盧乙峰
摘 要:本文就基于天然地震波的被動源地震波層析成像技術(shù)獲取地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行總結(jié)和展望。在近十幾年,在地震學(xué)和深部地球物理中,地球物理學(xué)家們利用層析成像技術(shù)獲取大量地殼速度結(jié)構(gòu)的研究成果,尤其在方法研究上不斷推出新的層析成像技術(shù),例如多震源多震相的聯(lián)合層析成像技術(shù)是當(dāng)今的應(yīng)用最為廣泛的層析成像技術(shù)之一,是對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效手段之一。波速層析成像方法的未來發(fā)展首先是提高第一手的觀測資料,即增加接收地震波信息的地震臺站分布密度;同時(shí),通過多種地球物理方法聯(lián)合反演相互約束可以給出較為嚴(yán)格的地球物理模型,并來降低了地球物理反演和解譯的多解性,這是地球物理探測研究的趨勢,也是天然地震波速層析成像方法的研究趨勢。
關(guān)鍵詞:天然地震;地震波層析成像;研究趨勢
0前言
經(jīng)過近30多年的快速發(fā)展,地震學(xué)已成為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段,是深部地球物理探測技術(shù)中首選技術(shù)。天然地震波的非凡穿透能力,同時(shí)地震波包含著其傳播過程中所穿越地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富信息,使得天然地震學(xué)研究是當(dāng)今地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要方法技術(shù)之一。地震波速度成像技術(shù)常見有三種,即波形擬合反演,接收函數(shù)方法,地震波層析成像。
波形擬合 :自 Woodhouse 和Dziewonski (1984)首先利用波形擬合方法分析了全球數(shù)字化臺 站數(shù)據(jù)后, 波形擬合方法得到了廣泛運(yùn)用(Chen , 1993 ;Song and Helmberger , 1992 , 1998 ;Minkoff and Symes , 1997 ;Pratt , 1999 ;黃建平等, 2009)。目前波形擬合反演技術(shù)充分利用從震源至臺站間的全波形信息,既可以對震源結(jié)構(gòu)也可以對接收臺站區(qū)域反演,或二者同時(shí)反演獲取其目標(biāo)區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)特征,甚至還可以模擬地震破裂過程等。波形擬合方式可以直接分析地震波在傳播過程中受介質(zhì)的影響,且直觀地給出擬合波形與實(shí)際波形記錄的對比結(jié)果(AkiandRichards,1980)。盡管最近十年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,為波形擬合廣泛運(yùn)用提供了基礎(chǔ),但由于計(jì)算量非常大,利用波形擬合反演獲取區(qū)域性的三維速度結(jié)構(gòu)仍不是首選。
接收函數(shù):自Vinnik 于 1977 年介紹用 P-SV 轉(zhuǎn)換波接收函數(shù)方法研究地幔結(jié)構(gòu)(Vinnik , 1977) 以來,利用接收函數(shù)方法獲取接收臺站下方的速度 結(jié)構(gòu)信息現(xiàn)已成為天然地震學(xué)研究中又一手段 (Ammon et al ., 1989 , 1990 ;劉啟元等, 1997), 特別 適合于對臺站下方界面的研究。目前這種方法在國 內(nèi)已經(jīng)普遍運(yùn)用于小區(qū)域布置密集臺陣剖面研究當(dāng) 中(劉啟元等, 2000 ;吳慶舉等, 2004 ;Chen and Ai , 2008 ;Xu and Zhao , 2009)。但由于臺站分布、多次 波影響和方法本身限制,接收函數(shù)方法獲取的速度結(jié)構(gòu)只是臺陣下方局部二維結(jié)構(gòu),除非臺站分布密度較大,否則還不大適合于三維結(jié)構(gòu)反演。
地震波層析成像:與上述兩種不同的是,自地震波層析成像技術(shù)(AkiandLee,1976)出現(xiàn)以來,地震波層析成像技術(shù)很快成為獲取地殼/上地幔速度結(jié)構(gòu)的最有力的技術(shù)手段。地震波在傳播過程中受到地球內(nèi)部物性的影響(Shearer,1999),記錄到的地震波包含了其所穿越地球內(nèi)部區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)等信息,據(jù)此可以獲取大尺度范圍內(nèi)的地球非均勻速度結(jié)構(gòu),進(jìn)而研究地球地幔內(nèi)部物性特征。因此,地震波層析成像是當(dāng)今研究地球內(nèi)部基本圈層三維結(jié)構(gòu)最有利的技術(shù)手段之一。
