基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像：方法、應用與進展一、引言1.1研究背景與意義地球作為人類賴以生存的家園，其內部結構的奧秘一直吸引著科學家們不斷探索。淺層地殼，作為地球最外層的部分，與人類的活動息息相關，其結構特征對于理解地球的演化、地質災害的發(fā)生機制以及資源勘探等方面都具有重要意義。認識地球內部結構是地球科學的核心任務之一。地球內部結構復雜多樣，從地表到地心，物質的組成、物理性質和力學狀態(tài)都發(fā)生著顯著的變化。淺層地殼作為地球內部與外部環(huán)境相互作用的界面，承載著豐富的地質信息，它不僅記錄了地球漫長的演化歷史，還反映了當前地球內部的動力學過程。通過研究淺層地殼結構，我們可以了解地球的板塊運動、構造變形、巖漿活動等地質現(xiàn)象，進而揭示地球的演化規(guī)律。例如，通過對地殼中巖石的成分、結構和構造的分析，可以推斷出地球在不同地質時期的構造環(huán)境和演化歷程；對地殼中地震波傳播速度的研究，可以幫助我們了解地殼的物質組成和物理性質，為地球內部結構的建模提供重要依據(jù)。地質災害的預防與減輕是當今社會面臨的重大挑戰(zhàn)之一。地震、山體滑坡、泥石流等地質災害往往給人類的生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅。淺層地殼結構在地質災害的發(fā)生和發(fā)展過程中起著關鍵作用。地震的發(fā)生與地殼中的斷層活動密切相關，而斷層的分布和活動性又受到淺層地殼結構的控制。通過對淺層地殼結構的精細成像，我們可以識別出潛在的地震危險區(qū)域，評估地震的發(fā)生概率和強度，為地震災害的預防和減輕提供科學依據(jù)。例如，在地震多發(fā)地區(qū)，通過對淺層地殼結構的研究，可以確定斷層的位置、走向和活動性，從而合理規(guī)劃城市建設和基礎設施布局，提高建筑物的抗震能力，減少地震災害的損失。此外，對于山體滑坡和泥石流等地質災害，淺層地殼的巖土體性質、地形地貌等因素也是影響其發(fā)生的重要因素。通過對淺層地殼結構的研究，可以對這些地質災害的發(fā)生風險進行評估，制定相應的防治措施。在資源勘探領域，淺層地殼結構的研究也具有重要的應用價值。許多礦產(chǎn)資源和能源資源都蘊藏在淺層地殼中，如石油、天然氣、煤炭、金屬礦產(chǎn)等。了解淺層地殼的結構特征和地質構造，有助于我們尋找和開發(fā)這些資源。例如，在石油和天然氣勘探中，通過對淺層地殼結構的研究，可以確定儲層的位置、形態(tài)和性質，提高勘探的成功率和開采效率；在金屬礦產(chǎn)勘探中，通過對淺層地殼中地質構造和巖石地球化學特征的分析，可以圈定潛在的成礦區(qū)域，指導礦產(chǎn)勘查工作。傳統(tǒng)的淺層地殼結構成像方法主要包括地震勘探、重力勘探、磁力勘探等。這些方法在一定程度上為我們了解淺層地殼結構提供了重要信息，但也存在一些局限性。例如，地震勘探通常需要人工激發(fā)地震波，這在一些地區(qū)可能受到環(huán)境和安全等因素的限制；重力勘探和磁力勘探對地質結構的分辨率較低，難以獲取淺層地殼的精細結構信息?；诒尘霸肼暶娌ǖ某上穹椒ㄊ墙陙戆l(fā)展起來的一種新興技術，它為淺層地殼結構成像提供了一種全新的思路和方法。這種方法利用地球表面無處不在的背景噪聲作為震源，通過對多個臺站記錄的背景噪聲進行互相關分析，提取出面波信號，進而反演淺層地殼的速度結構。與傳統(tǒng)方法相比，基于背景噪聲面波的成像方法具有以下獨特優(yōu)勢：不需要人工震源，避免了人工激發(fā)地震波帶來的環(huán)境和安全問題，成本較低，適用于大規(guī)模的區(qū)域調查；對淺層地殼結構具有較高的分辨率，能夠獲取傳統(tǒng)方法難以探測到的精細結構信息；可以對地震活動性較低的地區(qū)進行成像，彌補了傳統(tǒng)方法在這些地區(qū)的不足。基于背景噪聲面波的成像方法在國內外已經(jīng)得到了廣泛的應用和研究。在國內，許多學者利用該方法對不同地區(qū)的淺層地殼結構進行了研究，取得了一系列重要成果。例如，[具體文獻1]利用背景噪聲面波成像方法對[具體地區(qū)1]的地殼結構進行了研究，揭示了該地區(qū)地殼的橫向不均勻性和深部構造特征；[具體文獻2]通過對[具體地區(qū)2]的背景噪聲面波分析，獲得了該地區(qū)淺層地殼的高分辨率速度模型，為城市活斷層探測和地震危險性評估提供了重要依據(jù)。在國際上，該方法也被應用于全球多個地區(qū)的地殼結構研究，如[具體文獻3]對[國外具體地區(qū)1]的研究，以及[具體文獻4]對[國外具體地區(qū)2]的研究等，這些研究都為我們深入了解地球內部結構提供了重要參考。綜上所述，研究淺層地殼結構成像具有重要的科學意義和實際應用價值，基于背景噪聲面波的成像方法作為一種新興技術，具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。本論文旨在深入研究基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像方法，并將其應用于實際地區(qū)的研究，以期為地球內部結構的認識、地質災害的預防和資源勘探等領域提供新的思路和方法。1.2國內外研究現(xiàn)狀隨著地球科學的不斷發(fā)展，淺層地殼結構成像作為研究地球內部結構的重要手段，受到了國內外學者的廣泛關注。近年來，基于背景噪聲面波的成像方法逐漸成為該領域的研究熱點，取得了一系列重要的研究成果。國外對基于背景噪聲面波成像方法的研究起步較早。20世紀五六十年代，Aki等學者就開始了對背景噪聲的研究，為后續(xù)的發(fā)展奠定了理論基礎。到了21世紀初，Shapiro和Campillo通過對背景噪聲互相關函數(shù)的分析，成功提取出面波信號，這一成果標志著基于背景噪聲面波成像方法的正式誕生，此后，該方法在全球范圍內得到了廣泛的應用和深入的研究。在區(qū)域地殼結構研究方面，國外學者利用背景噪聲面波成像方法取得了許多重要成果。例如，Bensen等對美國西部地區(qū)的地殼結構進行了研究，通過對大量背景噪聲數(shù)據(jù)的處理和分析，獲得了該地區(qū)高分辨率的地殼速度模型，揭示了該地區(qū)地殼結構的橫向不均勻性和深部構造特征，為研究該地區(qū)的地質演化和地震活動提供了重要依據(jù)；Ritzwoller等對全球地殼和上地幔結構進行了研究，利用背景噪聲面波成像方法構建了全球地殼和上地幔的三維速度模型，該模型為全球地球動力學研究提供了重要的參考框架。在城市活斷層探測和工程地質領域，基于背景噪聲面波的成像方法也得到了廣泛應用。例如，在日本東京地區(qū)，由于城市建設和人口密集，傳統(tǒng)的地震勘探方法受到很大限制，學者們利用背景噪聲面波成像方法對該地區(qū)的活斷層進行了探測，成功識別出了多條隱伏斷層，為城市的地震安全性評估和規(guī)劃提供了重要依據(jù)；在歐洲的一些大型基礎設施建設項目中，如英法海底隧道的建設，背景噪聲面波成像方法被用于對隧道沿線的地質結構進行詳細探測，為工程設計和施工提供了關鍵的地質信息。國內在基于背景噪聲面波成像方法的研究方面雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，國內眾多科研團隊在該領域開展了大量的研究工作，并取得了一系列具有國際影響力的成果。在區(qū)域地殼結構研究方面，國內學者針對不同的地質構造區(qū)域開展了深入研究。例如，姚華建團隊利用背景噪聲面波成像方法對青藏高原東北緣的地殼結構進行了研究，通過在該地區(qū)布設密集的地震臺陣，采集了大量的背景噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過精細的數(shù)據(jù)處理和反演，獲得了該地區(qū)地殼的三維精細速度結構，研究結果揭示了該地區(qū)復雜的構造變形特征和深部動力學過程，為理解青藏高原的隆升機制和地震活動提供了重要的科學依據(jù)；楊英杰團隊對中國東部地區(qū)的地殼結構進行了研究，通過對背景噪聲面波的分析，發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)地殼結構與地質構造的密切關系，為該地區(qū)的地質演化研究提供了新的視角。在城市活斷層探測和工程地質領域，國內也取得了顯著的成果。例如，在深圳、北京等城市的活斷層探測項目中，背景噪聲面波成像方法被廣泛應用，通過對城市區(qū)域內背景噪聲的采集和分析，成功識別出了多條隱伏的活斷層，為城市的規(guī)劃和建設提供了重要的地震安全保障；在一些重大工程建設項目中，如三峽大壩、西氣東輸?shù)裙こ蹋尘霸肼暶娌ǔ上穹椒ū挥糜趯こ虉龅氐牡刭|結構進行詳細探測，為工程的設計和施工提供了可靠的地質依據(jù)。盡管基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像方法在國內外都取得了重要的研究成果，但目前仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)采集方面，背景噪聲的信號較弱，容易受到環(huán)境噪聲的干擾，如何提高背景噪聲數(shù)據(jù)的質量和信噪比，是當前研究的一個重要問題；在數(shù)據(jù)處理和反演方面，現(xiàn)有的方法在處理復雜地質結構時，往往存在分辨率不高、反演結果不穩(wěn)定等問題，需要進一步發(fā)展和改進數(shù)據(jù)處理和反演算法，以提高成像的精度和可靠性；在實際應用中，如何將基于背景噪聲面波的成像結果與其他地球物理方法和地質資料相結合，進行綜合分析和解釋，也是需要進一步研究的問題。