六分量地震波场的模拟与观测

What meaningful information can we get from 6-component observation? How to use these information? Based on the characteristics of the rotational component, which is different from the translational component, this proposal intends to study the following three aspects from both perspectives of theoretical numerical simulation and filed data. First, we will study the finite-difference simulating method for 3-dimensional anisotropic media with different types of seismic source and different media assumptions considered; and at the base of simulations, analyze the responses of various types of seismic waves on six-component by comparing the simulation results from different sources, different models and parameters of the observation system, which can provide guides for subsequent observational experiments. Secondly, we will develop a few denoising and wavefield separating methods for six-component seismic data, including vector wavefield separation and pure wave composition, vector-based random noise suppression methods, which will be needed in the following preprocess and seismic phase extraction for both synthetic and field data; Finally, with the combination of the surface wave survey, and exploiting seismic observation under the condition of active source, and observation with long-period seismometers, compared with reference station observations under the condition of passive source, including comparisons of various rotation recorders, we will emphasize on analyzing the differences between rotational components and translational components according to the theoretical simulations, and exploring the feasibility of improving the accuracy of seismic inversion and expanding the applications of six-component data. Furthermore, this study will provide technical parameters for the research and development of six-component seismometers in China.

针对六分量观测能给我们带来哪些有意义的信息？如何利用这些信息？本申请拟围绕旋转分量不同于平动分量的特点，从理论数值模拟和实际观测对比的角度展开如下三个方面的研究：1）研究不同震源类型、不同介质复杂程度的三维各向异性有限差分模拟方法，通过不同震源与介质参数的模型变化、观测系统参数变化的数值模拟，分析讨论各种类型地震波在6分量上的响应特征，以指导后续的观测试验研究；2）研究针对6分量地震数据的特色去噪和波场分离技术，包括矢量波场分离与纯波合成，基于矢量场的随机噪音压制技术，以服务于模拟和实际观测数据的预处理和震相提取；3）通过主动源工程面波勘察、工程地震观测，和气枪震源阵列观测、泉州国家基准台观测及仪器的比对，配合数值模拟，分析旋转分量不同于平动分量的特征，探索利用6分量观测提高地震反演精度、拓展工程应用的可行性；并为下一步我国六分量地震观测设备的研发提供选型和技术参数依据。

随着高灵敏度旋转地震仪的发展，大量强震和近震观测中发现了不可忽略的扭转运动，使得旋转运动成为国际地震学研究的热点，而我国在这一方面的研究基本还属于空白。在国际旋转地震仪和旋转地震学研发应用获得迅速发展的条件下，如何发展我国的旋转地震学需要首先回答的问题是：六分量地震观测能给我们带来哪些有意义的信息，如何利用这些信息？如何根据不同的应用需求，设计我们自己的研发目标以实现仪器、观测和旋转地震学科发展的跟踪和超越？为此，项目主要开展了地震旋转运动数值模拟、观测、不同仪器比对分析和六分量地震数据解译四方面的研究，取得了如下的重要成果：.1）通过数值模拟和实验分析，证实了介质的各向异性、粘弹性、局部速度非均匀性、场地条件对地震旋转运动的产生具有控制作用，震源各参数对地震旋转运动的产生具有不同的影响；厘定了非线性小变形是强震、近震产生旋转运动的主要原因之一；.2）通过两个工程地震试验和福建三地地震六分量观测，获得了高信噪比的主被动源地震六分量记录，证实了地震旋转运动产生的近震、强震机制与场地影响，及高层建筑的扭转特征不同于平动地震；.3）通过六分量地震数据处理反演方法技术研究，厘定了利用单点六分量地震观测实现地震定位和相速度反演的可行性与存在的不足；证明六分量地震联合应用有助于提高震源机制与介质横波速度结构反演精度；.4）通过不同类型旋转地震仪、不同场地环境的六分量地震观测和分析对比，证实了现有旋转地震仪的观测能力与不足。.项目成果不仅获得了长时有效的六分量地震观测数据，为旋转地震学的研究提供数据资源，项目研发的六分量地震数据处理软件系统可为六分量地震观测及其应用提供有力的工具；项目的数模成果不仅有助于认知地震动的旋转特征，也为利用地震旋转分量提高震源与介质的反演精度奠定了理论基础；项目研究成果不仅填补了国内该领域的空白，还可为旋转地震仪研发选型和进一步探索利用六分量地震奠定基础。