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区域尺度地震速度与衰减成像新方法及其地质应用探究

一、引言

1.1研究背景与意义

地球，作为人类赖以生存的家园，其内部结构蕴含着无数的奥秘，一直以来都是地球科学领域研究的核心内容。区域尺度的地震成像，作为探索地球内部结构的重要手段，能够为我们揭示地下深处的地质构造信息，对于理解地球的演化历程、动力学过程以及矿产资源分布等具有不可替代的重要意义。

从地球演化的角度来看，地球自形成以来，经历了漫长而复杂的地质历史时期，期间发生了多次大规模的构造运动、岩浆活动和变质作用。这些过程在地球内部留下了丰富的“印记”，通过区域尺度的地震成像，我们能够捕捉到这些“印记”，进而追溯地球的演化历史，了解地球内部物质的分异和运动规律。例如，研究古老克拉通地区的地震成像结果，可以揭示其深部岩石圈的结构特征，推断其在地质历史时期的形成和演化过程，为理解地球早期的构造格局提供重要线索。

在地球动力学研究中，区域尺度的地震成像同样发挥着关键作用。地球内部的物质运动和能量交换是驱动地球表面各种地质现象的根本原因，而地震成像能够提供地球内部不同深度的速度和衰减信息，帮助我们了解地球内部的物质状态和动力学过程。比如，通过分析俯冲带地区的地震成像结果，可以清晰地看到俯冲板块的形态、深度和运动轨迹，深入研究板块俯冲过程中的物质变形、相变以及热传递等现象，为建立准确的地球动力学模型提供重要依据。

矿产资源的分布与地球内部的地质构造密切相关，区域尺度的地震成像能够为矿产资源勘探提供重要的技术支持。不同类型的矿产资源往往赋存于特定的地质构造环境中，通过地震成像技术，我们可以识别出潜在的矿产富集区域，确定地质构造的边界和形态，为矿产勘探提供精确的目标定位。以石油和天然气勘探为例，地震成像技术能够帮助勘探人员识别出地下的储层结构、断层分布和圈闭构造，大大提高勘探的成功率和效率，降低勘探成本。

传统的地震成像方法在面对复杂地质条件时，成像精度和地质解释能力存在一定的局限性。随着勘探区域向深部、复杂构造区域拓展，对地震成像技术提出了更高的要求。发展新的区域尺度地震速度与衰减成像方法，成为了地球科学领域的迫切需求。新方法能够更精确地反演地球内部的速度和衰减参数，提高成像的分辨率和准确性，从而更清晰地揭示地下地质构造的细节。这不仅有助于我们更深入地理解地球内部结构和动力学过程，还能够为矿产资源勘探、地质灾害预测等实际应用提供更可靠的依据。在地质灾害预测方面，精确的地震成像结果可以帮助我们更准确地评估地震、滑坡、泥石流等灾害的潜在风险，提前制定有效的防灾减灾措施，保障人民生命财产安全。

1.2国内外研究现状

在区域尺度地震速度成像领域，国外起步较早，取得了一系列具有深远影响的成果。早在20世纪七八十年代，学者们就开始利用地震走时数据进行反演成像，通过建立简单的地球模型，初步揭示了地球内部的速度分布特征。随着计算机技术和算法的不断发展，基于射线理论的层析成像方法逐渐成熟，如Hirahara等利用地震体波走时数据，对日本地区的地壳和上地幔进行了速度成像，清晰地展示了俯冲板块的形态和深度，为研究板块构造提供了重要依据。

国内在这方面的研究虽然相对起步较晚，但发展迅速。20世纪90年代以来，国内众多科研团队积极投身于地震速度成像研究，取得了丰硕的成果。利用远震P波和S波走时数据，对中国及邻区的上地幔速度结构进行了深入研究，揭示了上地幔中存在的高速和低速异常区域，为理解中国区域的深部构造演化提供了关键信息。近年来，随着大数据、人工智能等新兴技术的兴起，地震速度成像技术迎来了新的发展机遇。国内外学者开始尝试将机器学习算法应用于地震速度成像中，通过对海量地震数据的学习和分析，提高成像的精度和效率。

在地震衰减成像方面，国外同样处于领先地位。20世纪90年代，一些学者开始利用地震波的振幅信息来研究地球内部的衰减特性，提出了多种衰减成像方法。如基于面波的Q值成像方法，通过分析面波在传播过程中的能量衰减，反演地下介质的Q值分布，从而揭示地球内部的非弹性结构。国内学者也在积极探索适合中国地质条件的地震衰减成像方法。研究团队利用区域地震波的衰减特性，对中国华北地区的地壳进行了衰减成像研究，发现该地区地壳中存在明显的衰减异常区域，与该地区的地质构造和地震活动密切相关。

现有方法在取得重要成果的同时，也存在一些不足之处。在地震速度成像方面，基于射线理论的层析成像方法虽然计算效率较高，但在处理复杂地质结构时，由于射线理论的局限性，成像精度会受到较大影响。对于存在强速度梯度和复杂界面的区域，射线的传播路径可能会发生较大偏差，导致反演结果出现误差。在地震衰减成像方面，目前的成像方法对地震数据的质量要求较高，当数据存在噪声或缺失时，成像结果的可靠性会大打折扣。现有方法在反演