基于背景噪声互相关技术的雅浦俯冲带海底地震仪时间校正

由于电磁波无法在水中传播,导致海底地震仪(OBS)与全球定位系统(GPS)无法进行实时对钟,因此会产生一定的时钟漂移.而受船时、海况等影响,被动源OBS在回收后往往电量亏损,致使设备回收时并没有完成对钟,无法直接利用对钟前后的时钟漂移量进行线性校正.本文选取中国科学院海洋研究所2016—2017年间在雅浦俯冲带进行的长周期被动源OBS实验所获得的数据,利用背景噪声互相关方法对OBS进行了时间校正.结果发现,各OBS在经过一年左右时间的布放后,时钟漂移量在1～3 s之间,且基本呈线性趋势,将该结果平均分配到每天从而完成线性校正.另外,探讨了时钟的非线性漂移、误差源、参考台站的选取等因素对时钟准确度的影响,为OBS的数据处理进行了有益的探索.     

利用背景噪声校正海底地震仪钟差

地震记录中时间的精确性对于现代处理技术至关重要。然而,对于由无法直接通信的仪器组成的台阵来说,仪器之间的时钟同步是很困难的。通过全球定位系统(GPS)进行时间同步是陆上的一个选择,但不能用于水下测量,因为电磁信号在水中不能有效传播。如果时钟漂移是线性的,那么可以通过部署前后的全球定位系统同步来估计海底地震仪的时间校正。但对于很多应用来说,这还不够,因为在长时间的实验中,这种漂移的非线性部分可以达到数十到数百毫秒。我们提出两种技术方法来提取同步记录的海底仪器在部署完成之后的时间记录差异。这两种技术都是基于对地震背景噪声的互相关分析,即使时钟漂移是非线性的,也都是有效的。第一种称为时间对称性分析(TSA),易于应用但需要合适的解释,以使噪声互相关函数在时间上是对称的;第二种基于重复地震分析方法,没有这种限制。本文分别讨论了两种方法的优缺点。通过在两组海底地震仪数据集的实际应用,表明两种方法都可以将仪器时钟同步误差控制到约5ms以下(主周期的百分之几)。     

利用地震背景噪声互相关检测流动地震台波形时钟漂移

时钟精度是地震观测中最重要的参数之一, 需要通过卫星授时信号来保障。 当卫星信号被屏蔽或仪器守时部件出现问题时, 地震计内部时钟会逐渐漂移, 给后续数据处理带来极大困扰。 利用地震背景噪声台站对互相关提取的经验格林函数, 不仅可以用于结构成像, 也可以用于检测波形时钟是否存在漂移, 并获得时钟漂移幅度。 使用地震背景噪声互相关方法对2017—2019年云南永胜地区4个流动观测台站的连续波形进行了时钟漂移检测, 结果发现部分流动台站在不同时间段存在不同模式的时钟漂移, 最大幅度可达到1.75 s。 同时, 利用云南宾川气枪重复震源激发的信号进行互相关计算, 对上述结果进行了验证, 发现两种结果具有较好的一致性。 研究表明, 背景噪声互相关对波形的时钟漂移有较高的灵敏度, 能够有效检测出时钟问题, 防止波形被误用, 可为后续波形时钟校正提供参考信息。     

地震台站噪声水平定量评估及其在气枪源探测中的应用

对福建气枪源探测实验中所接入315个实时传输台站分1~10 Hz、0.1~1 Hz、10~60 s 3个频段进行台网噪声水平评估研究。统计240个小时的背景噪声记录,得到各台站的噪声水平MODE线,再利用本文提出的全球新高低噪声模型线与MODE线所占面积比来量化台网噪声水平,根据不同色标将台网噪声水平划分为十个等级进行评估,评选出优质台站。进一步研究背景噪声对气枪激发效果的影响,验证了台站接收能力与背景噪声密切相关,分析了不同台基（固定、加密、流动、海底）环境噪声水平的影响,得出环境噪声水平由低到高分别为固定台、加密台、流动台、海底台。通过台网噪声评估能有效提高气枪震源信号的检测能力,也为优质台站重点维护提供重要参考。     

