CN115508908A - 一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，涉及地震数据处理技术领域。该技术方案利用双差层析成像方法来获取高分辨率的研究区地壳三维P波、S波速度结构及地震重定位结果，然后应用体波走时与重力联合反演的方法进一步改善地壳三维P波速度和密度结构，根据反演所得的地壳P波、S波速度、密度结构及地震重定位结果，根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；利用反演目标函数的解对待反演的地震面波进行反演成像。该技术方案利用地震面波数据和高分辨率卫星重力数据对地震面波进行联合反演成像，不仅可以大大提高计算的效率，而且也可以提高反演结果的可靠性，提高了结构成像的横向分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及地震面波数据处理技术领域，具体为一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统。
背景技术
面波层析成像从数据来源上，可以分为地震面波和背景噪声面波层析成像，这主要是依据面波是从一个真实的地震震源处激发，还是从一个虚拟的台站处激发来考虑的。由于面波本质上是一个(粘)弹性介质的本征值问题，它在低频下也常常通过地球自由震荡的方式表现出来，因而可以用来研究地球的大尺度结构。
传统的地震层析成像方法已广泛应用，并取得一些重要认识。但是对于一些海拔较高，地形特殊，固定地震台站数量有限，传统成像未能达到理想的分辨率。通过收集固定地震台地震记录与密集流动地震台波形数据，利用双差层析成像方法来获取高分辨率的研究区地壳三维P波、S波速度结构及地震重定位结果，然后应用体波走时与重力联合反演的方法进一步改善地壳三维P波速度和密度结构。根据反演所得的地壳P波、S波速度、密度结构及地震重定位结果，对研究区低速层分布位置及成因、中强地震位置与速度、密度结构关系进行深入分析，对高海拔地区地壳变形机制和孕震构造环境研究提供新的依据，具有重要意义。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统，解决了背景技术中所提及的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统。获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
对所述地震面波数据进行双差层析成像处理，所述双差层析成像处理步骤包括：
S1.提取地震面波数据中的走时记录，获得实际体波走时；
S2.对实际体波走时建立三维速度模型，结合震源位置，利用射线追踪的方法正演理论体波走时；
S3.计算实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置。
通过重力异常公式利用地震面波数据的约束条件下，将所述高分辨率卫星重力数据进行重力异常获取，进而进行重力反演；
所述重力异常公式为：
其中，Δg表示重力异常值，G表示万有引力常数，Δρ剩余三维密度模型，Rijk表示观测点与直立长方体顶点之间的距离；
基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
将所述待反演的地震面波数据和所述高分辨率卫星重力数据进行正演得到理论观测
数据；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，
表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
优选的，所述地震面波数据中地震震源震级大于2.0级。
优选的，对所述地震面波数据进行双差层析成像处理以及重力反演，包括：
采用P波与S波速度模型：
其中Vp为P波传播速度，Vs为S波段传播速度。
优选的，对所述P波与S波速度模型采用正则化参数，所述正则化参数包含有光滑权重和阻尼值。
优选的，所述光滑权重取值范畴是50-1000，所述阻尼值的取值范畴是10-2000。
本发明还提供了一种地震面波走时和重力异常联合反演系统，包括：
数据集获取模块，用于获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
地震面波数据双差层析成像处理模块，用于获取实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置；
重力反演模块，在地震面波数据的约束条件下，利用重力异常计算公式计算出重力异常值，进而进行重力反演；
计算模块，用于计算敏感核；
线性化反演模型修正模块，用于基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演；
模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，
表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
(三)有益效果
本发明提供的一种地震面波走时和重力异常联合反演方法包括：首先对待反演的地震面波数据和高分辨率卫星重力数据进行正演得到理论观测数据并计算敏感核；然后根据理论观测数据和敏感核进行反演得到线性化反演模型；基于岩石的速度-密度关系对线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；最后根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；对反演目标函数进行求解得到最优解；利用最优解对待反演的地震面波进行反演成像。本发明通过利用地震面波数据和高分辨率卫星重力数据对地震面波进行联合反演成像，体波走时与重力联合反演结果在研究区浅部结构和射线覆盖稀疏地区呈现出更多的细节，说明重力数据的引入和约束有效提高了结构成像的横向分辨率，同时提高计算的效率，而且也可以提高反演结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的地震面波走时和重力异常联合反演方法流程图；