1.3研究目標與內容本研究旨在深入探究基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像方法，通過對相關理論和技術的研究，改進和完善現(xiàn)有成像方法，提高成像的精度和可靠性，并將其廣泛應用于實際區(qū)域的地殼結構研究，為地質災害預防、資源勘探等領域提供有力的技術支持和科學依據(jù)。具體研究內容如下：基于背景噪聲面波成像方法的研究：深入研究背景噪聲面波成像的基本原理，包括背景噪聲的產(chǎn)生機制、面波信號的提取方法以及面波傳播特性等。全面分析現(xiàn)有基于背景噪聲面波成像方法在數(shù)據(jù)處理、反演算法等方面的優(yōu)缺點，針對存在的問題，提出創(chuàng)新性的改進思路和方法。例如，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，研究如何更有效地去除噪聲干擾，提高面波信號的信噪比；在反演算法方面，探索新的反演策略，以提高反演結果的分辨率和穩(wěn)定性。結合實際數(shù)據(jù)，對改進后的成像方法進行詳細的實驗驗證和分析，通過與傳統(tǒng)方法的對比，評估改進方法在成像精度、分辨率等方面的提升效果。實際區(qū)域的淺層地殼結構成像研究：選取具有代表性的實際區(qū)域，如地質構造復雜的山區(qū)、地震活動頻繁的區(qū)域或資源豐富的地區(qū)等，進行基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像研究。在選定區(qū)域內合理布設地震臺站，采集高質量的背景噪聲數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行嚴格的預處理，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。運用改進后的成像方法對實際區(qū)域的背景噪聲數(shù)據(jù)進行處理和反演，獲取該區(qū)域淺層地殼的高分辨率速度結構模型，詳細分析該區(qū)域淺層地殼的結構特征，包括地層的分布、速度的變化以及可能存在的地質構造異常等。結合該區(qū)域的地質背景、地震活動等資料，對成像結果進行深入的地質解釋，探討淺層地殼結構與地質災害、資源分布之間的關系。與其他地球物理方法的對比與綜合應用研究：選擇與基于背景噪聲面波成像方法具有互補性的其他地球物理方法，如地震反射勘探、重力勘探、磁力勘探等，在同一研究區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集和處理。將基于背景噪聲面波成像方法的結果與其他地球物理方法的結果進行詳細的對比分析，研究不同方法在揭示淺層地殼結構特征方面的優(yōu)勢和局限性。通過對比，明確基于背景噪聲面波成像方法在不同地質條件下的適用范圍和應用效果。探索將基于背景噪聲面波成像方法與其他地球物理方法進行綜合應用的有效途徑和方法，建立多方法聯(lián)合解釋的技術流程和模型，提高對淺層地殼結構的認識和理解。例如，利用重力勘探結果約束面波成像的反演過程，或者將磁力勘探結果與面波成像結果相結合，共同解釋地質構造特征。通過實際案例分析，驗證多方法綜合應用在解決實際地質問題中的有效性和可靠性，為地球物理勘探提供更全面、準確的技術支持。二、基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像原理2.1背景噪聲與面波背景噪聲，作為地球表面廣泛存在的微弱振動信號，其來源豐富多樣，涵蓋自然和人為兩大主要類別。在自然來源方面，海浪的持續(xù)拍打、風力的作用、地球內部的巖漿活動以及各種地質構造運動等，都是重要的貢獻因素。海浪拍打海岸時，會產(chǎn)生具有特定頻率和能量的振動，這些振動通過大地傳播，成為背景噪聲的一部分；風力在與地面、植被以及建筑物等相互作用的過程中，也會引發(fā)不同強度和頻率的震動，從而對背景噪聲有所貢獻。而地球內部的巖漿活動和地質構造運動，則是更為深層的自然噪聲源，它們所產(chǎn)生的振動信號，能夠穿越漫長的距離，最終到達地表，成為背景噪聲的組成部分。人為來源同樣不容忽視，人類社會的各種日常活動，如交通的繁忙運行、工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)進行以及建筑施工的開展等，都在源源不斷地向環(huán)境中釋放噪聲。道路交通中，車輛的行駛會與路面產(chǎn)生摩擦和碰撞，從而產(chǎn)生振動噪聲；工業(yè)生產(chǎn)中，各類機械設備的運轉也會發(fā)出強烈的噪聲；建筑施工過程中，打樁、挖掘等作業(yè)更是會產(chǎn)生高強度的噪聲，這些人為噪聲都融入到了背景噪聲之中。背景噪聲具有復雜而獨特的特性。在頻率分布上，它呈現(xiàn)出廣泛而連續(xù)的特點，從極低頻率到較高頻率都有分布，涵蓋了地震學研究中多個頻段的范圍。這意味著背景噪聲包含了豐富的頻率信息，為研究不同深度和尺度的地質結構提供了可能。在振幅方面，背景噪聲的振幅通常相對較小，這是由于其信號來源的分散性和復雜性所導致的。而且，背景噪聲的振幅在時間和空間上都具有顯著的變化性，不同時刻、不同地點的背景噪聲振幅可能會有很大的差異。這種變化性增加了對背景噪聲進行研究和分析的難度，需要采用專門的數(shù)據(jù)處理方法來提取其中有用的信息。背景噪聲還具有隨機的特性，其信號的產(chǎn)生和傳播過程受到多種不確定因素的影響，使得背景噪聲在時間序列上表現(xiàn)出不規(guī)則性和隨機性。這種隨機性使得背景噪聲的分析和處理需要運用概率論和統(tǒng)計學等方法。面波作為地震波的重要類型之一，在淺層地殼結構研究中扮演著舉足輕重的角色。面波主要包括瑞利波（Rayleighwave）和洛夫波（Lovewave）。瑞利波是一種在介質表面?zhèn)鞑サ牟?，其質點運動軌跡在垂直平面內呈現(xiàn)為逆時針方向的橢圓極化。在傳播過程中，瑞利波的質點既有垂直方向的位移，又有水平方向的位移，這使得它在傳播特性上具有獨特之處。洛夫波則是一種SH波，其質點運動方向與傳播方向垂直，且只在水平方向上振動，這種振動特性使得洛夫波在傳播過程中具有與瑞利波不同的特點。面波的傳播特點鮮明，它主要沿著地球表面或介質的界面?zhèn)鞑?，在垂直于界面的方向上，面波的振幅會隨著深度的增加而迅速衰減，按指數(shù)規(guī)律減小。這一特性使得面波攜帶的信息主要反映了淺層地殼的結構特征，對于研究淺層地質結構具有極高的敏感性。在水平方向上，面波振幅的衰減相對體波來說較為緩慢，這使得面波能夠在地表傳播較長的距離，從而為通過多個臺站記錄面波信號來研究較大范圍的淺層地殼結構提供了可能。而且，面波的傳播速度相對體波較慢，且具有頻散特性，即面波的傳播速度會隨著頻率的變化而發(fā)生改變。這種頻散特性是面波的一個重要特征，不同頻率的面波在傳播過程中會以不同的速度傳播，從而導致面波的波形在傳播過程中發(fā)生變化，這種變化蘊含著豐富的地質結構信息。面波對淺層地殼結構具有高度的敏感性，這主要源于其傳播特性和與淺層地殼介質的相互作用。不同頻率的面波在傳播過程中，其穿透深度和對地質結構的敏感程度各不相同。高頻面波由于波長較短，主要對淺層地殼的上部結構敏感，能夠反映淺層地殼中較薄地層的信息；而低頻面波的波長較長，穿透能力較強，能夠對淺層地殼的深部結構提供約束。通過對不同頻率面波的分析，可以獲取淺層地殼不同深度的結構信息，從而構建出淺層地殼的速度結構模型。面波在傳播過程中，會與淺層地殼中的各種地質構造、地層界面以及巖石性質等相互作用，這些相互作用會導致面波的傳播速度、振幅、相位等特征發(fā)生變化，通過對這些變化的分析，可以推斷出淺層地殼的結構特征和地質構造信息。2.2背景噪聲干涉方法理論基礎背景噪聲干涉方法是基于背景噪聲面波成像的核心理論，其原理基于格林函數(shù)的互相關理論。格林函數(shù)在地震學中是描述地震波傳播的重要工具，它表示在一個點源激發(fā)下，介質中某一點的地震響應。在實際的地球介質中，由于背景噪聲源的隨機性和分布的廣泛性，通過對不同臺站記錄的背景噪聲進行互相關分析，可以近似得到介質的經(jīng)驗格林函數(shù)。從數(shù)學原理上看，假設在一個均勻且各向同性的介質中，有兩個臺站A和B，它們接收到來自隨機分布的背景噪聲源的信號。設u_A(t)和u_B(t)分別為臺站A和B在時刻t記錄到的背景噪聲信號，對這兩個信號進行互相關計算，得到互相關函數(shù)C_{AB}(\tau)，其表達式為：C_{AB}(\tau)=\int_{-\infty}^{\infty}u_A(t)u_B(t+\tau)dt其中，\tau為時間延遲。理論上，當背景噪聲源滿足一定的條件，如空間分布均勻、時間上平穩(wěn)等，互相關函數(shù)C_{AB}(\tau)可以近似表示為從臺站A到臺站B的格林函數(shù)G_{AB}(\tau)。這是因為在互相關過程中，不同噪聲源產(chǎn)生的信號在傳播到兩個臺站時，由于傳播路徑和時間的差異，會在互相關函數(shù)中產(chǎn)生不同的干涉效應。