2025年大学《地球物理学》专业题库- 构造地震波传播速度结构的特性研究进展

2025年大学《地球物理学》专业题库——构造地震波传播速度结构的特性研究进展考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.地震波速度结构2.层速度3.地震层析成像4.速度各向异性5.俯冲带二、填空题（每空1分，共10分）1.地震波主要包括________波和________波。2.地震波速度通常随介质密度和________的增加而增大。3.地震反射法主要利用界面两侧波速的________来探测地下结构。4.地震层析成像通过分析地震波的________差异来推断地下速度结构。5.在俯冲带下方常观测到高P波速度低S波速度的________。6.________是研究地球内部结构的重要手段之一。7.地震面波方法对于探测地壳________结构特别有效。8.地应力状态可以显著影响岩石的________波速度。9.了解构造地震波速度结构对于预测________具有重要意义。10.当前研究热点之一是如何提高地震层析成像的________和空间分辨率。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述影响地震波速度的主要因素及其作用机制。2.简述地震层析成像的基本原理及其主要局限性。3.简述速度各向异性在地球物理学研究中的意义。4.简述为什么研究转换断层的速度结构具有特殊性？四、论述题（每题10分，共30分）1.比较地震反射法和地震层析成像这两种探测地下速度结构的主要方法在原理、探测深度、分辨率和局限性方面的异同。2.结合具体构造背景（如大陆裂谷或活动大陆边缘），论述研究该地区地震波速度结构的重要性，并说明可能采用的主要研究方法。3.讨论当前构造地震波速度结构研究中面临的主要挑战，并展望未来可能的研究发展方向。试卷答案一、名词解释1.地震波速度结构：指地震波在地下不同深度或不同介质中传播速度的分布状况，通常用速度剖面或图像表示。**解析思路：*考察对基本概念的掌握。答案需包含“地震波传播速度”和“地下分布状况”两个核心要素。2.层速度：指在水平均匀介质中，沿层面传播的体波（P波或S波）的速度，等于该层面处的界面深度乘以该深度处相应的体波速度。**解析思路：*考察对层速度定义和物理意义的理解。强调其与界面深度和体波速度的关系。3.地震层析成像：一种利用地震波走时（或其他震相特征）在不同路径上的差异，反演地下介质（通常是速度结构）分布的无损探测方法。**解析思路：*考察对层析成像基本原理的掌握。关键在于“利用走时差异”和“反演介质分布”。4.速度各向异性：指介质中地震波速度随传播方向变化的性质。**解析思路：*考察对专业术语的精准理解。核心是“速度”和“方向性依赖”。5.俯冲带：指一个构造板块（通常是海洋板块）俯冲并潜没到另一个板块（可以是海洋或大陆板块）之下的狭长地带。**解析思路：*考察对构造地质学专业术语的掌握。关键在于“板块俯冲潜没”和“特定地带”。二、填空题1.体；面**解析思路：*考察对地震波基本分类的掌握。2.压力（或地应力）**解析思路：*考察对波速影响因素的理解，岩石圈介质中压力是主要因素之一。3.差异（或对比）**解析思路：*考察对反射法原理的理解，核心是利用界面两侧介质性质的显著不同（通常表现为波速差异）。4.走时（或时间）**解析思路：*考察对层析成像原理的关键要素记忆，地震波到达时间（走时）是基本观测数据。5.低速带（或高P低S低速带）**解析思路：*考察对俯冲带典型速度结构异常特征的了解。6.地震学**解析思路：*考察对利用地震波研究地球内部手段的掌握。7.横向（或横向变化）**解析思路：*考察对面波方法优势的理解，面波对地壳中水平方向的速度变化敏感。8.P；S**解析思路：*考察对应力状态影响波速的具体表现的记忆，应力主要影响P波和S波速度。9.地震（或地质灾害）**解析思路：*考察对速度结构研究实际意义的理解，与地震定位、震源机制、发震构造等密切相关。10.精度**解析思路：*考察对地震层析成像技术发展方向的关注，提高成像质量的核心指标之一。三、简答题1.简述影响地震波速度的主要因素及其作用机制。**答案要点：***岩石类型：*不同矿物成分、结构（结晶度、孔隙度）导致速度差异。一般，岩浆岩>变质岩>沉积岩；结晶程度越高，速度越快。**温度：*温度升高，原子/离子振动加剧，阻碍弹性波传播，导致P波、S波速度均降低。但S波速度对温度的敏感性通常高于P波。