为验证本文方法的有效性和反演结果的准确性,建立了一个三维理论速度模型(图2a、表1)。该模型背景速度为6.0 km/s,内嵌3个大小各异但埋深相同的异常体,每个异常体的速度扰动均为+0.3 km/s。网格模型剖分水平方向间距为0.5°,深度间距为5 km。利用速度-密度混合关系(Maceira,Ammon,2009)将理论速度模型转换为密度模型(密度扰动为+0.06 g/cm3)。利用青藏高原东北缘地区的地震事件和台站分布对速度模型进行正演,如图3a所示,图中包含了2008年1月—2019年12月固定台站和2013年9月—2016年3月流动台站记录的MS≥1.5地震震源位置。从台站记录得到理论绝对到时数据和事件对到时差数据,再加入标准差为0.2 s的高斯噪声作为实际走时数据,同时对密度模型正演理论重力异常,加入1%的高斯噪声作为实际重力观测数据(图2b)。不同反演结果与真实模型的相对误差计算公式为:

式中:Vtruepi和ρtruei分别为真实P波速度和密度; Vinvpi和ρinvi分别为反演得到的P波速度和密度; i表示遍历网格节点。相对误差越小,说明反演结果越接近真实模型。
表1 合成速度模型异常体几何和物性参数
Tab.1 Geometrical and physical parametersof the simple velocity model
采用体波成像、重力成像和交叉梯度约束的联合成像这3种方法对合成数据进行反演。联合反演过程中(图4),交叉梯度项权重选为9×106(Hansen,O'Leary,1993)。图5为3种方法的反演结果对比,其中图5a分别为5 km深度的真实P波速度模型、体波成像和联合成像的P波速度结果。在此深度处,3个异常体A、B和C的联合反演P波速度(图5a-3)与单独体波反演结果(图5a-2)类似,横向分辨率有所改善,且重力数据的加入明显消除了研究区边缘的射线分布稀疏地区的虚假低速异常。图5b分别为15 km深度处真实密度模型、重力成像和联合反演的密度结果。在此深度处,相较于单独重力反演结果(图5b-2),联合反演密度结果(图5b-1)3个异常体的形态都更接近于真实密度模型(图5b-3),异常体B和C的密度值都得到较好恢复,异常体A由于尺度较小(50 km),与剖分网格水平间距相当,难以准确约束,反演结果与真实值相差0.04 g/cm3。
图2 合成理论速度模型(a)与实际加噪重力异常(b)
Fig.2 The synthetic theoretical velocity model(a)and gravity anomalies with Gaussian noise(b)
图3 青藏高原东北缘地震台阵和MS≥1.5地震事件分布(a)与剩余重力异常(b)
Fig.3 Distribution of seismic stations and MS≥1.5 earthquake events(a),and residual gravity anomalies(b)in the northeastern margin of the Qinghai-Xizang Plateau
图4 交叉梯度与走时数据拟合误差(a)和重力数据拟合误差(b)L-curve
Fig.4 Cross-gradient and traveltime data fitting error L-curve(a),cross-gradientand gravity data fitting error L-curve(b)
图5 真实、单独反演和联合反演构建的P波速度模型(a)和密度模型(b)
Fig.5 P-wave velocity models(a)and density models(b)obtainedfrom true data,solo inversion,and joint inversion
为进一步对比单独反演结果与联合反演结果的差异,分别提取3种方法反演得到穿过异常体中心(37°N)的P波速度结果和密度结果的垂直剖面,如图6所示。单独体波反演速度结果(图6a-2)显示A、B和C共3个异常体的大致形态得到部分恢复,但由于研究区地震震源深度主要集中在5~20 km(夏思茹等,2021),5 km以内体波射线分布稀疏,缺少浅层约束,速度异常向上延伸至地表,且10~15 km深度异常连接在一起,3个异常体边界模糊。联合反演时由于重力数据的引入,更好地约束了浅层速度结构,异常体位置(图6a-3)与真实模型(图6a-1)更为接近。联合反演结果清楚地显示,异常体B与C单独存在,但尺度最小的异常体A仍然难以与中间异常体B完全分开。联合反演与体波单独反演的走时残差均方根接近,但联合反演得到的P波速度模型相对偏差比单独反演小0.05(表2),更接近真实模型。
由于重力的距离平方衰减性质,其对深部结构变化不敏感,且在反演过程中,随着网格单元所在深度的增加,核矩阵中对应元素会急速衰减,导致反演结果趋于地表,无法反映地下结构实际密度分布。深度加权约束能够解决密度反演结果中异常趋于地表的问题(Li,Oldenburg,1998),但其密度结果在深度上的分辨率仍然较低,存在明显的异常底部拖尾现象(图6b-2)。联合反演得到的密度结果(图6b-3)显著改善了这一状况,3个异常体的异常分布明显聚焦,密度结果也更接近真实模型(图6b-1),重力残差均方根为0.92 mGal,明显优于单独反演结果(1.83 mGal)(表2)。
图6 真实、单独反演和联合反演构建的P波速度(a)和密度(b)结果垂直剖面
Fig.6 Vertical profiles of P-wave velocity models(a)and density models(b)obtainedfrom true data,solo inversion,and joint inversion
表2 单独反演与联合反演结果对比
Tab.2 Comparison between solo inversion resultsand joint inversion results
将单独体波走时反演得到的速度结果与单独重力反演得到的密度结果进行关联,发现并无明显相关性(图7a)。联合反演以结构相似性进行耦合,显著增强了速度与密度结果的相关性,可进一步得出物性参数之间的关系,为基于岩石物理关系耦合开展的联合反演提供更为准确的经验关系,也为地壳物质组成和状态研究提供可靠依据(Moorkamp,2022)。联合反演得到的速度-密度交会点拟合曲线(图7b灰色虚线)与理论模型转换所用的混合关系(图7b黑色实线)(Maceira,Ammon,2009)在6.0~6.1 km/s范围内基本重合,在6.1~6.3 km/s范围内实际密度结果比理论值小0.006 g/cm3。