从背景噪声提取瑞利面波频散曲线——方法与应用实例

利用地震背景噪声提取台站间的面波频散信息,进而进行地下结构研究是目前地球物理学的研究热点之一.本文详细介绍了该方法的发展历程,并以流动台阵和固定地震台站数据为例给出了较为详细的噪声数据处理过程,重点阐述了如何利用地震背景噪声提取瑞利面波的频散曲线.此外,对基层科研人员如何更好地应用固定台站数据资料的技术细节问题给出了具体解决方案.     

利用背景噪声研究壳幔结构发展综述

利用背景噪声研究地下结构即对两个台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算提取台站间的格林函数,获取面波频散特征,并进一步层析成像或测量面波走时变化.通过该方法可获得壳幔速度结构和对地下介质监测.近些年,该方法在理论上和实践上都有长足进展.首先介绍地震背景噪声应用的发展历史,进而重点论述利用背景噪声对壳幔进行群速度和相速度结构成像、三维剪切波速度结构成像、与其他方法联合成像和对地下介质监测的应用.最后分析了目前背景噪声应用面临的问题,并展望了其发展前景.     

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.     

基于瑞雷面波群速度频散反演上海地区S波速度结构

利用上海测震台网固定台站地震面波数据记录,通过多重滤波法提取周期为8—20s的瑞雷面波群速度频散曲线,反演得到台站下方介质一维速度结构。结果表明：对于整个上海地区,其剪切波速度横向不均性不明显,在相同深度,每个台站S波速度差异较小,上地壳平均速度约为3.6 km/s,中下地壳平均速度约为3.8 km/s、4.1 km/s。     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

背景噪声频散曲线测定及其在华北地区的应用

利用华北地震台阵垂直分量的观测资料,采用滑动绝对平均方法对资料进行预处理,通过互相关方法从背景噪声中提取瑞利面波的格林函数,开发了群速度频散曲线的自动提取工具,测量了位于华北盆地、燕山隆起和太行山隆起的3条频散曲线,反演得到了3个区域的S波速度结构．研究分析表明,滑动绝对平均方法可以有效降低地震和台站附近干扰源的影响．为了得到可靠的层析成像结果,应计算格林函数的信噪比,选择高信噪比的格林函数测量其频散曲线,进行层析成像反演．当信噪比大于7时,一般都能得到稳定可靠的频散曲线．群速度频散曲线的最大可信周期(Tmax)与台站间距有关,华北地区最大可信周期以不超过台站间距的1/12为宜,周期大于Tmax时不同月份测得的频散曲线变化较大．      

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。     

利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构

本文利用福建地震台网25个宽频带台站的噪声记录提取瑞利波和勒夫波频散曲线反演地壳波速结构,并利用爆破观测结果对该速度模型进行检验.结果表明:利用该方法得到的地壳波速结构在浅部分辨率较好,深部波速结构的反演结果精度较低,这主要是由于本文所选台站间距较小,提取得到的面波频散曲线在短周期部分精度较高,而长周期部分面波频散曲线的偏差较大.综合噪声反演结果与传统反演结果,本文最终给出了一个新的速度模型,利用该模型计算得到的理论走时与爆破观测走时具有很好的一致性.     

广东省东部地区背景噪声面波群速度层析成像

选取广东省东部及福建和江西测震台网的26个固定台站2011年3～9月的地震背景噪声的垂直分量数据,用互相关方法获得瑞利面波的格林函数,再用频时分析方法提取瑞利面波的群速度频散曲线,最后用面波层析成像方法反演得到研究区周期为5～15s的瑞利面波群速度图像.反演结果揭示了广东省东部地区浅部地壳群速度结构存在明显横向不均匀性.短周期群速度异常与研究区内山脉、盆地的分布有较好的对应关系,沉积厚度较大的盆地地区表现为低速异常,而基底埋深较浅的山脉则显示了高速异常;地热分布对面波群速度产生重要影响,地热值较高的区域面波群速度一般表现为低速异常;粤东地区特别是粤东沿海地区地壳中部可能存在低速层.     

