貴陽分部廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言內部網English中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報圖書館黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
【前沿論壇】朱露培:基于相移插值的遠震接收函數的三維逆時偏移
2018-09-05 | 作者: | 【 】【打印】【關閉
報告人:朱露培∣整理:范興利,陳棋福(地球與行星室)

摘要:隨著地震學的發展以及觀測資料的積累,從20世紀90年代開始,人們開始直接利用地震波形成像的方法來研究地球內部界面,主要是借鑒工業界發展的一些成熟的主動源方法。最開始前人將工業界CMP(共中心點)疊加方法引入到接收函數中,后來朱露培教授及其合作者在2000年提出了CCP(共轉換點)疊加的接收函數方法并得到國際同行的廣泛使用。報告主要介紹了他們將工業界使用的逆時偏移成像方法引入到遠震接收函數的研究進展,闡述了將逆時偏移成像引入到遠震接收函數中的基本算法思想,通過一系列合成數據的理論測試驗證了該方法的正確性,最后將這一新方法應用到一條長300 km臺間距為5-10 km的測線數據中。通過與傳統CCP成像結果進行對比,報告指出針對目前的天然地震觀測數據情況,CCP成像結果已經差不多是最好的了,但是將來隨著更為密集的臺陣觀測資料的積累,這種逆時偏移的遠震接收函數方法可以發揮更大的優勢,建議開展天然地震觀測研究時,盡量布設密集的(臺間距小于5 km)觀測臺陣,以獲得更為精細的成像結果。

  我今天的報告主要給大家介紹一下我們近期將相移和插值(PSPI, Phase Shift Plus Interpolation)方法引入到遠震接收函數的研究。首先我會對PSPI方法進行一下介紹,然后為了大家能夠看到這個方法的有效性,我們設計了一系列的合成數據進行理論測試,接著將這種方法與我之前發展的共轉換點疊加(CCP, Common Conversion Point)的接收函數方法進行一個比較,看一下它們兩個各自的優缺點,最后我把這個方法應用到了我在美國的一個線性密集臺陣數據中,得到了相應的成像結果并進行討論。     

  一、科學問題    

  首先是科學問題及其重要性。利用接收函數對地球內部的界面進行成像是地震學研究的一個重要部分,我們知道地球內部包含有多個間斷面,例如莫霍面、410 km、660 km界面等,這些內部界面蘊含了很多關于地球構造的信息,它們的深度位置、橫向變化能夠幫助我們在認識地球內部,例如物質成分、溫度、相變以及一些動力學過程等提供相關的依據。以前對界面的成像主要是通過主動源(active source)的方法,工業界用得較多的就是近垂直反射,以及天然地震和人工測深研究用到的寬角反射/折射,這些早期研究地球界面的傳統方法主要是利用各種震相的到時來確定界面的位置。 

  隨著地震學的發展以及觀測資料的積累,大概是從20世紀90年代開始,人們開始直接利用地震波形成像的方法來研究地球內部界面,主要是借鑒工業界發展的一些成熟的主動源方法進行成像?,F在天然地震中對界面成像用得最多的可能就是接收函數方法了。這里以遠震接收函數為例,一個P波從下面傳播到界面上,一部分能量轉換成S波,然后可以通過記錄到的P波和S波的相對到時來確定這個界面的位置。相對于主動源方法,接收函數主要有兩個明顯的優勢:一是在主動源方法中,地表的震源激發的地震波先向下傳播再反射回來,兩次穿過介質,如果淺部結構比較復雜的話,接收到的信號噪音就比較大,而接收函數的地震波在地球內部傳播,到達地表臺站只需要一次穿過淺部介質,因此噪音相對較低;同時,地表主動源的穿透深度有限,因此能夠探測到的界面也相對較淺,而接收函數方法因為使用的是天然地震源,地震波從下面傳播上來,不存在穿透深度的問題。     