图2为地震波走时残差分布直方图，a图为初始残差分布，b为单一体波走时反演后残差分布，c为体波走时与重力联合反演后残差分布；
图3中a图为光滑权重均衡曲线，b图为阻尼值均衡曲线，c图为残差变化趋势。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：本发明的目的是提供一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统，以解决单一数据集对地下结构约束能力较低，结构成像的横向分辨率低，计算效率不高等问题。
一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，包括：
获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
为了确保反演结果的可靠性，反演前设定加入反演的地震震源震级必须高于2级，每个事件需要被5个以上台站接收到。因为较小级别的地震数据中干扰因素大，存在失真数据。
对所述地震面波数据进行双差层析成像处理，所述双差层析成像处理步骤包括：
步骤1.提取地震面波数据中的走时记录，获得实际体波走时；
步骤2.对实际体波走时建立三维速度模型，结合震源位置，利用射线追踪的方法正演理论体波走时；
震源位置可以利用以下公式进行计算得出：
其中，
表示震源i到台站k之间的地震波走时ωi为震源i的发震时刻，u为慢度矢量，ds为地震波射线路径积分元。
步骤3.计算实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置。
通过重力异常公式利用地震面波数据的约束条件下，将所述高分辨率卫星重力数据进行重力异常获取，进而进行重力反演；
所述重力异常公式为：
其中，Δg表示重力异常值，G表示万有引力常数，Δρ剩余三维密度模型，Rijk表示观测点与直立长方体顶点之间的距离；xi表示观测点与棱柱体顶点在x方向的差；yj表示观测点与棱柱体顶点在y方向的差；zk表示观测点与棱柱体顶点在z方向的差；
基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
将所述待反演的地震面波数据和所述高分辨率卫星重力数据进行正演得到理论观测数据；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，φθ表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
对所述地震面波数据进行双差层析成像处理以及重力反演，包括：
采用P波与S波速度模型：
其中Vp为P波传播速度，Vs为S波段传播速度；
P波与S波速度模型采用正则化参数，所述正则化参数包含有光滑权重和阻尼值。
正则化参数的取值是模型参数化过程中至关重要的一步。双差层析成像方法中需要确定的正则化参数有两个，一个是光滑权重(Smooth)，它可以在一定范围内平滑反演结果；另一个是阻尼值(Damp)，它能控制反演的收敛速度和观测数据在获取反演结果过程中的影响程度。通常情况下，该反演方法是利用折中曲线(L-curve)来确定这两个正则化参数。光滑权重的取值范畴是50-1000，阻尼值的取值范畴是10-2000。依据阻尼值与光滑权重组成的不同数组，再结合已知条件的经验数值范畴，众多尝试后，最终得到的最理想的组合是光滑权重为100，阻尼值为400。该组合即可以理想的拟合观测数据，又可以将模型变化控制在一定程度内。反演计算采用的是快速稳定的最小二乘联合梯度算法(Least SquareQR-factorization，简称LSQR)，此算法没有提出明确的收敛条件，需根据残差的变化趋势判断是否还要继续迭代。经过多次测试，当迭代次数为20次时残差变化会趋于平缓。
优选的，对所述P波与S波速度模型采用正则化参数，所述正则化参数包含有光滑权重和阻尼值。
优选的，所述光滑权重取值范畴是50-1000，所述阻尼值的取值范畴是10-2000。
本发明还提供了一种地震面波走时和重力异常联合反演系统，包括：
数据集获取模块，用于获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
地震面波数据双差层析成像处理模块，用于获取实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置；
重力反演模块，在地震面波数据的约束条件下，利用重力异常计算公式计算出重力异常值，进而进行重力反演；
计算模块，用于计算敏感核；
线性化反演模型修正模块，用于基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演；
模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，
表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，其特征在于，包括：
获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
对所述地震面波数据进行双差层析成像处理，所述双差层析成像处理步骤包括：
S1.提取地震面波数据中的走时记录，获得实际体波走时；
S2.对实际体波走时建立三维速度模型，结合震源位置，利用射线追踪的方法正演理论体波走时；
S3.计算实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置。
通过重力异常公式利用地震面波数据的约束条件下，将所述高分辨率卫星重力数据进行重力异常获取，进而进行重力反演；
