基于天然地震的地震波波速層析成像方法研究進展

盧乙峰

摘 要：本文就基于天然地震波的被動源地震波層析成像技術獲取地下地質結構的方法進行總結和展望。在近十幾年，在地震學和深部地球物理中，地球物理學家們利用層析成像技術獲取大量地殼速度結構的研究成果，尤其在方法研究上不斷推出新的層析成像技術，例如多震源多震相的聯合層析成像技術是當今的應用最為廣泛的層析成像技術之一，是對地球內部結構的有效手段之一。波速層析成像方法的未來發展首先是提高第一手的觀測資料，即增加接收地震波信息的地震臺站分布密度；同時，通過多種地球物理方法聯合反演相互約束可以給出較為嚴格的地球物理模型，并來降低了地球物理反演和解譯的多解性，這是地球物理探測研究的趨勢，也是天然地震波速層析成像方法的研究趨勢。

關鍵詞：天然地震；地震波層析成像；研究趨勢

0前言

經過近30多年的快速發展，地震學已成為研究地球內部結構的主要手段，是深部地球物理探測技術中首選技術。天然地震波的非凡穿透能力，同時地震波包含著其傳播過程中所穿越地球內部結構的豐富信息，使得天然地震學研究是當今地球內部結構的主要方法技術之一。地震波速度成像技術常見有三種，即波形擬合反演，接收函數方法，地震波層析成像。

波形擬合 ：自 Woodhouse 和Dziewonski （1984）首先利用波形擬合方法分析了全球數字化臺 站數據后， 波形擬合方法得到了廣泛運用（Chen ， 1993 ；Song and Helmberger ， 1992 ， 1998 ；Minkoff and Symes ， 1997 ；Pratt ， 1999 ；黃建平等， 2009）。目前波形擬合反演技術充分利用從震源至臺站間的全波形信息，既可以對震源結構也可以對接收臺站區域反演，或二者同時反演獲取其目標區域的速度結構特征，甚至還可以模擬地震破裂過程等。波形擬合方式可以直接分析地震波在傳播過程中受介質的影響，且直觀地給出擬合波形與實際波形記錄的對比結果（AkiandRichards，1980）。盡管最近十年計算機技術的飛速發展，為波形擬合廣泛運用提供了基礎，但由于計算量非常大，利用波形擬合反演獲取區域性的三維速度結構仍不是首選。

接收函數：自Vinnik 于 1977 年介紹用 P-SV 轉換波接收函數方法研究地幔結構（Vinnik ， 1977） 以來，利用接收函數方法獲取接收臺站下方的速度 結構信息現已成為天然地震學研究中又一手段 （Ammon et al .， 1989 ， 1990 ；劉啟元等， 1997）， 特別 適合于對臺站下方界面的研究。目前這種方法在國 內已經普遍運用于小區域布置密集臺陣剖面研究當 中（劉啟元等， 2000 ；吳慶舉等， 2004 ；Chen and Ai ， 2008 ；Xu and Zhao ， 2009）。但由于臺站分布、多次 波影響和方法本身限制，接收函數方法獲取的速度結構只是臺陣下方局部二維結構，除非臺站分布密度較大，否則還不大適合于三維結構反演。

地震波層析成像：與上述兩種不同的是，自地震波層析成像技術（AkiandLee，1976）出現以來，地震波層析成像技術很快成為獲取地殼/上地幔速度結構的最有力的技術手段。地震波在傳播過程中受到地球內部物性的影響（Shearer，1999），記錄到的地震波包含了其所穿越地球內部區域的速度結構等信息，據此可以獲取大尺度范圍內的地球非均勻速度結構，進而研究地球地幔內部物性特征。因此，地震波層析成像是當今研究地球內部基本圈層三維結構最有利的技術手段之一。