  二、歷史背景 

  最早利用接收函數做成像工作的,我認為是DuekerSheehan[1]。他們在1997年的文章將工業界共中心點疊加方法(CMP, Common Mid-Point)引入到接收函數中,其思想很簡單,先通過一個背景速度模型將傾斜入射的接收函數動校正到垂直入射,然后將一個小范圍內的接收函數進行疊加以提高信噪比,接著再用一個速度模型將時間域的信號轉換到深度域,在不同的點做完這樣的處理后就可以拼成一個最終的圖像。借鑒CMP方法這樣處理有幾個問題,首先是做動校正時需要一個區域速度模型,在計算中會帶入誤差,而且它也沒有進行偏移,直接從時間域轉換到了深度域。 

  1998年博士畢業后到南加州做博后時,他們在南加州布設了一條一百多公里的短周期測線,大概有一個月的遠震事件記錄,我拿到數據后想確定莫霍面的形狀,但是短周期數據噪音很大,當時我就想,與其利用CMP這種疊加方法還不如直接進行疊前偏移,也就是利用一個背景模型直接將每個接收函數轉換到空間域,轉換完成后再在空間域進行疊加,我把這個方法稱為CCP(Common Conversion Point)[2]。 

  CCPCMP一個明顯的區別就是不需要再進行時間域到空間域的轉換,因為第一步做射線計算的時候就已經考慮了,它最大的好處是對每個深度都是聚焦的,而CMP方法只對某一個深度聚焦。CCP方法也需要一個1D的模型,我現在的code(代碼)可以在每個臺都用一個不同的1D模型,相當于一個準三維的模型。以上是對這兩種方法的比較,我之所以在這個地方花點時間介紹,主要是我發現有人發表的文章中實際上用的是CMP,但把它叫做了CCP,實際上這是一個錯誤。我們當時的文章發表后,發現歐洲的學者Kosarev[3]1999年提出了一個類似的方法,但他們沒有把其方法叫做CCP,CCP是當時我為了和CMP區別而取的名字。因為使用1D模型很難處理復雜介質的情況,因此后來又有人將工業界中使用的三維偏移成像方法引入到了接收函數中,例如廣義射線方法(GRT, Generalized Ray Theory),它的缺點是不能處理介質變化太劇烈的情況。另外一類就是貴所陳凌提出的基于波動方程的方法[4],這種方法對復雜介質也能進行較好的處理。 

  我在美國有時會去石油公司做consulting(技術顧問),可以學到很多工業界的方法。我在給一個公司做consulting時就學到了逆時偏移這個方法。逆時偏移的原理其實很簡單也很巧妙,其涉及到兩個波場,一個是震源的波場,一個是接收點的波場,首先把震源的波場按正的時間傳播到各個深度上,可以把每個深度上的波場求出來(可以是時間域也可以是頻率域),接下來把記錄到的接收點的波場進行時間反轉,相當于逆時地從地表傳回到空間中每個點上,然后把兩個波場做相關,得到最后的圖像。但是這種方法的計算量非常大,波場正傳和逆傳都要用有限差分計算,我當時去做consulting時他們就是想提高計算效率,有一種近似的方法可以做到,就是我前面提到的PSPI,這種方法也很巧妙,同樣也是工業界發展起來的。 

  在一維模型的情況下,不同深度的波場在波數域里有一個相位差,其中一個波場乘以這個相位差就可以得到第二個波場,但如果不是一維均勻模型,也就是在橫向上有速度變化的話,就不能直接這樣處理了,為此工業界上發展了一種叫做插值的方法,因為你不知道用哪個速度好,所以就用一系列的速度把它從一個深度傳到另一個深度,這個速度不一定是真實的速度,做完以后再把它變到空間域,在每個點找到它對應的速度,然后用這個速度值找到最近的兩個參考速度,然后插值得到最后的速度。工業界上他們并沒有去證明這個方法,他們覺得如果能用就是好的。這是我當時給他們做的一個例子(圖1),這是一個很復雜的速度模型,地表有一系列的炮點和接收點,然后用PSPI方法去做成像,我們可以看到成像結果里,這些界面的位置都能跟已知模型很好地對上,由此可以看出這種插值方法可以有效解決三維復雜介質中波傳播的問題。 

對一個復雜的速度模型(上)進行PSPI逆時偏移成像(下)   