四川宜宾地壳浅部三维S波速度结构及方位各向异性

利用四川宜宾及周边地区布设的30个临时台站连续44天的波形记录,采用背景噪声互相关方法提取了周期为1—15 s的瑞雷面波相速度频散曲线,然后使用基于面波射线路径追踪的瑞雷面波直接成像方法得到0—10 km深度范围内三维S波速度模型,最后利用该模型作为初始模型采用相同的反演框架得到该地区的方位各向异性结构.结果表明:浅层...     

利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据,经过单台数据处理和互相关叠加计算后,由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数.为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性,对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估.检测结果表明,自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致,提取的格林函数可靠.此外,统计了使用从3 21个月不同长度数据叠加后,经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目.结果表明,至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大,数目足够多,可用于反演面波速度结构的经验格林函数;12个月的叠加时长,可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.     

利用多重滤波方法提取面波频散曲线

多重滤波方法已被证明在分析面波的频散特性时是一种有效而快速的方法。本文用单个台站的单次地震事件记录,应用MFT(Multiple Filter Technique)方法提取了内华达地区的面波频散曲线并分析了其特征,认为其具有大陆基振型瑞利波频散曲线的典型特征。还利用广义反透射系数法快速计算了瑞利面波频散曲线,尤其是基阶瑞利波相速度及群速度频散曲线;并且在由振型叠加方法合成的理论地震图的基础上,通过比较理论频散曲线和MFT方法得到的频散曲线,研究了多重滤波的可靠性。     

云南壳幔S波速度结构与强震的构造背景

本文选取云南及周边65个台站记录到的47个地震事件,利用相匹配滤波技术分离出了基阶Rayleigh面波信号.选取与震中处于同一大圆弧上的两个台站,利用双台格林函数法获取了台间相速度频散,频散的周期范围在10～80 s之间.从2000个波形记录中提取了152个台站对之间的相速度频散,最后,利用台间的相速度频散反演得到云南...     

广东及其邻域噪声面波层析成像

通过收集广东及其邻域104个固定地震台站近10个月的垂直分量连续波形数据资料, 使用地震背景噪声互相关格林函数方法, 获得了大部分台站对的背景噪声互相关曲线. 基于这些对称叠加的互相关曲线, 利用时频分析方法, 进一步提取了该地区周期为5—40 s的基阶瑞雷波群速度频散曲线. 其噪声来源分析结果显示: 广东及其邻域的噪声场来源有很强的方向性, 短周期(5—10 s)噪声主要来自东南方向, 范围基本与海岸线分布一致, 可能是由于近海水陆相互作用产生的;较长周期 (15—30 s) 噪声主要来自三大洋的方位. 以这些提取的噪声面波资料为基础, 采用噪声面波层析成像方法反演得到了该地区周期为5—28 s的瑞雷波群速度层析成像图, 从该图可以看出, 广东及其邻域地下结构的横向变化总体较小, 沉积层厚度较薄, 地壳中可能普遍存在一个低速层;从研究区历史地震的分布及其表层地质构造的发育特征来看, 地震主要分布在高、低速过渡带附近, 表明面波群速度与地震之间具有较强的耦合关系;从群速度的低速异常特征来看, 广东及其邻域普遍分布的温泉和高地热主要受深部构造的控制和影响.      

利用背景噪声数据提取地震台站间 面波的可靠性分析 以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据, 经过单台数据处理和互相关叠加计算后, 由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数. 为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性, 对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估. 检测结果表明, 自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致, 提取的格林函数可靠. 此外, 统计了使用从3—21个月不同长度数据叠加后, 经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目. 结果表明, 至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大, 数目足够多, 可用于反演面波速度结构的经验格林函数; 12个月的叠加时长, 可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.      