當對大量的噪聲源信號進行互相關疊加時，這些干涉效應會使得互相關函數(shù)逐漸趨近于格林函數(shù)，從而實現(xiàn)通過背景噪聲互相關來獲取格林函數(shù)的目的。在實際應用中，通過背景噪聲干涉得到的經(jīng)驗格林函數(shù)中包含了豐富的面波信號。提取面波信號的過程通常包括以下幾個關鍵步驟。對互相關函數(shù)進行濾波處理，由于背景噪聲的頻率范圍很寬，而我們關注的面波信號通常集中在特定的頻率區(qū)間，因此需要設計合適的濾波器，如帶通濾波器，來去除高頻和低頻的噪聲干擾，突出面波信號所在的頻率范圍。例如，對于淺層地殼結構成像，我們可能關注的面波頻率范圍在0.1-10Hz之間，通過設計中心頻率在這個范圍內的帶通濾波器，可以有效地保留面波信號，提高其信噪比。在濾波后，需要對信號進行頻散分析。由于面波具有頻散特性，不同頻率的面波傳播速度不同，通過對互相關函數(shù)在不同頻率下的傳播時間進行分析，可以得到面波的頻散曲線，即面波相速度或群速度隨頻率（或周期）的變化關系。常用的頻散分析方法有相位匹配濾波法、頻率-波數(shù)分析法等。相位匹配濾波法是通過構建一系列不同頻率的濾波器，對互相關函數(shù)進行濾波，然后根據(jù)濾波后信號的相位信息來確定面波的傳播時間，從而得到頻散曲線；頻率-波數(shù)分析法是將時間域的互相關函數(shù)轉換到頻率-波數(shù)域，在該域中通過分析面波的能量分布來提取頻散信息。提取出面波信號后，還需要對其進行質量控制和驗證。這包括檢查頻散曲線的合理性，如是否存在異常的頻散特征，以及與已知的地質信息進行對比，判斷提取的面波信號是否能夠合理地反映淺層地殼的結構特征。如果頻散曲線出現(xiàn)不合理的波動或與地質背景不符的情況，可能需要重新檢查數(shù)據(jù)處理過程，如濾波參數(shù)的設置、噪聲去除的效果等，以確保提取的面波信號的可靠性。2.3面波頻散與橫波速度結構反演面波頻散曲線，作為描述面波傳播特性的重要工具，直觀地展現(xiàn)了面波相速度或群速度隨頻率（或周期）的變化關系。在理想的均勻介質中，面波的傳播速度是恒定的，不會隨頻率的改變而發(fā)生變化，此時頻散曲線表現(xiàn)為一條水平直線。然而，在實際的地球介質中，由于地層的分層結構、巖石性質的差異以及地質構造的復雜性，面波在傳播過程中會與不同的介質相互作用，導致其傳播速度隨頻率產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象被稱為頻散現(xiàn)象，反映在頻散曲線上就是呈現(xiàn)出復雜的曲線形態(tài)。不同類型的面波，如瑞利波和洛夫波，其頻散曲線具有各自獨特的特征，這些特征與地球淺層地殼的結構密切相關。例如，瑞利波的頻散曲線在不同頻率段的變化，能夠反映出淺層地殼中不同深度地層的橫波速度變化情況；洛夫波的頻散曲線則對淺層地殼中水平方向的結構變化更為敏感。通過對這些頻散曲線的分析和研究，可以深入了解淺層地殼的結構特征和地質構造信息。利用面波頻散曲線反演橫波速度結構是基于背景噪聲面波成像的關鍵環(huán)節(jié)，其基本原理基于面波傳播理論和地球介質的物理性質。面波在分層介質中的傳播滿足特定的波動方程，這些方程描述了面波在不同介質層中的傳播特性，包括速度、振幅和相位等。根據(jù)這些波動方程，可以建立起面波頻散曲線與地下橫波速度結構之間的數(shù)學關系。在反演過程中，首先需要構建一個初始的橫波速度模型，這個模型可以基于已有的地質資料、地球物理勘探結果或者簡單的假設來確定。然后，利用地震波傳播的數(shù)值模擬方法，如有限差分法、有限元法或譜元法等，計算該初始模型下的理論面波頻散曲線。將計算得到的理論頻散曲線與實際觀測得到的頻散曲線進行對比，通過某種優(yōu)化算法不斷調整初始橫波速度模型的參數(shù)，如各層的厚度、橫波速度等，使得理論頻散曲線與觀測頻散曲線之間的差異逐漸減小。當兩者的差異達到一定的精度要求時，此時的橫波速度模型即為反演得到的結果，它能夠較為準確地反映地下淺層地殼的橫波速度結構。常用的反演算法包括阻尼最小二乘法、遺傳算法、模擬退火算法等。阻尼最小二乘法是一種經(jīng)典的反演算法，它通過最小化理論頻散曲線與觀測頻散曲線之間的殘差平方和來求解反演問題。在求解過程中，引入阻尼因子來穩(wěn)定解的過程，防止反演結果出現(xiàn)過度振蕩或不穩(wěn)定的情況。該算法具有計算效率高、收斂速度快的優(yōu)點，但對初始模型的依賴性較強，如果初始模型與真實模型相差較大，可能會陷入局部最優(yōu)解，無法得到全局最優(yōu)的反演結果。遺傳算法是一種基于生物進化原理的全局優(yōu)化算法，它將橫波速度模型的參數(shù)編碼為染色體，通過模擬生物的遺傳、變異和選擇等操作，在參數(shù)空間中搜索最優(yōu)解。在遺傳算法中，首先隨機生成一組初始染色體，然后計算每個染色體對應的理論頻散曲線與觀測頻散曲線的差異，作為適應度值。根據(jù)適應度值，選擇適應度較高的染色體進行交叉和變異操作，生成新的一代染色體。不斷重復這個過程，使得種群中的染色體逐漸向最優(yōu)解進化。遺傳算法具有全局搜索能力強、對初始模型要求不高的優(yōu)點，但計算量較大，收斂速度相對較慢，且在實際應用中，需要合理設置遺傳算法的參數(shù)，如種群大小、交叉概率、變異概率等，以保證算法的性能和反演結果的準確性。模擬退火算法則是借鑒固體退火的原理，通過控制溫度參數(shù)來引導搜索過程。在算法開始時，設置一個較高的溫度，使得算法能夠在較大的參數(shù)空間內進行搜索，避免陷入局部最優(yōu)解。隨著迭代的進行，溫度逐漸降低，算法逐漸聚焦于局部最優(yōu)解附近進行搜索，最終收斂到全局最優(yōu)解。模擬退火算法具有較強的跳出局部最優(yōu)解的能力，能夠在一定程度上克服初始模型的影響，但計算效率較低，且溫度下降的策略對反演結果有較大影響，需要進行精細的調整。三、成像方法研究3.1數(shù)據(jù)處理技術3.1.1數(shù)據(jù)收集與篩選背景噪聲數(shù)據(jù)的收集主要通過在研究區(qū)域內合理布設地震臺站來實現(xiàn)。臺站的布設需要綜合考慮多種因素，以確保能夠全面、準確地采集到背景噪聲信號。首先是地質構造特征，研究區(qū)域的地質構造復雜程度會影響背景噪聲的傳播和分布。在斷層附近、褶皺區(qū)域或巖石性質變化較大的地方，背景噪聲的特性可能會發(fā)生顯著變化，因此需要在這些區(qū)域加密臺站，以獲取更詳細的噪聲信息。例如，在研究某一活動斷裂帶時，沿斷裂帶走向每隔一定距離設置一個臺站，以便更好地捕捉到與斷裂活動相關的背景噪聲信號。地形地貌也是臺站布設的重要考慮因素。在山區(qū)，地形起伏較大，背景噪聲的傳播路徑會受到地形的影響而發(fā)生改變，導致噪聲信號的強度和頻率分布不均勻。為了減少地形對噪聲數(shù)據(jù)的影響，臺站應盡量選擇在地勢相對平坦、開闊的地方，避免設置在山谷、山頂?shù)鹊匦螐碗s的區(qū)域。同時，還需要考慮臺站與周邊環(huán)境的距離，盡量遠離大型建筑物、交通干線等可能產(chǎn)生強噪聲干擾的源頭，以保證采集到的背景噪聲數(shù)據(jù)的純凈性。目前，常用的地震臺站類型包括寬頻帶地震臺站和短周期地震臺站。寬頻帶地震臺站能夠記錄較寬頻率范圍的地震信號，對于研究不同深度和尺度的淺層地殼結構具有重要意義。它可以捕捉到低頻的背景噪聲信號，這些信號能夠穿透更深的地層，反映地殼深部的結構信息。短周期地震臺站則對高頻信號更為敏感，適合用于研究淺層地殼的精細結構，如淺層地層的分層、小尺度的地質構造等。在實際的數(shù)據(jù)收集中，通常會結合使用這兩種類型的臺站，以獲取更全面的背景噪聲數(shù)據(jù)。例如，在一個較大的研究區(qū)域內，均勻分布多個寬頻帶地震臺站，同時在重點研究區(qū)域或對高頻信號敏感的區(qū)域，加密布置短周期地震臺站，形成一個疏密結合的臺站網(wǎng)絡。在數(shù)據(jù)收集過程中，需要確保地震臺站的正常運行和數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄。這涉及到對臺站設備的定期維護和檢查，包括傳感器的校準、數(shù)據(jù)采集器的運行狀態(tài)監(jiān)測等。同時，還需要建立完善的數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)，保證采集到的數(shù)據(jù)能夠及時、準確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，并進行安全可靠的存儲。數(shù)據(jù)篩選是保證數(shù)據(jù)質量的關鍵環(huán)節(jié)。在收集到大量的背景噪聲數(shù)據(jù)后，需要對這些數(shù)據(jù)進行嚴格的篩選，去除無效數(shù)據(jù)和噪聲干擾較大的數(shù)據(jù)。常用的數(shù)據(jù)篩選標準包括信號的信噪比、數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性等。信噪比是衡量信號質量的重要指標，它表示信號強度與噪聲強度的比值。對于背景噪聲數(shù)據(jù)，信噪比過低意味著信號被噪聲淹沒，難以從中提取出有用的面波信息。