**压力（地应力/深度）：*压力增大，原子/离子间距减小，束缚力增强，弹性波传播更有效，P波、S波速度均随深度增加而增大。**含水饱和度：*在固体或半固体介质中，孔隙流体（水）的存在通常降低波速，特别是S波速度降低显著。流体类型和压力也有影响。**化学成分与孔隙度：*化学成分变化影响矿物键合强度。孔隙度的存在（尤其是含流体孔隙）会引入软夹层效应，显著降低整体波速。**地应力状态：*压应力使波速增加，拉应力使波速降低，且对P波和S波的影响不同。**解析思路：*要求系统列出主要影响因素，并简要说明其物理机制。需涵盖岩石自身性质、环境因素（温压、流体）和力学状态的影响。2.简述地震层析成像的基本原理及其主要局限性。**答案要点：***基本原理：*通过在测线或网格上布置震源和/或检波器，采集沿不同路径传播的地震波走时数据。假设地下介质是连续的，利用波在不同路径上走时（或振幅）的差异，建立走时（或振幅）与地下介质速度（或密度）的关系，通过数学反演方法（如联立求解走时方程组）推断地下速度结构的分布。**主要局限性：***对速度变化的敏感度有限：*只能较好地分辨大于或等于走时分辨率（约几公里）的速度变化，对精细结构不敏感。**对非连续介质和各向异性的处理复杂：*基本假设是均匀或层状介质，对于强不连续界面、复杂的速度各向异性体成像效果不佳。**数据覆盖的不均匀性：*地震射线束在地下分布不均可能导致某些区域成像质量差或无法成像。**震源和台站布局的限制：*射线覆盖的范围和密度受震源和台站部署的限制。**源/检波器分辨率限制：*震源能量、频谱和检波器灵敏度影响数据质量和成像分辨率。**解析思路：*要求阐述层析成像的核心思想（利用走时差异反演速度）和其固有的、普遍存在的问题。3.简述速度各向异性在地球物理学研究中的意义。**答案要点：***揭示介质微观结构：*速度各向异性反映了介质内部晶体PreferredOrientation（PO）、矿物颗粒排列、微裂隙系统等微观结构的定向性。**理解大地构造过程：*是研究板块内部变形、地幔对流、俯冲带动力学、转换断层滑动机制等的重要信息来源。**影响地震波传播和震源机制解：*各向异性会改变地震波的走时、振幅、偏振等，影响对震源位置的确定和震源机制解的准确性。**评价场地工程地震安全性：*地下介质（如岩体、土体）的各向异性会影响地震动衰减和放大效应，对工程抗震设计有重要意义。**提高地球物理反演精度：*在进行地震层析成像等反演时，考虑各向异性能获得更可靠、更精细的地下结构图像。**解析思路：*要求说明速度各向异性不仅仅是速度随方向变化本身，更重要的是它携带了关于介质微观结构、宏观构造过程以及实际应用（如工程地震）的信息。4.简述为什么研究转换断层的速度结构具有特殊性？**答案要点：***独特的几何形态：*转换断层是连接两段不同走向的板块边界（通常是海沟和海山链），其倾角极小，形成近乎水平的“滑动”界面，这导致地震射线在其上发生强烈的反射和转换，使得成像复杂。**高应力状态和滑动速率：*转换断层通常处于高剪切应力状态，滑动速率快，可能伴随复杂的应力调整和变形，速度结构可能对当前的应力状态敏感。**速度各向异性显著：*由于岩石圈的层状结构和平行于断层的拉伸变形，转换断层及其附近区域常表现出强烈的水平各向异性，这增加了成像和解释的难度。**可能存在复杂的上地幔结构：*转换断层下方地幔可能存在变形、流变变化或熔体活动，影响速度结构，需要结合多种地球物理方法研究。**与地震活动性密切相关：*研究速度结构有助于理解断层滑动机制、应力积累与释放过程，预测地震发生。**解析思路：*考察对转换断层地质特征及其对地球物理观测（特别是速度结构研究）影响的理解，强调其几何、力学、流变以及与地震活动的特殊性。四、论述题1.比较地震反射法和地震层析成像这两种探测地下速度结构的主要方法在原理、探测深度、分辨率和局限性方面的异同。**答案要点：***原理：***反射法：*利用人工震源激发的地震波在地下不同界面（如地层分界面、构造断裂面）上发生反射，通过记录反射波的时间、振幅、相位等信息，推断界面深度、岩性（通过速度）、几何形态。主要探测界面的存在和性质。**层析成像：*利用地震波在不同传播路径上走时的差异，反演地下介质（通常是速度）的分布。如同X光层析，通过从不同角度“照射”地下，收集走时信息，重建内部结构。主要探测介质速度的相对变化。**探测深度：***反射法：*主要用于探测地表附近到中等深度的结构（几公里到几十甚至上百公里，取决于震源能量、频率、介质性质）。浅层反射法可达几公里，深层反射法可达地壳深处甚至上地幔顶部。