射線理論在地震動(dòng)源和地球內(nèi)部界面研究中的應(yīng)用.pdf

1、射線理論是地震學(xué)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(jī)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(tái)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(xué)中的作用提供了基礎(chǔ)?；谏渚€理論，本文對(duì)激發(fā)背景噪聲的各類力源進(jìn)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(duì)射線理論中體波到時(shí)計(jì)算提出了新算法，試圖證明即使在高性能計(jì)算時(shí)代，射線理論在現(xiàn)代地震學(xué)

2、中仍然充滿活力，在此基礎(chǔ)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(jìn)行描述，三個(gè)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(duì)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(duì)流能量來源的產(chǎn)生。但是已有

3、的地震學(xué)研究得到S波速度明顯低于礦物學(xué)結(jié)果?；谠趦?nèi)核邊界上反射的PKiKP的振幅對(duì)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(tái)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(xué)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(duì)廣大海洋區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)進(jìn)行了分析。背景噪聲中最顯著的是各種氣旋，包括颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、溫帶氣旋等激發(fā)的地脈動(dòng)信號(hào)，結(jié)合風(fēng)浪激發(fā)理論，對(duì)Katrina颶風(fēng)激發(fā)的不同頻段的地脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)最先產(chǎn)生的信號(hào)是風(fēng)暴區(qū)附近產(chǎn)生的短周期第二類地脈動(dòng)信號(hào)，但是影響范圍有限(＜15°)；隨著風(fēng)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(dòng)信號(hào)和第一類地脈動(dòng)信號(hào)；長周期第二類地脈動(dòng)信

5、號(hào)，可以在30°以內(nèi)觀測到；以面波形式傳播的第一類地脈動(dòng)信號(hào)則可以在全球臺(tái)網(wǎng)上觀測到。除了大規(guī)模的海洋風(fēng)暴外，小范圍內(nèi)的氣象事件也會(huì)引起局部的地脈動(dòng)信號(hào)異常,以2011年4月28日墨西哥灣沿岸的地震臺(tái)上0.2-0.4Hz的地脈動(dòng)異常信號(hào)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(fēng)場演化比較吻合。最后利用冰島地區(qū)高密度臺(tái)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(duì)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(diǎn)局部噪聲源，其中最顯著的是26秒周期的地脈動(dòng)信號(hào)。該信號(hào)常在全球范圍內(nèi)觀測到，但是其位置與機(jī)制有所爭議，尤其是不同臺(tái)站的頻譜結(jié)構(gòu)存在差異，前人認(rèn)為源位于幾內(nèi)亞灣，在其對(duì)折點(diǎn)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(tái)站間NCF，對(duì)其中的26秒信號(hào)進(jìn)行精確定位，并且比較了其時(shí)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(rèn)為Fiji源是一個(gè)獨(dú)立源，并且可能與附近活躍的火山活動(dòng)有關(guān)。幾內(nèi)亞灣26秒噪聲源的強(qiáng)度隨時(shí)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(tái)站的單臺(tái)記錄上觀測到，我們利用GRFO、CCM、BFO間的NCF上的26秒信號(hào)到時(shí)，證實(shí)其爆發(fā)事件與背景事件源在同一位置，利用WavewatchⅢ

8、模式計(jì)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(fēng)暴；爆發(fā)事件的輻射花樣呈現(xiàn)很強(qiáng)的非對(duì)稱性，表明其產(chǎn)生機(jī)制不是海洋源，本文提出了新的雙通道模型進(jìn)行解釋。
　　 除了26秒背景噪聲源信號(hào)是一個(gè)全球性的信號(hào)之外，在東亞GSN臺(tái)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(hào)，通過GSN臺(tái)站和FNET臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)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(duì)其時(shí)變特性進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(hào)頻率接近，推斷噪聲信號(hào)可能是源自該火山內(nèi)部巖漿活動(dòng)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)也表明利用互相關(guān)技術(shù)可以監(jiān)測遠(yuǎn)弱于背景噪聲的信號(hào)。
　　 在計(jì)算NCF時(shí)，為了壓制地震等事件性信號(hào)和減少持續(xù)性局部噪聲源的影響，引入了時(shí)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(duì)振幅信息。我們分析了長時(shí)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(jì)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(diǎn)集中源和ASO火山源為監(jiān)測地球介質(zhì)隨時(shí)間變化和評(píng)估地震觀測時(shí)間系統(tǒng)提供了可能性。
　　 利用地震儀間NCF得到的EGF進(jìn)行面波層析成像時(shí)，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(jì)算超導(dǎo)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(jìn)行比較，驗(yàn)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(tái)站和遠(yuǎn)處臺(tái)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(duì)地震定位的影響，提高定位精度。我們提出了基于群到時(shí)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(duì)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(gè)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(jìn)行相對(duì)定位，但是該算法的有效性尚需獨(dú)立方法的驗(yàn)證。本文提出在互易性定理基礎(chǔ)上，利用密集臺(tái)陣對(duì)其可行性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在不到一個(gè)波長時(shí)出現(xiàn)了與數(shù)值實(shí)驗(yàn)中類似的截?cái)喱F(xiàn)象，小距離內(nèi)則具有有一定的線性關(guān)系。
　　 地震波走時(shí)計(jì)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(wù)，已有的地震波走時(shí)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(shí)，采用非正交網(wǎng)格，提高了有起伏界面情況下的計(jì)算效率，通過計(jì)算有起伏的660千米界面模型中遠(yuǎn)震P波到時(shí)，發(fā)現(xiàn)界面起伏對(duì)地震波到時(shí)有顯著影響。
　　 然而建立在高頻近似的假設(shè)基礎(chǔ)上的射線理論在較低頻率時(shí)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(jì)算得到的PKPPcP振幅，發(fā)現(xiàn)幾何射線理論在隧道效應(yīng)顯著情形下失