起伏地表观测的宽角地震资料高精度层析成像方法研究

Wide-angle seismic data play vital roles in reconstruction of the fine structures of the crust. Since full waveform inversion cannot be widely used yet, traveltime tomograpy is still the main means used in crust structure reconstruction. Traditional traveltime tomography methods for wide-angle seismic data are restricted by their low imaging precison dues to rugged surface topography, complex composition, and single phase used in the inversion. In view of this, we intend to develop a high accurate finite-difference tomography method to process the wide-angle seismic data in order to satisfy the requirement in detecting the fine structure of the earth. To accomodate the situation that wide-angle seismic data are often collected at rugged surface, we intend to transform the irregular surface in Cartesian coordinates to a flat surface in generalized curvilinear coordinates, construct the corresponding eikonal equation in the generalized curvilinear coordinates, and develop its efficient upwind finite-difference solver, in the meaning to obtain a precise tomography scheme that can match the complex terrain perfectly. Taking into account of the low imaging resolution using a single phase, we plan to develop a method for simutaneous inversion combing multi-phase travel times, and then try to apply it to the wide-angle seismic data collected in Tibet.

地震宽角资料是重建地壳精细结构的重要依据。在全波形反演尚无法广泛应用的今天，体波走时层析成像依然是研究地壳几何结构、速度分布与物质组成的主要手段。传统的宽角资料走时层析成像受复杂地表地形、复杂介质组成及反演时所使用的震相单一等限制成像精度较低。鉴于此，本项目拟发展处理宽角地震资料的高精度有限差分层析成像方法，以满足重建地壳精细结构的需要。为适应宽角地震资料采集于复杂地表的情况，拟将笛卡尔坐标系的非规则表面映射为广义曲线坐标系的规则平面，构造广义曲线坐标系的程函方程并发展其迎风格式的有限差分高效解法，进而发展一种与复杂地形完全匹配的精确的处理起伏地形的层析成像方法。考虑到单一震相走时层析成像受检波器间距和炮点分布的限制分辨率较低，研究利用壳内初至波，莫豁面的反射波及上地幔顶部的折射波联合成像，并尝试将其应用于青藏高原东昆仑宽角反射地震剖面的处理解释中。

宽角地震测深是探测地壳精细结构的重要手段。目前主要利用走时层析成像对宽角资料进行处理，重建地下速度结构。然而传统的走时成像方法受复杂地表地形、复杂介质组成及反演时所使用震相单一等的限制成像精度较低，难以满足地壳精细结构重建的需要。针对上述问题，本项目发展了一整套直接对起伏地表观测的地震资料进行高精度层析成像的方法，并在实际资料的处理中取得了良好的应用效果。. 具体的方法研究主要包括：提出了复杂地质模型贴体网格建模新方法，使用偏微分方程的方法生成高质量的贴体网格，实现了对复杂地质模型的精确描述；将笛卡尔坐标系地震波传播理论推广到普适性的曲线坐标系，建立了曲线坐标系下刻画地震波运动学特征的程函方程；发展了曲线坐标系程函方程的高效迎风快速扫描求解方法，实现了起伏地表模型中地震波走时的精确计算；在起伏地表走时计算的基础上，推导了起伏地表模型射线路径的求解公式，采用反投影算法及分区多步的思想，发展了适用于起伏地表的多震相（初至波和反射波）联合走时层析方法，有效提高了速度结构成像的分辨率。. 在上述方法研究的基础上，开展了新成像方法的应用研究，主要包括：将起伏地表初至波走时层析成像方法应用到青藏高原东北缘景泰-合作剖面的宽角地震资料的处理，显示了新方法处理起伏地表的潜在优势，获得该地区上地壳的精细速度结构；将起伏地表多震相走时层析成像方法应用到龙门山断裂带阿坝-龙门山-遂宁剖面的宽角地震资料的处理，凸显了联合反演的优势，揭示了龙门山断裂带附近上地壳速度结构的显著特征，为龙门山基底抬升的提供了观测依据。. 本项目研究成果丰富，已发表及拟发表SCI论文共计11篇，锻炼了一名博士后，培养了博士生2人，硕士生2人，成效显著。