**层析成像：*探测深度范围更广，可以用于地壳、上地幔乃至全球尺度的速度结构研究，但分辨率随深度增加而降低。**分辨率：***反射法：*垂直分辨率（沿探测深度方向）受限于最短波长，水平分辨率受限于偏移距和信噪比，通常在几十到几百米量级。对精细层理和微小结构分辨率有限。**层析成像：*分辨率受限于射线路径的密集程度和覆盖范围。空间分辨率通常较低（几公里到几十公里），但对大尺度速度异常（如地幔柱、大型断裂带）的刻画能力较强。**局限性：***反射法：*对地表覆盖层（如沉积盆地）的复杂性敏感，深层反射信号可能弱、频段低，难以穿透高速层到达更深层；需要良好的地表条件进行震源和检波器部署；主要反映界面信息，对连续介质的速度变化不敏感。**层析成像：*对射线覆盖的均匀性要求高，存在射线稀疏区或覆盖盲区；基本假设（如均匀介质模型）与实际复杂介质有偏差；数据处理和反演计算复杂，存在解的非唯一性、分辨率限制等问题；对走时测量的精度要求高。**相同点：*都是以地震波为信息载体，利用波的传播特性（走时、振幅等）来探测地下；都需要人工震源和检波器；结果都受数据采集质量（震源、台站布局、仪器）的影响；都是地球物理学中重要的探测手段。**解析思路：*要求对两种方法的原理、工作方式、优缺点、适用范围进行全面对比，突出各自的核心特点、优势和限制，并指出它们在探测地下结构方面的互补性。2.结合具体构造背景（如大陆裂谷或活动大陆边缘），论述研究该地区地震波速度结构的重要性，并说明可能采用的主要研究方法。**答案要点：***大陆裂谷：***重要性：*大陆裂谷是板块拉张构造的典型代表，研究其速度结构有助于理解地壳减薄机制、岩石圈拆沉过程、地幔上涌行为（地幔柱或羽状流）、拉分盆地形成演化、火山活动成因以及地震发生规律。精细的速度结构可以揭示不同构造单元（如主断裂带、拉分块体、轴部地幔）的变形特征和应力状态。**主要研究方法：***地震反射/折射法：*沿裂谷走向布设长排列，利用反射法探测地壳和上地幔顶部结构，通过折射法测定地壳厚度和速度。是获取裂谷区浅部和中等深度结构的主要手段。**地震层析成像：*利用区域或宽角地震数据，研究地壳厚度变化、地幔速度结构异常（如高速轴部异常、低速幔源）、以及裂谷区与相邻稳定地壳之间的速度差异。**地震面波法：*利用Love波和Rayleigh波探测地壳厚度、均匀性以及横向速度结构变化，对于理解裂谷盆地的尺度效应和地壳各向异性有重要价值。**区域地震台网：*通过分析区域地震走时数据，研究地壳和上地幔的平均速度结构。**活动大陆边缘（如环太平洋边缘）：***重要性：*活动大陆边缘是俯冲板块与增生楔、弧后地幔和陆壳相互作用的地带，地质现象复杂。研究其速度结构对于理解俯冲板块的向下俯冲过程、增生楔的变形与流体作用、弧后扩张/地幔对流、陆壳增生与改造、以及强震（特别是浅源大震）发生机制至关重要。速度结构异常（如俯冲带低S波速度带、弧顶高速体、地幔楔各向异性）是揭示这些过程的关键线索。**主要研究方法：***地震层析成像：*是研究俯冲带下方地幔结构（如地幔楔、上地幔柱、俯冲板块尾部）和弧后地幔流场的主要工具。常利用宽角台阵或区域台网数据。**地震反射/折射法：*在海沟附近或陆缘进行，用于探测俯冲板块的深度、角度、地壳结构（增生楔、弧前盆地）。近年来超长-offset反射剖面技术用于研究上地幔结构。**地震面波法：*研究地壳和上地幔的横向速度结构，揭示增生楔的流变不均匀性、俯冲板块的形变以及弧后地壳的各向异性。**微震定位：*精确定位震源位置有助于反演局部的速度结构，特别是研究俯冲带、断裂带和火山活动区的精细结构。**深部地震探测（如OIB）：*利用人工震源（如炸药包、空气枪）进行深部地震探测，直接获取俯冲带和上地幔的走时数据。**解析思路：*要求结合具体构造背景（大陆裂谷和活动大陆边缘），阐述研究速度结构对于揭示该构造单元形成演化过程、关键地质现象和动力学机制的重要性，并能列举几种主要的、适合该构造环境的地球物理研究方法及其作用。3.讨论当前构造地震波速度结构研究中面临的主要挑战，并展望未来可能的研究发展方向。**答案要点：***主要挑战：***提高分辨率和精度：*尤其是在地壳浅层、俯冲带、转换断层等精细结构区域，现有方法的分辨率和精度仍难以满足需求。**处理复杂介质和各向异性：*地下介质往往非均质、非各向同性，且存在复杂的不连续界面，给数据解释和反演带来巨大困难。**多尺度联合反演：*如何有效融合不同尺度（区域、局部、超深层）、不同类型（走时、振幅、偏振）的数据，进行一致性检查和联合反演，是提高成像质量的关键。**对