澳大利亚是世界上唯一一个国土覆盖整个大陆的国家，澳大利亚一词源于拉丁语，意为"未知的南方大陆"，是地球上最大的岛和最小的大陆板块。澳大利亚大陆的构造主要包括位于西部和中部的前寒武克拉通，即西澳大利亚克拉通、北澳大利亚克拉通和南澳大利亚克拉通，以及位于东部海岸的显生宙造山带。利用面波层析反演、远震层析反演和人工地震等方法，前人对澳大利亚大陆的构造结构进行了较为系统的研究。但限于面波和远震体波层析反演方法的局限性，这些方法对上地幔顶部的速度结构约束十分有限。
中国科学院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室孙伟家副研究员与B. L. N. Kennett教授利用Pn波走时开展了上地幔顶部的层析反演研究，首次准确获得澳大利亚整个大陆上地幔顶部的P波速度，并为澳大利亚地震学参考模型的50-95km深度提供了有力的P波速度约束。
较常规Pn走时层析反演不同的是，针对地震目录中的地震事件震中定位误差和反演初始速度模型均对地震波走时产生明显影响，在该项研究中引入了两项关键技术并提出了一套完整的层析反演流程，并建议将此作为地壳和上地幔顶部层析反演的标准流程。这两项关键技术是在层析反演前建立高精度的3-D初始速度模型和利用初始3-D速度模型重新定位地震事件。该策略极大地降低了地震层析反演的多解性和有效提高了反演的上地幔顶部地震波速度的可靠性。
为验证上述关键方法，根据已知地球物理、地质学等信息精心建立了高精度的3-D初始P波速度模型并基于3-D初始速度模型和邻域最优化方法进行了所有地震事件的重新定位。原始的地震事件的震源参数来自于国际地震中心(ISC)和Geoscience Australia的地震目录。通过分析发现，原始相近位置的地震事件从震源到达同一台站的旅行时与1-D理论模型的到时残差呈现出强烈变化的特点，说明原始地震目录给出的地震事件震源参数存在较大误差。经本研究方法进行地震重定位后发现，相近位置的不同地震事件的震相到同一台站的旅行时残差一致，且旅行时残差的正负值与已知上地幔顶部的速度快慢特征等先验信息吻合。
进一步，对6个地真事件(Ground-Truth event, 即通过地表破裂或INSAR等手段已准确获得震源位置的地震事件)进行重新定位并与已知信息进行对比，地震震中定位误差最小为1.1 km，在地真事件定位误差范围内。进而证明了前述提出的地震定位和层析反演流程的有效性和正确性，同时表明接近真实的3-D初始速度模型和地震事件重定位两项技术在地震层析反演中是极为重要的。
根据前述经过多重验证的层析成像流程进行了澳大利亚区的上地幔顶部的Pn波速度结构的研究。研究表明，上地幔顶部的在横向和深度方向均存在很强的速度结构变化，澳大利亚的上地幔顶部的下边界分别深至95 km。揭示了可能更为复杂的动力学过程，丰富了对地球深部和浅部相互作用的认识。
图1为采用3-D初始速度模型进行地震事件重定位前后的效果比较。左侧两幅图的地震事件的震源参数来自于国际地震中心(ISC)和Geoscience Australia的地震目录，其采用了1-D标准参考速度模型进行地震定位，图1a中，旅行时残差呈现出强烈变化的特点，即使是两个地震事件的位置十分邻近。另外，图1c中，旅行时残差的中心位置为+3s，这与已知澳大利亚西部和中部具有较快的地震波速度相悖。而经过精心建立的3-D初始速度模型进行地震事件重新定位后，图1b中的旅行时残差则具有很好的一致性，图1d中的旅行时残差变为-1.5s，与已知较快的地震波速度十分吻合。
图2为初速速度模型(左侧)和反演的不同深度的速度切片(右侧)。由于初始P波速度模型是根据经验公式从SV波速度建立的，因而实际的P波速度较长周期S波速度表现出很强的横向速度变化。澳大利亚大陆中西部呈现出十分高的Pn波速度，与其十分稳固的克拉通构造相关；而受火山活动影响在东部海岸附近呈现较低的P波速度速。
他们建议新的地震层析速度(包括地壳和上地幔顶部)反演流程如下：
1) 建立接近真实的初始3-D速度模型；
2) 利用初始速度模型对地震事件重新定位；
3) FMTOMO进行3-D速度层析反演(多次迭代)直到速度模型收敛；
4) 重复2-3过程，直到利用新的速度模型进行重新定位地震事件定位结果收敛。独立执行步骤2和步骤3可有效降低速度和地震事件震源位置的折衷效应。
以上研究成果发表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth (Sun and Kennett, Uppermost mantle structure of the Australian continent from Pn traveltime tomography, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121, 2004-2019.)
原文链接 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012597/full