基于噪声面波波形反演的三维速度建模技术

Ambient noise tomography has proven particularly useful in resolving internal structure of Earth and near-surface environmental survey. Large-scale dense seismic array and the advanced imaging technique respectively provide the high quality data and great approach to rebuild the subsurface structure with the high resolution. However, ambient noise surface wave tomography, which is based on the ray theory and the assumption of 1D layered model, remains several challenges. Meanwhile, waveform inversion has a powerful ability to obtain the high-resolution subsurface velocity, but it suffers the high computational costs and low convergence speed compared with ambient noise tomography. In order to retain the advantages of waveform inversion and improve the convergence speed further, we propose 3D velocity model building based on waveform inversion of ambient noise surface wave. In this study, the misfit function is built by dispersion curve measurements, and Newton direction is generated using truncated Newton method, which has faster convergence rate. At last we will integrate the above and apply the proposed method to the field data, especially in the region where the seismic hazard is high.

基于背景噪声的反演成像方法，是地球内部结构研究和环境地质调查工作中非常重要的一种技术手段。大规模密集地震台阵的布设以及不断发展的反演成像方法，为构建高质量的地下速度模型提供了优质的数据和技术条件。但是目前背景噪声面波层析成像方法通常基于射线理论和一维层状模型等假设，其在反演含起伏地形等复杂构造的三维速度结构时具有一定局限性；新近发展的拥有高精度建模能力的波形反演方法，其应用则受限于较高的计算开销及较慢的收敛速度。为了充分发挥波形反演的优势并进一步提高收敛效率，本项目拟开展基于噪声面波波形反演的三维速度建模技术研究。通过建立以频散曲线为拟合标准的目标函数，并利用截断牛顿法求取具有更快收敛速度的牛顿方向，进而实现三维速度的快速反演。本研究将为地震易发区域的精细速度建模、震源精准定位以及格林函数库的构建等方面的研究提供重要的基础数据，这也将有助于开展有效的地质灾害评估等工作。

基于背景噪声的反演成像方法，是地球内部结构研究和环境地质调查工作中非常重要的一种技术手段。大规模密集地震台阵的布设以及不断发展的反演成像方法，为构建高质量的地下速度模型提供了优质的数据和技术条件。但是目前背景噪声面波层析成像方法通常基于射线理论和一维层状模型等假设，其在反演含起伏地形等复杂构造的三维速度结构时具有一定局限性；新近发展的拥有高精度建模能力的波形反演方法，其应用则受限于较高的计算开销及较慢的收敛速度。为了充分利用可靠的频散数据以及发挥波形反演的优势，本项目开展了基于噪声面波的三维波形反演速度建模技术研究，通过建立以频散曲线为拟合标准的目标函数，并利用频率域的散射积分法合成敏感度核函数来构建反演系统。该方法只需在正演过程中提取60个频点左右的波场，其存储空间仅为传统时间域的5%左右，极大地降低了波场存储压力和计算时间。通过理论数据以及四川盆地噪声面波的频散数据反演验证了方法的可靠性。本项目使用的方法可以很好地用于大规模密集台阵背景噪声数据的反演，为探明地下速度结构提供重要的技术工具。本项目还深入研究了截断牛顿法的全波形反演技术，为进一步的精细速度建模提供技术储备。