有限频体波走时层析成像及其在华北地区的应用

论文摘要

自层析成像被引入到研究地球内部结构以来,地震层析成像发展迅速,现已成为研究地球深部结构的有效方法之一。按层析成像的理论依据,可以把地震层析成像分为射线层析成像和有限频层析成像。本文旨在掌握一种有限频灵敏度算核的计算方法,进而构建有限频层析成像的反演计算,并用有限频层析成像的方法研究华北克拉通上地幔的速度结构及其动力学意义。本文的主要研究内容及结论如下：在射线层析成像的方面,本文改进了FMM （Fast Marching Method）射线追踪方法,这种方法可以得到整个空间的完整走时场,并且求得的射线路径是最速路径。本文在算法上对FMM方法求取射线路径的过程进行了改进,使其求解速度更快。有限频层析成像是随着宽频带数字地震仪的发展而兴起的一种新方法,该方法克服了射线理论中“无限高频”假设所带来的弊端,考虑更接近于真实情况的地震波频率衰减、波散射及波前复原等情况。本文使用改进的FMM射线追踪方法构建了走时表,并在此走时表的基础上采用查表算法计算一维速度模型下的灵敏度算核,结果表明：查表算法可以获得较高的计算效率,为下一步开展有限频层析成像提供了有力的支持。本文讲述了波形的多道互相关法（VanDecar和Crosson,1990）和自适应叠加法（Rawlinson和Kennett,2004）拾取相对走时残差的基本原理,实现了两种方法的图形界面操作,简化了操作过程,方便结果的对比,剔除差别较大的数据,从而提高了相对走时残差的可信度。在实际地震资料方面,本文从华北地震科学台阵中的190套宽频带地震仪在2006年10月～2009年3月期间所记录的震中距在30°～90°的地震事件中选取多频段的相对走时残差进行P波和S波的速度结构的成像反演,得到如下结论：（1）研究区域西部的低速异常延伸至约400km,此低速异常反映了深部存在的热物质,本文的成像结果发现此低速异常没有贯穿地幔转换带到达下地幔,所以本文认为此低速异常并不是来源下地幔,至于这个低速异常的形成原因不能单从速度结构一方面去推断,应结合其它参数（热值、密度、Q值、物质成份等）进行综合的分析。（2）区域地震层析成像研究发现太平洋俯冲板块前缘已经抵达约120°E处（Huang和Zhao,2006）。本文研究发现在地幔转换带中也有一个高速异常体,推断其为太平洋俯冲板块的前缘。（3）华北盆地为裂谷型盆地,其速度异常的分布较为复杂,在100km-250km深度的范围内存在岩石圈拆沉的高速异常残留体。（4）与古老的克拉通岩石圈厚度相比,华北地区的岩石圈正在减薄,华北平原地区表现为高速异常与低速异常交互分布的复杂现象,而燕山地区则为高速异常,表明华北平原地区发生了明显的侵蚀与破坏,燕山地区则没有发生侵蚀与破坏过程或此过程发生的现象不明显。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 地震层析成像简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 本文研究思路、内容及章节结构
• 第二章 射线走时层析成像
• 2.1 射线走时层析成像的基本理论
• 2.2 FMM射线追踪方法及其局限性
• 2.3 改进的FMM射线追踪方法
• 2.4 改进的FMM方法的应用
• 2.5 射线走时层析成像的简单数值算例
• 第三章 有限频走时层析成像
• 3.1 有限频走时层析成像的丛本理论
• 3.2 几何扩散系数的计算
• 3.3 有限频灵敏度算核的计算
• 3.4 有限频理论与射线理论的区别
• 3.5 有限频理论向射线理论的过渡
• 第四章 相对走时残差的拾取
• 4.1 多道互相关方法基本原理
• 4.2 自适应叠加方法基本原理
• 4.3 拾取相对走时残差的流程
• 第五章 华北地区的有限频走时层析成像研究
• 5.1 华北地区的地质构造概况
• 5.1.1 华北地区的区域构造演化
• 5.1.2 华北地区的构造分区特征
• 5.1.3 华北地区的研究现状
• 5.2 台站和事件的分布及观测数据
• 5.2.1 台站和事件的分布
• 5.2.2 观测数据的选取
• 5.3 解的评价与反演结果
• 5.3.1 初始速度模型及网格划分
• 5.3.2 反演结果的质量评价
• 5.3.3 网格划分对反演结果的影响
• 5.3.4 反演结果
• 5.4 反演结果与已有成果的比较
• 5.5 反演结果的解释和讨论
• 5.5.1 华北克拉通的破坏范围
• 5.5.2 中部块体下方的低速异常
• 第六章 结论及需进一步解决的问题
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 作者简介、在学期间发表文章