基于波动方程和接收函数的岩石圈多参数联合反演方法与应用

Full wave equation-based seismic tomography is considered to be the new generation imaging method in earth science. This project would like to develop a new multi-parameter joint inversion method, by combining the wave equation-based traveltime tomographic method and the receiver function method, to obtain lithosphere structures including velocity structures, source parameters, Moho topography and anisotropy. Firstly, wave equation-based joint inversion method is derived by using variational principle, Born approximation, Green function based on wave equation theory, to invert crustal velocity structures and source parameters simultaneously. The conception of “partial kernel” is put forward and the corresponding station partition principle is given, to balance the conflict of constrains of inverse problem and computational burden. Since the Moho reflection phases are helpful in improving the resolution of middle-to-lower crust in tomographic inversion, a high precision technique for obtaining the traveltimes of Moho reflection phases is also studied. The lithosphere velocity structures, the Moho topography and the anisotropy are obtained by the receiver function method using teleseismic data, which can be used as initial parameters for wave equation-based joint inversion method. Furthermore, the Moho topography is updated based on the fine crustal velocity structures obtained by the joint inversion. The accomplishment of this project will achieve a new method in inverting the fine stereo-structures of lithosphere parameters, providing more detailed seismic evidence in understanding geological structures, Moho topography and dynamic process of lithosphere.

基于全波方程的地震层析成像是新一代成像方法。本研究拟结合基于波动方程走时层析成像和接收函数方法，发展岩石圈速度结构、震源参数、Moho面形态和各向异性结构的多参数联合反演方法，以获得岩石圈立体精细结构。首先，基于波动方程，利用变分原理、Born近似、格林函数等推导基于波动方程的速度结构和震源参数联合反演方法。为平衡反演约束条件与计算负荷之间的矛盾，提出部分敏感核并给出台站分部策略。为利用反射震相提高层析成像中下地壳的分辨率，给出反射震相走时高精度提取技术。最后通过接收函数利用远震资料获得岩石圈速度结构、Moho面参数和各向异性参数，为波动方程走时联合反演提供高精度初始模型并反演地壳速度精细结构，进而在地壳新速度模型下对Moho面参数进行修正。该项目的完成，有望获得区域尺度包含岩石圈的全方位多参数立体成像方法，为揭示岩石圈地质结构、Moho面精细形态和地球动力学演化提供更精细的地震学证据。

相对基于传统射线理论的地震层析成像方法，基于波动方程的地震层析成像是一种更有前景的新一代研究方法，为人们进一步认识地球内部结构和性质提供新的工具。本项目以地震层析成像应用为目的，致力于发展具有更高精度的地球物理反演新方法，并将其应用于地球深部探测的实际研究中去。本项目的研究内容、取得的重要成果和科学意义主要包括：.（1）针对反演中需要大规模数值求解波动方程的问题，发展了高精度、高效率、低频散、易并行的有限差分数值算法，并利用间断有限元法模拟含起伏间断面的地球介质模型中地震波的传播。.（2）将卷积最佳匹配层吸收边界条件与二阶波动方程结合。数值模拟结果表明，卷积PML相对于传统PML吸收边界条件具有更好的稳定性。.（3）利用基于波动方程的拟波形地震层析成像方法对首都圈地区地壳的P波和S波速度、以及泊松比结构进行反演成像，获得了该区域三维高分辨率Vp，Vs以及泊松比结构。.（4）在基于程函方程求解的层析成像软件包基础上，开发了基于程函方程的P波各向异性层析成像程序，包括方位角各向异性和径向各向异性的地震层析成像反演程序。.（5）利用上述软件包，对日本Kobe地震震源区域地壳进行层析成像，获得该区域速度与方位角各向异性参数的三维高分辨率结构，结果表明该区域的各向异性结构与地表断层分布具有紧密的联系，Kobe地震的发生可能与深部板块脱水对地壳的底侵作用有关。