JGR:基于动态时间扰动的地震全波形反演算法及在云南西部地区的应用
传统全波形反演方法常常因为初始速度模型不准确而引发周期跳变的现象,从而拟合非对应的震相而陷入局部最优解中,反演无法得到很好的收敛及数据拟合效果。针对上述问题,中国地震局地球物理研究所王伟涛研究员团队结合了动态时间规整(DTW)的概念与全波形反演框架,发展了新的三维地震全波形反演方法。在反演测试中,针对因初始速度模型不准确而引发的较大到时差并造成周期跳变问题,新方法可以有效改善模型参数的恢复和数据的拟合效果。
研究采用了动态时间规整(DTW)算法,这一方法能够灵活地比较两个波形在不同时间点的差异,从而测量它们之间的残差。结合反演技术,能够全面搜索相应的震相,有效减少局部最优解的影响。此外,将形状描述符的概念引入DTW算法,以降低噪声对波形拟合的干扰。研究基于DTW构建了新的目标函数及相应的伴随源,利用伴随方法计算了敏感核矩阵,通过迭代过程更新了速度模型。
本研究将发展的方法应用于实际地震数据的反演,这些数据来源于2011至2013年在云南西部地区部署的喜马拉雅一期流动地震台阵和当地固定台阵记录的地震波形。应用基于连续小波变换的信噪分离技术提高波形数据的质量,通过gCAP波形反演方法得到地震事件的震源机制解,这些解与先前的研究结果相吻合。在模型构建过程中,还考虑了云南地区复杂的地形变化,通过设置起伏的自由地表来更精确地模拟地震波场。全波形反演的结果表明,本研究发展的方法能够很好地拟合高频地震波形的形态和振幅(图1),得到的三维速度模型与当地的地质结构,如腾冲火山岩浆囊等,存在一定的对应关系(图2)。为验证反演结果的可靠性,对一个未参与反演的地震事件进行了正演测试。测试结果显示,合成波形与实际观测到的地震波形拟合度较高,这进一步证明了反演结果的可靠性。
图1 实际资料反演的数据拟合效果(蓝:观测数据,红:合成波形,左:初始模型,右:反演获得的模型)
图2 实际资料反演获得的地表位置的速度分布
该研究发展了基于动态时间规整的地震全波形反演方法,应用到实际资料反演并获得了三维速度模型。可以有效地结合其它数据并应用到未来的层析成像反演工作中,获得可靠的速度模型。成果2024年发表于学术期刊《Journal of Geophysical Search:Solid Earth》(Tan, J., Wang, W., & Langston, C. (2024). Full waveform inversion based on dynamic time warping and application to reveal the crustal structure of western Yunnan, southwest China. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2024JB029303.),受国家自然科学基金(42304054)和中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项(DQJB22K47)共同资助。
【作者简介】
谭嘉言,助理研究员,主要从事地下速度结构层析成像研究工作。