摘要
地球物理反演已成为研究地球内部结构最有效的手段之一。由于地球内部结构的复杂性，单一的某种地球物理资料难以较好地反演出真实的地下结构。随着地球物理观测技术的提高，观测资料的积累以及反演方法的改进，综合多种观测资料进行联合反演成为地球物理反演的发展趋势。利用重力资料和地震走时资料进行联合反演，能够有效地得到岩石圈三维密度结构。三维密度结构对于认识岩石圈的形成及演化、壳幔相互作用、地震孕育和深部动力学过程具有重要的科学意义。 本文首先介绍了重力反演、地震走时层析成像基本理论和方法，然后系统阐述了重力-地震联合反演(序贯反演)的相关流程和方法。在此基础上，我们利用重力和地震走时资料，分别对华北克拉通和青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构进行了反演，并对反演结果进行了地球物理解释。最后，结合其它地球物理、地球化学和地质学研究成果，从密度的角度对上述地区岩石圈破坏、壳幔变形及运动特征等相关问题进行了探讨。本文主要研究内容如下： (Ⅰ)重力-地震联合反演研究 重力资料具有较高的横向分辨率，然而重力信号随深度增加迅速衰减，且重力反演非唯一性很强。地震走时层析成像能够得到地球深部速度结构，但其横向分辨率严重依赖于射线分布情况。综合重力资料和地震波资料进行联合反演，能够对反演模型提供有效约束，提高反演解的分辨率和可靠性。重力-地震序贯反演是通过重力反演和地震反演交替进行完成的，反演过程中地震反演出的地下结构与速度分布将作为重力反演的初始模型，而经重力反演修正的地下模型又将作为地震反演的初始模型，如此地震反演和重力反演交替进行，直至反演的密度、速度结果满足一定的条件或收敛准则。地震走时资料的加入，能够对重力反演提供较好的约束。另外，我们将代数重构技术引入到重力反演中，实现观测方程的反演解算。该算法采用行迭代技术，避开了大型稀疏矩阵求逆运算，大大提高了计算速度。 (Ⅱ)华北克拉通岩石圈三维密度结构及意义 华北克拉通岩石圈减薄与破坏成为近期国内外地学家研究的热点。目前，人们对华北克拉通破坏诸多问题尚存争议。本文综合重力和地震走时资料，采用序贯反演方法得到了华北克拉通岩石圈三维密度结构。研究结果表明：华北克拉通岩石圈密度分布在东西向和南北向均具有强烈的非均匀性，地下密度分布与地表构造格局具有很好的相关性。西部鄂尔多斯块体具有高密度岩石圈根，100km深度之上，高、低密度异常均有分布，块体周围断裂盆地存在强烈的低密度异常；中部太行山造山带密度异常分布在南北方向具有分段特性，100km-200km深度范围内呈现强烈的低密度异常，暗示了该区软流圈热物质的上涌；华北盆地中部岩石圈地幔表现为强烈的低密度异常，这可能是岩石圈拆沉导致软流圈物质上涌的痕迹。 (Ⅲ)青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构及其运动研究 印度板块向欧亚板块持续俯冲使得青藏高原处于不断的变形和运动中。本文结合重力和地震走时资料，联合反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构，对该区的岩石圈结构和运动特征进行了讨论。研究结果表明：研究区中、上地壳为分布复杂的高、低密度异常，下地壳为强烈的低密度异常。地壳密度分布特征为该区地震孕育、发生和下地壳物质流动提供了条件；密度等值线在地幔部分发生了顺时针偏转，这表明青藏高原深部物质向东北方向运动时受到了阿拉善块体和鄂尔多斯坚硬块体的阻挡，同时也暗示了该区发生了较大程度的壳幔解耦；80km-100km深度上，研究区呈现为高密度、低速度异常分布，这可能是由于该区强大的构造挤压和高热背景使得岩石结构和性质发生了改变，从而减慢了p波的传播速度。 (Ⅳ)球坐标系下三维密度反演 基于Tesseroid单元物质引力效应计算公式，讨论了球坐标系下的三维密度反演。将球坐标系与空间直角坐标系下反演结果进行了对比分析。研究表明：地球曲率影响在浅层最大，并随着深度增加而减小。在进行大尺度密度反演时，地球曲率的影响不容忽视。
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