大容量气枪主动源波形资料处理(一):云南宾川

宾川气枪地震信号发射台以水库大容量非调制气枪阵列为震源,可以连续不断地激发重复性极高的地震信号。本文利用其2013年的数据,对地下介质进行了观测。由于水库水位的变化对震源波形及远处台站接收到的地震波形会产生影响,因此,为了区分介质变化与震源变化,研究了陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波形的特征和合适的处理流程。结果表明:1水库水位变化较大时,同一台站记录的地震波形之间的互相关系数过小,不能直接进行叠加处理,需进行震源聚类分析,而震源聚类受水位变化量的控制;2为消除水位的影响,进行了反褶积处理,当震中距小于10km时,对不同水位激发的信号进行叠加再进行反褶积的效果优于直接进行叠加的效果;3通过互相关计算和信噪比分析发现,4个台站的波形变化可能是由地下介质变化引起的。     

多事件联合与双差地震定位方法研究：以朝鲜核试验定位为例

双差定位法(Double-difference Earthquake Location,简称DD)和多事件联合定位法(Joint Hypocenter Determination,简称JHD)是精确多事件定位中常用的两种方法.对震源机制相近的相邻事件,DD方法利用事件之间的相对到时精准地反演它们之间的相对位置,到时差数据能够利用波形互相关等方法直接测量,但是却无法准确地确定绝对位置;相比之下,JHD方法能够同时反演事件的绝对位置和台站走时校正值.结合两种方法的优点,本文提出一种混合定位方法,同时利用绝对到时数据和到时差数据准确地反演事件绝对位置和台站走时校正.本文利用模拟数据对该方法进行了验证并将其应用于朝鲜核试验定位,结果表明该方法能够有效减小走时计算误差所导致的定位误差.对于朝鲜核试验,相比单次事件+DD定位方法和JHD方法,相对Myers的定位结果定位偏差分别减小45.67%和40.00%.     

气枪主动源与天然地震信号的传播特征对比研究

应用S变换对比分析云南宾川地震信号发射台单次气枪激发信号与同当量天然地震信号在传播过程中的波形和频率特征,并基于参考台聚类分析结果,对其他接收台站的地震信号进行线性叠加和相位加权叠加,研究结果表明:(1)气枪信号传播过程中主频为3~6 Hz,可以在距离为151 km的台站检测到信号,传播过程中能量衰减较慢。天然地震信号主频较高,在传播7.7 km时的主频为10~20 Hz,传播距离约为60 km,传播过程中能量衰减较快;(2)经过2 000余次的线性叠加和相位加权叠加,可以分别在距离为225 km和350 km的台站检测到气枪信号。与天然地震信号相比,气枪信号数据丰富、衰减慢、传播距离远,利用气枪数据可以研究更大范围的地壳介质结构。     

以2008年汶川8.0级地震为例研究地震波低频信号及其构造解释

以2008年汶川8.0级地震震中所在区域的9个固定台站的连续地震波形数据及震中区中国地震科学台阵记录的远震事件波形数据为研究对象,在对连续地震波形低频异常信号进行提取的同时,利用远震事件波形中的P波及其尾波数据探测震中区域部分台站地下结构信息,试图对主震发生前后出现的低频异常信号进行构造解释。研究结果显示:(1)9个固定台站提取出的地震波低频信号在2008年4月17日至2008年4月19日同步出现持续约40小时的先升后降异常形态,同时伴有间断性突跳并在震后密集呈现;(2)震中附近研究测线在不同时段内岩石圈结构出现变形,且在震中附近,位于发震断裂上的台站与非发震断裂上的台站相比,其地下结构变化更明显。震中附近研究测线的岩石圈结构在不同时段变形现象是使用与提取低频异常信号相同频段(0～5Hz)的数据所得到的,反映地震连续波形中记录到的低频异常信号与震源区地下结构变形密切相关。     

双差地震定位算法：方法和在加州北海沃德断层上的应用

研究出一种在远距离范围确定高分辨率震源位置的有效方法。这种定位法同时使用普通的绝对走时和／或互相关的P波和S波的差异走时数据。将每个台站观测的事件都与台站组成台站一事件对，使地震对的观测和理论走时之差的残差(或双差)最小。反复调整震源对的矢量差，得到了最小二乘解。双差算法用于没有进行台站校正的未经模型化的速度结构而使误差最小化。因为地震目录和互相关数据同时应用在一个方程组中，多重事件内部的事件之间的距离取决于互相关数据的精度，而多重事件和不相关事件之间的相对位置取决于绝对走时的精度。统计的再抽样方法用于估算数据的精度和定位的误差。双差定位的不确定性与地震目录相比降低了一个数量级以上。这种算法已得到验证，并应用在加州北海沃德断层上的两个地震丛的定位中。它使分散的目录定位集中成水平震源条带，形成了清晰的地震活动图象，揭示了断层上存在一个狭窄的通过脆性破裂释放应力的区域。     