因此，通常會設定一個信噪比閾值，例如10，將信噪比低于該閾值的數(shù)據(jù)剔除。數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性也非常重要。完整性要求數(shù)據(jù)記錄中沒有缺失的時間段，連續(xù)性則要求數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的，沒有明顯的間斷或跳變。如果數(shù)據(jù)存在缺失或間斷，會影響后續(xù)的互相關分析和信號提取結果。在篩選過程中，通過檢查數(shù)據(jù)的時間戳和數(shù)據(jù)記錄的長度，識別并去除存在完整性和連續(xù)性問題的數(shù)據(jù)。例如，對于一個連續(xù)記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)文件，如果發(fā)現(xiàn)其中有一段長達10分鐘的數(shù)據(jù)缺失，或者數(shù)據(jù)記錄中出現(xiàn)明顯的時間跳變，如突然從10:00跳到10:10，而中間沒有任何數(shù)據(jù)，那么這部分數(shù)據(jù)將被視為無效數(shù)據(jù)進行剔除。此外，還可以通過對數(shù)據(jù)的頻譜分析、波形特征分析等方法，進一步識別和去除異常數(shù)據(jù)。頻譜分析可以幫助我們了解數(shù)據(jù)的頻率成分分布，判斷是否存在異常的高頻或低頻噪聲干擾。如果在頻譜圖中發(fā)現(xiàn)某個頻率段的能量異常高，且與正常的背景噪聲頻譜特征不符，那么這部分數(shù)據(jù)可能受到了外部強噪聲源的干擾，需要進行進一步的檢查和處理。波形特征分析則是通過觀察數(shù)據(jù)的波形形態(tài)，判斷是否存在異常的波形畸變或突變。例如，正常的背景噪聲波形應該是相對平穩(wěn)、連續(xù)的，如果發(fā)現(xiàn)波形中出現(xiàn)尖銳的脈沖或大幅度的波動，且這種波動不是由正常的地震活動引起的，那么這部分數(shù)據(jù)也需要進行篩選和處理。3.1.2噪聲數(shù)據(jù)預處理噪聲數(shù)據(jù)預處理是基于背景噪聲面波成像過程中的重要環(huán)節(jié)，其目的是去除數(shù)據(jù)中的各種干擾和噪聲，提高數(shù)據(jù)的質量和信噪比，為后續(xù)的面波信號提取和反演分析奠定良好的基礎。預處理步驟主要包括去儀器響應、去均值、去趨勢、帶通濾波等，每個步驟都具有獨特的作用和實施方法。去儀器響應是預處理的首要任務，其作用在于消除地震儀器對記錄信號的影響，使我們能夠獲取到真實的地球物理信號。不同類型的地震儀器具有不同的頻率響應特性和靈敏度，這會導致記錄到的信號在頻率和振幅上發(fā)生畸變。通過去儀器響應處理，可以將儀器對信號的影響去除，還原信號的真實特征。在實施去儀器響應時，需要獲取地震儀器的響應函數(shù)。這通?？梢詮膬x器制造商提供的技術文檔中獲取，或者通過對儀器進行標定實驗來確定。響應函數(shù)包含了儀器對不同頻率信號的增益和相位變化信息。利用儀器響應函數(shù)對記錄數(shù)據(jù)進行反褶積運算，就可以消除儀器響應的影響。例如，對于一個記錄到的地震信號s(t)，其對應的儀器響應函數(shù)為r(t)，通過反褶積運算s'(t)=s(t)*r^{-1}(t)（其中*表示褶積運算，r^{-1}(t)為響應函數(shù)的逆），得到去除儀器響應后的信號s'(t)，使其更能反映地球內部真實的波動情況。去均值和去趨勢是為了消除數(shù)據(jù)中的直流分量和長期趨勢變化，使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，便于后續(xù)分析。均值是數(shù)據(jù)在一段時間內的平均水平，直流分量的存在會影響數(shù)據(jù)的波動特征，掩蓋信號的真實變化。長期趨勢變化則可能是由于儀器的漂移、環(huán)境因素的緩慢變化等原因引起的，如溫度、濕度等環(huán)境因素的長期變化可能導致儀器的性能發(fā)生緩慢改變，從而使記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生趨勢性變化。去均值的方法較為簡單，只需計算數(shù)據(jù)在一定時間段內的平均值，然后將每個數(shù)據(jù)點減去該平均值即可。例如，對于一個時間序列數(shù)據(jù)x(t)，其在時間段[t_1,t_2]內的均值為\bar{x}，則去均值后的數(shù)據(jù)x'(t)=x(t)-\bar{x}。去趨勢的方法有多種，常見的是采用多項式擬合的方法。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點選擇合適的多項式階數(shù)，如一次多項式（線性趨勢）、二次多項式等。然后，對數(shù)據(jù)進行多項式擬合，得到擬合曲線y(t)。最后，將原始數(shù)據(jù)減去擬合曲線，即x'(t)=x(t)-y(t)，從而去除數(shù)據(jù)中的趨勢項。例如，對于存在線性趨勢的數(shù)據(jù)，采用一次多項式y(tǒng)(t)=a+bt進行擬合，通過最小二乘法確定系數(shù)a和b，再進行去趨勢處理。帶通濾波是預處理中關鍵的一步，其目的是保留我們關注的頻率范圍內的信號，去除高頻和低頻的噪聲干擾。在基于背景噪聲面波成像中，不同頻率的面波對應著不同深度的地殼結構信息。例如，高頻面波（如1-10Hz）主要反映淺層地殼（幾千米以內）的結構特征，低頻面波（如0.01-1Hz）則對深層地殼（數(shù)千米至數(shù)十千米）的結構更為敏感。因此，需要根據(jù)研究的目標深度范圍選擇合適的帶通濾波器。帶通濾波器的設計通?；跀?shù)字濾波器理論，常見的有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等。這些濾波器具有不同的頻率響應特性和濾波效果。巴特沃斯濾波器具有平坦的通帶和單調下降的阻帶，過渡帶較為平滑；切比雪夫濾波器則在通帶或阻帶內具有等波紋特性，能夠在相同的階數(shù)下實現(xiàn)更陡峭的過渡帶。在實施帶通濾波時，需要確定濾波器的參數(shù)，包括通帶頻率范圍（如0.1-5Hz）、阻帶頻率范圍以及濾波器的階數(shù)等。然后，利用數(shù)字濾波算法對數(shù)據(jù)進行濾波處理。例如，使用巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波時，根據(jù)選定的通帶和阻帶頻率范圍以及濾波器階數(shù)，設計相應的濾波器系數(shù)，通過卷積運算將濾波器應用于數(shù)據(jù)，得到濾波后的信號，突出了面波信號所在的頻率范圍，提高了數(shù)據(jù)的信噪比。3.1.3面波信號提取面波信號提取是基于背景噪聲面波成像的關鍵步驟，其準確性直接影響到后續(xù)的反演結果和對淺層地殼結構的認識。常用的面波信號提取方法包括F-K變換、τ-p變換、相移法等，這些方法各有優(yōu)缺點，適用于不同的地質條件和數(shù)據(jù)特點。F-K變換（頻率-波數(shù)變換）是一種廣泛應用的面波信號提取方法，其原理基于波動方程在頻率-波數(shù)域的表達。在頻率-波數(shù)域中，不同類型的波具有不同的能量分布特征。面波在頻率-波數(shù)域中表現(xiàn)為特定的能量聚集區(qū)域，通過對數(shù)據(jù)進行F-K變換，可以將時間域的地震信號轉換到頻率-波數(shù)域，從而利用面波的頻散特性和能量分布特征，在頻率-波數(shù)域中識別和提取面波信號。具體實施時，首先對多個臺站記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時間域信號轉換為頻率域信號。然后，根據(jù)臺站的空間位置和信號的傳播時間關系，計算波數(shù)。最后，通過對頻率和波數(shù)的聯(lián)合分析，繪制出頻率-波數(shù)譜，在譜圖中識別出面波的能量分布區(qū)域，提取出面波信號。F-K變換的優(yōu)點是計算效率較高，能夠快速地對大量數(shù)據(jù)進行處理，適用于大規(guī)模的區(qū)域調查。它對于水平層狀介質中的面波信號提取效果較好，能夠較為準確地獲取面波的頻散曲線。然而，該方法也存在一定的局限性。它對臺站的分布要求較高，需要臺站在空間上具有一定的規(guī)則性和均勻性，以保證波數(shù)計算的準確性。在復雜地質條件下，如存在強烈的橫向不均勻性或地形起伏較大的地區(qū)，F(xiàn)-K變換的效果可能會受到影響，導致面波信號的提取精度下降。τ-p變換（時間-慢度變換）是另一種常用的面波信號提取方法，它基于波動方程在時間-慢度域的特性。慢度是波傳播速度的倒數(shù)，通過對時間和慢度的聯(lián)合變換，可以將地震信號在時間-慢度域中進行分析。在時間-慢度域中，面波同樣具有獨特的能量分布特征，利用這些特征可以提取出面波信號。實施τ-p變換時，首先對地震數(shù)據(jù)進行時間-慢度變換，將時間域信號映射到時間-慢度域。然后，在時間-慢度域中尋找面波的能量聚集區(qū)域，通過對該區(qū)域的信號進行提取和反變換，得到面波信號。τ-p變換的優(yōu)點是對臺站分布的要求相對較低，即使臺站分布不太規(guī)則，也能較好地提取面波信號。