起伏地表下高精度地震波多震相联合层析成像及其应用

Seismic traveltime tomography using active source seismic exploration plays vital roles in reconstruction of the fine structures of the crust. Traditional methods are restricted by their low imaging precision dues to rugged surface topography and single reflected phase used in the inversion. In view of the influence of the rugged topography, we intend to introduce the irregular surface flattening scheme, which transform the irregular surface in Cartesian coordinates to a flat surface in curvilinear coordinates, based on the numerical solution of the topography-dependent eikonal equation, and develop the seismic ray-path tracking method. Making full use of the first-arrivals of the crust (Pg-phase), the reflections from the Moho discontinuity (PmP-phase) and the refractions from the top of the upper mantle (Pn-phase), we plan to develop a precise multi-phase traveltime joint tomography scheme that can match the complex terrain perfectly, and corresponding effective solution resolution analysis method. Then we try to apply it to the wide-angle seismic data collected in northeastern Tibet and North China, and provide deep structure information for earthquake prediction and earthquake prevention and disaster reduction.

利用人工源地震探测资料的走时层析成像方法是重建地壳精细结构的重要途径。传统方法受复杂地形影响、且主要使用反射波单一震相等限制而成像精度较低。针对起伏地形影响，本项目拟引入地形“平化”策略，将笛卡尔坐标系的非规则表面映射为曲线坐标系的规则表面，基于地形相关的走时程函方程数值解，发展多震相射线路径计算方法，并充分利用壳内初至波震相Pg、莫霍面的反射波震相PmP以及上地幔顶部的折射波震相Pn，发展与复杂地形完全匹配、精度无损的多震相联合层析成像方法及有效的解的质量评价方法。尝试应用到青藏高原东北缘及华北地区人工源宽角地震资料的处理中，并为地震预报和防震减灾提供深部约束信息。

地震走时层析成像能够重建地壳精细结构。针对起伏地形影响，我们引入地形“平化”策略，开展了多震相射线路径及联合层析成像方法研究；将其应用到宽角地震实际资料处理中，得到了上地壳精细速度结构：. （1）引入地形“平化”策略，利用贴体网格进行模型参数化，实现了对复杂地形的精确描述；初至走时场由曲线坐标系下的程函方程及其解获得；在此基础上，发展了相应的初至波射线路径计算方法，并实现了地形“平化”策略下地震波初至走时层析成像方法；将该方法应用到青藏高原东北缘景泰-合作剖面宽角地震资料处理中，得到了该剖面上地壳精细速度结构，其速度分布特征与沿该剖面的构造分区相匹配。. （2）在初至波走时研究工作的基础上，结合分区多步技术，发展了起伏地表下反射波走时及射线路径的计算方法；同样利用反投影算法，发展了“平化”策略下反射波走时层析成像方法，以及联合初至波和反射波的多震相联合层析成像方法，有效提高了成像的分辨率。. （3）在贴体网格模型参数化的基础上，采用与地形有关的波动方程进行波场延拓，并应用零延迟归一化互相关成像条件，发展了地形“平化”策略下的弹性波逆时偏移成像方法。. （4）引入迎风格式快速扫描法和L-BFGS（Limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon）方法，实现了一种新的地形“平化”策略下初至走时层析成像方法，有效提高了计算效率；将该方法应用于华北地区安新-宽城剖面，得到了该剖面上地壳精细速度结构的初步结果。. 本项目发展了适应复杂地形的高精度走时层析成像方法，在实际资料中的应用，可为震区提供深部构造背景和孕震环境所需的速度结构参考。