第八章地震定位与地球速度反演.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined. 第八章 走时数据的反演898.1 球层介质的速度反演908。1.1 拐点法(古登堡法)908.1。2 Hergloz Wiechert方法918.2单台地震定位及Inglada法定位1008.2.1单台定位法1008.2.2三站求取震中位置1058.2。3 采用三台站求解地震位置的计算机算法1068.3 地震定位结果与台站分布的关系1098。4 迭代定位方法1138.4.1 迭代定位算法的基本思路1138。4。2迭代方法的具体实现1148。5 相对定位方法
2、131第八章 走时数据的反演在前两章我们根据已知的速度结构对射线追踪和走时曲线的计算问题进行探讨,推导了波速只随深度变化的一维速度模型的射线追踪的表达式。三维结构的射线追踪虽然较复杂,但它遵循的原则是类似的。现在我们来研究根据观测到时数据得到速度结构和地震位置的问题。前面两章是已知速度结构和地震位置,如何计算地震波走时的问题,而本章是根据地震波走时得到地震结构和震源位置的问题,是前面两章的反问题.在这个问题的研究中,地震学家通常把问题进行简化:第一种简化是对于震源位置已经清楚的地震,根据地震波走时数据求解速度结构,第二种简化是已经得出了该地区的速度结构,根据地震波到时求解地震位置.限于篇幅,对
3、于第一种简化,本书仅讲授球层介质一维速度结构的反演.对于第二种简化,我们讲授地震定位的基本方法。8。1 球层介质的速度反演8。1.1 拐点法(古登堡法) 这个方法是利用走时曲线的拐点处与从震源处水平方向射出的射线相对应,据此可求出震源处的波速.根据第七章球层介质中的Snell定律有: (Error! Bookmark not defined.-Error! Bookmark not defined.1)其中h代表震源处的参数,都是常数,从震源向不同方向射出的射线,值不同,相应的射线参数p也不同,当=90时,达到极大值,即射线参数也达到极大值,因此有 Error! Bookmark not de
4、fined.(Error! Bookmark not defined.-1-1)根据球层介质中的Bendorff定律(7-5-3)式,,有 MERGEFORMAT Error! Bookmark not defined.(Error! Bookmark not defined.-1-Error! Bookmark not defined.)而对应于走时曲线的拐点.因此走时曲线的拐点与从震源处水平射出的射线相对应.这样,我们只要求得某地震的震源深度及有观察分析归纳得到其走时曲线,找出走时曲线的拐点,并确定该点的走时曲线的斜率,则 Error! Bookmark not defined.(Erro
5、r! Bookmark not defined.1Error! Bookmark not defined.)而对应的M点有,因此有 MERGEFORMAT (Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.)其中,h为震源深度,为走时曲线拐点M点的视速度(参看第七章球层介质的Benndorf定律),R为地球半径。此方法原理清楚、方法简单、计算方便。但由于地震发生的深度大约在0700km的范围内,采用这种方法只能求出0-700km处的波速。由于拐点不易找准,得到的精度较差,它又
6、要求对应每个深度的地震就要总结出一条走时曲线,因而资料分析工作量很大。8.1.2 Hergloz Wiechert方法 考虑球面介质,速度随半径r 变化v( r ),根据7.2节中得出震中距的表达式有 MERGEFORMAT (0Error! Bookmark not defined.-Error! Bookmark not defined.)其中=,为射线转折点距地心的距离,p=,R为地球半径。改变积分变数,则 , (0-Error! Bookmark not defined.4)其中。 在此介绍一积分式, , Error! Bookmark not defined.(Error! Book
7、mark not defined.-1-4)其中,为转折半径为的射线参数,所以式表示从转折半径为0至到转折半径为的所有射线的积分.将式作用于震中距表达式式的两边,得到 MERGEFORMAT (Error! Bookmark not defined.-Error! Bookmark not defined.5)方程的左边变为,考虑到,可以用分部积分的形式给出 MERGEFORMAT (Error! Bookmark not defined.-1-Error! Bookmark not defined.)式的第一项代入积分上下限,由于cosh1(1)=0,且在p=,半径为R,=0,因此第一项消失
