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基于线性台阵背景噪声与体波波形伴随成像方法研究及应用

张超  
【摘要】:基于面波频散及射线理论的背景噪音成像方法常应用于地壳S波速度层析成像,但其分辨率会受到一定的限制。为提高模型的分辨率,三维背景噪声波形伴随成像技术近年来也发展起来并且得到实际应用,然而在三维情况下,需要非常大的计算和存储资源。相对而言,二维波形伴随成像更具计算效率。同时目前全球越来越多的密集线性台阵布设也为我们提供了充足的数据支持,因此如何高效并精确地开展基于线性台阵波形数据的成像工作是本论文研究的核心问题。我们首先提出了一种基于线性台阵的背景噪声波形伴随成像方法。首先将3D/2D数据转换方法应用到经验格林函数EGFs,将转换后的重构经验格林函数REGFs作为反演的实际数据。不同于传统的背景噪音成像,波形伴随成像方法不需要提取面波频散曲线,而是直接利用线性台阵记录的波形数据反演地下S波速度结构。我们用传统背景噪声成像方法获得的S波速度模型作为反演的初始模型,计算获得理论格林函数SGFs,并选取6-35s周期频段数据进行反演。本文中我们将数据滤波到四个频段:6-15s,10-20s,15-30s和20-35s,用multi-taper的方法测量对应频段的重构经验格林函数REGFs与理论格林函数SGFs的有限频走时残差,然后通过非线性反演方法不断迭代,缩小它们之间的残差从而更新速度模型获得高分辨率S波速度结构。然后我们将这种方法应用到华北克拉通地区的4条横跨克拉通东、中、西三部分的线性台阵。相对于三维波形伴随成像,本文中提出的线性台阵数据的波形成像方法,在计算效率上更具优势,能够极大的节省计算资源。通过背景噪声波形伴随成像方法,我们分别获得4条线性台阵下方的二维S波速度成像结果。通过不同的初始模型测试了方法的稳健性以及波形伴随成像对初始模型的依赖性,然后对每条测线的成像结果我们进行了详细的分析和讨论。结果表明研究区的地壳及上地幔S波速度结构存在横向不均匀变化,这种现象显示出与区域地质构造和岩石圈深部结构强烈的相关性。波形伴随成像中,面波频率较低,能获得平滑的S波速度结构,但垂向分辨率较低,对界面的刻画能力不足。基于FK-SEM的混合方法计算远震体波,可以认为是平面波入射,从岩石圈底部近垂直向上传播,因此分辨率较高,能很好刻画界面,然而容易产生高频假象以及反演陷入局部极小值的问题。因此利用两种数据的互补性,我们还提出了一种基于线性台阵面波和远震体波联合波形反演成像方法,同时约束S波波速结构。我们建立了符合华北地区典型地壳结构特征的理论模型对方法进行了测试,测试结果显示相对于传统的面波或者体波单独波形反演方法,面波和远震体波联合反演能够更好的反演S波速度结构和刻画Moho界面信息,提高了成像的分辨率。通过以上基于线性台阵波形数据的成像方法,我们希望获得华北地区地壳及上地幔精确可靠的速度模型,进而为更深入的认识华北克拉通区域地质构造和演化奠定基础。


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