  三、接收函數的逆時偏移    

  PSPI方法的優勢概括來說,就是提升了逆時偏移的計算效率,接下來我們就把PSPI用到接收函數上面。在接收函數中唯一要改變的就是不在是地表的震源了,而是從地底下傳播上來的平面波,我們把平面波從下往上傳上去,然后接收函數的波場逆時地從上往下傳下來。這個過程有個問題,就是做完反褶積算的接收函數已經沒有了走時的信息,它的P波都是在零時刻,所以直接用這個波場去傳肯定不滿足聲波方程了,我當時跟學生討論以后,發現這個問題其實也好解決,我們把接收函數的每個點都做個時移,把它移到相應的到時,這樣操作之后這兩個波場就全部match(匹配)了。接收函數里面除了界面上的一次轉換波外,還有多次轉換波,例如P波可以傳到地表,反射回去再在界面上發生轉換,所以用這種方法也可以對多次波進行成像。    

  四、合成數據的理論測試    

  下面就是來測試這個方法的正確性了。我們設計了一系列的理論模型,第一個是呈正弦形態變化的莫霍面(橫向變化周期為50 km),地殼一個速度,地幔一個速度,在地表設置臺間距為1 km 100個接收點,接下來利用這個模型計算遠震P波接收函數,從圖像上我們可以看到PS轉換波振幅有變化,這是因為振幅取決于平面波的入射方向和界面形成的夾角大小,近垂直入射的話振幅是很小的,另外仔細看的話,我們能觀察到S波造成的的衍射,射線理論當然不會計算出這樣的東西,但是用波場算的話,因為有限頻的原因,所以會出現衍射的信號。 

  同樣的數據我們用CCP也做了一個成像結果,可以看出這兩種方法的結果差別,CCP做出來的界面形態基本上也是對的,差別就是CCP做出來的深度比實際的要淺一點,這是因為CCP用的是每個臺下面的一維速度模型,這個速度模型并不能反映射線經過的真實速度結構,另外CCP也不能解決這種衍射的情況,即使在比較光滑的速度變化情況下,可以看出逆時偏移方法要比CCP結果好。接下來我把莫霍面的形態變化變得更劇烈一點(橫向變化周期降為20km),然后采用逆時偏移和CCP分別得到各自的成像結果,這個時候可以看到CCP的結果把界面就搞錯了(界面變化劇烈的時候它成像的位置都是錯的),而逆時偏的成像結果還是比較干凈的。 

  第三個測試模型是莫霍面出現陡變的情況,這種構造在真實地球介質中也是可能存在的,算出來的接收函數在這種陡變情況下有很多衍射的信號,CCP的結果在遠離陡變帶的界面結果都是對的,但在陡變區域附近搞錯了。我曾見過有人寫文章將衍射信號認為是俯沖的信息,這是沒考慮可能出現的衍射情況,其實工業界對這個早就注意了,就是成像中所謂的ghost現象。前面都是用的二維模型,接下來用了一個簡單的含有一個傾斜界面的三維模型,射線可以從各個方向傳過來,前面二維模型中射線只從左邊或者右邊來,這個模型是用來測試對三維模型的有效性,從結果可以看到成像出來的界面都是對的,說明我們的code是沒有問題的。    

  五、實際數據處理    

  最后我們把這個方法用到了實際數據的處理上,美國USArray項目觀測2014年到2016年經過Wabash Valley時我們同時布設了一條測線,前人在該區域做的深部構造工作很少,我們主要想看看這個區域的地震帶和它南邊的地震帶在結構上有些什么樣的差異。測線長300 km,內側臺間距5 km,外側是10 km,一共用了40多套寬頻帶地震儀,觀測了兩年多。逆時偏方法對數據要求很高,對一個地震事件,它要求最好這條線上所有臺站都能記錄到,臺站最好還是等間隔的。我們一共找到了40多個地震,臺站分布并不是等間距的,這里我把每個接收函數畫到5 km寬,有些地方有空缺,沒辦法所以只好插值。我有個去年畢業的博士生,發展了一種叫做非線性伸縮插值的方法,給這樣一個波場,他可以把它插成等間距的。背景模型是一個二維的,來自于背景噪音和接收函數聯合反演得到的S波速度結果,因為要構造一個三維的模型,因此我們假定在垂直方向上速度結構沒有變化。這是最后的成像結果(圖2),上面是用逆時偏移得到的成像結果,下面是CCP的成像結果。   