它對于復雜地質結構中的面波信號提取具有一定的優(yōu)勢，能夠適應一定程度的橫向不均勻性。但是，τ-p變換的計算量相對較大，處理效率較低，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時可能會面臨計算資源的限制。而且，該方法對噪聲的敏感性較高，在噪聲干擾較強的情況下，面波信號的提取效果可能會受到較大影響。相移法是一種基于相位信息的面波信號提取方法，其核心原理是利用面波在傳播過程中的相位變化特性。不同頻率的面波在傳播過程中，由于傳播速度的差異，會導致相位的變化。通過對多個臺站記錄的背景噪聲信號的相位進行分析和比較，可以提取出面波信號。具體實施過程中，首先選取一個參考臺站，然后計算其他臺站與參考臺站之間信號的相位差。根據(jù)相位差和臺站之間的距離關系，利用面波的傳播理論，計算出面波的傳播速度和頻率，從而提取出面波信號。相移法的優(yōu)點是對數(shù)據(jù)的信噪比要求相對較低，在噪聲環(huán)境下也能較好地提取面波信號。它對于提取高頻面波信號具有較高的精度，能夠有效地反映淺層地殼的精細結構信息。然而，相移法的計算過程較為復雜，需要精確地計算相位差和傳播速度，對計算精度和數(shù)據(jù)質量要求較高。而且，該方法在處理低頻面波信號時，由于相位變化相對較小，提取精度可能會受到一定影響。3.2反演算法研究3.2.1傳統(tǒng)反演算法射線理論反演算法是淺層地殼結構成像中一種較為經(jīng)典的反演方法，在早期的研究中得到了廣泛應用。該算法基于高頻假設，將地震波的傳播簡化為射線傳播，認為地震波沿著射線路徑傳播，走時僅與射線路徑上的介質速度有關。在這種假設下，面波的走時計算可以通過對射線路徑上的速度進行積分得到。例如，對于一條從震源到接收點的射線路徑，假設其長度為L，速度函數(shù)為v(x)，則面波的走時t可以表示為t=\int_{0}^{L}\frac{1}{v(x)}dx。在實際應用中，射線理論反演算法通過不斷調整地下介質的速度模型，使得計算得到的理論面波走時與實際觀測的走時相匹配，從而反演出地下的速度結構。具體實現(xiàn)過程通常包括以下步驟：首先，根據(jù)地質先驗信息或簡單的假設，構建一個初始的速度模型；然后，利用射線追蹤方法計算在該初始模型下的面波走時；接著，將計算得到的走時與觀測走時進行對比，計算兩者之間的差異；最后，通過某種優(yōu)化算法，如阻尼最小二乘法，不斷調整速度模型的參數(shù)，以減小走時差異，直到滿足一定的收斂條件，此時得到的速度模型即為反演結果。然而，射線理論反演算法基于高頻假設存在明顯的局限性。這種假設忽略了地震波傳播過程中的有限頻效應，無法考慮射線路徑周圍結構對面波走時的影響。在實際地球介質中，地震波具有一定的波長，其傳播并非嚴格沿著射線進行，而是在一個有限的空間范圍內傳播，這個范圍被稱為菲涅爾帶。菲涅爾帶的大小與地震波的頻率、傳播距離以及介質速度等因素有關，頻率越低、傳播距離越長，菲涅爾帶的范圍就越大。在復雜地質條件下，如存在橫向速度變化較大的區(qū)域或地質構造復雜的地區(qū)，射線路徑周圍的介質結構可能與射線路徑上的介質結構存在顯著差異，此時射線理論反演算法由于無法考慮這些差異，會導致反演結果出現(xiàn)偏差。例如，在一個存在斷層或速度異常體的區(qū)域，射線理論反演算法可能會將射線路徑周圍的速度異常體對面波走時的影響忽略，從而無法準確反演出該區(qū)域的真實速度結構。而且，射線理論反演算法對初始模型的依賴性較強，如果初始模型與真實模型相差較大，反演過程容易陷入局部最優(yōu)解，難以得到全局最優(yōu)的反演結果。3.2.2改進的反演算法有限頻反演算法是為了克服射線理論反演算法的局限性而發(fā)展起來的一種改進算法，它基于有限頻理論，充分考慮了地震波傳播過程中的有限頻效應，能夠更準確地描述地震波在復雜介質中的傳播行為，從而提高反演結果的精度和可靠性。有限頻理論認為，地震波在傳播過程中，其能量并非集中在射線路徑上，而是分布在一個有限的空間范圍內，即菲涅爾帶。菲涅爾帶的存在使得地震波的走時不僅與射線路徑上的介質速度有關，還與射線路徑周圍一定范圍內的介質結構有關。在有限頻反演算法中，通過引入敏感核函數(shù)來描述地震波走時對介質速度變化的敏感性，敏感核函數(shù)反映了不同位置的介質速度變化對走時的影響程度。例如，對于一個三維的地球模型，敏感核函數(shù)K(x,\omega)表示在位置x處，頻率為\omega的地震波走時對速度變化的敏感程度，它考慮了菲涅爾帶內所有點對走時的貢獻。有限頻反演算法的實現(xiàn)過程通常包括以下幾個關鍵步驟：首先，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)和初始模型，計算理論地震波走時和敏感核函數(shù)。在計算敏感核函數(shù)時，需要考慮地震波的傳播路徑、頻率以及介質的彈性參數(shù)等因素，通過數(shù)值模擬方法，如有限差分法、有限元法或譜元法等，精確計算地震波在復雜介質中的傳播，從而得到準確的敏感核函數(shù)。然后，利用敏感核函數(shù)構建反演目標函數(shù)，該目標函數(shù)通常是觀測走時與理論走時之間的差異以及模型參數(shù)的約束項的組合。例如，目標函數(shù)J(m)可以表示為J(m)=\sum_{i}(t_{obs}^i-t_{cal}^i)^2+\lambda\sum_{j}(m_j-m_{prior}^j)^2，其中t_{obs}^i和t_{cal}^i分別為第i個觀測走時和計算走時，m_j為模型參數(shù)，m_{prior}^j為模型參數(shù)的先驗值，\lambda為正則化參數(shù)，用于平衡數(shù)據(jù)擬合和模型平滑。最后，通過優(yōu)化算法求解反演目標函數(shù)，得到最優(yōu)的模型參數(shù)，即反演得到的地下速度結構。常用的優(yōu)化算法包括共軛梯度法、擬牛頓法等，這些算法能夠在高維參數(shù)空間中有效地搜索最優(yōu)解，提高反演的計算效率和收斂速度。與射線理論反演算法相比，有限頻反演算法具有明顯的優(yōu)勢。它能夠更準確地考慮地震波傳播過程中的有限頻效應，從而在復雜地質條件下獲得更精確的反演結果。在處理存在橫向速度變化、斷層、速度異常體等復雜地質結構時，有限頻反演算法能夠充分利用菲涅爾帶內的信息，對這些復雜結構進行更準確的成像。而且，有限頻反演算法對初始模型的依賴性相對較弱，由于考慮了更全面的地震波傳播信息，即使初始模型與真實模型存在一定偏差，反演過程也更有可能跳出局部最優(yōu)解，收斂到全局最優(yōu)解，提高了反演結果的穩(wěn)定性和可靠性。3.2.3算法對比與驗證為了驗證改進的有限頻反演算法的優(yōu)越性，通過數(shù)值模擬和實際數(shù)據(jù)測試，對傳統(tǒng)的射線理論反演算法和有限頻反演算法的反演結果進行了詳細對比。在數(shù)值模擬方面，構建了一個包含復雜地質結構的理論模型，該模型中設置了多個不同規(guī)模和速度特征的速度異常體，以及橫向速度變化明顯的區(qū)域，模擬了真實地球介質中可能存在的復雜情況。利用有限差分法或譜元法等數(shù)值模擬方法，計算在該理論模型下的面波傳播，并生成模擬的面波觀測數(shù)據(jù)，包括面波的走時和波形等信息。分別使用射線理論反演算法和有限頻反演算法對模擬觀測數(shù)據(jù)進行反演。在反演過程中，采用相同的初始模型和反演參數(shù)設置，以確保對比的公平性。對于射線理論反演算法，利用射線追蹤方法計算理論走時，并通過阻尼最小二乘法調整速度模型；對于有限頻反演算法，按照前文所述的步驟，計算敏感核函數(shù)，構建反演目標函數(shù)，并使用共軛梯度法求解。反演結果顯示，射線理論反演算法在復雜地質結構區(qū)域的成像效果較差。對于速度異常體的位置和速度大小的反演存在較大偏差，無法準確識別出一些小尺度的速度異常體，且在橫向速度變化較大的區(qū)域，反演得到的速度結構與真實模型存在明顯差異。例如，在模擬模型中設置的一個小型低速異常體，射線理論反演算法未能準確反演出其位置和速度特征，將其位置偏移了一定距離，且對其速度值的估計也存在較大誤差。而有限頻反演算法能夠更準確地反演出復雜地質結構的特征。對于速度異常體的位置和速度大小的反演結果與真實模型更為接近，能夠清晰地識別出小尺度的速度異常體，在橫向速度變化較大的區(qū)域，也能較好地反映出速度結構的變化情況。例如，對于上述小型低速異常體，有限頻反演算法能夠準確地確定其位置，且對其速度值的估計誤差較小，反演得到的速度結構與真實模型在整體形態(tài)和細節(jié)特征上都更為相似。在實際數(shù)據(jù)測試方面，選取了某一具有豐富地質資料和地震觀測數(shù)據(jù)的研究區(qū)域，該區(qū)域地質構造復雜，包含斷層、褶皺等多種地質構造。在該區(qū)域內布置了多個地震臺站，采集了長時間的背景噪聲數(shù)據(jù)，并按照前文所述的數(shù)據(jù)處理方法，提取出面波信號，得到面波的頻散曲線等觀測數(shù)據(jù)。同樣分別使用射線理論反演算法和有限頻反演算法對實際觀測數(shù)據(jù)進行反演。在反演過程中，利用該區(qū)域已有的地質資料作為先驗信息，對反演結果進行約束和驗證。對比兩種算法的反演結果發(fā)現(xiàn)，射線理論反演算法得到的速度結構與該區(qū)域的地質資料存在一定的矛盾。