二维变尺度非线性地震速度成像及阿尼玛卿缝合带东段地壳结构研究

【摘要】： 本文首先回顾了地震层析成像和地球物理反演的发展历史，分析了全局优化算法和局部线性化反演方法各自的优缺点，指出将两类方法相结合可能做到取长补短、优势互补。然后着重介绍了混合反演算法的国内外研究现状，提出利用遗传算法和单纯形法相结合，得到一种高效、健全的非线性走时反演方法，进而形成一种新的地震层析成像方法。并对青藏高原、青藏高原东北缘的研究现状作了简要介绍。 本文第二章介绍了遗传算法和单纯形方法的背景知识，详细阐述了基于变尺度混合反演算法的速度成像的基本原理：正问题采用有限差分波前走时计算，反问题采用遗传算法和单纯形相混合的反演方法，其成像策略是变尺度逐步逼近。具体成像过程是，把速度场划分为不同的空间尺度，定义网格节点上的速度作为待反演参数，采用双三次样条函数速度模型参数化，首先由遗传算法在较大的尺度范围内全局寻优，经过充分的演化后，将其符合终止条件的最佳个体提供给单纯形方法作为初始值，然后由单纯形方法进行快速局部寻优，这样结合的目的在于既降低计算成本，又避免陷入样本函数的局部极小值。然后，逐步减小空间尺度范围，重复上述过程，直至满足终止判别标准。 本文第三章进行了一系列测试函数试验，将遗传算法、单纯形方法以及两者相混合方法的寻优能力做了对比，进一步阐述了全局寻优方法、局部线性化方法以及混合反演算法各自的优缺点。进行了低速异常体、高速异常体、梯度变化体、向斜、背斜、直立断层等速度模型的数值模拟试验。试验结果表明，基于变尺度混合反演算法的速度成像方法是有效的。利用对低速异常体数值模拟的观测走时加上5％和10％水平的随机噪声，然后进行速度成像的抗噪声试验，其结果表明5％的随机噪声对成像结果几乎没有影响，10％的随机噪声对成像结果影响不大，从而验证了本文提出的速度成像方法的健全性。 本文第四章应用基于变尺度混合反演算法的速度成像方法对阿尼玛卿缝合带及其两侧的上地壳速度结构进行了成像，并将成像结果与他人的结果做了相应的对比。成像结果表明，阿尼玛卿缝合带东段的上地壳速度结构呈现一个横向宽度大于20km的低速度带的特征；研究区浅地表(2km以上)速度横向变化不大，2km以下速度横向变化剧烈，260～280km桩号之间呈现一个低速带，280～290km桩号之间，速度值突然抬升，290～300km桩号之间又出现一个规模较小的低速条带，300～310km桩号之间速度急剧升高，310km桩号已北的西秦岭褶皱带内，按照速度特征大体分为两段，340km桩号为速度分界线，以南为高速，以北为低速。库赛湖—玛沁断裂穿过283km桩号附近，速度从低速剧变为高速，基底深度由深突然变浅；在320～330km桩号之间，速度横向变化亦较大，基底深度从2.2km突然加深至4.5km，此处是武都—迭部断裂的体现；340km桩号是低速与高速的分界线，是舟曲—两当断裂的反映。 本文第五章利用Zelt的Rayinvr软件包对阿尼玛卿缝合带及其两侧的二维地壳速度结构进行了研究，同时对Zelt的Rayinvr软件包的使用技巧进行了探讨。能够处理首波是Zelt的Rayinvr软件包的一个特点，可以将Pg波震相视作来自基底以上的回折波和来自基底界面的首波，进行有关基底的速度和界面深度的同时成像。结果表明，在阿尼玛卿缝合带内基底界面剧烈下凹，最深达5.47km；阿尼玛卿缝合带两侧相对而言，西秦岭褶皱带的基底埋深较松潘—甘孜微块体浅，在缝合带南侧的松潘—甘孜微块体内，基底埋深在3.5kin左右，基底界面在松潘—甘孜微块体也呈一定的下凹形态，在桩号170～250kin之间，基底下凹深度达4.0km；从阿尼玛卿缝合带过渡到西秦岭褶皱带，基底界面急剧变浅至1.8km，继而又急剧变深至4.7kin的深度，之后变得平坦。在使用Zelt的Rayinvr反演程序时，可以试验不同的反演方案，探寻不同的反演参数的效果，最好的方案是找到合适的参数，进行速度和深度的同时反演，其次是先速度后深度的反演方案。 获得了关于阿尼玛卿缝合带及其两侧的二维地壳速度结构的一些重要认识：阿尼玛卿缝合带东段在深度20-45公里范围，存在贯穿整个中下地壳的低速构造，相同深度速度低于两侧约0.2～0.3km／s，这种低速构造的分布自上而下逐步减小的趋势。阿尼玛卿缝合带两侧的南北地壳结构存在明显区别，南侧的复杂程度明显高于北侧。整个地壳厚度沿测线横向变化不大，大约48～51km，阿尼玛卿缝合带略有增厚。松潘—甘孜地块有向西秦岭褶皱带下地壳俯冲的迹象。研究揭示的地球动力学含义是，研究区的构造背景以走滑、水平错断为主，下地壳物质有侧向流动的可能性。 最后在第六章中对本文的研究成果进行了总结。