所述重力异常公式为：
其中，Δg表示重力异常值，G表示万有引力常数，Δρ剩余三维密度模型，Rijk表示观测点与直立长方体顶点之间的距离；xi表示观测点与棱柱体顶点在x方向的差；yj表示观测点与棱柱体顶点在y方向的差；zk表示观测点与棱柱体顶点在z方向的差；
基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
将所述待反演的地震面波数据和所述高分辨率卫星重力数据进行正演得到理论观测数据；
所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，
表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
2.根据权利要求1所述的一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，其特征在于，所述地震面波数据中地震震源震级大于2.0级。
3.根据权利要求1所述的一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，其特征在于，对所述地震面波数据进行双差层析成像处理以及重力反演，包括：
采用P波与S波速度模型：
其中Vp为P波传播速度，Vs为S波段传播速度。
4.根据权利要求3所述的一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，其特征在于，对所述P波与S波速度模型采用正则化参数，所述正则化参数包含有光滑权重和阻尼值。
5.根据权利要求4所述的一种地震面波走时和重力异常联合反演方法，其特征在于，所述光滑权重取值范围是50-1000，所述阻尼值的取值范畴是10-2000。
6.一种地震面波走时和重力异常联合反演系统，其特征在于，包括：
数据集获取模块，用于获地震面波数据和高分辨率卫星重力数据；
地震面波数据双差层析成像处理模块，用于获取实际体波走时与理论体波走时的走时残差，输出三维速度结构及重定位后的震源位置；
重力反演模块，在地震面波数据的约束条件下，利用重力异常计算公式计算出重力异常值，进而进行重力反演；
计算模块，用于计算敏感核；
线性化反演模型修正模块，用于基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；所述基于岩石的速度-密度关系对所述线性化反演；模型进行修正得到修正后的线性化反演模型，包括：
获取岩石的速度-密度关系；
将根据所述速度-密度关系将S波速度结构转换成密度和P波速度公式；所述密度与P波速度之间的关系公式为:
VP＝6.58-3.89ρ+1.98ρ2
其中，VP为P波速度，ρ为密度；
根据密度和P波速度公式对所述线性化反演模型进行修正得到修正后的线性化反演模型；
所述修正后的线性化反演模型为：
d/dθ是对S波速度的全偏导数，ti(w)表示第i个理论面波走时，δti(w)表示修正后的第i个观测面波走时和理论面波走时之间的残差，cj(w)是在自由表面第个网格节点处的频散速度值，
表示真实模型和理论模型之间的S波速度差值；
根据修正后的线性化反演模型建立联合反演目标函数；
对所述反演目标函数进行求解得到最优解；
利用所述最优解对待反演的地震面波进行反演成像。
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|---|---|---|---|
| CN202211185705.6A CN115508908A (zh) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 一种地震面波走时和重力异常联合反演方法与系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN115508908A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116660974A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-08-29 | 中国地震局地球物理研究所 | 一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法 |
| CN116774281A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-09-19 | 中国地质大学（北京） | 一种地震面波与重力同步联合反演方法与系统 |
| CN116819622A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 北京工业大学 | 土层三维速度结构的背景噪声水平竖向谱比联合反演方法 |
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2022
- 2022-09-27 CN CN202211185705.6A patent/CN115508908A/zh active Pending
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| CN116660974B (zh) * | 2023-04-11 | 2024-02-23 | 中国地震局地球物理研究所 | 一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法 |
| CN116774281A (zh) * | 2023-06-29 | 2023-09-19 | 中国地质大学（北京） | 一种地震面波与重力同步联合反演方法与系统 |
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