基于全波方程的岩石圈结构成像方法及其应用研究

Seismic tomography is one of the most effective tools for exploring the inhomogeneous interior structures of the earth.The seismic waveform tomography uses enough waveform information of seismic observation data to inverse the earth interior structures, therefore, the inversed results are reliable and have high resolution. The imaging method has become a focus and the developmental direction of seismic inversion imaging research. Based on the full wave equation, this project would like to develop a new theory and method of seismic tomography through using the adjoint method and the variational principle, and joining with the Bayesian inversion theory. For the forward method, which is another crucial technology in waveform imaging methods, we will be with the help of the accelaration technology of the high performance computer system based on the GPU/CPU collaborative technology to develop high performance algorithms that have advantages of high accuracy, easy to parallel implementation and keeping symplectic structures. Meanwhile, we will also investigate the seismic responses of waves propagating in crust and upper mantle media. Finally, we will investigate the three-dimensioanl fine lithosphere structures of North China through applying the real earthquake data and the seismic waveform imaging theory and methods developed by this project. Smoothly finishing this project, we will achieve a new imaging method and theoretical system of full waveform tomography that has independent innovation by Chinese, and obtain the three-dimensional fine lithosphere structures of North China. The results may be expected an important breakthrough of seismic waveform tomography in theories and methods.

地震层析成像是研究地球内部非均匀结构最有效的工具。地震波形层析成像充分利用地震观测数据的波形信息反演地球内部结构，因其利用的波场信息丰富，故成像结果可靠且分辨率高，已成为地震反演成像的研究热点和未来发展的方向。本项目拟借助伴随方法的思想，利用变分原理，并结合贝叶斯反演理论，开拓性地建立基于全波方程的地震波形层析成像新理论和新方法。针对波形反演成像中的又一关键技术：正演方法，本研究拟借助高性能计算机的CPU-GPU协同加速技术，重点发展具有高精度、易并行、保辛结构不变等优点的高性能计算并行算法，并研究地震波在地壳和上地幔介质中传播的地震响应特征。最后，利用实际地震资料和本研究发展的地震波形成像理论和方法研究中国华北地区的三维岩石圈精细结构。这一项目的顺利完成，将获得中国自主创新的波形层析成像新方法和理论体系，以及中国华北地区的三维岩石圈精细结构，有望实现地震波形层析成像理论和方法的重要突破。

本项目紧紧围绕地震层析成像理论和方法及其应用开展研究。主要研究内容包括：地震波传播方程的正演数值计算方法、基于全波方程的波形反演理论和方法以及地震偏移成像及其应用等。通过这些内容的研究，取得了一系列重要研究成果，主要包括：（1）基于NAD类算子，发展了一系列高精度、高分辨率、低数值频散、且保辛几何结构的高效率波场模拟方法及其并行算法；（2）基于NAD算子和保辛方法的逆时偏移（RTM）成像方法；（3）发展了能易处理起伏地表、间断面、非均匀复杂介质问题的间断有限元（DG）波场模拟方法及其RTM算法；（4）发展了可应用于远震数据成像的杂交正演算法和逐元正演方法；（5）提出了基于全波方程的动力学反演方法和基于数据同化思想的波形成像方法；（6）发展了时窗推移地震层析成像和交错网格地震层析成像方法；（7）发展了系列精准地震定位方法；（8）获得了首都圈地壳和华北地区岩石圈结构的高分辨率成像结果；（9）获得了华北地区的各向异性结构及其特征新认识；（10）开发了具有自主知识产权的拟波形成像软件包：包括基于有限差分方法求解波动方程的拟波形成像软件、球坐标下基于谱元法的拟波形成像软件、可利用远震数据的逐元法拟波形成像软件。这些成果大都以论文方式在国内外学术刊物上发表或已提交相关学术刊物，目前已发表学术论文共38篇，其中SCI论文35篇。这些成果的获得，将极大地推进地震学，特别是地震波传播理论、地震波形成像方法和技术的新发展，并有望广泛应用于其它地区地壳和上地幔结构的高分辨率成像，对于深入研究地震发生的构造背景以及地震孕育和发展过程的深部构造环境具有重要的科学和现实意义。