云南地区地脉动噪声特征分析研究

对地震台站记录到的长时间背景噪声进行互相关可以得到台站间的格林函数, 进而可以对地下介质波速结构和波速变化进行研究。 对背景噪声来源方向和时空演化规律的分析, 是提高结果可靠性的重要基础。 本文利用分布在云南境内的43个宽频带固定台站2008—2010年的垂直分量记录, 计算了两两台站之间的互相关函数, 并用平均能量流的方法研究了云南地区5~10 s以及10~20 s两个频段内地脉动噪声能量的空间分布和时间演化。 研究结果表明, 云南地区5~10 s的地脉动噪声能量优势方向存在明显的季节性变化, 夏季优势能量方位角为180°~210°, 冬季则为70°~100°。 而10~20 s的地脉动噪声优势方向方位角较为稳定, 为180°~210°。 在这两个频段内噪声能量的强度都表现出了较强的季节性变化。 同时发现在5~10 s频段瑞利面波之前存在视速度接近30 km/s的前驱信号, 并对其可能来源进行了分析。     

被动源海底地震仪数据预处理技术构建与应用

被动源海底地震仪(OBS)探测是海洋深部结构研究的重要方法之一.受投放区洋流、海底地形崎岖,以及海底温压环境等多种因素影响,OBS数据预处理面临时钟漂移,姿态及水平方位角偏差等问题.本文基于国产OBS硬件结构特点与其观测数据特性,针对仪器姿态校正、时间校正和水平方位角校正三个关键环节构建技术解决方案.通过硬件架构特征构建仪器姿态校正方案;结合仪器记录的石英晶振特点和背景噪声互相关方法提出时间校正技术;基于最小化P波切向分量能量和P波主成分分析两个技术方法进行水平方位角校正.上述预处理技术体系在苏拉威西海域被动源OBS数据预处理中取得了良好的应用效果,综合背景噪声水平与地震信号的时频分析结果,表明该预处理技术能有效提高被动源OBS观测数据质量,为进一步的科学研究奠定坚实基础.     

利用同址比测法估计在线地震仪灵敏度

地震仪灵敏度参数的精度直接决定了地动量记录恢复的准确度.在中国国家地震台网的四个台站布设了多套参考地震仪,分别用地震事件和地脉动噪声作为信号源,用相关分析方法计算了在线地震仪相对于参考地震仪的灵敏度.结果表明:地震事件和地脉动噪声在垂直、南北、东西三个分量均可稳定获取在线地震仪灵敏度的可靠估计,并且两种方法表现出良好的一致性.对于无法中断观测的在线地震仪而言,本文提出的利用地脉动噪声相关分析估计仪器灵敏度是一个有效方法.在测试的四个台站中,蒙城台和九江台两个台站部分分量灵敏度误差超过3%,其中蒙城台的垂直向和南北向误差将近 10%.分析结果表明,对中国国家地震台网地震仪的灵敏度进行普查非常有必要,这项工作对提高我国地震台站的观测数据质量具有重要意义.     

基于FRFT的GOBS高精度水声时钟同步方法研究

组合式海底地震采集站GOBS(Group Ocean Bottom Seismometer)为一种自容式海底地震采集站组网设备,为实现长期留海作业,其采集站的电路时钟源通常采用低功耗石英晶振.现有设备水下无法进行精确对钟,长时间留海作业将产生时钟时间漂移累积而导致多道GOBS数据难以处理.针对这一问题,本文提出了一种水声时钟同步方法,其基本原理是利用分数阶傅里叶变换对线性调频信号的能量聚集性精确估计信号到达时刻,通过水声时标与GOBS间多次的周期性单向消息传递得到GOBS本地时间与水声时标标准时间的映射关系,实现GOBS的时钟同步.本方法考虑到水下资源受限的现实条件,在控制同步消息开销和计算开销的前提下,采取水声时标向GOBS的单向消息广播模式,减少GOBS功耗,延长了GOBS的可持续工作时间.同时实现了时钟同步的目标,将所有GOBS的本地时间同步到一个全局时间上去,避免了节点时钟漂移的累积,提高了时钟精度.通过数值仿真和水池测试验证表明,本方法具有计算复杂度低、时钟同步精度高、能耗小的特点,具有较好的实用价值.     

