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研究提出基于短周期密集臺陣技術(shù)的城市盆地結(jié)構(gòu)探測手段
2021年09月07日 08:49:30
來源：地質(zhì)與地球物理研究所 點擊量：6949
研究提出了“能解釋地震記錄的最優(yōu)地下結(jié)構(gòu)”的新范式，與傳統(tǒng)“單地震-單臺站”接收函數(shù)相比，該方法的核心思路為利用密集臺陣記錄到的連續(xù)波場信息，從低信噪比數(shù)據(jù)中提取相干信號，更清晰有效地追蹤地下結(jié)構(gòu)。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室副研究員王新聯(lián)合美國加州理工學(xué)院、路易斯安那州立大學(xué)等科研人員，基于短周期密集臺陣技術(shù)發(fā)展出適應(yīng)于短周期密集臺陣的新一代接收函數(shù)成像方法。
研究提出了“能解釋地震記錄的最優(yōu)地下結(jié)構(gòu)”的新范式(models that can best explain waveforms)。與傳統(tǒng)“單地震-單臺站”接收函數(shù)相比，該方法的核心思路為利用密集臺陣記錄到的連續(xù)波場信息，從低信噪比數(shù)據(jù)中提取相干信號，更清晰有效地追蹤地下結(jié)構(gòu)。
在人口稠密且容易發(fā)生破壞性地震的特大城市開展城市盆地結(jié)構(gòu)探測對地震災(zāi)害監(jiān)測與風(fēng)險評估十分重要，因為盆地的“場地效應(yīng)”會放大地震動的振幅、增加其持續(xù)時間。
隨著便攜式一體化短周期節(jié)點地震儀的快速發(fā)展，短周期密集臺陣探測已成為低成本、高分辨約束城市盆地結(jié)構(gòu)的重要手段。然而，相比于傳統(tǒng)寬頻帶地震儀，短周期節(jié)點地震儀具有噪音水平高、觀測周期短等劣勢。如何基于短周期節(jié)點地震儀發(fā)展相應(yīng)成像技術(shù)，更清晰有效地提取地下結(jié)構(gòu)信息有待進(jìn)一步探究。
接收函數(shù)是探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。接收函數(shù)的提取實質(zhì)上是一個反褶積的問題，通過水平分量和垂直分量的反褶積分離出臺站下方速度間斷面的轉(zhuǎn)換波，獲取地下界面信息。接收函數(shù)反褶積的但難點在于克服反褶積的內(nèi)在非唯一性(Intrinsic non-uniqueness of deconvolution)，提取穩(wěn)定、可靠的接收函數(shù)，特別是短周期節(jié)點地震儀的接收函數(shù)研究中存在波形噪音水平高、記錄到的遠(yuǎn)震事件少(觀測周期短)、疊加不足等問題，如何利用短周期節(jié)點地震儀進(jìn)行高精度的接收函數(shù)成像存在挑戰(zhàn)。
研究人員利用密集臺陣記錄到的連續(xù)波場信息，創(chuàng)新性地引入沿層相干的概念，發(fā)展了獲取連續(xù)地下結(jié)構(gòu)的貝葉斯沿層相干接收函數(shù)算法(圖1、2)。相較于傳統(tǒng)“單地震-單臺站”接收函數(shù)而言，該方法通過多地震、多臺站聯(lián)合反演有效抑制了地下非相干噪聲和局部散射，降低了傳統(tǒng)單臺反褶積的非唯一性；通過引入噪音水平、正則化因子，約束實際數(shù)據(jù)所反映的“最簡單”的地下結(jié)構(gòu)，降低傳統(tǒng)單臺反褶積中數(shù)據(jù)過度擬合的問題；通過貝葉斯反演，引入接收函數(shù)誤差估計，有助于更準(zhǔn)確、更定量的地質(zhì)解釋(圖3、4)。
根據(jù)研究問題的尺度不同，該方法還可應(yīng)用于刻畫俯沖板片界面、巖石圈-軟流圈界面(S波接收函數(shù))、上地幔間斷面等研究中，通過利用密集臺陣，構(gòu)建地下精細(xì)結(jié)構(gòu)，為定量地質(zhì)解譯提供可能。
相關(guān)研究成果發(fā)表在JGR-Solid Earth上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目的資助。
圖1
圖1.洛杉磯盆地BASIN(Basin Amplification Seismic INvestigation)短周期密集臺陣。BASIN短周期密集臺陣包含10個二維觀測剖面(藍(lán)色三角形)，總臺站數(shù)約750個，平均臺間距約250m
圖2
圖2.基于密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函數(shù)示意圖。由于臺間距較小，相鄰臺站下方的結(jié)構(gòu)具有一致性，可通過多地震、相鄰臺站聯(lián)合反演有效抑制地下非相干噪聲和局部散射，提高反褶積的穩(wěn)定性。右圖描繪了包含5個相鄰臺站的沿層相干接收函數(shù)。紫色虛線表示相干接收函數(shù)震相，每個震相由時間(t)、慢度(s)和幅度(a)表示
圖3
圖3.正演測試。(a)俯沖板片二維速度模型，方塊表示均勻分布的地表地震臺站，臺間距為5公里；(b)基于密集臺陣的貝葉斯沿層相干接收函數(shù)成像結(jié)果。注：80-100公里深度處的陡傾角板片由于傾角過大而無法利用接收函數(shù)方法進(jìn)行準(zhǔn)確成像
圖4
圖4.BASIN短周期密集臺陣實際應(yīng)用?；诿芗_陣的貝葉斯沿層相干接收函數(shù)(僅展示了可靠度大于68%的震相)與三種常用傳統(tǒng)“單臺站-單地震”接收函數(shù)方法對比(SG3剖面，其位置見圖1)
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