地震、重力与大地电磁联合反演算法研究及在川滇地区岩石圈结构高分辨率成像的应用

This proposal targets at the 3rd major research direction “Development of high-resolution imaging theory and method for regional-scale deep earth structure” in the research area “New theory and method for earthquake monitoring and prediction” issued in the joint proposal call by CEA and NSFC. By taking advantage of different resolving powers and complementary strengths of seismic body wave travel times, surface wave dispersion data, receiver function data, gravity anomalies, and magnetotelluric (MT) data, this proposal plans to construct seismic, gravity and MT joint inversion system, which is based on the empirical relation and structure similarity between seismic velocity and density models, as well as the structure similarity between seismic velocity and electrical resistivity models. The joint inversion system that we propose to construct is highly flexible in that different combinations of data types can be selected for joint inversion. In addition, several strategies are adopted to evaluate the model resolution and reliability. In this joint inversion system, the structure similarity between different models is realized by minimizing cross gradients between two different models. As a result, in the joint inversion system, seismic velocity, density and electrical resistivity models are required to not only fit their respective datasets but also at the same time minimize cross gradients between models. We plan to deploy new MT sites in southern part of Sichuan-Yunnan region. By combining with the existing MT data, gravity data and earthquake data observed on dense permanent and temporary seismic stations, we will apply the newly developed joint inversion system to determine high-resolution three-dimensional (3D) lithosphere structure of the Sichuan-Yunnan region, which consists of self-consistent high-resolution 3D seismic velocity, gravity and electrical resistivity models.

本项目针对联合基金指南中“地震监测预测新理论和新方法”领域第三个重点研究方向“区域尺度深部结构高分辨率成像理论方法”展开研究。利用地震体波走时、面波频散、体波接收函数、重力异常和大地电磁数据在深部构造研究中分辨能力的差异性和互补性特点，基于速度和密度模型的经验关系和结构一致性，以及速度和电阻率模型可能存在的结构一致性，构建地震、重力与大地电磁联合反演系统。该系统具有高度灵活性，可以选择不同的数据组合进行联合反演，并且采用多种方式评价模型的可靠性。模型之间结构一致性基于交叉梯度最小化来实现，即在联合反演系统中，速度、密度和电阻率模型要同时拟合各自对应的数据并且最小化模型之间的交叉梯度。项目计划在川滇南部布设大地电磁观测站点，结合已有大地电磁观测数据、重力数据和川滇地区较密集的固定和流动地震台数据，确定川滇地区岩石圈高分辨率三维结构，获得统一的高分辨率三维地震速度、密度和电阻率模型。

本项目利用地震体波走时、面波频散、体波接收函数、重力异常和大地电磁数据在深部构造研究中分辨能力的差异性和互补性特点，基于速度和密度模型的经验关系和结构一致性，以及速度和电阻率模型可能存在的结构一致性，构建了地震、重力与大地电磁联合反演系统。该系统具有高度灵活性，可以选择不同的数据组合进行联合反演。模型之间结构一致性基于交叉梯度最小化来实现，即在联合反演系统中，速度、密度和电阻率模型要同时拟合各自对应的数据并且最小化模型之间的交叉梯度。我们收集了川滇地区固定地震台和一些流动地震台的数据，包括川西台阵、中国地震科学台阵探测I期台阵、以及位于研究区域内部的部分II期台阵。重力数据来自于EGM2008卫星重力数据库。电磁数据包括川滇地区已有的大地电磁观测数据和本项目在川滇南部新采集的150个大地电磁观测站点。利用新发展的联合反演系统，我们获得了川滇地区高分辨率速度、密度和电阻率模型。利用新的速度模型，我们发现地震主要位于低Vp/Vs异常区域，中强地震的震源区速度结构主要表现为高速异常。川滇地区中下地壳存在两个非连通低速异常条带，并关联Moho面附近低Vs梯度异常，表明中下地壳的低速异常可能对应穿过Moho面的地幔热物质引起的部分熔融。大地电磁成像显示沿着红河断裂带电阻率存在明显的分段性，中段存在一个巨型高阻体，具有发生强震的可能性。大地电磁和地震的联合反演显示2014年Ms6.5鲁甸地震位于低Vp/Vs和低电阻率异常区域，表明震源区存在高的SiO2含量和一定的流体，二者的结合使得该区域容易发生中强地震。综合速度、电阻率、各向异性和地球化学数据，发现哀牢山金矿带位于壳幔解耦区域，存在地幔熔融、基性岩浆底侵以及热流上侵，揭示了岩石圈构造对哀牢山金矿带的控制作用。本项目得到的速度、密度和电阻率模型对于川滇地区的地震减灾、矿产勘查和青藏高原的生长机制等问题都将起到重要作用。