面波偏振和速度联合反演中国地震科学台阵下方精细结构

A large number of high-quality broadband seismic data with three components were measured in North-South Seismic Belt by conducting the I and II programs under the Project ChinArray. Seismic evidence on deep structure was provided by surface wave tomography based on these observation data. However, whether it is based on the earthquake event or continuing seismic noise, only is a single component used to extract the velocity information in current surface wave tomography, and assuming surface wave propagated along the great circle path linked the earthquake and station. This means, on the one hand, a large number of data is unused. On the other hand, this is not the real situation of the surface wave propagation. This project aims at the full use of the three-component data from ChinArray. The surface wave ray deviation from the great circle path and the impact of ellipticity are considered by analyzing the surface wave polarization. Arrival angle anomaly and ZH amplitude ratio (i.e. vertical to horizontal amplitude ratio, also called the ellipticity) of surface waves, which would be from the earthquake event or the cross-correlation of continuing seismic noise, are extracted for ChinArray observation by Multiple Taper Prolate Analysis (MTPA) of three-component surface wave. Joint inversion of the ellipticity and Rayleigh wave phase (group) velocity, which is extract by traditional time-frequency analysis, is conducted to obtain the velocity structure and azimuth anisotropy under ChinArray. As the complementary information, ZH amplitude ratio would provide a better constraint on the structure of upper crust due to its’ high sensitivity to the near surface structure. Surface wave arrival angle can be used to correct the velocity and azimuth anisotropy.

中国地震科学台阵探测（ChinArray）I期和II期计划，在南北地震带南段和北段积累了大量高质量、三分量的宽频带地震观测数据。目前基于这些数据开展的面波层析成像，不管是基于地震事件还是背景噪声，均只利用了单分量数据获取的速度信息，且假设面波沿大圆路径传播。这一方面造成了大量观测数据的闲置；另一方面与实际面波复杂的传播特性不符。本项目充分利用ChinArray观测的三分量数据，考虑面波偏离大圆路径和椭圆偏振特征，采用MTPA（Multiple Taper Prolate Analysis）技术对地震事件和背景噪声互相关提取的三分量面波进行偏振分析，获取面波到达角异常和ZH振幅比，将其与传统时频分析获取的相（群）速度一起，联合反演台阵下方的精细结构。由于考虑了大圆路径的偏离，及ZH振幅比对浅层速度结构的高敏感性，联合反演可望获得台阵下方包含高分辨率上地壳结构的深部精细地球结构和方位各向异性。

密集台阵是地震学新兴的重要发展方向。截至目前，中国地震科学探测台阵（ChinArray）已进行了三期，积累了大量高质量、三分量的观测数据。基于这些数据开展的面波层析成像，不管是基于地震事件还是背景噪声，只利用了单分量信息，在获取沿路径的频散曲线后，基于大圆路径假设，采用纯路径反演得到面波的相速度或群速度分布。一方面，这造成了大量多分量观测数据的闲置，且大圆路径假设与实际面波复杂的传播特性不符。另一方面，反演层析成像没有充分利用密集台阵的优势。鉴于此，项目开展了基于密集台阵的背景噪声成像新方法和多分量面波偏振分析研究。.提出了基于密集台阵背景噪声的聚束分析成像新方法。该方法将密集台阵分成不同网格构成的次级台阵，对次级网格内的背景噪声记录进行聚束分析，将聚束能量进行方位叠加，得到该频率下的速度谱。移动网格并对不同周期作类似处理数，可以直接得到台阵下方的不同周期面波的二维相速度分布。相对传统的面波成像方法，该方法：1）不需要纯路径的反演，避免了反演带来的不确定性；2）网格内的相速度只受该网格内台站记录的影响；3）不需要计算台站之间的互相关函数，避免了繁琐的频散曲线挑选；4）如果不考虑方位各向异性，该方法受台阵几何结构的影响较小。5）考虑方位各向异性时，通过校正台阵和噪声源的影响，可以直接给出面波方位各向异性。.发展了多窗口时频域面波偏振分析方法（MTPA，Multiple Taper Prolate Analysis），用于获取中国科学探测台阵的面波偏振属性。面波偏振分析的意义在于：1）可以获得面波的到达角异常，到达角异常可用推断地球的横向非均匀性和方位各向异性；2）可以获得Rayleigh波的ZH振幅比（椭率），该量对浅层速度结构敏感，可以和速度联合反演地球介质结构；3）可以获取Love波的偏振异常，用于约束介质的各向异性；4)可以检验地震传感器的摆是否对齐。.项目将这两种新方法用于中国科学探测台阵二期的连续记录和地震事件，对方法进行了验证并获得了台阵下方的速度结构，对相应的地球动力学问题进行了讨论。