8、.仅剩下第二项,可写成: MERGEFORMAT Error! Bookmark not defined.(Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.6)的右侧为一双重积分式,改变积分变数,得到: MERGEFORMAT Error! Bookmark not defined.(Error! Bookmark not defined.-Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.)这里采用了不定积分公式:整理变为 MERGEFORMAT Error! Boo
9、kmark not defined.(Error! Bookmark not defined.1-6)与式结合,得出 MERGEFORMAT Error! Bookmark not defined.(Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined.6)令,可以得到: MERGEFORMAT (Error! Bookmark not defined.-1-Error! Bookmark not defined.)这就是射线最深点的半径的表达式。此表达式可以根据观测走时曲线t()得出。如果t()为一平滑曲线,我们可由其切线斜率得到p(
10、)(由于p=)。式中的,为在震中距的走时曲线斜率.S1的积分式由震中距从0到1的p值,得到S1后,根据式求出,即其最深转折点。根据转折点为的,得出其对应此深度的速度 MERGEFORMAT Error! Bookmark not defined.(Error! Bookmark not defined.-1-7)依此类推,得出速度与深度的分布图。下面归纳一下求速度分布的具体步骤1、 做出0-范围内的走时曲线,即t-曲线,震源要取在地表上,否则要进行修正;在该步骤中,通常在计算机上利用三次自然样条函数对一元函数进行成组插值及微分,从而使得走时曲线具有较好的平滑性能,采用该方法能保证所插值的函数及
11、其一阶导数、二阶导数连续。2、 由t-曲线求曲线上各点的斜率,从而做出曲线;该步骤求出p随震中距的分布。3、 在0-范围内任取,取出点对应的;这就是。4、 将曲线中0-段除以常数即,得到,即曲线,从而求出曲线;这就是随震中距的变化。5、 在0范围内求出曲线下的面积,即求,这就是;在计算积分的过程中,通常采用Simpson积分数值公式进行。6、 根据式求出,然后根据式得到所对应的速度。7、 取不同的值,重复上述步骤,从而求出不同的值所对应的速度值;以一个具体地区的走时曲线为例子:采用的数据是北京台网、大连、长春、牡丹江等26个台站的记录,并选用从北京地区到阿留申群岛西端的300多个地震,经过震源
12、深度及剥壳校正后(地球平均厚度35公里)。得到的北京萨哈林一线的P波走时曲线。数据如表811为北京-萨哈林剖面P波走时观测值。 表8-1-1北京-萨哈林剖面P波走时观测值()t(s)()t(s)0。0 020.0 265。21.0 14。421.0 2762。0 28.722。0 286。83.0 42.823。0 297。64。0 56.824。0 308。35。0 70。825.0 317。56.0 84.826。0 326.57.0 99。027.0 335.58。0 113.428。0 344。59。0 127。829。0 353.310。0 141.830。0 362。111。0 1
13、54。832。0 379.712.0 167。834。0 397.313.0 180.836。0 414.114。0 193.838.0 430.915.0 206.840。0 447.716。0 219。842。0 464.217。0 232.844.0 479.518.0 243。646.0 494.519.0 254.448。0 509。5然后将走时曲线用Herglotz-Wiechert方法,利用MATLAB中的三次样条插值和辛普森积分方法,编制成MATLAB程序。程序如下:clc clfclear allload bj_shl_zs.txt %调用数据x0=bj_shl_zs(:,1
