摘要
地震面波含有地球内部结构信息，它的频散信息可以被用来反演地球内部的横波速度结构。地震背景噪声技术不受地震震源时空分布的限制，通过对环境或地震背景噪声数据进行互相关，获得两个台站之间的近似格林函数，然后通过f-k变换、窄带滤波和时频分析等方法获取频散曲线。它不仅拓宽了提取地震面波频散信息的途径，而且具有横向分辨率高的优势，已经在密集台站中得到了广泛应用。 与地震面波反演成像方法一样，背景噪声反演成像是一个非线性反演问题。反演结果通常具有非唯一性。通过增加独立的约束信息，可以降低甚至彻底克服反演结果的非唯一性。以往背景噪声面波反演成像方法基本上都是基于基阶频散信息进行的，尽管相较于天然地震面波成像取得了极大成功，也获得了广泛的应用，但反演结果的非唯一性仍然限制了成像结果的分辨率和可靠性的进一步提升。为了解决这一问题，陈晓非领导的科研团队最近提出了频率-贝塞尔变换方法(Wang，Wu&Chen，2019;Wu et al.，2020)可以从地震背景噪声中系统地提取出包含高阶信息在内的多阶面波频散能量谱。本文的研究中，基于该方法提取的基阶和高阶面波频散信息被应到了地下横波速度反演，有效地约束和解决了该非线性反演问题的非唯一性和不稳定性。 本研究首先将该方法应用于美国大陆地区的3个小阵列，研究了该方法的可行性和优势。本研究首先使用频率-贝塞尔变换方法从背景噪声数据中获得了大量高质量的频散信息，这些信息包含频散能量在0.01Hz-0.5Hz的连续基阶面波频散曲线和同时至少能达到第三高阶的频散信息。然后，利用基于频散曲线相速度对介质参数敏感核分析的拟牛顿法反演了横波速度结构。最后，通过加入高阶面波频散信息后，对反演结果的收敛性和稳定性进行了验证。结果表明:只用基阶面波频散曲线反演横波速度时，当初始模型偏离真实模型比较大时，迭代容易陷入局部极小值，从而得到不稳定的结果，但是加入第二高阶面波频散信息后，计算结果的不稳定性得到了明显的消除。 本研究然后将该方法进一步的应用于全美国的台阵。根据USArray台阵自西向东移动的规律，本研究将美国大陆分成9个大型阵列，每个阵列包含约350个宽频带地震仪，并且计算半年连续波形记录的互相关函数，然后按天数进行叠加。在每个大型阵列里，选取5°×7°和6°×8°的子阵列，均以步长为1°在大阵列里面前后左右移动，当互相关系数的两个台站均在同一个子阵列时，就把该互相关系数作为子阵列的互相关系数。计算子阵列的所有台站坐标中心作为中心点来代替子阵列，最终可以得到由中心点组成的0.5°×0.5°网格。对每一个子阵列的互相关系数做频率-贝塞尔变换得到频散能量图，从而得到每一个中心点的频散能量图。得到了2-150s的美国大陆的基阶面波相速度图。通过对比发现，相同大小的子阵列以不同步长移动得到的相速度图几乎一样，不同大小的子阵列以相同步长移动得到的相速度图也非常类似。在多个面波周期上，基阶面波相速度图与前人的研究结果吻合地较好。除了宽频带的基阶面波相速度图外，还得到了在较高频段的一阶、二阶和三阶面波相速度图，并且标定了相速度值的坐标位置。 最后，本研究在确定相速度信息后，对每个中心点用拟牛顿法反演一维横波速度结构，并且使用简单-克里金插值方法构建了0.25°×0.25°网格范围内的0-150公里的美国大陆地下三维横波速度模型。该研究得到的三维横波速度结构在总体上与前人的结果类似，在低速区的细节上有更多的新发现。美国西部地区中下地壳出现明显的大范围低速区，比如Basin and Range地区和Yellowstone/Snake River Plains地区;经过与前人的诸多研究成果对比后确定美国大陆西部中下地壳存在地壳流，同时存在地壳流体通道。而在上地幔浅部，整个美国大陆70-120公里深度的岩石圈内存在横波速度负梯度带，在40公里内横波速度下降了2％-10％。认为在美国大陆东部的克拉通地区70-100公里深度存在岩石圈中部不连续面（mid-lithospheric discontinuities，MLD），而在落基山脉以西的美国西部地区60-90公里深度存在岩石圈和软流圈的边界(Lithosphere-Asthenosphere Boundary,LAB)，并且LAB和MLD重合了不能区分。在深度方向厘定的低速区对岩石圈构造，板块运动和大陆动力学都有非常重要的意义。
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