綜上所述，地震波層析成像是當今研究地球內部基本圈層三維結構最有利的技術手段之一。

1基于天然地震的地震波速的層析成像技術進展

層析成像技術首先由Aki等提出，并給出了小尺度（AkiandLee，1976）和區域尺度（Akietal.，1977）遠震體波層析成像（TeleseismicBody-waveTomography），而Dziewonski等在1977年給出了全球尺度的體波層析成像成果（Dziewonskietal.，1977）。之后的三十多年里，天然地震波層析成像方法日臻完善。在充分利用地震波所蘊藏的地球內部豐富信息基礎上，也提出了多種層析成像方法，促進了我們進一步認識地球內部結構特征。

地震層析成像所使用的數據類型可分為：體波、面波。面波主要沿地球表面傳播，僅能對上地幔及其以上部分提供約束，特別適合于對臺站稀疏和缺乏地震的區域（如海洋）進行成像。由于面波層析成像技術受面波本身特點限制，面波僅能夠提供上地幔及其以上近地表部分的速度結構特征。

地震層析成像所使用的數據類型可分為：體波、面波。面波主要沿地球表面傳播，僅能對上地幔及其以上部分提供約束，特別適合于對臺站稀疏和缺乏地震的區域（如海洋）進行成像。由于面波層析成像技術受面波本身特點限制，面波僅能夠提供上地幔及其以上近地表部分的速度結構特征。

如考慮了在傳播過程中地震波的波前面擴散效應的有限頻、帶走時層析成 像，即Fat-ray tomography（Husen and Kissling ， 2001）和 Bananadoughnut tomog raphy （Dahlen et al .， 2000）。這 兩種方法主要是利用了地震波傳播時， 影響地震波 傳播的不是簡單的射線， 而是形狀與香蕉類似（即具 有一定直徑的彎曲傳播路徑）的區域，而震源和記錄 臺站是該香蕉的兩個端點 。這兩種方法優點是在依 據地震波傳播理論的基礎上， 考慮到了地震波頻率 與模型介質尺度間的影響， 同時也用到震相走時信息。此外，Rietbrock（2001）提出了地震波衰減層析 成像方法（Attenuation tomography）。該方法是利 用了地震波在傳播過程中， 地震波的固有頻率會隨著周期變化成冪指數衰減的關系（即傳播介質的品 質因子）及其與波速的關系， 對周圍介質進行成像（Rietbrock ， 2001）， 其優點是能夠給出近地表介質的更為精細結構特征。目前這些方法僅限于小區域范圍內使用，尚未運用到全球尺度或大尺度區域研究中。

基于震相走時反演獲取速度結構的體波層析成像技術目前仍被廣泛運用在全球和區域尺度研究中，是透視地球內部結構特征的主要工具。

2層析成像技術研究展望

若不考慮經濟問題，最簡單也最直接的方式就是在空白區增加臺站布置，提高第一手的觀測資料，這是改善地球內部成像的最有效方式。不同的地球物理方法均源自對某一基本物性參數的研究，如密度是重力學的基本參數。因此不同地球物理方法間多物性參數進行聯合反演能夠降低地球物理解的非唯一性，相互約束給出較為嚴格的地球物理模型。因此實施多種地球物理方法的探測，將是地球物理探測研究的趨勢，這方面的應用在油田、金屬礦區開發中已經得到廣泛驗證和普遍運用。對于大尺度地震波層析成像反演也是如此，即利用多震相和不同類型波的地震層析成像聯合反演已逐漸成熟（Engdahl et al .， 1998；Fukao et al.，2003 ；Guang et al .， 2009 ；Julia et al .， 2009 ； To ndi et al .， 2009）。

參考文獻：

[1]賀日政，趙大鵬，高銳，王寶善，齊誠.2006。西昆侖造山帶下巖石圈地幔速度結構.地球物理學報，49（3）：778～787.

[2]黃建平，倪四道，傅容珊，鈕鳳林，邵志剛，鄭勇.2009，綜合近震及遠震波形反演2006文安地震（Mw5.1）的震源機制解.地球物理學報，52（1）：120～130.

（作者單位：成都理工大學地球物理學院）