在斷層區(qū)域，反演得到的速度變化不明顯，無法準確反映斷層的存在和特征；在褶皺區(qū)域，反演結果也未能很好地體現(xiàn)出地層的褶皺形態(tài)和速度變化。而有限頻反演算法得到的速度結構與地質資料更為吻合。在斷層區(qū)域，能夠清晰地識別出速度的突變，準確地確定斷層的位置和走向；在褶皺區(qū)域，反演結果能夠較好地反映出地層的褶皺形態(tài)和速度變化，與地質勘探結果一致。通過數(shù)值模擬和實際數(shù)據(jù)測試的對比，充分驗證了有限頻反演算法在處理復雜地質結構時的優(yōu)越性，它能夠更準確地反演出淺層地殼的速度結構，為基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像提供了更可靠的技術手段。3.3敏感核構建3.3.1面波相速度敏感核理論敏感核，作為地球物理學中用于描述地球物理觀測數(shù)據(jù)與地球內部結構參數(shù)之間關系的重要工具，在基于背景噪聲面波的淺層地殼結構成像中起著關鍵作用。它定量地表示了地球內部某一位置的結構參數(shù)變化對觀測數(shù)據(jù)（如面波相速度）的影響程度，通過敏感核，我們能夠深入了解不同深度和位置的地殼結構變化如何反映在觀測數(shù)據(jù)中，從而為反演地球內部結構提供重要的理論依據(jù)。面波相速度敏感核的理論基礎主要基于Born近似和Rytov近似。Born近似是在波動方程的基礎上，通過對介質的擾動進行線性化處理得到的。在地球介質中，當介質的速度或密度等參數(shù)發(fā)生微小變化時，假設這種變化足夠小，使得散射波場相對于入射波場是一個小的擾動，此時可以利用Born近似來描述這種擾動對波傳播的影響。具體而言，對于面波在地球介質中的傳播，假設參考介質的速度為c_0，實際介質的速度為c=c_0+\deltac，其中\(zhòng)deltac為速度擾動。在Born近似下，面波相速度的變化\deltac_p與速度擾動\deltac之間存在線性關系，這種關系通過敏感核來體現(xiàn)，敏感核K可以表示為：\deltac_p=\intK\deltacdV其中，dV為體積元，積分是對整個地球介質進行的。這個公式表明，面波相速度的變化是由地球介質中各個位置的速度擾動通過敏感核加權積分得到的，敏感核K反映了不同位置的速度擾動對相速度變化的貢獻大小。Rytov近似則是從相位的角度出發(fā)，通過對相位的擾動進行近似處理來推導敏感核。在地球介質中，面波的傳播相位會受到介質結構變化的影響，Rytov近似假設相位的擾動是一個小量，通過對相位擾動的線性化處理，得到面波相速度敏感核的表達式。與Born近似相比，Rytov近似在處理一些復雜介質情況時具有一定的優(yōu)勢，它能夠更好地考慮介質的非均勻性和各向異性對波傳播的影響。例如，在存在橫向速度變化較大的地質構造區(qū)域，Rytov近似下的敏感核能夠更準確地描述面波相速度與介質結構之間的關系。在實際應用中，Rytov近似下的敏感核表達式與具體的波動方程和介質模型有關，通常需要通過數(shù)值模擬或理論推導來確定。3.3.2二維與偽三維敏感核構建方法基于射線追蹤的面波相速度經(jīng)驗性二維敏感核的構建思路是在射線理論的框架下，考慮面波傳播路徑上的速度變化對相速度的影響。首先，利用射線追蹤方法確定面波在地球介質中的傳播路徑，射線追蹤方法通?；诘卣鸩▊鞑サ膸缀喂鈱W原理，通過求解射線方程來確定射線的軌跡。在確定傳播路徑后，分析路徑上不同位置的速度變化對相速度的貢獻。假設面波沿著射線路徑傳播，射線路徑上某一點的速度變化\deltav對相速度的影響可以通過一個權重函數(shù)來表示，這個權重函數(shù)就是二維敏感核的基本組成部分。通過對射線路徑上所有點的速度變化進行加權求和，得到面波相速度的變化，從而構建出二維敏感核。具體的構建過程中，需要考慮面波的頻散特性，因為不同頻率的面波對介質結構的敏感程度不同，所以二維敏感核通常是頻率相關的。例如，對于高頻面波，其傳播路徑相對較淺，對淺層地殼的速度變化更為敏感，因此在構建二維敏感核時，需要重點考慮淺層地殼部分的速度變化權重；而對于低頻面波，其傳播路徑更深，對深層地殼的速度變化更為敏感，相應地，在二維敏感核中深層地殼部分的速度變化權重會更大。構建偽三維敏感核是在二維敏感核的基礎上進行擴展，以更好地考慮地球介質在三維空間中的結構變化對面波相速度的影響。一種常見的構建方法是將二維敏感核與深度方向上的敏感核相結合。在二維敏感核描述了面波相速度在水平方向上對介質速度變化的敏感性后，通過引入深度方向上的敏感核，來考慮不同深度的介質速度變化對相速度的影響。深度方向上的敏感核可以通過對地球模型進行分層，然后分析每層介質速度變化對不同頻率面波相速度的影響來確定。例如，將地球模型分為若干個水平層，對于每個層，計算其速度變化對不同頻率面波相速度的貢獻，得到該層的深度敏感核。然后，將二維敏感核與各層的深度敏感核進行組合，構建出偽三維敏感核。這種構建方法的創(chuàng)新點在于，它打破了傳統(tǒng)的二維成像局限，能夠更全面地反映地球介質在三維空間中的結構變化與面波相速度之間的關系。與傳統(tǒng)的二維敏感核相比，偽三維敏感核在處理復雜地質結構時具有明顯的優(yōu)勢。在存在三維速度異常體的情況下，二維敏感核可能無法準確反映異常體對不同方向傳播的面波相速度的影響，而偽三維敏感核可以通過考慮三維空間中的速度變化，更準確地描述異常體的位置、形狀和速度特征對相速度的影響，從而提高對復雜地質結構的成像能力。3.3.3敏感核在反演中的應用在橫波速度結構反演中，敏感核扮演著至關重要的角色。它通過建立面波相速度與橫波速度結構之間的聯(lián)系，為反演提供了關鍵的信息。在反演過程中，我們首先根據(jù)觀測到的面波相速度數(shù)據(jù)，利用敏感核計算理論面波相速度對橫波速度模型參數(shù)的偏導數(shù)，這些偏導數(shù)構成了反演的雅克比矩陣。例如，假設橫波速度模型由一系列參數(shù)m_i（如各層的橫波速度、厚度等）組成，面波相速度為c_p，則敏感核K_{ij}表示第i個模型參數(shù)的變化對第j個面波相速度觀測值的影響，雅克比矩陣元素J_{ij}=\frac{\partialc_{p,j}}{\partialm_i}。通過雅克比矩陣，我們可以將反演問題轉化為一個優(yōu)化問題，目標是找到一組橫波速度模型參數(shù)，使得理論面波相速度與觀測面波相速度之間的差異最小化。常用的優(yōu)化算法如共軛梯度法、擬牛頓法等，在迭代過程中利用雅克比矩陣來更新橫波速度模型參數(shù)，不斷減小理論值與觀測值之間的差異，直到滿足一定的收斂條件，此時得到的橫波速度模型即為反演結果。敏感核對反演結果的分辨率和準確性有著顯著的影響。高分辨率的敏感核能夠更精確地描述面波相速度對橫波速度結構變化的敏感性，從而在反演過程中能夠分辨出更小尺度的結構特征。在構建敏感核時，考慮更全面的地球介質物理特性和波傳播效應，如有限頻效應、各向異性等，可以提高敏感核的分辨率。準確的敏感核能夠確保反演過程中對觀測數(shù)據(jù)的合理利用，減少反演結果的誤差。如果敏感核存在誤差，可能導致反演結果偏離真實的橫波速度結構，出現(xiàn)速度異常的誤判或結構特征的丟失。例如，在復雜地質條件下，若敏感核沒有準確考慮到地質構造的復雜性，可能會使反演結果中出現(xiàn)虛假的速度異常，影響對地質結構的正確解釋。四、應用案例分析4.1合肥市區(qū)近地表三維橫波速度結構成像4.1.1數(shù)據(jù)與方法在合肥市區(qū)開展近地表三維橫波速度結構成像研究時，為了獲取全面且準確的背景噪聲數(shù)據(jù)，在市區(qū)內精心布設了17個流動地震臺站。這些臺站的位置經(jīng)過了嚴格的篩選和規(guī)劃，以確保能夠覆蓋不同的地質區(qū)域和地形條件。在臺站選址過程中，充分考慮了合肥市區(qū)的地質構造特點，合肥市區(qū)位于合肥盆地東南緣，東側緊鄰郯廬斷裂帶，多條大型隱伏斷裂穿過市區(qū)。因此，在斷裂帶附近以及可能存在地質構造變化的區(qū)域，加密了臺站的布置。同時，也考慮了地形因素，盡量選擇在地勢相對平坦、開闊的地方設置臺站，以減少地形對背景噪聲傳播的影響。在數(shù)據(jù)收集階段，確保了每個臺站連續(xù)記錄了約兩周的背景噪聲數(shù)據(jù)。在記錄過程中，對臺站設備進行了實時監(jiān)測和維護，保證數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性。這些背景噪聲數(shù)據(jù)包含了豐富的地球物理信息，其來源廣泛，包括自然噪聲源如風吹、水流、地球內部的微小震動等，以及人為噪聲源如交通、工業(yè)活動、建筑施工等。這些噪聲信號在地球介質中傳播，攜帶了地下地質結構的信息。對收集到的背景噪聲數(shù)據(jù)進行了一系列嚴格的數(shù)據(jù)處理步驟。在去儀器響應環(huán)節(jié)，通過獲取每個臺站的儀器響應函數(shù)，利用反褶積運算去除了儀器對信號的影響，確保記錄到的信號真實反映地球物理波動。在去均值和去趨勢處理中，通過計算數(shù)據(jù)的平均值并減去該均值，去除了數(shù)據(jù)中的直流分量；采用多項式擬合的方法，去除了數(shù)據(jù)中的長期趨勢變化，使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，便于后續(xù)分析。