云南地区背景噪声特征分析

利用云南宽频带数字地震台网46个地震台连续记录的2008～2009年垂直向背景噪声,通过对台站对的背景噪声做互相关计算得到了台站间噪声互相关函数.基于互相关函数正负两个方向特性,分析云南地区5 ～10s、10～20 s、20～40 s共3个频段内高信噪比台站对的方位分布和季节变化特性,发现各个频段的优势方向均有差别,总...     

软土层地区地震仪安装效果比对研究

随着ChinArray等大型地震观测项目逐渐推进,一些台站不得不安装在软土层等较高背景噪声区域,研究这些区域中不同类型地震仪在不同安装方法之间的背景噪声水平差异,对于提高观测数据质量、选取观测仪器类型、研制地震仪器等问题具有重要意义.本文在北京通州西集地震台,通过一系列比测实验研究了宽频带地震仪在不同安装深度、安装方式以及保温隔离防护方式下的安装效果差异,结果表明：在0.05～1 Hz的海浪脉动噪声频段附近,所有参与比测地震仪的三个分量背景噪声水平均高度一致,符合远场海浪脉动信号的特点;在低于0.05 Hz的低频段范围,背景噪声主要和地震计附近的温度变化及气流扰动环境相关,增加安装深度和采取保温隔离防护措施效果类似,其中垂直向对保温隔离防护措施更为敏感,比如1～2 m深度安装的地震计在妥善进行保温隔离措施后可获得和283 m井下地震计类似噪声水平,水平向由于存在地倾斜噪声,当大幅度增加安装深度时仍可有效降低噪声水平;在高于1 Hz的高频段范围,背景噪声衰减和地下介质岩性相关,软土层地区地下10 m以内随安装深度增加背景噪声水平衰减非常有限.另外,我们还研究了宽频带、短周期、节点式等不同...     

广东省"十五"项目测震台站台址勘选结果分析

利用地震台址勘选过程中产出的地脉动背景噪声数字记录,计算勘选出的各台站背景噪声地脉动速度均方根值(RMS)、噪声功率谱密度等数据.成果在于得出各地震台站的背景噪声水平和等级分类,为将来计算各地震台站的场地响应及震级修正值等测震学研究提供基础资料,是对"广东省数字地震观测网络"项目测震台站勘选工作的总结与评价.     

辽宁新建台站勘选过程概述及结果分析

利用地震台址勘选中得到的观测数据,计算勘选台站的地脉动背景噪声RMS值,噪声功率谱密度等数据,通过结果分析得到了各个台站的环境噪声水平和台基等级分类情况,为正式建设台站提供数据支持。     

天津测震台网子台地脉动分析与应用

利用地脉动信号波形数据,计算了天津台网31个地震台站背景噪声水平、地动噪声功率谱,进一步研究了台站观测环境随时间和季节的变化情况,并对整个台网的监测能力进行了重新估算,同时也对天津周边的一些大震前的地脉动进行了分析,希望能捕捉到明显的震前异常变化。     

2016年台风“尼伯特”激发微地动的频率特征分析

台风可以改变海面波浪状态并激发出微地动信号，该信号可以传播至陆地并被宽频带地震仪记录到。本研究以201601号台风"尼伯特"为例，利用短时傅里叶变换，分析了7月3日12时至7月9日0时台风期间中国台湾和日本114个宽频带地震仪垂向分量信号功率谱特征。分析结果发现，在7月5日至7月7日之间，当台风距离台站1500~2000km时，中国台湾、琉球群岛及屋久岛的33个地震台站的地振动信号功率谱密度值显著增强，7月5日前后，在0.4Hz频率左右出现功率谱密度值增强的现象，之后由高频转至低频，7月7日左右功率谱密度值增强频率变化至约0.2Hz。利用全球地震背景噪声能量辐射模型模拟KGM台站所在位置（128.22°E，26.76°N）的双频微地动功率谱，结果表明7月5日至7日0.2~0.4Hz功率谱密度值增强，频率由约0.4Hz变化至0.2Hz的现象为海岸线反射效应所致。     