14、);震中距y0=bj_shl_zs(:,2);走时dh=0。2;x=0.2:dh:47.8;n=length(x);y,dy1,dy2=splineinsert(x0,y0,x); 对数值进行样条插值,得到插值点的y值,一阶导数dy1,二阶导数dy2figure(1) %实际观测曲线plot(x,y,r*);grid ontitle(实际观测曲线) xlabel(震中距);ylabel(走时);R=637135;Indx=1;r1=zeros(1,(length(3:2:n))); %射线能够达到的最低点的半径v=zeros(1,(length(3:2:n); %射线最低点的速度for ii=
15、3:2:nksi1=dy1(ii); 视为常数 f=acosh(dy1(1:ii)/ksi1); Int=dh/3(f(1)+f(ii)+2sum(f(3:2:ii))+4*sum(f(2:2:ii)))*pi/180; 采用Simpson 公式进行积分 r1(Indx)=R/exp(Int/pi); 采用公式求解射线最深点的半径v(Indx)=deg2rad(r1(Indx)/ksi1); %采用球层Snell定律得到最深点的速度;deg2rad()函数的作用是:将角度转换为弧度 ,利用公式Indx=Indx+1; 序号+1%pauseendplot(v,r0r1,.) 绘制速度和深度剖面图
16、set(gca,ydir,reverse) 将y轴的方向进行翻转利用上述程序调用表81-1中的北京萨哈林地区的P波走时曲线的数据。对观测曲线进行上述程序来反演即可得到速度剖面如图8-1-2北京萨哈林地区P 波走时观测反演速度剖面.81-1北京萨哈林地区P 波走时观测反演速度剖面对反演数据进行重新插值处理,选择出合适的数据,分别选择如下的数据(km):20,45,85,125,145,165,265,365,405,445,495,565,705,875,965,1025,1165在上述MATLAB函数后加入如:x=20,45,85,125,145,165,265,365,405,445,495
17、,565,705,875,965,1025,1165;y,dy1,dy2=splineinsert(r0r1,v,x);r0-r1 vx,y并利用得到的数据进行绘图得到图81-2定点插值的反演数据图图81-2定点插值的反演数据图当有低速区时,这些公式是有问题的。在这种情况下,不连续,没有唯一的解。对这种情况,传统的做法是设想在低速区存在若干有不同速度的均匀层。由于没有射线在这些层里转折,因此低速区的这些层可以任意移来移去,穿过低速区的射线的积分的走时和震中距不会改变。不论解析多么完全,在地震学中很少用赫格劳兹维歇尔(HW)公式,这至少有两个原因:首先,HW假定我们有已知的连续的曲线,而实际上我
18、们总是只有有限的走时点。这意味着走时曲线必须在这些数据之间进行内插,这些内插方案的不同导致于有不同的速度剖面.实际上,会有无数个稍有不同的速度模型,它们都适合于有限数目的点.然而,更严重的问题是实际的地震数据一般多少都有噪声,自身相互矛盾。图813展示了实际数据的典型的例子。在左边的例子中,小的时间变动导致点的波动,不可能把这些点与能得到期望的1D速度模型的光滑的、物理上可靠的曲线相联系。在右边的例子中,我们注意到可以把几次地震的数据结合在一起,用这些数据确定“平均”的速度剖面.图813 呈现离散的走时观测结果往往使速度剖面的反演复杂化由于这两个原因,HW公式不能直接应用.下面我们对地震学家反
19、演这些不完善的数据的一些方法进行讨论。HW公式的主要用途是阐明精确的曲线可给出速度剖面的唯一的解.因此,许多反演的策略是把寻找最佳速度模型的问题简化为寻找最佳的曲线的问题。Error! Bookmark not defined.8.2 单台地震定位及Inglada法定位根据走时数据确定地震的位置是地震学中的一个“古老的,富有挑战性的问题,一直是地震学研究的一个重要方面.地震通常按发震时间和震源位置来定义.震源是地震的位置,而震中是震源正上方地表上的一个点。在地震定位中,通常把地震作为点源来对待。对于破裂几十到几百公里的大地震,震源不一定是地震的“中心”,宁可把它看成是地震发生时,地震能量开始辐
20、射的那个点。由于破裂的速度小于波速度,可以不管地震最终的尺度和持续时间,只根据初至到时来确定震源.标准目录给出的地震资料,例如震中的初步确定(PDE)依据的是高频体波的走时,不能把这些发震时间和震源位置与长周期反演结果相混淆,后者往往给出地震的矩心时间和位置,表示整个地震的平均发震时间和位置.本节我们首先讨论单台定位法和多台定位的Inglada方法。8.2.1单台定位法单台定位的原理就是根据纵波初动确定出震中方位角,然后根据震相到时(走时表等)确定出震源到台站的距离,根据水平向和垂直向记录的数值,可以求得视入射角,从而根据地震波速度估计出真入射角。根据震源到台站的距离和真入射角求得地震的震中距
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