地震各向异性波形层析成像方法研究及其在南海壳幔结构反演中的应用

Seismic waveform tomography (SWT) is an effective method to reveal the accurate properties of the earth's interior. The frequency of the natural earthquake is very low, the signal/noise ratio of data is high with wide spectrum, the reference earth model is relatively accurate, therefore the application research of SWT to natural seismology and geodynamics has more advantages than to seismic exploration. However, SWT methods are seldomly used to study geodynamics of South China Sea (SCS). Thus, this proposal is going to study new anisotropic SWT methods using multi-component data recorded by land stations and OBS, which will then be applied to invert the anisotropic parameters of the crust and mantle of SCS. The data comes from public platforms such as ISC and a NSFC key project under our studying. To make these new SWT methods possible to reveal crust and mantle structures with high resolution, we are going to use a radially anisotropic elastic equation and its pseudo acoustic equation in forward study in order to make seperately use of surface waveform and compressional waveform. In backward study, a matrix decomposition algorithm nearly proposed by applicant will be used to effectively calculate the accurate second-order direction. In application study, this project will discuss the geodynamics of SCS such as the thickness of the lithosphere, the convection properties of the upper mantle, the relationship between SCS crust and surrounding plates, and the mechanics of the formation of SCS, according to the inverted anisotropic parameters in the crust and mantle of SCS.

地震波形层析是准确获取地球内部介质属性的有效手段。天然地震频率低，数据信噪比高、频带宽，参考模型相对准确，因此将波形层析应用于天然地震与地球动力学研究，相对于勘探地震具有先天优势。但无论哪种波形层析成像方法，都尚未在南海的地球动力学研究中得到应用。因此本课题拟研究利用陆上台站与OBS多分量数据的各向异性地震波形层析成像方法，并将其应用于南海壳幔各向异性参数的反演。数据来源于ISC等公共平台与一申请人在研的重点基金课题。为了使这种新的波形层析成像方法能够获得高分辨率壳幔结构，正演部分将基于径向各向异性弹性波方程及其拟声波方程，以分别重点利用面波与P波波形；反演部分采用申请人最近提出的矩阵分解算法以实现波形层析中二阶方向的高效、精确计算；应用研究部分将根据南海壳幔各向异性参数反演结果对南海岩石圈厚度、上地幔物质对流形态、南海洋壳与周边板块的关系、南海的地球动力学成因等科学问题进行探讨。

地震波形层析是准确获取地球内部介质属性的有效手段。天然地震频率低，数据信噪比高 、频带宽，参考模型相对准确，因此将波形层析应用于天然地震与地球动力学研究，相对于勘探地震具有先天优势。但无论哪种波形层析成像方法，都尚未在南海的地球动力学研究中得到应用。因此本课题研究利用OBS数据的地震波形层析成像方法，并将其应用于南海壳幔结构的反演。具体研究内容包括：（1）理论方法研究——弹性波方程或拟声波方程的波形层析成像方法；（2）应用研究——基于OBS数据的南海壳幔波形层析反演；（3）南海壳幔特征的地球动力学解释。. 项目组成员经过4年的努力，针对以上内容取得了如下研究成果：.（1）.基于负责人提出的矩阵分解散射积分算法实现了波形层析中二阶方向的高效、精确计算，进而提出了各向异性弹性波全波形反演方法和各向异性拟声波方程全波形反演方法，形成了相应的方法模块；.（2）.为了实现起伏地表或海底的贴体剖分，项目研究了基于SEM正演引擎的全波形反演方法。并将研究的地震层析成像与全波形反演方法应用于西沙海槽 的壳幔速度结构反演。利用OBS主动源数据获得了西沙海槽洋壳速度结构、起伏的莫霍面形态及其速度分布范围（~8km/s）； .（3）.将研究的地震层析成像与全波形反演方法应用于中国大陆、南海及周边的速度结构反演。利用天然地震数据获得了研究区域的壳幔速度结构，得到了准确的宏观地质特征。对南海岩石圈厚度、南海洋壳与周边板块的关系、南海的地球动力学成因等科学问题进行探讨；.（4）.负责人还亲赴东海秋月气田海域进行了OBS主动源地震数据的采集工作，并进行了预处理、层析成像与波形反演研究，得到了秋月气田地下高波数的地质结构特征。. 提出的地震层析成像与全波形反演方法有重要的应用价值，获得的南海、东海的壳幔结构对后续的地球动力学研究有重要的科学意义。