远震接收函数三维逆时偏移方法研究及其应用

论文摘要

地球内部广泛存在速度不连续界面,这些界面的深度和起伏构造对于研究地球的组成、温度、压力及地球动力学演化过程有重要意义。主动源地震学方法耗资巨大,且受其穿透深度的限制,主要用于研究较浅的地球结构。目前全球范围密集地震台网布设,以及世界范围的中强地震频发,被动源地震成像方法被广泛应用于地下结构研究。在被动源地震学研究中,远震接收函数作为一种常用技术,为研究地壳上地幔速度间断面以及横向变化,提供了理想的工具。另一方面,逆时偏移方法作为目前适用于密集台网的高分辨率成像方法,其最初是应用于反射波成像,该方法具有适应性强、数值稳定、成像保真度高及易操作等优点,目前已有学者将逆时偏移方法引入到远震成像中。传统远震波形成像方法存在的主要问题是:1)无法准确对横向强烈变化的结构成像,如共转换点叠加（CCP）方法;2)远震逆时偏移波场传播过程用到的全波动方程数值模拟方法,其计算量大且对存储要求高;3)目前利用远震数据进行逆时偏移的方法均需要去除震源响应,且在波场传播过程中对P波和S波进行波场分离,操作较为复杂。针对上述问题,本文提出一种直接利用接收函数进行三维逆时偏移的方法（RF-RTM）,其不仅可利用地下界面初次的P-S转换震相成像,也可以利用其二次转换震相PpPs成像。1)与传统逆时偏移方法类似,RF-RTM方法也可以对复杂地下结构准确成像;2)该方法利用PSPI算法作为波场传播算子,相较于其他全波动方程数值模拟方法,该算法的计算效率较高,且该方法无条件数值稳定;3)RF-RTM方法直接利用接收函数进行成像,接收函数通过反褶积去除了震源响应,其波形主要包含P-S转换波信息,因此该方法无需进行P波和S波分解;4)实际台站布设往往是稀疏且不等间距的,而高精度的成像技术需要信号密集且等间距的。为了解决该问题,本文发展了一种接收函数非线性伸缩插值方法;5)最后本文将上述插值方法和成像方法应用到两个研究区,一是位于美国中部地区的沃巴什峡谷地震带中布设的300-km长台站间距约为10 km的线性台阵,二是位于中国新疆西准噶尔地区一条长约100-km台站间距约为1 km的近似线性台阵。通过上述研究,本文主要得出的结论如下:1.对不同类型的Moho模型进行数值模拟和偏移成像,验证了本文提出的RF-RTM方法的有效性,并通过与传统接收函数CCP叠加成像结果对比,阐述了该方法的优越性:1)在地下存在横向变化剧烈或陡倾角结构的情况,RF-RTM仍可准确将界面偏移到正确位置,而CCP方法无法将转换点偏移到正确位置;2)对于波场在横向剧烈变化界面处产生的绕射波,RF-RTM可对其准确成像,而CCP方法成像结果因绕射波能量出现干扰假象。2.通过对成像影响因素分析讨论:1)本文建议利用RF-RTM方法对地壳尺度的接收函数成像时,台站间距应小于5 km,另外对于地下结构横向变化剧烈或实际波形数据有噪音的情况则要求高频的接收函数和较小的台站间距;2)通过测试速度模型的敏感度,界面深度受速度及/影响较大,因此一个相对精确的地壳P波和S波速度模型对于RF-RTM和CCP方法均是必要的;3)本文提出的RF-RTM方法通过模拟实验可以成功利用二次P-S转换波PpPs进行成像。可以同时利用接收函数中的Ps波及PpPs波成像有诸多优势,如增加了用于成像的数据、可以识别由于多次波造成的假象界面、通过对比Ps波和PpPs波成像结果可以调整速度模型平均的/比值;4)环境噪音对成像结果有较大影响,当地下结构横向变化剧烈时,影响更明显。为了获取高精度的成像结果,应尽可能选取高信噪比的数据进行成像;5)通过对比,基于PSPI的逆时偏移计算效率高于基于有限差分的逆时偏移。3.对于接收函数非线性伸缩插值规范化方法,通过多个数值模拟试验验证了该方法的有效性,得出了如下结论:1)该方法可以将分布不均的接收函数插值到等间距,在初始假设稍有违背的情况该方法仍然适用;3)该方法可以有效减少阶梯状的插值假象;3)当存在强烈绕射时,该方法无法完全将绕射点处的接收函数波形恢复;4.对于美国中部沃巴什峡谷地震带研究区,从成像结果中我们可以得出结论:1)该线性剖面下方可见的间断面包括深度为13km左右的间断面,推测为伊利诺伊盆地部分,深度为1020 km的间断面,可能为上地壳和下地壳的边界,及最深的Moho界面,其从东南方向的近50 km到西北方向近60 km变化,另外剖线中心部位深度为40 km左右存在一个间断面,被解释为裂谷枕的顶部;2)对比RF-RTM和CCP结果,受一维速度模型假设影影响CCP成像结果比较平滑,而RF-RTM结果起伏相对明显一些,更能反映横向非均匀介质的特征。5.对于中国新疆西准噶尔地区,从成像结果可以得出结论:1)准噶尔盆地基底厚度大概在3 km左右,且横向起伏较明显;2)在扎伊尔山和准噶尔盆地交汇处可见一明显的倾斜速度间断面,推测为从地表延伸到中地壳的一个高角度断层;3)RF-RTM成像显示Moho深度变化范围在4250 km,其中扎伊尔山下方Moho界面深度近似水平约为42 km,从扎伊尔山和准噶尔盆地交汇处开始Moho界面明显加深,准噶尔盆地上测线下方Moho界面最深在50 km左右;4)与CCP结果相比较,RF-RTM成像结果在横向上起伏更明显,提供了更多的横向信息。

