在目前尚缺乏充分研究的北天山东部与准噶尔盆地结合区域,采用新疆乌鲁木齐遥测台网和10个宽频带流动地震台站记录的173个良好约束的近震的1370个P波和1396个S波走时数据,应用“最小一维速度模型”方法,联合反演初始速度结构和震源参数,并选用多个参考模型库和地震事件库以避免出现反演得到“局部极小值”的问题,最终得到优化的区域地壳一维速度模型。 结果表明,我们建立的北天山东部地壳一维P波和S波速度模型以及台站修正值,较好地反映了区域的大致地质构造特征。比较前人的地壳一维速度结构研究结果,我们的结果分别在地壳浅层0~10km、深度约30km的中地壳、下地壳底部45km深度的区域波速表现出较强烈的低速异常性质;并在深度48km以下存在地震波速度逐渐增加的壳幔过渡带,厚度约为12km,与横跨天山造山带的的转换波探测和地震成像剖面以及深地震测深剖面测量结果较为一致。基于优化后的地壳一维速度模型对研究区1988~2005年间2370个地震进行了重新定位,最后获得了781个地震事件分布,相对于基于已有的一维速度结构采用完全相同的定位参数的定位结果,我们的定位结果在水平和深度的平均误差有了较大幅度的改善。结果表明:地震事件大部分位于玛纳斯-吐谷鲁背斜和博格达山前推覆构造带以南的区域,并且可能预示着隐伏断层的分布和块体边界的存在。地震的平均深度为16.8km,大部分的地震位于深度5-25km。 地质构造的恰当反映和精确定位结果的改善都表明了我们建立的该区域的地壳参考一维速度模型的可靠性,为将来积累充足的数据以开展地壳三维层析成像等相关地震科学研究打下基础,为推进该地区研究盆岭构造的演化和油气资源的探寻提供有效参考依据。 另一方面,三维地震层析成像中传统的射线理论中存在着以下局限:低速体造成的射线路径徽、波前愈合问题、成像分辨率存在极限(?)(第一菲涅尔带宽度)、极高频近似造成波形信息的缺失等等。新近发展的全波有限频反演理论针对地震波频带本身所具有的有限频宽的真实物理特性,更多地考虑了地球内部介质非均匀性,提取地震波带来的更多结构信息,提高了对地球内部更精细构造的分辨能力。但受数据量不充分的局限,本文尚不能进一步在北天山地区开展地壳三维结构的有限频反演研究。相对地,首都圈地区有已有相当的数据基础,前人开展的速度结构研究可以为本文提供良好反演的所需数据。 本研究在集群计算服务系统的支持下,在有限频全波反演理论框架中,基于三维速度模型计算了首都圈50个宽频地震台的应变格林张量(strain Green's tensor,简称SGT);然后通过三维交错网格有限差分法(3-Dstaggered-grid finite-difference method)计算得到了震源到台站的理论地震图;继而测量得到了与实际地震波形的到时差数据;根据SGT计算走时扰动的三维Frechet核,避开了时间与频率域的FFT变换造成的误差,并通过震源-台站问的互易原理(reciprocity),改善数值模拟计算的效率;由于该方法对数据质量的要求较高,首都圈近十年的地震波形数据经过处理筛选,尚不能提供方法所需的足够测量数据。最后择优选取分析了首都圈区域内1°×1°平面精度的波形层析成像初步结果,并在首都圈地区的东北区域在深度15km以上获得了较好的分辨率。经过LSQR迭代计算,走时测量数据的总体均方跟残差从反演前的0.756秒下降到反演后的0.710秒。 结果显示研究区域内的中上地壳中,P波速度结构存在明显的横向不均匀性,上地壳的速度图像很好地反映了地表地质、地形和岩性的特征,凹陷或山间盆地呈现低速,而隆起的山区或基岩出露区显示为高速。块体的边界区域及渤海地区,特别是张家口-渤海断陷带主要表现为低速异常,与前人的研究结果具有一定的一致性。在太平洋板块至东向西俯冲产生的挤压的大环境中,受华北区域的最大主压应力的联合作用下,浅层5km处的渤海盆地的低速带在坚硬的燕山隆起影响,分别向北往燕山隆起的东部和向西往燕山隆起的南部蔓延。燕山隆起南部向华北盆地过渡的浅层区域并未如前人的结果一般显示高速分布,而是向北直到北京密云区域(北纬40.5°)附近的范围才渐渐显示明显的高速异常,而从断层的分布图显示,在燕山隆起南部向华北盆地过渡区的低速带区域分布着大量的断层带。 虽然由于数据的限制导致成像分辨率的不足,但三维有限频全波有限频反演理论的优越性依然在分辨率改善和速度结构的细节上得到反映。这是国内首次应用全三维有限频全波层析成像方法在反演地壳的精细速度结构,即基于三维初始速度模型构建有限频三维敏感核,进行全波层析成像反演研究。本文在首都圈地区开展的试验性研究对该理论方法的应用和发展提供了一个良好的开端。
【学位授予单位】:中国地震局地球物理研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P631.4

【参考文献】
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