基于密集台阵的活断层高分辨率地震干涉成像新方法

Thanks to the development of sensor technology and economics, it is possible to monitor the fault structure by dense portable arrays with high resolution. Due to the limited observation period of portable array, the traditional imaging methods based on earthquake events are difficult to meet the demand of high-resolution imaging of the fault structure. It is necessary to develop high-resolution imaging techniques suitable for dense array observation data. Seismic interferometry imaging based on background noise does not depend on the temporal and spatial distribution of earthquakes, and is particularly suitable for data processing of short-period dense arrays. However, due to the complicated geometry of the fault and the broken belt structure, and the local noise source from the high seismicity, the noise cross-correlation function is severely disturbed. The aim of this project is to conduct dense array observations at the Haiyuan fault, and develop a high-resolution seismic interferometry imaging method suitable for fault characteristics. The double beamforming analysis and frequency-wavenumber filtering are used to eliminate the effects of directional noise sources and multiples, and separate the different phase. Beamforming method is used to extract the surface wave phase velocity directly. The pure path inversion is not needed. The new imaging method is used to obtain the fine structure of the Haiyuan fault. At the same time, the relationship between the fine velocity structure of the fault and the distribution of asperities described by the seismicity is established in order to find the possible implication for the occurrence of large earthquake.

得益于传感器技术与经济的发展成果，对断层结构进行流动密集台阵观测，提高对断层结构成像的分辨率成为可能。由于流动台阵观测周期的限制，传统基于地震事件的成像方法很难满足断层结构高分辨率成像的需求，需要发展适用于密集台阵观测数据的高分辨率成像技术。基于背景噪声的地震干涉成像不依赖于地震的时间和空间分布，尤其适用于短期密集台阵的数据处理。然而，由于断层复杂的几何和破碎带结构，及独有的高微震活动性形成的噪声源，严重干扰噪声互相关函数的提取。本项目拟在海原断裂进行密集台阵观测，发展一种适用于断层特征的高分辨率地震干涉成像方法，利用双聚束分析和频率-波数滤波，消除方向性噪声源和多次波的影响，达到分离震相的目的。通过聚束分析直接成像，避免面波纯路径反演带来的误差。利用该方法获取海原断层的精细结构，同时建立断层速度非均匀结构和由地震活动性刻画的断层凹凸体分布之间的关系，给出断层地震危险性的判定依据。

由于断层复杂的几何和破碎带结构，传统基于地震事件的成像方法很难满足断层结构高分辨率成像的需求，基于背景噪声的地震干涉成像方法不依赖于地震的时间和空间分布，是观测地震学和地震层析成像的主要进展，本项目充分利用密集台阵和背景噪声成像技术优势，对海原断裂带进行密集台阵观测，发展适用于断层带高分辨率成像的地震干涉成像新技术，用于对海原断裂进行高分辨率成像和成果解释。项目主要完成了如下观测和研究工作：1）对海原断裂断裂带进行了包含600个短周期台站的密集台阵观测。密集台阵观测记录的有效时长为60天，其中包含两条跨断层的测线，沿测线的台间距约为400-1km，其余台站的台间距为1-2km。2）额外增加了10套宽频带地震观测，观测时间为2009年9月-2021年8月，积累了2年的宽频带观测数据。3）提出了基于聚束分析提取多模式频散曲线的新方法，该方法能用较短的记录以较高的精度获得高分率多模面波频散图像，并能克服台阵的非均匀性对方位依赖的相速度估计的影响。4）基于新发展的聚束成像新方法，获得了海原断裂及周边的高分辨率速度结构。移动窗聚束分析，不需要纯路径反演可以直接获得多模式面波相速度的二维分布图。5）发展了时间-频率依赖的单台三分量偏振分析方法，利用该方法可以获得面波的达到角异常，ZH幅度比和面波的偏振异常信息。6）根据收集和新观测的宽频带数据，完成了海原断裂及周边地区的接收函数、剪切波分裂和视应力分布研究。7）开展了水平分层介质中面波传播的基础理论研究，解决了广义反、透射系数在计算面波相速度等于各层介质体波速度时的奇异性问题。基于Cagniard-dehoop方法，研究了频率域面波的多模和时间域体波的多径之间的关系。8）开展了被动源成像新方法的研究，包括移动窗SPAC技术，及三维S波速度和微震H/V谱比联合约束沉积层厚度的新方法。