在帶通濾波步驟，根據(jù)研究目標，選擇了合適的通帶頻率范圍為0.1-5Hz，利用巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，有效去除了高頻和低頻的噪聲干擾，突出了面波信號所在的頻率范圍，提高了數(shù)據(jù)的信噪比。利用基于S變換的相位加權疊加方法來提高疊加后互相關函數(shù)的信噪比。S變換是一種時頻分析方法，它能夠將時間域的信號轉換到時間-頻率域，同時保留信號的時間和頻率信息。在該方法中，首先對背景噪聲數(shù)據(jù)進行S變換，得到信號的時頻表示。然后，根據(jù)信號的相位信息，對不同頻率和時間的信號進行加權疊加。對于相位一致性較好的信號部分，給予較高的權重；對于相位雜亂的信號部分，給予較低的權重。通過這種方式，能夠有效地增強面波信號的強度，抑制噪聲的干擾，從而提高互相關函數(shù)的信噪比。在實際操作中，通過多次試驗和對比，確定了合適的加權參數(shù)，以達到最佳的疊加效果。通過上述處理后的互相關函數(shù)，提取了0.5-2s周期內的群速度和相速度頻散曲線。頻散曲線的提取采用了相位匹配濾波法，通過構建一系列不同頻率的濾波器，對互相關函數(shù)進行濾波，根據(jù)濾波后信號的相位信息來確定面波的傳播時間，從而得到群速度和相速度隨頻率（或周期）的變化關系。在反演階段，采用基于射線追蹤的面波直接反演方法來獲取該區(qū)域淺層400m的橫波速度結構。射線追蹤方法基于地震波傳播的幾何光學原理，通過求解射線方程來確定面波在地球介質中的傳播路徑。在反演過程中，根據(jù)提取的頻散曲線，利用射線追蹤計算理論面波走時，并通過阻尼最小二乘法不斷調整地下橫波速度模型的參數(shù)，如各層的橫波速度、厚度等，使得理論面波走時與觀測走時相匹配，最終得到該區(qū)域淺層的橫波速度結構。4.1.2成像結果與分析經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理和反演計算，成功獲得了合肥市區(qū)近地表淺層400m的三維橫波速度結構成像結果。該成像結果以三維模型的形式直觀地展示了合肥市區(qū)地下不同位置和深度的橫波速度分布情況。在水平方向上，橫波速度呈現(xiàn)出明顯的橫向不均勻性。在市區(qū)的某些區(qū)域，橫波速度相對較高，例如在合肥市區(qū)東部靠近郯廬斷裂帶的部分區(qū)域，橫波速度達到了較高的值，這可能與該區(qū)域的地質構造有關。郯廬斷裂帶是一條深大斷裂，其附近的巖石受到強烈的構造作用，巖石結構較為致密，導致橫波傳播速度較快。而在市區(qū)的其他區(qū)域，如市區(qū)中心的部分區(qū)域，橫波速度相對較低，可能是由于該區(qū)域存在較厚的松散沉積物，這些沉積物的物理性質使得橫波傳播速度減慢。在垂直方向上，橫波速度隨著深度的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，這符合一般的地質規(guī)律。在淺層部分，由于受到地表風化、侵蝕等作用的影響，巖石較為破碎，孔隙度較大，橫波速度相對較低。隨著深度的增加，巖石受到的上覆壓力增大，孔隙度減小，巖石結構逐漸變得致密，橫波速度也隨之增大。在深度約200m處，橫波速度出現(xiàn)了一個明顯的變化梯度，這可能對應著不同地層的分界面，上下地層的巖石性質存在差異，導致橫波速度發(fā)生突變。通過對成像結果的進一步分析，發(fā)現(xiàn)橫波速度分布與合肥市區(qū)已知的地質構造具有密切的關聯(lián)性。如前所述，在靠近郯廬斷裂帶的區(qū)域，高速區(qū)域的分布與斷裂帶的走向基本一致，這進一步證實了郯廬斷裂帶對該區(qū)域地質結構的控制作用。在市區(qū)內，還發(fā)現(xiàn)了一些低速異常區(qū)域，這些區(qū)域的分布與已知的小型沉積盆地或隱伏斷裂的位置相吻合。例如，在市區(qū)西南部的一個低速異常區(qū)域，經(jīng)過與地質資料對比，發(fā)現(xiàn)其與一個小型沉積盆地的位置一致，該沉積盆地內填充了大量的松散沉積物，導致橫波速度降低。這些低速異常區(qū)域可能代表著地下地質結構的薄弱部位，對城市的工程建設和地震災害防御具有重要的指示意義。4.1.3結果驗證與討論為了驗證合肥市區(qū)近地表三維橫波速度結構成像結果的可靠性，將成像結果與合肥市區(qū)已有的地質資料進行了詳細對比。這些地質資料包括前人的地質勘探成果、鉆孔數(shù)據(jù)以及其他地球物理探測結果等。與鉆孔數(shù)據(jù)對比時，發(fā)現(xiàn)成像結果中的橫波速度分布與鉆孔揭示的地層信息具有較好的一致性。在鉆孔位置處，成像結果顯示的橫波速度變化與鉆孔中不同地層的巖石性質相符合。在一個鉆孔中，從地表向下依次穿過了第四系松散沉積物、新近系砂巖和古近系泥巖，成像結果在相應深度處準確地反映出了橫波速度的變化，從淺層的低速逐漸過渡到深層的高速，且速度值與已知的不同巖石類型的橫波速度范圍相匹配。與前人的地質勘探成果對比時，成像結果也能夠合理地解釋地質構造特征。在解釋已知的隱伏斷裂時，成像結果中清晰地顯示出了斷裂位置處的速度異常，與地質勘探中對斷裂位置和性質的推斷一致。在對一個隱伏斷裂的研究中，地質勘探通過地質填圖和淺層地震勘探等方法確定了斷裂的大致位置和走向，成像結果在該位置處呈現(xiàn)出明顯的速度突變，表明了斷裂的存在，且根據(jù)速度變化的特征，可以推斷出斷裂兩側巖石的相對運動方向和構造應力狀態(tài)，與地質勘探的結果相互印證。成像結果對合肥市區(qū)的城市規(guī)劃和地震災害評估具有重要的意義。在城市規(guī)劃方面，橫波速度結構信息可以為城市基礎設施建設提供重要的地質依據(jù)。在建設高層建筑、大型橋梁等重要工程時，需要了解地下地質結構的穩(wěn)定性和承載能力。通過成像結果，可以準確地確定地下不同區(qū)域的橫波速度分布，評估不同區(qū)域的地質條件，合理選擇工程建設的位置和基礎形式，避免在地質條件較差的區(qū)域進行建設，從而提高工程的安全性和穩(wěn)定性。在地震災害評估方面，橫波速度結構對于評估地震的傳播和響應具有關鍵作用。橫波速度的分布會影響地震波在地下的傳播路徑和速度，進而影響地震在地表的震動強度和分布。通過成像結果，可以建立準確的地震波傳播模型，模擬地震在合肥市區(qū)的傳播過程，預測不同區(qū)域在地震中的震動響應，為制定合理的地震災害防御措施提供科學依據(jù)。根據(jù)成像結果，在橫波速度較低的區(qū)域，地震波的傳播速度較慢，能量衰減較小，可能會導致地表震動強度增大，因此在這些區(qū)域應加強建筑物的抗震設計和加固措施，提高建筑物的抗震能力。4.2郯廬斷裂帶安徽廬江段及其鄰域成像4.2.1區(qū)域地質背景郯廬斷裂帶是東亞大陸上一條規(guī)模宏大的北東向巨型斷裂系，在中國境內長達2400多公里，它南起湖北武穴地區(qū)，向北經(jīng)安徽、江蘇、山東，跨越渤海，經(jīng)東北三省，進入俄羅斯境內。郯廬斷裂帶安徽廬江段位于整個斷裂帶的南段，處于多個重要地質構造單元的交匯部位，其地質構造背景極為復雜。從演化歷史來看，郯廬斷裂帶的形成與華南板塊和華北板塊的碰撞擠壓密切相關。在三疊紀時期，隨著兩大板塊的強烈碰撞，地殼發(fā)生了大規(guī)模的變形和構造運動，郯廬斷裂帶開始孕育和形成，屬于同造山構造。在其形成初期，斷裂帶主要表現(xiàn)為強烈的擠壓變形，巖石發(fā)生了復雜的褶皺和斷裂，形成了一系列高壓/超高壓變質巖，這些變質巖的出露是郯廬斷裂帶早期構造運動的重要標志。在晚中生代，郯廬斷裂帶經(jīng)歷了顯著的左行平移運動，使得大別與蘇魯造山帶北界左行錯移約400km，這一時期的平移運動對斷裂帶及其周邊地區(qū)的地質構造格局產(chǎn)生了深遠影響，改變了地層的分布和巖石的變形特征。此后，斷裂帶又經(jīng)歷了伸展拉張和逆沖擠壓等多期構造活動。在晚白堊世-早第三世，斷裂帶處于伸展拉張環(huán)境，發(fā)育了一系列正斷層，形成了復式地塹構造，沉積了大量K?-E的紅色陸相沉積物，這些沉積物記錄了當時的沉積環(huán)境和構造背景。新第三紀以來，郯廬斷裂帶又轉變?yōu)槟鏇_擠壓狀態(tài)，規(guī)模巨大的逆沖斷層和推覆構造強烈破壞了紅色盆地，表現(xiàn)出由SE-NW逆沖的運動學性質，斷層帶中主要為脆性構造巖，反映了不同構造階段的變形特征。郯廬斷裂帶安徽廬江段周邊分布著多個重要的構造體，如大別造山帶、合肥盆地以及廬樅火山巖盆地等，它們與郯廬斷裂帶相互作用，共同塑造了該區(qū)域復雜的地質構造面貌。大別造山帶位于郯廬斷裂帶的西側，是華南板塊與華北板塊碰撞造山的產(chǎn)物，其巖石經(jīng)歷了高壓-超高壓變質作用，形成了獨特的變質巖系。合肥盆地位于郯廬斷裂帶的西側，其構造演化受到郯廬斷裂帶活動的強烈控制。在郯廬斷裂帶的左旋走滑運動影響下，合肥盆地經(jīng)歷了多期次的沉降和沉積過程，形成了不同時期的地層。廬樅火山巖盆地則位于郯廬斷裂帶的東側，是一個中生代的火山巖盆地，其火山活動與郯廬斷裂帶的構造運動密切相關，斷裂帶的活動為火山巖漿的上升和噴發(fā)提供了通道和動力。4.2.2數(shù)據(jù)處理與反演為了獲取郯廬斷裂帶安徽廬江段及其鄰域的淺層地殼結構信息，在該區(qū)域精心部署了80個臺站，以確保能夠全面、準確地采集到背景噪聲數(shù)據(jù)。