台阵接收函数弹性波逆时偏移方法及其在华北克拉通地下结构成像中的应用

Characters)：A detailed knowledge of the deep structural features isessential for understanding of the Phanerozoic tectonic reactivation and destructionof the North China Craton. In recent years, several dense seismic array is deployedin this region and vast amount of data are recorded.We propose a new teleseismic receiver function methodology (array receiverfunction) to image fine Earth structure in the crust and uppermantle. This method is an combination of traditional receiver function method and the elastic wave reverse time migration method. Three main steps are included in the work flow: 1)The elastic wavefield is firstly reconstructed by backpropagation of time-reversedseismic data along the surface using time-domain finite-difference propagator. 2) Then the P- and S- wavefield is decoupled by polarization separation. 3) The subsurface structure image is obtained by cross-correlation between P and S wave. Thecross-correlation value is maximized at the P-to-S conversion points. Firstly, synthetic data will be used to validate our code, and compare the imaging result with other methods. Then, the effect of distribution of station and earthquakes, the velocity model and the frequency of the waveform on the imaging result will be tested. Finally, the array receiver functiuon method will be used to image the finesubsurface structure beneath North China Craton. The spactial difference of the structures will be disscussed.

针对华北克拉通破坏的空间分布范围这一基础科学问题，中国科学院和北京大学两个地震学科研团队联合设计的"华北克拉通深部构造流动地震台阵探测"研究计划，积累了多个地震剖面的观测数据。为了进一步挖掘利用这些数据，本项目计划将勘探地震学中的弹性波逆时偏移成像方法应用到接收函数偏移成像当中，给出台阵接收函数叠前逆时偏移成像方法的理论与计算程序。该方法包括三个主要步骤：1）利用有限差分方法对地表波场向下传播的地球内部；2）PS波场分离；3）利用P波和S波在转换点上的相关性进行成像。计划利用理论模拟数据测试算法，与现有方法进行对比，并讨论速度结构、台站和地震分布以及地震波频率对成像结果的影响。最后，利用新算法对现有的密集台阵观测数据进行分析处理，对华北克拉通下部精细结构进行成像，进一步讨论华北克拉通下部结构的横向变化特征，最终从华北克拉通结构的区域差异性上探讨克拉通破坏。

为了更深入地了解地下结构, 研究人员布置了越来越密的观测台阵, 以便获取更好的地下结构信息。接收函数方法1979年由Langston提出, 逐渐成为获取台站下方地壳和上地幔速度间断面的常规手段。然而, 由于接收函数方法假设地下某一区域为水平界面, 这在地下界面起伏较为平缓或者为倾斜界面的情况下可以获得较好的结果。但是, 当台站下方存在复杂结构(比如陡峭界面)时, CCP叠加方法不能准确成像。另一方面, 当地表起伏较大时, 台阵数据受其影响, 地震波场变得非常复杂, 最终会影响CCP叠加结果。这使得CCP叠加方法很难获得准确结果, 给结果的解释带来干扰。勘探地震学中使用的基于波动方程的逆时偏移成像方法, 能够充分利用密集台阵的波形数据, 获得精确的地下界面。其原理是对震源正演波场和接收点反传得到的波场应用成像条件, 获得地下界面。为了在起伏自由边界条件下应用逆时偏移成像, 提出一种边界元与有限差分混合的方法来计算地震波场的逆时传播。首先, 使用边界元法反传地表台阵数据, 可以得到地下一水平界面上的波场位移数据; 然后, 将此水平面作为有限差分方法的边界, 并反传此水平面处的波形数据, 获得此水平面下空间的地震波场。为了应用成像条件, 利用地震波的性质, 将地震波场分离为矢量P波和S波成分, 对分离出的P波和S波分量, 应用互相关成像条件可获得地下界面。通过对理论数据的测试, 验证了方法的有效性。 . 最后我们将该方法用于华北克拉通的两条测线和Hi-Climb的一条测线中，华北克拉通测线下方Moho面起伏相对平缓，因此所得结果与接收函数方法差别不大。在Hi-Climb的数据中，成像结果显示，下方Moho面深度从南部的40km向北加深到60km以上。在地壳中也可以看到与Moho面变化趋势相近的界面，可能与印度板块的俯冲有关。同时与前人结果相比，Moho面变化的倾角更大。