地震层析成像方法的研究及其在金属矿复杂模型模拟中的应用

论文摘要

本文首先回顾了地震层析成像技术的发展历史,详细阐述了有限差分走时计算方法和阻尼最小二乘反演方法的原理与各自的优缺点。在Vidale有限差分方法的基础上进行了改进,通过计算基块体中的射线数来对网格进行重新划分,使其适用于不规则网格参数化的反演计算。利用改进后的有限差分层析成像方法分别对云南腾冲及其邻区、日本西南九州岛弧地区的天然地震资料以及甘肃省天水——武都地区的人工地震测深资料进行反演,并对各地区的深部速度结构、构造特征与火山、地震之间的关系进行研究与讨论。云南腾冲火山及龙陵地震区的层析成像结果表明,腾冲火山区浅表层的高速异常很可能是冷却凝固后的岩浆侵入体或早期火山作用中难以挥发的高密度残留体;两侧低速异常主要是盆地沉积、火山堆沉积等因素引起的;5—20km以下为明显的低速异常,宽度在20km左右,是现今壳内岩浆活动的主要区域,是地幔岩浆源区物质上升的通道。此外,龙陵地震的震源分别位于龙陵断裂与怒江断裂一带低速与高速体的突变区域,震源之间呈低速异常,岩石强度较小;震源两侧为高速体,岩石强度大,这一横向上速度及岩石强度的极度不均,使得该区应力积累也分布不均,成为龙陵地震发震的主要原因。日本九州岛弧成像结果表明,以高速为主要特征的菲律宾海板块大角度俯冲至九州岛弧下150km深度以下,并且俯冲板块上覆60-110km的低速体是由于海洋地壳以及沉积层脱水作用引起地幔物质的部分熔融,熔融物质的上升为该区火山活动的主要原因。此外,富水流体进入弧前地幔,使得弧前地幔中的部分橄榄岩蛇纹石化,降低了地震波速度。此外,云仙岳下方低速的岩浆通道一直延伸至100km,樱岛下的低速异常也十分显著,同时在莫霍面深度附近还伴有大量低频地震活动,说明该火山比较活跃,将来有喷发的可能。西秦岭天水-武都地区层析成像结果显示,该区基底界面起伏较大,断裂丰富且复杂,多呈直立产状,延伸较大,多数断层切割基底。礼县——西和之间的低速异常反映了沉积盆地的结构特征,结晶基底深度在5km左右。武山以东速度等值线横向变化明显,表现为褶皱。成县盆地速度变化平缓且速度值相对较高,基底埋深较浅,深度不到3km。礼县以西的南北向断裂为一条上涌低速异常带,以往研究证实其为南北向超壳深断裂,并与青藏高原东北缘出露的地幔岩石包体有关。研究区浅部构造走向近东西向,与秦岭北缘断裂带的影响有关;深部存在北东向或北北东向构造,与天水地区的地震发育有关。历史上天水地区发生的8级地震震中位于断层3上,反映出大震地壳上部复杂的速度特征与断层结构。最后,根据金属矿的地质特征,通过分析有限差分层析成像方法的理论基础、特点及优势,认为层析成像方法在金属矿勘探中具有一定的可行性。本文对有限差分层析成像程序进行了改进,使其适用于金属矿地区起伏地表的激发与接收,并通过金属矿复杂速度模型进行理论验证。结果表明有限差分层析成像对地层或岩石等横向不均匀介质具有很好的恢复能力,给金属矿深部找矿的研究提供了新的技术发展思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 地震层析成像概述
• 2.1 地震层析成像进展
• 2.2 地震层析成像技术在金属矿勘探中的初探
• 第三章 地震波走时计算方法对比研究
• 3.1 传统射线追踪法
• 3.2 波前构建法
• 3.3 有限差分方法原理
• 3.4 各种走时计算方法的对比
• 3.5 层状界面模型中走时计算的改进
• 3.6 模拟计算走时及结果对比
• 3.6.1 均匀介质模型
• 3.6.2 水平层状介质模型
• 3.7 小结
• 第四章 反演方法及算法的改进
• 4.1 观测方程组的建立
• 4.2 模型参数化
• 4.3 两种反演方法
• 4.3.1 反投影反演方法
• 4.3.2 LSQR 算法
• 4.4 LSQR 算法中的改进——不规则网格参数化
• 4.5 解的评估
• 第五章 影响反演效果因素分析
• 5.1 初始速度模型的选取
• 5.2 速度约束限制
• 5.3 射线覆盖密度
• 5.3.1 网格的剖分
• 5.3.2 观测系统的设计
• 5.4 差分算子的影响
• 第六章 有限差分层析成像方法在腾冲地震火山区的应用
• 6.1 引言
• 6.2 数据与方法
• 6.3 分辨率测试及层析成像结果
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 火山区地下低速通道
• 6.4.2 龙陵地震区
• 6.5 结论
• 第七章 日本西南九州岛弧火山成像研究
• 7.1 引言
• 7.2 数据与方法
• 7.3 检测板测试
• 7.4 计算及层析成像结果
• 7.5 分析与讨论
• 7.5.1 菲律宾海板块的俯冲
• 7.5.2 菲律宾海板块内的速度差异
• 7.5.3 地幔楔不均匀性
• 7.5.4 岛弧火山活动
• 7.6 结论
• 第八章 甘肃天水地区地壳上部速度结构成像研究
• 8.1 引言
• 8.2 数据与方法
• 8.2.1 研究区数据采集
• 8.2.2 正反演计算方法
• 8.3 结果与分析
• 8.3.1 基底起伏与构造关系
• 8.3.1.1 成县盆地
• 8.3.1.2 武山褶皱
• 8.3.1.3 西礼盆地
• 8.3.2 主要断层解释
• 8.3.2.1 断层1——舟曲——两当断裂
• 8.3.2.2 断层2
• 8.3.2.3 断层3
• 8.3.2.4 断层4——南北向断裂
• 8.3.2.5 断层5——武山——天水断层
• 8.3.2.6 推测断层6
• 8.3.3 分析与讨论
• 8.3.3.1 南北向构造带
• 8.3.3.2 天水地震与构造关系
• 8.4 结论
• 第九章 金属矿复杂速度模型中有限差分层析成像方法的研究
• 9.1 深部找矿存在的难题
• 9.2 复杂地表条件下有限差分计算走时方法的研究
• 9.2.1 用规则网格剖分整个模型空间
• 9.2.2 初始化网格节点的界面属性值
• 9.2.3 根据节点界面属性值在界面处建立局部三角形网格
• 9.2.4 震源初始化
• 9.2.5 插值计算接收点初至
• 9.3 地表起伏模型计算
• 9.4 模型计算
• 9.4.1 模型一
• 9.4.2 模型二
• 9.4.3 模型三
• 9.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文