面波频散谱多模式高分辨率成像的多道信号比较法

高分辨率的面波频散谱成像是浅层地震勘探领域基于频散性质反演横波速度结构中的一个关键步骤.在天然地震探测领域,仅利用两个台站记录的线性信号比较法(LSC),被广泛用来计算面波的频散谱,并用于大尺度的面波层析成像.然而互相关的成像方式会造成频散谱在低频端较低的分辨率.非线性信号比较法(NLSC)利用指数函数克服了这个问题,同时极大地提高了频散谱的成像分辨率.然而,在研究中我们发现,仅利用两个台站的地震记录,并不能将面波的频散特性完整地考虑在内,导致LSC和NLSC方法对高阶模式的成像存在较大的误差.由于主动源面波勘探多道采集的方式,基于信号比较理论的多道信号比较法(MSC)充分利用多道地震信号,可以获得准确的多模式成像,然而该方法需要计算任意两道的频散谱并叠加,存在冗余的计算,导致计算效率较低.因此,本研究对MSC方法进行了相应的改进,通过追踪炮集记录上的面波波组提高了原方法的计算效率,同时,利用理论频散曲线进行叠加分析,验证了改进的MSC方法的正确性和有效性.通过与相移法、LSC和NLSC方法的对比分析,展示了MSC方法是一种准确的、高分辨率的面波多模式频散谱成像方法.实际地震资料的应用,揭示了MSC方法在浅层地震勘探中用于提取面波多模式频散信息的巨大潜力.     

基于频率-贝塞尔变换法的关东盆地S波速度成像

将一种新的方法——频率-贝塞尔变换法（F-Jmethod）应用于日本NIED在关东盆地布设的MeSO-net台网的背景噪声数据中,证明频率-贝塞尔变换法可以有效地从背景噪声中提取高阶频散曲线.利用提取的基阶和高阶频散曲线反演关东盆地区域的沉积层和地震基岩层的S波速度结构,并将我们反演得到的S波速度结构与Koketsu等提出的日本综合速度结构模型进行对比讨论.我们的例子证明,在基阶面波的基础上,高阶面波能减少在反演中的非唯一性,得到更为准确的S波速度结构.     

汶川地震破裂带地壳速度结构研究

利用分布在汶川地震破裂带上三个固定台站两年的远震接收函数,结合该区域已有面波频散结果,首先确定了各台站下方不同方位地壳的厚度、波速比和纵波平均速度,进而构建初始模型,对各台站下方不同方位地壳速度结构进行了线性反演.结果表明:位于汶川地震破裂带两端单台下方地壳结构的横向非均匀性较强,各方位接收函数差异较大,而破裂带中部台...     

用噪声成像方法研究云南地区强震前地震面波速度变化

本文利用2008年1月至2010年1月云南地震台网46个台站的连续波形资料, 采用背景噪声方法计算云南地区不同台站对之间的面波延迟时间, 通过层析成像方法反演得到不同时间段相同时间窗长的面波波速分布。 根据试验, 将三个月的时间窗长作为云南地区得到稳定信噪比的延迟时间的叠加天数。 结果表明, 不同时间段得到的波速结构具有明显的变化。 这些变化表明: ① 2008年汶川8.0级地震后, 程海断裂带波速增加, 能量积累加剧; ② 2008年攀枝花6.1级地震前攀枝花地区处于速度升高和速度降低的分界带上; ③ 2009年姚安6.0级地震前震中所在区域面波波速升高, 而震后出现降低。 与传统的动态成像相比, 背景噪声方法由于采用固定的台站对, 不同时间段的射线固定, 这样可以减小由于不同时段地震分布不均一和震源定位而引起的误差, 使动态反演结果更加可靠。     

新疆地区地壳S波速度结构及径向各向异性研究

应用背景噪声层析成像方法对新疆地区地壳S波速度结构以及径向各向异性进行了研究。利用中国地震局数字地震台网和吉尔吉斯斯坦及哈萨克斯坦台网记录的2009年1月至9月的连续三分量背景噪声数据,对所有台站对之间进行互相关计算,通过时频分析和相位匹配技术得到了每个台站对8 s到50 s的群速度和相速度频散曲线,显示出明显的横向不均匀性,与研究区主要地质结构和构造单元具有良好的相关性。通过反演纯路径频散数据得到了地壳和上地幔顶部的S波速度结构和径向各向异性的结果;根据SH波和SV波速度结构差异得到研究区内的径向各向异性的分布特征;讨论了各向异性产生的机理。