探地雷达三维逆时偏移成像方法及其在活断层研究中的应用探索

Ground-penetrating radar (GPR), which is a non-destructive geophysical technique with high-resolution, has been frequently applied in the study of active faults. How to enhance the exploration efficiency of GPR remains a big challenge. The current status of insufficient domestic work on GPR imaging methods has depressed its further application. Taking into account that there has been no report on GPR imaging using 3D reverse-time migration (RTM) till now, we’ll introduce the RTM method, which is well-adopted technique in seismic exploration, into GPR imaging. We’ll achieve the 3D RTM for GPR imaging by modeling the wave equations using FDTD method and selecting the related imaging condition. A MPI-OpenMP hybrid parallel algorithm will be developed to enhance the computing efficiency. Some numerical models will be adopted to test the imaging effect of our 3D RTM method. This study is aiming at providing a new imaging tool for the study on active faults. As the field test, we’ll perform the GPR surveying at the Xiadian Fault and process the data using our 3D RTM method. After comparing our imaging results with the existed geological and geophysical data at the Xiadian Fault, we’ll evaluate the effect of applying GPR method to study active faults. The related work may provide some quantitative evidence for the seismic risk evaluation in Sanhe-Pinggu area. We have already performed some pre-work related with the above study, which significantly enhance the chance of success for the proposed study.

具有无损性和分辨率高的探地雷达（GPR）方法在活断层研究中得到了广泛应用，但如何提高其抗干扰能力和探测效果仍然是一个有待解决的难题，国内GPR成像方法研究相对不足的现状制约了其应用效果，国外也未见GPR三维逆时偏移方法的报道。为此，本项目拟将地震勘探中已被证实成像效果更佳的逆时偏移方法引入到GPR成像研究中，基于FDTD方法进行全波场模拟，结合成像条件构建GPR三维逆时偏移成像方法，开发MPI和OpenMP混合并行算法以提高其计算效率，并通过数值模型检验该方法的成像效果，为活断层研究提供一条新的成像途径；选择三河-平谷地区研究程度较高的夏垫断裂开展GPR探测试验及三维逆时偏移成像研究，通过与该断裂已有地质、地球物理资料的对比研究，探讨GPR方法在活断层研究中的应用效果，并为首都圈三河-平谷的断层活动性及地震危险性研究提供定量的科学依据。项目组已开展的前期研究为本项目提供了可行性保障。

活断层研究可以为地震危险性研究提供参考依据，也是地震减灾研究的重要内容之一。具有无损性和分辨率高的探地雷达（GPR）方法在活断层研究中得到了广泛应用，但如何提高其抗干扰能力和探测效果仍然是一个有待解决的难题，这也在一定程度上制约了其应用效果。本项目借鉴地震勘探中已被证实成像效果更佳的逆时偏移方法的思路，将其引入到GPR成像研究中，基于FDTD方法进行全波场模拟，结合成像条件构建GPR三维逆时偏移成像方法，构建了GPR三维逆时偏移成像方法；为了提高其实用性，进一步开展了相关算法的并行化方法研究，通过开发MPI和OpenMP混合并行算法来提高其计算效率，使其能满足三维成像的计算要求，并通过数值模型检验了该方法的成像效果和计算效率，为活断层研究提供了一条新的成像技术途径；选择北京高丽营断裂带开展GPR探测试验及三维逆时偏移成像研究，通过与该断裂已有地质、地球物理资料的对比研究，探讨了GPR方法在活断层研究中的应用效果。相关研究可为首都圈断层活动性及地震危险性研究提供一定的科学依据。.迄今已发表标注本项目资助的论文10篇（第一标注7篇，第二标注3篇），其中SCI论文8篇（第一标注6篇，第二标注2篇）；在国内外学术会议做报告10余人次；培养了出站博士后2名，毕业博士2名、硕士1名；在项目执行期间，项目负责人获得中国地球物理科学技术奖科技创新一等奖奖励，2名项目组成员获得国际学术会议优秀学生论文奖，2名项目组成员获得国家自然科学青年基金项目。