基于平面波模型重访地震背景噪声互相关及空间自相关(SPAC)

自Aki(1957)提出微震的空间自相关(SPatial AutoCorelation,SPAC)技术以来,SPAC技术一直独立发展,并在工程地震领域获得了广泛应用.近20年来,地震干涉(Seisimic Interferometry,SI)在多个领域引起人们的关注,该技术的核心思想是连续地震背景噪声的互相关函数(Noise Crosscorrelation Function,NCF)可以重建系统的格林函数(Green's Function,GF),对该技术的回溯性研究建立了SPAC和NCF的关系:它们是对同一物理现象的不同描述,SPAC在频率域中描述随机平稳噪声的空间相干,NCF在时间域中描述扩散场的互相关.理论上SAPC和NCF技术要求背景噪声源均匀分布,这样的噪声场可以用平面波叠加来模拟.本文基于平面波模型重访地震背景噪声的互相关和空间自相关技术,从单色平面波的互相关表示出发,对地震背景噪声互相关及空间自相关技术进行评述,试图使这些概念更易于理解.与之前众多研究地震干涉技术的理论相比,本文尤其关注以下几点:(1)基于简单的平面波模型,给出不同维度下,源或台站对方位均匀分布时,平面波互相关对入射波的方位平均和台阵对的方位平均结果,并对格林函数GF和时域互相关函数NCF的关系进行总结.(2)给出声源和(或)交叉台站方位分布不均匀时的互相关表示,指出这种非均匀性对方位的依赖关系,与弱各向异性介质中面波速度的方位依赖关系类似,因此,非均匀源的影响在反演时可能会映射到面波方位各向异性结果中.(3)互相关运算中,哪一个台站是虚拟源.NCF包含因果性和非因果性两部分,NCF的非对称性通常用于研究噪声源的方位分布,但由于源和接收的互易关系,及对互相关运算的不同定义和不同的傅里叶变换习惯,哪一个台站是虚拟源在目前的文献中并不明确.(4)方位平均和时间平均的关系.在SPAC处理中,需要对不同方位分布的台站对进行方位平均,本文从理论上说明,单个平面波入射时,交叉台站互相关系数对台站对的方位平均,等价于单个台站对互相关系数对入射波的时间平均.(5)几种特定分布非均匀噪声源的SPAC表示.包括单独的因果性噪声源和非因果性噪声源给出的互相关函数表示,及由此带来的相移问题.(6)利用SPAC、NCF和面波GF之间的关系,给出交叉分量的空间自相关系数表示.(7)衰减介质的空间相干表示.虽然利用地震干涉技术研究介质衰减在理论上仍然存在一些争议,但人们正试图研究从连续背景噪声记录中提取介质衰减的可能性.本文基于平面波模型,给出了不同坐标选择下,衰减介质的空间相干表示,这种表达的不同,指示了由地震干涉技术提取介质衰减的困难.与众多研究地震干涉的理论相比,比如稳相近似理论、互易定理、时间反转声学等,本文主要考虑均匀介质,不涉及非均匀介质的散射,从最简单的平面波模型,理解背景噪声重建系统格林函数这一地震干涉的核心思想和相应的基本概念.     

基于Python语言的ObsPy软件包从地震背景噪声中提取瑞利面波经验格林函数的实行方案

针对海量地震数据的高效自动处理是现代地震学重要的研究课题之一.本文基于Python语言的地震学数据处理软件平台ObsPy重构了背景噪声成像数据处理工作流程方案.以大兴安岭地区的不同来源与不同格式的地震数据为例,利用ObsPy软件包实现了背景噪声成像去除仪器响应、重采样、滤波、去均值趋势等预处理过程,以及One-Bit时间域归一化、谱白化、互相关计算等主要工作流程.对比测试表明基于ObsPy软件包的新流程与常用的噪声成像软件包的计算效率具有可比性,但代码更加简洁易用.同时,基于Python语言实现了利用Bootstrap方法对背景噪声成像提取面波频散曲线的误差分析.最后,本文利用归一化背景能量流方法分析了大兴安岭地区相关噪声源的时空分布.分析结果显示,研究区接收的短周期噪声可能与太平洋浪高的季节变化相关,接收的长周期噪声可能与全球海洋浪高的季节变化相关.     

噪声地震学方法及其应用

基于背景噪声的地震方法发展迅速,已广泛应用于全球和区域地球内部结构研究、浅地表地质调查及油气田勘探开发.本文简要介绍了背景噪声的来源,回顾了噪声地震学的发展历程.给出了基于背景噪声的全波场和面波格林函数恢复的公式,较为详细综述了噪声源的分布和记录台站间距对格林函数恢复的影响.讨论了两台站互相关法和空间自相关法获取面波频散特性的区别与理论连接.对基于噪声的面波层析成像法、程函方程层析成像法、空间自相关法的原理进行了总结.介绍了噪声地震学方法在各领域特别是浅地表方面的应用现状.最后简要展望了噪声地震学的发展前景.     

