无源成像干涉法研究水库区速度结构变化

地震、火山活动、水库蓄水及油气开采等过程都会引起地下物质的运移或状态的变化，从而使地下结构发生变化，精确、有效地探测这种变化，对于认识地球内部的动力过程、指导人类工程活动、特别是防灾减灾有着重要的科学意义。本项目拟以具有指标意义的三峡水库和毗邻汶川震区的紫坪铺水库为例，针对传统的依赖于天然地震资料方法的缺陷，发展应用目前国际前沿的无源成像干涉法, 利用背景噪声资料研究在一定的力作用下地壳结构变化的空间分布和随时间变化的过程。利用布局范围较广的三峡水库台网资料，采用无源成像法获取水库蓄水前后的高分辨浅层地壳速度结构，研究速度结构变化的空间分布及其与地表变形、库水渗透及水库地震活动的关系；采用无源成像干涉法从布局紧凑的紫坪铺水库台网资料中获取速度结构随时间的变化，研究速度结构随时间变化的全过程及其与水库蓄水承压过程、汶川地震震后应力释放过程的关系。

本项目发展了研究地下介质结构随时间变化的无源成像干涉法，并应用该方法较深入地研究了水库蓄水和国内近年多个大地震引起的地下介质速度结构的变化。研究完成情况及取得成果概述如下： .1. 发展了基于三分量背景噪声资料的无源成像干涉法，显著提高了波速测量的精度和稳定性。对几种波速测量方法进行了对比研究，经过试算确定了波速测量中的关键计算参数，并通过方位角校正和钟差校正获得了更可靠的波速变化结果。.2. 采用三分量无源成像干涉法研究了紫坪铺水库蓄水及汶川地震引起的库区波速的时空变化，应用无源成像法初步研究了蓄水前后瀑布沟水库区的速度结构。利用紫坪铺水库区附近小孔径台阵数据，通过三分量单台噪声自相关和双台互相关方法在多个周期范围下研究了该水库区2004-2011年七年的波速变化。结果表明在水库蓄水后，1-2s周期的波速变化与水位变化呈明显负相关，即波速随水位增加而降低，反之亦反。这一结果可能反映水库蓄水引起地壳介质孔隙流体变化，孔隙流体的增加会造成压缩波波速升高而剪切波波速降低。本项目还重点研究了汶川地震引起的震中区介质波速变化，结果表明，汶川地震发生后，在1-8s周期范围都观测到了同震波速降低，但大于2s周期的波速在震后呈现先快后慢的二阶段恢复特征，反映了发震断层的震后愈合过程。而震后1-2s周期的波速变化幅度接近于震前的4倍，即震后波速对库区水位变化更为敏感。由此推测地震产生的强地面运动使浅层裂隙张开，导致了岩石渗透性和水的流动性显著增强，进而使波速产生明显变化。值得注意的是，水库蓄水对库区波速变化的影响仅限于1-2s周期范围（相对于深度约为2km的浅层地壳），这表明蓄水作用对库区介质的影响深度有限。在台站布局范围较广的瀑布沟水库区，尝试对蓄水前后各一年的连续波形应用无源成像法获得地壳速度结构，期望通过对比蓄水前后速度结构的空间变化来研究蓄水过程对库区介质变化的影响。但初步结果表明蓄水前后速度变化量与频散曲线提取的误差大小相当，因此我们认为通过对蓄水前后库区速度分别成像的方法可能难以检测蓄水引起的介质结构变化。.3. 应用地震附近区域台网资料对2010年4月14日玉树7.1级地震和2013年4月20日芦山7.0级地震引起的地壳介质波速变化进行了初步研究。尽管所用区域地震台间距较大，仍可以观测比较清晰的同震波速变化。总的来说，靠近主震震中的台站对表现为较大的同震波速降。