綜上所述,地震波層析成像是當(dāng)今研究地球內(nèi)部基本圈層三維結(jié)構(gòu)最有利的技術(shù)手段之一。
1基于天然地震的地震波速的層析成像技術(shù)進(jìn)展
層析成像技術(shù)首先由Aki等提出,并給出了小尺度(AkiandLee,1976)和區(qū)域尺度(Akietal.,1977)遠(yuǎn)震體波層析成像(TeleseismicBody-waveTomography),而Dziewonski等在1977年給出了全球尺度的體波層析成像成果(Dziewonskietal.,1977)。之后的三十多年里,天然地震波層析成像方法日臻完善。在充分利用地震波所蘊(yùn)藏的地球內(nèi)部豐富信息基礎(chǔ)上,也提出了多種層析成像方法,促進(jìn)了我們進(jìn)一步認(rèn)識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。
地震層析成像所使用的數(shù)據(jù)類型可分為:體波、面波。面波主要沿地球表面?zhèn)鞑?,僅能對上地幔及其以上部分提供約束,特別適合于對臺站稀疏和缺乏地震的區(qū)域(如海洋)進(jìn)行成像。由于面波層析成像技術(shù)受面波本身特點(diǎn)限制,面波僅能夠提供上地幔及其以上近地表部分的速度結(jié)構(gòu)特征。
地震層析成像所使用的數(shù)據(jù)類型可分為:體波、面波。面波主要沿地球表面?zhèn)鞑ィ瑑H能對上地幔及其以上部分提供約束,特別適合于對臺站稀疏和缺乏地震的區(qū)域(如海洋)進(jìn)行成像。由于面波層析成像技術(shù)受面波本身特點(diǎn)限制,面波僅能夠提供上地幔及其以上近地表部分的速度結(jié)構(gòu)特征。
如考慮了在傳播過程中地震波的波前面擴(kuò)散效應(yīng)的有限頻、帶走時(shí)層析成 像,即Fat-ray tomography(Husen and Kissling , 2001)和 Bananadoughnut tomog raphy (Dahlen et al ., 2000)。這 兩種方法主要是利用了地震波傳播時(shí), 影響地震波 傳播的不是簡單的射線, 而是形狀與香蕉類似(即具 有一定直徑的彎曲傳播路徑)的區(qū)域,而震源和記錄 臺站是該香蕉的兩個(gè)端點(diǎn) 。這兩種方法優(yōu)點(diǎn)是在依 據(jù)地震波傳播理論的基礎(chǔ)上, 考慮到了地震波頻率 與模型介質(zhì)尺度間的影響, 同時(shí)也用到震相走時(shí)信息。此外,Rietbrock(2001)提出了地震波衰減層析 成像方法(Attenuation tomography)。該方法是利 用了地震波在傳播過程中, 地震波的固有頻率會隨著周期變化成冪指數(shù)衰減的關(guān)系(即傳播介質(zhì)的品 質(zhì)因子)及其與波速的關(guān)系, 對周圍介質(zhì)進(jìn)行成像(Rietbrock , 2001), 其優(yōu)點(diǎn)是能夠給出近地表介質(zhì)的更為精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。目前這些方法僅限于小區(qū)域范圍內(nèi)使用,尚未運(yùn)用到全球尺度或大尺度區(qū)域研究中。
基于震相走時(shí)反演獲取速度結(jié)構(gòu)的體波層析成像技術(shù)目前仍被廣泛運(yùn)用在全球和區(qū)域尺度研究中,是透視地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的主要工具。
2層析成像技術(shù)研究展望
若不考慮經(jīng)濟(jì)問題,最簡單也最直接的方式就是在空白區(qū)增加臺站布置,提高第一手的觀測資料,這是改善地球內(nèi)部成像的最有效方式。不同的地球物理方法均源自對某一基本物性參數(shù)的研究,如密度是重力學(xué)的基本參數(shù)。因此不同地球物理方法間多物性參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合反演能夠降低地球物理解的非唯一性,相互約束給出較為嚴(yán)格的地球物理模型。因此實(shí)施多種地球物理方法的探測,將是地球物理探測研究的趨勢,這方面的應(yīng)用在油田、金屬礦區(qū)開發(fā)中已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證和普遍運(yùn)用。對于大尺度地震波層析成像反演也是如此,即利用多震相和不同類型波的地震層析成像聯(lián)合反演已逐漸成熟(Engdahl et al ., 1998;Fukao et al.,2003 ;Guang et al ., 2009 ;Julia et al ., 2009 ; To ndi et al ., 2009)。
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(作者單位:成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院)