射線理論在地震動源和地球內(nèi)部界面研究中的應用.pdf

1、射線理論是地震學研究的基本工具，在內(nèi)部連續(xù)結(jié)構(gòu)層析成像、間斷面特征、震源機制解、地震定位等方面研究中發(fā)揮著重要作用。近年來遍布世界各地的寬頻帶地震臺網(wǎng)，提供了海量的高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)及背景噪聲觀測數(shù)據(jù)，為充分發(fā)揮射線理論在地震學中的作用提供了基礎?；谏渚€理論，本文對激發(fā)背景噪聲的各類力源進行了探討，提出了地震精確定位的新算法，確定了內(nèi)核頂部的S波速度，對射線理論中體波到時計算提出了新算法，試圖證明即使在高性能計算時代，射線理論在現(xiàn)代地震學

2、中仍然充滿活力，在此基礎上，探討了射線理論的局限性，并展望了射線理論可能的發(fā)展趨勢。
　　 地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以用間斷面和三維連續(xù)結(jié)構(gòu)兩大特征進行描述，三個重要一階間斷面是地殼與地幔的分界面—莫霍面(Moho)，地幔與地核的分界面—核慢邊界(CMB)，內(nèi)核與外核分界面—內(nèi)外核邊界(ICB)，其中內(nèi)外核邊界控制了外核對流的下邊界，而且兩側(cè)的彈性參數(shù)躍變不僅反映了內(nèi)核頂部的物質(zhì)組成及缺陷狀態(tài)，而且關(guān)系到內(nèi)外核對流能量來源的產(chǎn)生。但是已有

3、的地震學研究得到S波速度明顯低于礦物學結(jié)果?；谠趦?nèi)核邊界上反射的PKiKP的振幅對兩側(cè)波阻抗差的（主要是S波速度和密度躍變）的敏感性。我們利用IL臺陣的高質(zhì)量PKiKP觀測，通過其與P波的振幅比，得到了內(nèi)外核邊界上S波速度估值范圍(3.2km/s-4.0km/s)，與近年來的礦物學研究結(jié)果更為接近。
　　 連續(xù)地震圖上除了偶爾的地震等事件性記錄外，更多的是持續(xù)不斷的背景噪聲。背景噪聲在層析成像技術(shù)和全球變化監(jiān)測方面日益發(fā)揮著重

4、要作用，越來越多的研究者開始關(guān)注激發(fā)背景噪聲的力源。本文首先對廣大海洋區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的噪聲信號進行了分析。背景噪聲中最顯著的是各種氣旋，包括颶風、臺風、溫帶氣旋等激發(fā)的地脈動信號，結(jié)合風浪激發(fā)理論，對Katrina颶風激發(fā)的不同頻段的地脈動信號進行了分析，發(fā)現(xiàn)最先產(chǎn)生的信號是風暴區(qū)附近產(chǎn)生的短周期第二類地脈動信號，但是影響范圍有限(＜15°)；隨著風暴激發(fā)的涌浪傳播到海岸，激發(fā)了長周期第二類地脈動信號和第一類地脈動信號；長周期第二類地脈動信

5、號，可以在30°以內(nèi)觀測到；以面波形式傳播的第一類地脈動信號則可以在全球臺網(wǎng)上觀測到。除了大規(guī)模的海洋風暴外，小范圍內(nèi)的氣象事件也會引起局部的地脈動信號異常,以2011年4月28日墨西哥灣沿岸的地震臺上0.2-0.4Hz的地脈動異常信號為例，通過地震波形反演得到的波浪傳播過程與衛(wèi)星觀測的近海面風場演化比較吻合。最后利用冰島地區(qū)高密度臺網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)，通過噪聲互相關(guān)函數(shù)(Noise Cross-correlation Function)的非

6、對稱性，探討了背景噪聲源的季節(jié)變化，發(fā)現(xiàn)冬季和夏季激發(fā)源位置明顯不同。
　　 地震背景噪聲層析成像利用的近似格林函數(shù)(Estimated Green's Function)，理論上要求噪聲源為均勻分布，但是不僅海洋源的分布不均勻，而且存在持續(xù)定點局部噪聲源，其中最顯著的是26秒周期的地脈動信號。該信號常在全球范圍內(nèi)觀測到，但是其位置與機制有所爭議，尤其是不同臺站的頻譜結(jié)構(gòu)存在差異，前人認為源位于幾內(nèi)亞灣，在其對折點Fiji地區(qū)存

