双差地震层析成像

　　和Clifford H. Thurber教授合作, 我首次提出了双差地震层析成像 (Double-Difference Seismic Tomography) 的概念并且将其程序化(Zhang and Thurber, 2003, BSSA; Zhang and Thurber, 2006, PAGEOPH)。与传统的方法相比较，新方法能够直接利用相邻地震的高精度到时差准确确定地震位置和震源区精细速度结构（图1）。因此双差地震层析成像能够更精确地确定地震活动带附近的速度结构，比如断层，火山和俯冲板块等。在小尺度的双差地震层析成像（tomoDD）的基础上，我发展了区域尺度（tomoFDD）和全球尺度（teletomoDD）的双差地震层析成像，并且应用和发展了不同的射线追踪方法。为了解决地震射线分布不均衡的问题，我发展了变网格的地震层析成像方法（tomoADD; Zhang and Thurber, 2005, JGR）。该方法可以自动根据射线分布密度调整反演网格点的位置。为了评估速度模型的分辨率，大型地震反演问题通常利用棋盘（checkerboard）分辨率分析方法。主要原因是地震反演矩阵太大因此地震模型的分辨率矩阵不能估计。我给出了一种估计大型反演问题速度模型分辨率矩阵的求解方法(Zhang and Thurber, 2007, GJI)。另外由于P波和S波的到时数据在数量上和质量上的差异，很难利用Vp和Vs模型可靠估计Vp/Vs的模型。针对于此问题，我提出了一种同时反演Vp, Vs和Vp/Vs模型的方法(Zhang et al., 2009a, G-cubed)。双差地震层析成像技术现在已经广泛地应用在世界各地。２００３在美国地震学报(Bulletin of Seismological Society of America)发表的文章已经被他人引用了141次，并被ESI(Essential Science Indicators)列为10年之内高引用文章( Highly Cited Paper)。在此基础上发展的双差地震成像软件tomoDD在国际上得到了广泛应用。例如2006年David Shelly在Nature杂志上发表的研究非火山型地震颤动(tremor)的经典文章就是依靠tomoDD程序确定了地震的精确位置和震源区精细速度结构，才揭示出地震颤动主要是由剪切滑动引起的，并且附近存在高空隙压异常（Shelly et al., 2006）。其他关于地震层析成像算法进一步发展的文章也得到了同行的认可，获得了较高的引用。

地震横波分裂各向异性成像

　　地震横波传播到各向异性介质后会分裂成两个横波，根据两个横波之间走时的差异以及快横波的极化方向，可以刻划地下介质的各向异性性质。通常研究人员利用地震横波分裂技术只能给出各向异性的二维分布，确定不出各向异性在深度上的分布。我们分别发展了一种定性和定量的方法利用横波分裂结果来研究各向异性在三维空间上的分布。利用已知速度模型和地震定位，我们计算出地震射线然后沿着射线把在每个台站观测到的地震横波分裂结果投影到不同的深度，这样就可以定性地给出各向异性在深度上的分布(Liuetal.,2008，GJI，引用15次)。为了定量地刻划各向异性在深度上的分布，我创造性地提出了一种三维地震各向异性成像算法（Zhangetal.,2007，GRL，引用9次）。该算法可以直接给出空间上每个点的各向异性强度，可以更好地刻划地下介质物性和应力分布状态（图2）。Rawlinson在2010年发表的关于地震成像的综述文章就特别指出我们的方法克服了横波分裂分析的局限，可以更好地刻画各向异性在空间上的分布（Rawlinsonetal.,2010）。目前在很多地震活跃区域不同研究组利用地震横波分裂分析，得到了快慢横波到时差和快波极化方向。利用我们提出的三维各向异性成像算法，可以进一步确定地下介质的三维各向异性分布，更好地刻画地下断层和裂隙结构以及地应力分布。

　　地震非连续体结构成像

　　为了描述地震断层或者其他物性不连续性的分布，通常采取人工广角反射和折射地震技术。然而该技术存在施工昂贵和对环境的影响等不利因素，并且它通常只给出二维的地下结构分布。我创造性地把石油勘探中用到的地震偏移成像技术广义拉东变换应用于区域天然地震数据进行散射波成像，得到了三维地下非连续体结构分布。在SAFOD钻井周围的应用结果表明该方法得到的结构图与二维广角反射和折射地震得到的结构类似（图3）。该成果2009年发表在美国地球物理通讯杂志（GeophysicalResearchLetters）上。随着越来越多的密集地震台网的布设，该方法将会有重要的应用价值。