地震层析成像方法综述

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1、第16卷第1期CT理论与应用研究Vol.16No.12007年3月（35-48）CTTheoryandApplicationsMar.,2007文章编号：1004-4140（2007）01-0035-14地震层析成像方法综述１１２和锐，杨建思，张翼1.中国地震局地球物理研究所，北京1000812.新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐830011摘要：本文从地震层析成像的模型参数化、正演、反演、解评估四个方面回顾了地震层析成像方法近期发展历程以及各时段地震层析成像方法的优、缺点。关键词：地震层析成像；模型参数化；正演；反演；解的评估；综

2、述+中图分类号：P315.31文献标识码：A前言地震层析成像（seismictomography）是指利用大量地震观测数据反演研究区域三维结构的一种方法。地震层析成像从其诞生到现在已经30多年了，它的英文（tomography）源[1]于希腊语tomos，本意是断面或切片，但现在使用的术语“tomography”却普遍指获取三[2]维图像的过程。其原理类似于医学上的CT，但地震层析成像比医学上的CT技术更复杂。地震观测技术的迅速发展为地震层析成像提供了大批高质量的地震观测数据。1975年左右，地震学家们开始讨论由大量数据以及其他许

3、多不定因素，包括存在多种数据误差、解[3][4]的不唯一性在内的地球内部成像问题。Aki和Lee以及Aki等利用区域台阵的三维成像，[5][6]以及Dziewonski等对全球大尺度上地幔速度结构的勾画成为成像研究中开拓性的工作。[7]过去30年中，各类层析成像方法及技术的发展异常迅猛，取得了一系列重大进展。近年来，国际上利用地震层析成像技术在孕震机制、火山活动、板块动力学、地幔柱、洋中脊、[8]地幔流等研究中，都取得了许多重要成果。地震层析成像是典型的地球物理反演问题，大多数地震层析成像问题都涉及到以下几个方面：①模型参数化，②

4、正演（射线追踪），③反演，④解的评价。本文力图综述地震层析成像方法上述4个方面及其发展。1模型参数化成像的目的就是要获得接近实际地下结构的模型，所以在成像前必需要建立模型来描述[9]地层结构，而且选取模型的好坏决定了获得地层结构信息能力的好坏。过于简化的模型可能使结构中有意义的信息被忽略，复杂的模型可能使反演的不确定性增强，同时可能引入虚[10][11]假信息。早期的几种地震层析成像技术的主要差别就在于模型参数化的方法不同。[12-14][15]模型参数化可分为两类。一类是Tarantola和Nercessian等提出了“不分块”

5、的参数化。不对模型进行离散化，反演完全在泛函空间中进行，只是在最后计算想要的截面时采取离散化。由于反演在泛函空间中进行，理论上可以计算空间任何位置上的速度，结果不36CT理论与应用研究16卷[16]受离散化的影响，有利于成像的显示。另一类是离散化的模型参数化。其优点是数学上容易处理，运算相对简单；缺点是在一般方法中出现的某些简化，在用离散时可能被掩盖掉。现在通用的大都是离散化的模型参数[6]化，通常采用两种方法来表示地层结构。[17][18]一种是使用少量参数确定三维解析函数（如，Dziewonski；Spencer和Gubbin

6、s），[19][20]例如：Woodhouse、Dziewonski和Su等在全球地震层析成像使用球谐展开来表示模型；[21]Burmakov等将速度扰动展开成一定阶数的切比雪夫多项式，以减少未知量个数，提高求[22]解效率；朱露培提出的频谱参数化法，将待求扰动场按其空间频率展开，反演各阶频率系数。解析函数法优点是模型参数少，最终的模型被压缩且易于被其他研究者利用，还有一些计算方面的优势。其缺点是不易对小尺度局部异常成像、模型边界不稳定，而且观测方程中[9]的满系数矩阵是反演所不希望的。[9]另一种是采用离散函数，根据赵大鹏教授的

7、综述，使用在区域地震层析成像中，如分[3-4][23]块法或节点法，这种方法可模拟局部小异常，产生大型稀疏系数矩阵，利于在现代计算机上计算，所以目前几乎所有局部和区域的体波层析研究都采用分块或节点法。分块法将地球按某种准则划分为有限个三维块体，假定每块内速度是常值。分块法在进行射线追踪和走时计算时都十分简便，但是在模型中人为的引入了块体间的边界，造成了速度的不连续性，[23]并且结构异常的轮廓只能表示成块状。节点法则是把节点上的速度值取为待求变量，其他任意点的速度值由于它相邻的８个节点上的速度插值求得。与分块法相比，速度是连续变化

8、的，没有人为的边界，可以获得系数矩阵更密。节点法只能处理速度连续变化的情况，但无[24][25][26]法处理存在速度间断面的情况。针对上面的问题，刘福田、Zhao和华标龙的方法中[10]都在模型中参数化时考虑了速度间断面。描述间断面有两种方法：①