逆時偏移遠震接收函數成像(上)和遠震接收函數CCP疊加成像(下)對比

  如果我要說上面逆時偏移得到的結果更好,大家可能不一定同意,但是首先我認為逆時偏移成像結果的細節要比CCP多,CCP因為要做水平光滑,很多細節都被抹掉了??傮w來看,就我們目前這個數據水平,實際上我覺得如果構造變化不是很劇烈的話,CCP應該是最好的了,盡管這是二十年前我用的了,但是我們是為了將來,將來我們有了密集臺陣,可以發揮這個方法的優勢。 

  關于臺間距對成像結果的影響,我也做了一些測試和推導。剛才是1 km臺間距做理論測試,現在改成2 km臺間距,Moho變化還是50 km,2 km臺間距的也能成像出來,沒有問題。對復雜的構造,2 km臺間距也大體能成出來。到了8 km臺間距基本就不行了,變化緩的還能大體上看出來形態,變化快的基本上沒有了。我在文章里面討論了這個問題,成像結果是與你的空間采樣有關的,我做了公式推算,我的推算結果就是在1Hz情況下,5 km以下臺間距的成像結果都還可以的,到了8 km結果就已經不好了,所以我的結論就是布臺要在5 km以內,10 km以上的只能做CCP,要用波場的話就不行了。 

  最后是關于多次波的成像討論,給的模型中有一個盆地,帶一個地殼界面,理論接收函數中可以看到多次波的存在,如果你的速度模型是正確的話,逆時偏移的結果都能找到正確的界面深度,假如你知道這個盆地了,然后你進行成像這沒問題,但如果你不知道上面有個低速的盆地存在,直接使用一個平均的速度去成像的話,底下兩個界面都錯了,變深了,這就是盆地的影響,它會把界面拉深,這做成像都是知道的。    

  六、結論    

  關于今天報告的結論是,我們發展了一個有效的遠震接收函數三維逆時偏移方法,逆時偏移這兩年在天然地震中有不少新的工作發表,我們追蹤了那些文獻,這些文獻基本都沒用在接收函數上,主要是應用在遠震波形上。同時這個方法可以有效提升計算效率。合成數據的理論測試表明這個方法是正確的,一個優點是它能夠處理橫向介質變化較大造成的衍射現象,而且對界面的傾角沒有限定。最后我的建議是,被動震源研究布設的臺站最好把臺間距控制在5 km以內,也最好是面狀的,沒有條件的話也最好讓這條測線與構造線垂直,如果你覺得這個地區有很強的橫向變化的話,5 km可能還不夠,那就再加密,越密越好,最后謝謝大家!    

  【參考文獻】    

  [1] Dueker K G, Sheehan A F. Mantle discontinuity structure from midpoint stacks of converted P to S waves across the Yellowstone hotspot track[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1997, 102(B4): 8313-8327..原文鏈接 

  [2] Zhu L, Kanamori H. Moho depth variation in southern California from teleseismic receiver functions[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2000, 105(B2): 2969-2980.原文鏈接 

  [3] Kosarev G, Kind R, Sobolev S V, et al. Seismic evidence for a detached Indian lithospheric mantle beneath Tibet[J]. Science, 1999, 283(5406): 1306-1309.原文鏈接 

  [4] Chen L, Wen L, Zheng T. A wave equation migration method for receiver function imaging: 1. Theory[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2005, 110(B11).DOI:10.1029/2005JB003665.原文鏈接 

  相關新聞
· 美國圣路易斯大學朱露培教授和美國佐治亞理工學院彭志剛教授來所交流訪問  [2018-08-30]
· 【7.27】地球科學前沿論壇:朱露培 教授、彭志剛 教授  [2018-07-18]

 

 
地址:北京市朝陽區北土城西路19號 郵 編:100029 電話:010-82998001 傳真:010-62010846
版權所有© 2009- 中國科學院地質與地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號
股票期权的交易规则