7、在鏡像源。利用南太平洋和澳大利亞地區(qū)的臺站間NCF，對其中的26秒信號進行精確定位，并且比較了其時變特性與幾內(nèi)亞灣源的不同，以及傳播路徑等影響因素，認為Fiji源是一個獨立源，并且可能與附近活躍的火山活動有關(guān)。幾內(nèi)亞灣26秒噪聲源的強度隨時間變化很大，其中的爆發(fā)事件可以在除南美地區(qū)以外的全球臺站的單臺記錄上觀測到，我們利用GRFO、CCM、BFO間的NCF上的26秒信號到時，證實其爆發(fā)事件與背景事件源在同一位置，利用WavewatchⅢ

8、模式計算了爆發(fā)事件期間幾內(nèi)亞灣的海浪場，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的海洋風暴；爆發(fā)事件的輻射花樣呈現(xiàn)很強的非對稱性，表明其產(chǎn)生機制不是海洋源，本文提出了新的雙通道模型進行解釋。
　　 除了26秒背景噪聲源信號是一個全球性的信號之外，在東亞GSN臺站間的NCF中發(fā)現(xiàn)了能量主要集中在10秒附近的噪聲信號，通過GSN臺站和FNET臺網(wǎng)數(shù)據(jù)對其進行定位，發(fā)現(xiàn)源區(qū)位于日本九州島上，而且位置不隨季節(jié)變化。利用NCF對其時變特性進行分析，沒有發(fā)現(xiàn)顯著的季節(jié)

9、性和年度變化，因此可能不是由海浪運動激發(fā)。我們確定的源區(qū)鄰近有豐富長周期事件(VLP)的ASO火山，且與其VLP信號頻率接近，推斷噪聲信號可能是源自該火山內(nèi)部巖漿活動，這個發(fā)現(xiàn)也表明利用互相關(guān)技術(shù)可以監(jiān)測遠弱于背景噪聲的信號。
　　 在計算NCF時，為了壓制地震等事件性信號和減少持續(xù)性局部噪聲源的影響，引入了時間域和頻率域的歸一化處理，但是這些非線性處理放棄了絕對振幅信息。我們分析了長時間內(nèi)未經(jīng)歸一化處理的NCF疊加得到的EGF

10、，發(fā)現(xiàn)其與歸一化處理得到的結(jié)果相似。新的處理方式不僅減少了計算成本，而且最大可能地保留了振幅信息，可以更有效地研究噪聲源和地球內(nèi)部的衰減等。26秒持續(xù)定點集中源和ASO火山源為監(jiān)測地球介質(zhì)隨時間變化和評估地震觀測時間系統(tǒng)提供了可能性。
　　 利用地震儀間NCF得到的EGF進行面波層析成像時，受限于地震儀的頻帶，難于得到研究深部結(jié)構(gòu)所需的長周期EGF(＞100秒)。本文通過計算超導重力儀與地震儀間的NCF，得到了更寬頻帶的EGF，

11、并且在短周期段與地震儀間NCF的進行比較，驗證了其正確性，可以用于研究地球深部結(jié)構(gòu)。
　　 利用震中附近的臺站和遠處臺站間的NCF提供的面波傳播信息，可以克服三維速度結(jié)構(gòu)的對地震定位的影響，提高定位精度。我們提出了基于群到時的校正算法，并以1995年張北地震和2005年Klannie地震為例，與InSAR定位結(jié)果對比，誤差不超過3km和1km。因此表明新算法將震中精度提高到了GT5以內(nèi)。
　　 傳統(tǒng)的地震定位方法，受限于

12、地震波波長，難于分辨距離在一個波長內(nèi)的地震群。為此Snieder等提出利用尾波通過干涉技術(shù)進行相對定位，但是該算法的有效性尚需獨立方法的驗證。本文提出在互易性定理基礎上，利用密集臺陣對其可行性進行了分析，發(fā)現(xiàn)在不到一個波長時出現(xiàn)了與數(shù)值實驗中類似的截斷現(xiàn)象，小距離內(nèi)則具有有一定的線性關(guān)系。
　　 地震波走時計算在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究、地震定位等方面都是關(guān)鍵性的任務，已有的地震波走時算法大多難于處理起伏界面情形?；谟邢薏罘智蠼獬毯?/p>

13、程可以快速求得全波場初至波到時，采用非正交網(wǎng)格，提高了有起伏界面情況下的計算效率，通過計算有起伏的660千米界面模型中遠震P波到時，發(fā)現(xiàn)界面起伏對地震波到時有顯著影響。
　　 然而建立在高頻近似的假設基礎上的射線理論在較低頻率時可能失效。以PKPPcP為例，比較了Normal Mode Summation、全波理論(Full Wave Theory)和幾何射線理論計算得到的PKPPcP振幅，發(fā)現(xiàn)幾何射線理論在隧道效應顯著情形下失