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研究提出基于短周期密集臺陣技術的城市盆地結構探測手段
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：6925
研究提出了“能解釋地震記錄的最優(yōu)地下結構”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構。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】中國科學院地質(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)合美國加州理工學院、路易斯安那州立大學等科研人員，基于短周期密集臺陣技術發(fā)展出適應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)地下結構”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構。
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構探測對地震災害監(jiān)測與風險評估十分重要，因為盆地的“場地效應”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構的重要手段。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)展相應成像技術，更清晰有效地提取地下結構信息有待進一步探究。
接收函數(shù)是探測地球內(nèi)部結構的重要手段。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)地下結構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”的地下結構，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，構建地下精細結構，為定量地質(zhì)解譯提供可能。
相關研究成果發(fā)表在JGR-Solid Earth上。研究工作得到國家自然科學基金項目的資助。
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，相鄰臺站下方的結構具有一致性，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)方法進行準確成像
圖4
圖4.BASIN短周期密集臺陣實際應用。基于密集臺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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