起伏地形弹性波有限频层析成像和全波形反演方法研究

Elastic waveform tomography and full waveform inversion are state of art velocity inversion and imaging techniques both in Earthquake seismology and exploration seismology studies. Due to high computational demand, waveform tomography either adopts a flat surface approximation even in the topographic regions or employs the acoustic wave approximation. In this study, we will develop elastic finite-frequency tomography and full waveform inversion techniques that can handle surface topography in the schemes, we can thus study how surface topography of difference scales affect the tomography results if we adopt the flat surface approximation or acoustic wave approximation. We will carry out following studies: 1) develop highly accurate and highly efficient elastic wave numerical simulation schemes that can handle rough surface topography; 2) develop elastic wave finite-frequency tomography and full waveform inversion schemes for models with surface topography; 3) use developed highly efficient elastic wave numerical scheme to generate synthetic seismic wave data for models with surface topography of different scales and for models with the realistic surface topography of the Longmenshan region, use these synthetic seismic data to perform finite-frequency tomography and full waveform inversion to investigate how surface topography will affect the results if the flat surface approximation or acoustic approximation is employed and if it is necessary to use elastic waveform technique with the ability to handle the surface topography.

基于弹性波波形信息进行速度反演和结构成像是地震学和勘探地球物理领域的前沿课题，目前的弹性波波形成像研究往往忽略地形起伏或者采用声波近似。本研究拟开发起伏地形的弹性波有限频层析成像算法和全波形反演算法，讨论起伏地形对弹性波波形成像的定量影响。主要研究内容包括：1）开发适用于剧烈起伏地形的准确、高效的弹性波模拟算法：采用曲线网格以避免阶梯网格引起的虚假散射，采用多块网格以适应剧烈起伏地形，采用自适应局部加密网格以提高计算效率；2）开发起伏地形的弹性波有限频层析成像算法和全波形反演算法：探讨耗散格式的波场逆时传播计算问题，采用拟牛顿和信赖域相结合的最优化算法以提高非线性反演的收敛速度；3）对特征起伏地形和龙门山断裂带地形进行大规模的地震波模拟，产生合成地震数据，用合成数据测试起伏地形在采用水平地表近似、声波方程近似时结果同弹性波波形成像结果的差异，以指导实际起伏地形区域波形成像方法的选择。

地震波波形中包含有丰富的震源信息和传播路径上的内部结构信息，使用波形反演方法可以获得更高分辨率的地球内部结构。在存在剧烈地形起伏的地区应用波形反演技术，需要在地震波正演和反演中正确考虑地形起伏的影响。项目首先对提高起伏地形弹性波数值模拟算法效率进行了研究，发展了空间和时间局部不连续的多块网格弹性波有限差分算法，实现了二维和三维起伏地形任意各向异性介质弹性波模拟算法，给出了双极点复频移完全匹配层优化参数选取方案，为起伏地形地区三维有限频层析成像提供了有效波形正演工具。针对起伏地形地区应用有限频层析成像和全波形反演算法，本项目发展了采用三维格林函数对地震进行定位和震源机制反演的方法，实现了高效的正演地震波场有损压缩技术，对含有真实地形起伏的龙门山地区三维结构进行了有限频成像反演。在项目的研究中，我们发现天然地震数据覆盖不均匀对成像结果影响较大，因此进一步开展了被动源转换波逆时偏移成像和速度建模的研究，已经取得了初步进展。本项目发展的适用于起伏地形的高效弹性波数值模拟算法和三维弹性波有限频层析成像软件为采用密集台阵数据反演我国地形起伏剧烈地区的高精度地下速度结构奠定了基础。