基于气枪震源信号的云南漾濞MS6.4地震前后波速变化

本文基于宾川气枪地震信号发射台激发的地震波信号,利用线性叠加和时频域相位加权叠加方法提高信噪比,通过反褶积、插值拟合和波形互相关等方法,获得2021年漾濞M;6.4地震前后气枪震源初至波信号走时变化特征.结果表明两种叠加方法得到的走时变化趋势基本一致,在沿发震断裂带附近的3个台站观测到的初至波走时延迟为7.3~14.4 ms,在射线路径上平均波速降低了0.08%~0.12%,距离震中位置较远的台站走时延迟为2~6 ms.分析认为,观测到的走时变化主要是漾濞M;6.4地震引起强地面运动造成浅层介质疏松、同震破裂导致震源区地下介质裂隙增加和地下流体侵入等共同作用造成,相关研究成果有助于加深和促进对此次地震震源物理过程的认识和了解.     

基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法及其在广角OBS折射波增强中的应用

广角地震的远偏移距折射初至含有地下深层的信息,提高远偏移距折射波信噪比能够有效提高初至拾取精度,对于深部结构的层析速度建模十分有利.超虚折射干涉法基于干涉原理对远道折射波进行增强,它在炮点和检波点都非常密集的情况下效果较好.然而,在应用于台站间距较大且环境噪声较强的广角海底地震仪(OBS)观测时,该方法对折射波的增强能力不足,而且容易产生虚假波形,造成增强后的折射波信噪比仍然较低.针对这种情况,本文提出基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法,通过叠加相邻虚拟道来提高远道与近道互相关的准确度,以达到稳定增强远道折射波信噪比的目的.理论实验和实际资料测试均显示,基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在台站间距较大和信噪比较低的情况下能够准确构建虚拟道,且增强后的波形同相轴连续程度和信噪比均较高,有利于拾取高精度的折射初至到时.本文方法也可用于增强陆上炮间距较大的广角地震数据折射波.     

昭通地区地震层析成像及彝良震区构造分析

本文结合1992年01月至2012年10月国家地震台网、四川地震台网、云南地震台网及重庆地震台网的65个台站记录到的2,107个地震的17,945条P波绝对到时数据及227,701条P波相对到时数据,利用双差地震层析成像方法联合反演了昭通地区地震震源参数及地壳三维速度结构.反演结果表明,地震重定位精度有了显著改进,地震在水平方向的重定位精度要高于垂直方向.在深度方向,消除了重定位前地震在5~10km间的层状分布假象,昭通地区震源深度总体大于彝良地区,且彝良地区地震随深度增加向西展布,根据余震分布特征推测地震发生在走向NNE,倾向NW的石门断裂上.反演得到的三维速度结构表明,地表速度异常与地形起伏及地质特征有着密切关系:在浅层,昭通坳陷盆地表现为较大范围的低速异常,且低速异常区在盆地东北缘范围加深.彝良附近表现为高速异常带,大关附近表现为低速异常.随着深度的增加,反演得到的P波三维速度结构清晰地显示出彝良地区中下地壳介质受到北东向挤压而向上隆起,与浅部的高、低速异常区相互交错,形成介质速度构造复杂区域.重定位后的彝良ML5.7级和ML5.6级地震的震源位于隆起的高速异常区两侧的速度过渡区,其走滑兼逆冲的破裂机制与该处反演结果揭示的彝良地区下方的速度异常形成机制较为一致.     