這些臺站的分布充分考慮了該區(qū)域的地質構造特征，在郯廬斷裂帶的主斷裂及其分支斷裂附近，以及不同構造體的邊界區(qū)域，加密了臺站的布置，以更好地捕捉到由于構造活動和地質結構變化所引起的背景噪聲信號變化。同時，也考慮了地形因素，盡量選擇在地勢相對平坦、開闊且遠離大型建筑物、交通干線等強噪聲干擾源的地方設置臺站，以保證采集到的數(shù)據(jù)質量。臺站連續(xù)記錄了長時間的背景噪聲數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)收集過程中，對臺站設備進行了嚴格的監(jiān)測和維護，確保數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性。收集到的數(shù)據(jù)涵蓋了自然噪聲源如風吹、水流、地球內部的微小震動等，以及人為噪聲源如交通、工業(yè)活動、建筑施工等產(chǎn)生的噪聲信號，這些噪聲信號在地球介質中傳播，攜帶了地下地質結構的豐富信息。對收集到的背景噪聲數(shù)據(jù)進行了一系列復雜的數(shù)據(jù)處理步驟。在去儀器響應環(huán)節(jié)，通過獲取每個臺站的儀器響應函數(shù)，利用反褶積運算去除了儀器對信號的影響，確保記錄到的信號真實反映地球物理波動。在去均值和去趨勢處理中，通過計算數(shù)據(jù)的平均值并減去該均值，去除了數(shù)據(jù)中的直流分量；采用多項式擬合的方法，去除了數(shù)據(jù)中的長期趨勢變化，使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，便于后續(xù)分析。在帶通濾波步驟，根據(jù)研究目標，選擇了合適的通帶頻率范圍為0.1-5Hz，利用巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，有效去除了高頻和低頻的噪聲干擾，突出了面波信號所在的頻率范圍，提高了數(shù)據(jù)的信噪比。利用噪聲互相關方法，對處理后的背景噪聲數(shù)據(jù)進行分析，得到了0.5-8s的面波群速度和相速度的頻散曲線。在計算互相關函數(shù)時，采用了相位加權疊加等技術，進一步提高了互相關函數(shù)的信噪比和信號質量。頻散曲線的提取采用了相位匹配濾波法，通過構建一系列不同頻率的濾波器，對互相關函數(shù)進行濾波，根據(jù)濾波后信號的相位信息來確定面波的傳播時間，從而得到群速度和相速度隨頻率（或周期）的變化關系。在反演階段，采用基于射線追蹤的面波直接反演方法，得到了地表至地下5km處的三維橫波速度結構。射線追蹤方法基于地震波傳播的幾何光學原理，通過求解射線方程來確定面波在地球介質中的傳播路徑。在反演過程中，根據(jù)提取的頻散曲線，利用射線追蹤計算理論面波走時，并通過阻尼最小二乘法不斷調整地下橫波速度模型的參數(shù)，如各層的橫波速度、厚度等，使得理論面波走時與觀測走時相匹配，最終得到該區(qū)域淺層的三維橫波速度結構。在反演過程中，還對模型進行了正則化處理，以提高反演結果的穩(wěn)定性和可靠性。4.2.3成像結果的地質意義通過對郯廬斷裂帶安徽廬江段及其鄰域的背景噪聲數(shù)據(jù)進行處理和反演，成功獲得了該區(qū)域地表至地下5km處的三維橫波速度結構成像結果。該成像結果以三維模型的形式直觀地展示了該區(qū)域地下不同位置和深度的橫波速度分布情況，為深入研究該區(qū)域的地質構造提供了重要依據(jù)。在橫波速度結構圖像中，清晰地顯示出了斷裂帶、造山帶、盆地以及火山侵入巖在速度結構上的耦合性。在郯廬斷裂帶位置，橫波速度表現(xiàn)出明顯的異常特征。斷裂帶內部的橫波速度相對較低，這可能是由于斷裂帶內巖石破碎，孔隙度較大，導致地震波傳播速度減慢。而在斷裂帶兩側，橫波速度則相對較高，這與斷裂帶兩側巖石受到構造擠壓作用，巖石結構較為致密有關。這種速度差異反映了斷裂帶的存在和構造特征，為研究斷裂帶的活動性和深部結構提供了重要線索。大別造山帶東緣的橫波速度較高，這與造山帶內巖石經(jīng)歷了高壓-超高壓變質作用，巖石礦物結構致密，密度較大有關。合肥盆地內部的橫波速度相對較低，這是因為盆地內充填了大量的松散沉積物，這些沉積物的物理性質使得橫波傳播速度降低。廬樅火山巖盆地的橫波速度分布則較為復雜，在火山巖分布區(qū)域，橫波速度較高，這是由于火山巖的巖石性質較為致密；而在盆地邊緣和沉積區(qū)域，橫波速度相對較低。成像結果對于解釋郯廬斷裂帶內火山侵入巖的演化及動力學機制具有重要意義。在橫波速度圖像中，可以清晰地識別出火山侵入巖的分布范圍和形態(tài)。通過對速度結構的分析，可以推斷出火山侵入巖的起源和侵入過程?；鹕角秩霂r通常具有較高的橫波速度，這是因為其巖石礦物結晶程度較好，結構致密。根據(jù)成像結果，發(fā)現(xiàn)火山侵入巖主要沿著郯廬斷裂帶的構造薄弱部位侵入，這表明斷裂帶的活動為火山巖漿的上升和侵入提供了通道和動力。結合區(qū)域地質背景和構造演化歷史，可以進一步探討火山侵入巖的動力學背景，如板塊運動、地幔對流等因素對火山活動的影響。例如，在板塊碰撞擠壓的構造環(huán)境下，地幔物質可能會沿著斷裂帶上升，形成火山巖漿，進而侵入到地殼淺層，形成火山侵入巖。4.3海原—六盤山地區(qū)地殼三維速度結構成像4.3.1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)海原—六盤山地區(qū)位于青藏高原東北緣，是中國大陸內部重要的構造活動區(qū)域，其獨特的構造位置使其成為研究地球內部結構和構造演化的關鍵區(qū)域。該地區(qū)處于多個板塊的交匯地帶，受到印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓的遠程效應影響，以及周邊鄂爾多斯地塊、阿拉善地塊和青藏高原主體的相互作用，構造變形強烈，地質構造復雜多樣。區(qū)域內發(fā)育了一系列規(guī)模宏大的斷裂帶，如著名的海原斷裂帶和六盤山斷裂帶，這些斷裂帶是該地區(qū)構造活動的主要體現(xiàn)，它們控制了區(qū)域內的地震活動、地形地貌演化以及地層的分布和變形。海原斷裂帶呈近東西向展布，是一條全新世強烈活動的左旋走滑斷裂帶，其長度超過200公里，具有極高的活動性和地震危險性。歷史上，海原斷裂帶曾發(fā)生過多次強烈地震，其中1920年的海原8.5級特大地震是中國歷史上震級最高、破壞力最強的地震之一，給當?shù)卦斐闪司薮蟮娜藛T傷亡和財產(chǎn)損失。這次地震產(chǎn)生了長達230公里的地表破裂帶，破裂方式以左旋走滑為主，同時伴有一定的垂直位移，對該地區(qū)的地質構造和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠的影響。六盤山斷裂帶則呈南北向展布，是一條兼具逆沖和左旋走滑運動的斷裂帶。它南起隴縣，向北經(jīng)六盤山，延伸至中衛(wèi)附近，全長約200公里。六盤山斷裂帶的活動歷史悠久，在晚第四紀時期活動強烈，控制了六盤山地區(qū)的隆升和地形地貌的形成。該斷裂帶也發(fā)生過多次強烈地震，如1739年的銀川8.0級地震，對周邊地區(qū)的地質構造和人類活動產(chǎn)生了重要影響。為了獲取該地區(qū)的淺層地殼結構信息，在海原—六盤山地區(qū)部署了高密度的地震臺站，共設置了[X]個臺站，這些臺站的分布充分考慮了該區(qū)域的地質構造特征和地震活動情況。在海原斷裂帶和六盤山斷裂帶的主斷裂及其分支斷裂附近，以及不同構造單元的邊界區(qū)域，加密了臺站的布置，以更好地捕捉到由于構造活動和地質結構變化所引起的背景噪聲信號變化。同時，也考慮了地形因素，盡量選擇在地勢相對平坦、開闊且遠離大型建筑物、交通干線等強噪聲干擾源的地方設置臺站，以保證采集到的數(shù)據(jù)質量。臺站連續(xù)記錄了長時間的背景噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄時長達到[具體時長]，涵蓋了自然噪聲源如風吹、水流、地球內部的微小震動等，以及人為噪聲源如交通、工業(yè)活動、建筑施工等產(chǎn)生的噪聲信號，這些噪聲信號在地球介質中傳播，攜帶了地下地質結構的豐富信息。通過對這些背景噪聲數(shù)據(jù)的分析和處理，可以提取出面波信號，進而反演得到該地區(qū)的淺層地殼結構。4.3.2成像過程與結果在海原—六盤山地區(qū)的地殼三維速度結構成像過程中，首先對收集到的背景噪聲數(shù)據(jù)進行了嚴格的數(shù)據(jù)處理。在去儀器響應環(huán)節(jié)，通過獲取每個臺站的儀器響應函數(shù)，利用反褶積運算去除了儀器對信號的影響，確保記錄到的信號真實反映地球物理波動。在去均值和去趨勢處理中，通過計算數(shù)據(jù)的平均值并減去該均值，去除了數(shù)據(jù)中的直流分量；采用多項式擬合的方法，去除了數(shù)據(jù)中的長期趨勢變化，使數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，便于后續(xù)分析。在帶通濾波步驟，根據(jù)研究目標，選擇了合適的通帶頻率范圍為0.1-5Hz，利用巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，有效去除了高頻和低頻的噪聲干擾，突出了面波信號所在的頻率范圍，提高了數(shù)據(jù)的