地震背景噪声成像研究综述

地震背景噪声成像方法已成为21世纪地震学的伟大突破之一,其原理是,对2个台站记录的连续背景噪声信号进行互相关计算,得到台站间的格林函数,利用经验格林函数得到面波速度函数,获取面波频散特性,用地震层析成像方法对面波速度进行反演,得到地球内部的速度结构。其应用近年来日益广泛,涉及各向同性和各向异性的速度结构成像、大地震前后速度结构变化监测、体波联合成像、衰减结构成像、地震定位精度提高、噪声源分布和物理起源探究、强地面运动评估等。其优点是不需要等待天然地震或使用对环境构成威胁的人工爆破,所有台阵都可以当作源,拓宽了频带范围,可以获得较多短周期频散数据,提高反演分辨率。     

地震背景噪声互相关方法应用研究综述

利用地震台记录的背景噪声数据,进行台站对之间数据互相关以获得反映地下介质信息的格林函数,是目前地震学领域理论研究和实际应用方面的前沿和热点。首先介绍了噪声互相关应用的发展历史,之后对其在面波成像、体波信号提取与体波成像、监测地下介质波速变化与衰减、地震定位、噪声源分析与时移校正等多个方面的应用进行了阐述,最后针对目前背景噪声互相关应用的发展进行了分析与讨论。     

地震背景噪声成像技术研究进展与展望

背景噪声成像技术是21世纪以来地震学研究最为重要的突破性进展之一.该方法不依赖于天然地震事件的发生,利用连续地震记录中普遍存在的"背景噪声",通过不同台站对间连续时间信号的互相关来提取经验格林函数并用以进行地下介质结构成像研究.与传统的天然源地震探测手段相比,背景噪声成像技术从随机场源信号中提取介质结构的信息,具有成像...     

利用地震背景噪声提取西山村滑坡高频面波信号

滑坡体三维速度结构为滑坡治理、灾害防治、风险防范以及理解滑坡的动力学过程提供了关键信息,而高频面波成像是研究浅层速度结构的重要手段.本文详细介绍了利用2016年12月1日在四川理县西山村滑坡上布设的38个仪器记录的三分量连续地震噪声数据,提取1～5Hz的基阶Love波和Rayleigh波经验格林函数,分析了不同参数和处理方法对背景噪声互相关计算结果的影响.结果表明,1天左右的连续波形记录裁剪至1200s的时间长度,进行互相关叠加就可以得到较为稳定的经验格林函数.西山村滑坡体上Love波和Rayleigh波的群速度分别为约400m·s-1和700m·s-1,并且Love波信噪比高于Rayleigh波.此外,我们还利用聚束分析方法对噪声源的位置进行了分析,发现1～5Hz的背景噪声主要来自滑坡东南侧附近杂谷脑河水的搬运作用.这些高频面波数据和噪声源位置为获取滑坡浅层三维速度结构提供了重要输入,同时也为研究滑坡体速度结构随时间的变化提供了基础.     

地震背景噪声互相关函数的面波理论表达形式

基于弹性动力学面波激发公式推导出地震背景噪声互相关函数(简称为NCF)的理论表达形式.证明了NCF等价于面波的震源激发公式,其中一个台站为等价震源的位置,另一个台站为接收点.本文提出的最重要的概念是等价震源相位,它直接影响群速度与相速度的测量误差.在噪声源均匀分布的条件下,等价震源相位等于-π/4.一般情况下,等价震源...     

基于地震背景噪声互相关函数研究介质衰减综述

近年来,基于地震背景噪声互相关函数的地震层析成像技术,在研究地球深浅部结构中获得了广泛应用.目前,绝大多数的背景噪声成像仅仅利用了互相关函数的相位信息,即利用走时来反演地球介质的速度和各向异性特征.利用互相关函数的振幅信息提取介质的衰减仍在研究之中.从背景噪声场中提取的衰减信息可以从非弹性的角度更好地约束地壳和上地幔的精细结构,为地球动力学解释提供更多证据.利用背景噪声提取介质衰减,有两种基本的方法:(1)基于时间域噪声互相关函数的相对振幅随台间距变化,即衰减介质中的地震干涉方法;(2)基于频率域空间相干曲线的拟合,即考虑衰减的空间自相关(SPAC)方法.这两种衰减提取的方法在原理上是一致的.本文分别评述这两种方法的理论发展和处理过程,介绍背景噪声互相关技术提取衰减的应用成果.背景噪声互相关函数幅度受噪声源分布,固有衰减、散射、聚焦和散焦等因素的共同影响,文中对此做了评述.利用背景噪声场提取衰减时,需要谨慎对待这些因素的影响.最后对背景噪声衰减提取和今后的发展前景进行了展望.随着密集台阵的布设和衰减提取方法的不断完善,噪声互相关幅度信息的研究将会获得更为广泛的应用.     

海洋活动对云南地震观测台网的影响

1 研究背景 地震的孕育和发生通常伴随着应力场变化、地下流体迁移、地壳浅层破坏等事件的发生,从而导致地下介质物理性质(如波速)的变化.由于背景噪声监测方法的独特优势,背景噪声互相关函数在监测地震孕育过程中展现了巨大潜力(Brenguier et al,2008),也为地震预测预报工作提供了有用的参考信息.然而,噪声源季节性变化,对以背景噪声互相关方法测量的地震波速度的精度存在影响.因此,利用背景噪声监测地震波速度变化,必须对噪声源机制有清晰认识.