新丰江及龙滩水库地震活动性研究

水库诱发地震的地震活动特征与地震定位研究是开展水库地震研究及危险性评估的重要基础。结合新丰江及龙滩水库的蓄水过程研究讨论了新丰江及龙滩水库的地震活动性,利用2009～2010年在新丰江及龙滩库区架设的加密台站以及两水库原有的观测台站组成的观测台阵记录到的连续观测地震波形,通过结合了波形互相关技术的双差定位法做了地震精定位研究。研究结果证明利用波形互相关技术提取的互相关数据改良了地震定位结果,精定位后震中分布更为集中,与库水分布及周围断裂的分布一致,震源深度也有所收敛,希望该方法推广到今后的水库地震研究中去。     

利用重复地震观测重庆巫山地区地壳介质变化

利用波形互相关技术,对重庆数字地震台网记录的巫山地区90次地震波形资料进行相关计算,识别出24对同时被2个地震台站记录且各台波形互相关系数不小于0.8的重复地震对;利用射线追踪方法,对巫山地区重复地震位置做归一化处理,得到所选台站记录地震P波走时差变化,结果显示,在2013年重庆巫山M_L 3.7地震前,建坪、双龙、荆竹地震台记录到该地区短期地壳介质速度有明显升高现象。     

川滇地区地震分布及地壳结构的双差地震层析成像

在使用APP++扫描得到的川滇地区地震目录数据的基础上,利用波形互相关得到的走时差,通过双差层析成像方法进一步提高了定位精度,并反演了该地区地壳的三维P波和S波速度结构.结果显示:重定位后的地震位置分布很好地刻画了相关断层的形态;浅层的速度结构能够很好地吻合区域内的断层分布,深部的速度结构反映了川滇菱形块体地壳流的可能...     

甘肃张掖M5.0地震前气枪信号走时变化研究

利用祁连山主动源观测系统记录的气枪激发信号资料,通过滤波、叠加、反褶积、互相关等处理,获得了观测系统各台站P波不同震相走时变化数据,发现2019年9月16日张掖M5.0地震前震源区附近台站存在一定的P波走时变化,表明震源区地下结构在震前存在应力状态的改变。     

云南普洱糯扎渡水库蓄水前后P波速度结构变化特征

基于云南省糯扎渡水库台网17个台站所记录到的2009年11月至2014年9月期间的5 247次地震的P波绝对到时资料和相对到时资料,以及波形互相关得到的相对到时资料,采用双差地震层析成像方法联合反演了糯扎渡水库库区蓄水前和蓄水后2011年11月30日至2012年12月31日及2013年1月1日至2014年9月30日这3个阶段的震源参数和三维P波速度结构。结果显示:糯扎渡水库蓄水后,水库库区地震的发生频次增多,经重定位后的震源深度大多在10 km以内,尤其以5 km以内的居多,与前人得到的水库诱发地震震源深度小于10 km的结果基本吻合;随着蓄水量的增加,库水沿断层渗透,孔隙压力变化导致地震增多的区域延伸至左岸支库黑江和库区回水至库区中段的澜沧江段,并进一步向威远江和小黑江延伸,这些区域的P波速度降低;整体的水库渗水作用最大深度不超过7 km。      

华北地区地壳与上地幔速度间断面接收函数成像研究

<正>P波接收函数主要包含台站下方速度界面所产生的转换波,转换波S波和原生P波以不同路径、不同时间到达同一台站,因此,时间轴上反映了转换波与原生P波在台站的到时差。在给定慢度和速度模型的情况下,可以依据到时差找到转换点。将接收函数中该时差所对应的接收函数值置于相应的转换点三维坐标,对不同射线在同一空间点的转换波振幅进行叠加,并经过规一化后可形成接收函数图像。我们广泛收集了华北地区固定地震台网、华北流动地震实验场的流动地震台阵、中国地震台阵探测项     

三种常用叠加方法提取气枪信号的效果分析

基于安砂水库气枪震源实验资料,采用线性叠加、频谱白化叠加和相位加权叠加三种常用叠加技术进行处理,从信噪比、波形相关性和震相走时差等方面,分析评估三种叠加方法的实际应用效果。结果表明:(1)相位加权叠加方法提高信噪比的能力最强,但是与线性叠加一样,两者都无法有效地消除强干扰,而频谱白化则可以削弱强干扰的影响,有利于信号准确识别;对低信噪比波形,频谱白化提高信噪比的效果优于线性叠加,反之亦然。(2)以线性叠加结果为参考,相位加权的相关性高,走时差基本为零,但波形中较小幅值的信号可能会被压制,影响小幅值波形信号的判别;频谱白化在台站信噪比高时,波形相关性较差,且存在一定走时差,可能出现震相到时前的波形被放大,使震相初至变得模糊,影响到时拾取精度。     

