天然地震与海底大地电磁数据联合反演西太与菲律宾海板块俯冲结构

The study focuses on the three-dimensional (3-D) joint inversion of seismology and seafloor magnetotelluric (MT), and tried to develop the approach of 3-D tomography and seafloor MT regularized inversion, which can be applied to the research of oceanic deep structure. We hope to use the multiple geophysical methods inner coupling based on model gradient cosine similarity constraint to achieve the 3-D joint inversion approach of seismology and seafloor MT, and give full play to the advantage of these two geophysical methods in the research of deep structure. Meanwhile, we apply this new technology to invert the data of Ocean Bottom Seismometer (OBS) and Ocean Bottom Electro-magnetometer (OBEM) at western Pacific and Philippines Sea, and obtain the deep structure of velocity and resistivity. Based on the inversed results, we can understand the subduction form between Pacific plate and Philippines Sea Plate, the distribution of subduction plate under the Philippines Sea plate, and know relationship between the fluid migration path in the subduction zone and subduction process. These new findings can give us new supports to research the relationship between these two plates, also the source of the water in the mantle.

本研究着眼于天然地震和海底大地电磁三维联合反演研究的空白，针对性地研究适合海域深部结构的天然地震三维层析成像技术和海底大地电磁三维正则化反演技术，结合申请人提出的基于模型梯度矢量余弦相似度平方的多地球物理方法联合反演耦合方式，研究实现天然地震与海底大地电磁的三维联合反演技术，充分发挥两种地球物理方法在深部结构研究中的优势并进行互补。同时，利用该联合反演技术对日本最新公开的西太平洋和菲律宾海板块的海底宽频带地震数据和海底长周期大地电磁数据进行联合反演，获得该研究区域的深部三维速度和电阻率结构，根据联合反演获得的两种物性及其关系，更全面和更精细刻画太平洋板块与菲律宾海板块的俯冲形态、菲律宾海板块下的俯冲板片分布、地幔中流体运移轨迹等证据，为研究板块间的构造接触关系和地幔中流体来源等地质问题认识提供新方法和新依据。

本项目针对海域深部结构的天然地震三维反演和海底大地电磁三维单一反演技术的深入研究，结合申请人提出的基于模型梯度余弦相似度耦合的多地球物理方法联合反演耦合方式，实现天然地震与海底大地电磁的三维联合反演方法。同时，利用公开的西太平洋和菲律宾海板块的海底宽频带地震数据和海底长周期大地电磁数据进行联合反演并初步解释。.本项目的主要研究成果是：1）将正则化理论应用于接收函数的反演中，提出了基于最小二阶梯度支撑的模型稳定泛函，并将其应用于单台站的接收函数的正则化反演，运用并行计算方式实现了多台站的接收函数三维反演；2）对大地电磁三维正则化反演方法的改进，使其适用于各种复杂的地形条件，并将基于指数聚焦的模型稳定泛函引入到大地电磁的三维反演中；3）将基于模型梯度矢量余弦相似度平方的耦合方式应用于接收函数和大地电磁的三维联合反演中，并从模型实验中验证了这种联合的耦合方式可以构建速度和电阻率之间的联系，实现联合反演。4）收集整理了公开的菲律宾海和北西太平洋的长周期海底地震仪和海底大地电磁数据，对这些数据进行了初步地整理和处理，并利用前面研究的方法技术对这一区域进行了接收函数和大地电磁的三维联合反演计算，得到了菲律宾海地区的深部速度和电性构造，并对俯冲带的形态和菲律宾海板块的物性差异进行了初步分析。为研究板块间的接触关系和地幔中流体来源等地质问题提供新依据。.本项目的科学意义在于，1）在接收函数反演中提出基于最小二阶梯度支撑的模型稳定泛函的正则化反演方法，优化了接收函数的反演方法。2）将指数聚焦的模型稳定泛函应用于三维大地电磁的三维反演中，获得尖锐的边界反演结果。3）实现了天然地震和大地电磁的三维联合反演，为海域的数据处理提供了联合反演手段；4）通过速度和电阻率的联合反演结果进一步认识了菲律宾海板块与西太平洋的俯冲接触关系等地质问题。