基于天然地震的地震波波速層析成像方法研究進展

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，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際波形記錄的對比結(jié)果（AkiandRichards，1980）。盡管最近十年計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為波形擬合廣泛運用提供了基礎(chǔ)，但由于計算量非常大，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，促進了我們進一步認(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）進行成像。由于面波層析成像技術(shù)受面波本身特點限制，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）進行成像。由于面波層析成像技術(shù)受面波本身特點限制，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散效應(yīng)的有限頻、帶走時層析成 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， 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端點 。這兩種方法優(yōu)點是在依 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， 同時也用到震相走時信息。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)進行成像（Rietbrock ， 2001）， 其優(yōu)點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，尚未運用到全球尺度或大尺度區(qū)域研究中。

基于震相走時反演獲取速度結(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)得到廣泛驗證和普遍運用。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）。

參考文獻：

[1]賀日政，趙大鵬，高銳，王寶善，齊誠.2006。西昆侖造山帶下巖石圈地幔速度結(jié)構(gòu).地球物理學(xué)報，49（3）：778～787.

[2]黃建平，倪四道，傅容珊，鈕鳳林，邵志剛，鄭勇.2009，綜合近震及遠(yuǎn)震波形反演2006文安地震（Mw5.1）的震源機制解.地球物理學(xué)報，52（1）：120～130.

（作者單位：成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院）