基于密集流动台阵构建的川滇地区高分辨率公共速度模型2.0版本

川滇地区位于青藏高原东南缘,构造运动强烈,深大断裂交错展布,地震活动性较强,地震灾害严重. 21世纪以来,川滇地区发生的几次7.0级及以上地震均造成了巨大的人员伤亡和经济损失,尤其是2008年汶川Ms8.0级地震.目前,地震监测与震源参数反演、强震危险性分析、地震灾害评估等仍是川滇地区地震学研究的重点.区域高精度三维公共速度模型是这些研究的重要基础.本文通过收集该区域的固定台站及多个密集流动台阵观测资料,利用人工智能到时拾取和背景噪声互相关方法,获得了约706万条体波走时数据(包括绝对到时和地震对双差走时)和约10万条瑞利波相速度频散数据(周期5～50s).利用这些数据,在川滇公共速度模型1.0版本(SWChinaCVM-1.0)的基础上,采用考虑地形的体波和面波走时联合反演方法,获得了川滇地区地壳及上地幔顶部三维V_p及V_s模型(川滇地区公共速度模型2.0版本, SWChinaCVM-2.0).相较于SWChinaCVM-1.0,新模型在横向分辨率及数据拟合上都有较大提升.新模型显示:地壳浅部的速度异常存在较强的横向不均一性;中下地壳存在两个...     

台网噪声评估及其对气枪震源激发效果影响的研究

为了研究背景噪声对长江地学气枪主动源实验激发效果的影响,收集了240个台站激发前72小时的背景噪声数据及20个定点激发的叠加结果进行实验分析.先剔除异常台站,按照国标将台网噪声水平划分为高、中、低3个等级进行评估,从而研究气枪波形信噪比与台站背景噪声的关系.结果表明:① 台站接收能力与背景噪声水平密切相关;② 气枪信号的信噪比在一定范围内受背景噪声的影响大于距离衰减的影响;③ 长江马鞍山—安庆流域段不同定点激发的场地条件基本一致;④ 随气枪信号叠加次数的增加,低噪台站的信噪比增长速度快于中、高噪台站,若想获得同样的叠加效果,高噪台站需要的叠加次数远大于低噪台站.      

利用重复地震观测重庆武隆地区地壳介质变化

选取重庆数字地震台网记录的武隆地区107次M_L≥1.5地震波形和观测报告资料,采用波形互相关技术进行相关计算,识别出12组同时被3个地震台站记录且各台波形互相关系数不小于0.8的重复地震。利用射线追踪方法,对武隆地区重复地震位置做归一化处理,得到所选台站记录地震P波走时差变化,结果显示:在2017年武隆M_S5.0地震前4年,武隆、仙女山、涪陵地震台记录到P波走时差均存在长期的负异常变化,持续时间长达339天,共出现18次负值,表明该时段地壳介质速度有明显升高现象。      

气枪信号振幅叠加方法研究

由于气枪震源信号较弱, 容易受外界噪声或者地震等因素干扰, 而使得其真实的振幅被掩盖。 这些干扰记录若直接参与叠加容易导致振幅信息不可靠, 也会影响叠加效果。 为消除干扰影响, 提出概率筛选和噪声模型筛选振幅叠加方法, 以2018年6月在福建龙门滩水库和沙溪口水库的气枪实验数据为例, 从剔除干扰的能力、 波形形态、 振幅值等方面说明两种方法的实际效果, 并对比两者的优缺点。 研究结果表明: ① 两种筛选方法均能有效去除异常干扰, 经处理后的气枪信号的波形形态和最大振幅值与直接线性叠加基本一致; ② 对于固定台网台站, 噪声频谱方法可方便确认台站的运行状态, 及时筛除异常台站; ③ 对于灵敏度等信息不详的流动台站, 噪声模型筛选方法使用受限, 而概率筛选方法简洁, 适用性强。     

结合波形互相关的双差定位方法在三峡水库地震中的应用

本文采用基于波形互相关算法的双差定位方法对三峡水库地震进行精定位和地震活动性分析。首先使用双谱互相关方法分析了三峡库区加密台网于2009年3月至2010年12月观测到的地震波形数据,并对波形互相关分析的结果进行了评价。基于结合获得的波形互相关数据使用双差定位方法对地震事件进行精定位研究,结果表明使用双谱法验证的波形互相关数据的定位精度要高于其他数据的结果,其东西向震源位置平均误差为3.2m、南北向为3.9m、垂直向为6.2m。重定位震中结果显示巴东神龙溪两岸微震分布明显呈现出3条近东西向的线性条带状,与地表小规模断裂和碳酸盐岩地层走向一致,揭示了库水主要沿着溶洞或者地下暗河渗透进而诱发地震活动,较强地震可能是微小地震贯穿活动面的结果。