论文目录

作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 逆时偏移方法研究现状

1.3 天然地震偏移成像研究现状

1.4 论文主要内容概述

1.4.1 拟解决的问题及论文创新点

1.4.2 论文主要内容

第二章基本方法原理

2.1 主动源逆时偏移方法

2.1.1 主动源逆时偏移方法原理

2.1.2 主动源逆时偏移存在的挑战

2.1.3 主动源逆时偏移算例

2.2 接收函数逆时偏移方法

2.2.1 远震接收函数方法原理

2.2.2 接收函数逆时偏移方法

2.3 PSPI方法

2.3.1 横向均匀介质情况

2.3.2 横向非均匀介质情况

2.4 本章小结

第三章数值算例分析

3.1 数据处理流程

3.2 SEM-FK混合算法

3.3 正弦Moho模型试算

3.3.1 模型参数设置

3.3.2 成像结果及讨论

3.4 阶梯状Moho模型试算

3.5 三维倾斜Moho模型试算

3.5.1 模型及参数设置

3.5.2 RAYSUM方法

3.5.3 成像结果及讨论

3.6 RF-RTM成像影响因素分析

3.6.1 台站间距的影响

3.6.2 背景速度模型的影响

3.6.3 PpPs多次波成像分析

3.6.4 背景噪音的影响

3.7 利用PSPI与有限差分方法进行波场外推的对比

3.7.1 二维声波方程有限差分（FD）原理

3.7.2 基于PSPI和有限差分的RF-RTM对比

3.8 本章小结

第四章接收函数非线性伸缩插值规范化方法

4.1 非线性伸缩插值规范化方法原理

4.2 具体操作流程

4.3 数值算例分析

4.4 讨论

4.5 本章小结

第五章美国中部沃巴什峡谷地震带成像研究

5.1 地质构造及数据来源

5.1.1 区域地质构造背景

5.1.2 数据来源

5.2 接收函数计算及插值

5.3 成像结果分析及讨论

5.3.1 成像结果分析

5.3.2 讨论

5.4 本章小结

第六章西准噶尔地区地壳结构成像研究

6.1 地质构造及研究现状

6.1.1 地质构造背景

6.1.2 研究现状及研究意义

6.2 数据及接收函数计算

6.3 二维速度模型建立

6.4 成像结果及讨论

6.4.1 成像结果

6.4.2 与CCP结果对比讨论

6.4.3 影响因素讨论

6.5 本章小结

第七章结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 姜小欢

导师: 朱露培

关键词: 接收函数逆时偏移,地壳尺度成像,接收函数非线性插值,美国中部沃巴什峡谷地震带,西准噶尔盆地

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金面上项目《鄂西地区三维地壳结构的高分辨率地震学研究》(项目编号:41374060),国家自然科学基金重点项目《西北天山-西准噶尔陆下岩石圈地幔属性及其对斑岩型铜金矿床成矿的动力学意义》(项目编号:41530319)

分类号: P631.4

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000073

总页数: 124

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