利用气枪震源及背景噪声方法研究地下浅层精细结构

【摘要】：局部尺度(几公里至几十公里)的地下浅层结构研究对资源能源开发以及地震地质灾害预防都有着重要意义。获取高精度的速度结构模型能够为我们区域研究提供大量有效信息,并为后续相关工作奠定重要基础。主动源和被动源地震成像方法是我们研究区域结构的有力武器,例如基于气枪震源的主动源方法和基于背景噪声的被动源方法已经广泛得被应用于区域结构成像研究中。前人通过这些方法在长江中下游地区和云南宾川盆地区域已经开展了多项成像研究工作。但由于数据和方法的局限性,仍有大量问题没有解决。例如,长江中下游区域缺乏可靠的浅地表横波速度模型,宾川盆地程海断裂低速区的深度延展尚不明确。我们通过对资料处理技术的进一步发展和对研究方法的适当选取,成功获取了两个研究区域浅部结构的精细模型,为认识区域构造、矿产资源的分布、地震灾害的评估提供了重要的模型基础。为了获取长江中下游地区浅地表三维横波速度结构,我们利用密集台阵记录的大容量气枪实验的数据,开展了面波成像的工作。针对该区域噪声水平较高,面波能量较弱的特点,我们发展了基于质点运动轨迹分析的群速度频散提取流程。通过该方法,我们解决了群速度-周期能量图存在混淆的难题,并成功提取出了0.1-1.6 s周期范围的高频瑞利面波群速度频散数据。利用三维面波直接反演方法获取了研究区域地下1 km内的三维横波速度模型。这也是首次将气枪数据中的面波信号提取并应用于成像工作,大大提高了对数据的利用率,弥补了该区域浅部精细横波速度模型的缺失。我们的结果也很好的指示了矿产资源和低速沉积的分布。在宾川盆地区域,我们首先利用主动源气枪信号和密集二维台阵,对该区域波传播特征进行了仔细研究,进而通过波传播方向偏离大圆路径的程度来研究地下速度异常体的分布。我们选取了 12个子台阵共67个台站,通过基于台阵的波束形成法和基于单台的协方差矩阵法进行波传播方向的研究。两种方法展示了类似的结果,即宾川盆地区域的波传播特征十分复杂,传播方位角存在最大可达30°的偏转。这个结果显示了该区域地壳浅部结构存在强烈的横向非均匀性。为了进一步定量分析该区域速度异常的大小和分布,我们进行了背景噪声面波成像的研究。我们利用二维面状台阵共计381个台站,提取了 0.1-5.0 s的群速度频散曲线,通过三维面波直接反演方法获取了宾川地区地壳浅部三维横波速度结构模型。由于台站数目较多,射线覆盖密集,我们在浅部0-3 km都有较高的分辨能力。通过和地质构造背景相对比,我们清晰地发现,浅部1 km内的低速分布主要和第四纪沉积相关,而高速异常则对应于二叠纪玄武岩。区域内密集分布的断层系统对3km以内的速度结构分布都有重要影响,正断层的拉张作用对低速异常条带的形成起到了重要贡献。此外,程海断裂南段倾向由北往南逐渐变缓的变化特征,体现了断层性质由走滑向拉张的转变,反映了区域地块旋转变形的特征。三维背景噪声成像研究展示了宾川盆地区域的结构主要受断层带的控制,而要进一步研究断层带对区域结构的影响则有赖于精细的断层带结构模型。尽管前人对断裂带的结构进行了大量研究,但由于缺乏深度分辨率,往往难以准确约束断层带低速界面的深度。我们利用宾川地区跨程海断裂的密集线性台阵,通过噪声干涉成功恢复了台站下方的反射P波信号及沉积界面的深度,采用噪声谱比方法成功地获得了测线下方的共振频率,并进一步估计了沉积层厚度,发现程海断裂下方存在约3 km宽及1 km深的倒梯形低速区,并揭示了低速边界的横向变化。此外,我们基于远震尾波干涉和噪声干涉的结果还展示了对断层带深部结构的探测潜力。本文通过不同的方法和资料处理流程对局部尺度地下浅层结构进行了成像研究,弥补了对长江中下游区域和宾川盆地区域研究的不足,帮助我们进一步了解这些区域的地下资源分布及构造特征。