西北太平洋海岛地区地震背景噪声特征及海洋学解释

地震背景噪声特性及噪声源的分布研究逐渐成为深化背景噪声层析成像的关键问题.海岛地区由于特殊的地理位置,其背景噪声具有相对独特的特征.地脉动（约0.003~1 Hz）是地震背景噪声中能量最强的分量,其激发与特性被认为与海浪运动和固体地球之间的相互作用有关,但海岛地区地脉动特征与海洋波浪场之间的关系尚未被充分研究.本文利用西北太平洋海岛地震台站的连续记录数据、波浪浮标的实测数据以及WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式的数值模拟结果,通过地震学和海洋学的交叉,分析海岛地区地脉动信号的时频特性及其与海洋波浪场之间的相关性,从海洋学角度对地脉动信号的特征及激发进行探讨与解释.结果表明,海岛地区地脉动信号相对于内陆地区更强,并具有明显且稳定的季节性变化特征：高频地脉动信号（0.12~0.32 Hz）在夏秋季节（5月-10月）相对较弱,而在冬春季节（11月-次年4月）相对较强,与北半球海洋活动季节性变化相一致.此外,海岛地区地脉动主要受周边海域波浪场影响,与周边海域波浪能功率密度及实测和数值模拟所得的有效波高均具有很好的互相关性.该研究结果同时表明可进一步发展利用地脉动观测数据反演海表波浪场的可能,为海洋科学研究中海表波浪场连续观测数据的获取提供地震学上的支持.     

安徽省国家强震动台站场地响应及背景噪声分析

利用安徽省部分强震动台站记录的地脉动数据和历史地震数据,采用H/V谱比法和噪声功率谱密度函数法,对比分析台站的场地响应及背景噪声,结果表明：全椒、马鞍山地震台的场地卓越周期小且背景噪声低;沈巷地震台卓越周期大且背景噪声高;三山地震台无明显卓越周期;地震台站背景噪声与场地响应曲线之间不存在一一对应关系。     

安徽省国家强震动台站场地响应及背景噪声分析

利用安徽省部分强震动台站记录的地脉动数据和历史地震数据,采用H/V谱比法和噪声功率谱密度函数法,对比分析台站的场地响应及背景噪声,结果表明:全椒、马鞍山地震台的场地卓越周期小且背景噪声低;沈巷地震台卓越周期大且背景噪声高;三山地震台无明显卓越周期;地震台站背景噪声与场地响应曲线之间不存在一一对应关系。     

青藏高原东北缘背景噪声特征分析

采用2009年青藏高原东北缘55个数字化宽频带地震台站的垂直分量波形数据,计算了台站间噪声互相关函数,得到了Rayleigh经验格林函数。利用信噪比和归一化平均能量流的方法分析了青藏高原东北缘背景噪声源的方位分布和季节性变化特征。结果表明,5~10 s周期噪声源方位分布上较为稳定,不随季节变化,噪声源能量集中在105°~165°方向上,噪声源主要来自于太平洋。10~20 s周期噪声源季节性变化特征明显,夏季的噪声能量主要集中在165°~210°方向上,噪声源来自于印度洋海洋活动;冬季主要集中在300°~350°和165°~210°方向上,噪声能量主要来源于太平洋和北大西洋。     

山东数字地震台网子台背景噪声位移值的分布特征

利用山东数字地震台网的实时记录波形资料,采用在频率域积分方法,计算出各台站背景噪声的位移值。然后进行统计分析,得出了山东地区背景噪声位移值的空间分布和时间变化特征：台站背景噪声幅值与不同地区地质环境、岩性密切相关,位于第四系黄土覆盖层较厚的鲁西聊城、菏泽地区,鲁西北德州地区和鲁北东营、滨州地区各子台的背景噪声位移值较大,鲁中、鲁南山区和胶东半岛地区的基岩台站背景噪声位移值较小;同时,白天噪声值大于夜间噪声值,但深井观测台站的背景噪声值相对稳定。此项研究为绘制台网监测能力图提供基础数据,并为计算各台站的场地响应及震级修正值等测震学研究提供基础资料,促进台网的改建和发展。     

中国中东部地震台站噪声互相关函数中面波前驱信号的分析研究

利用中国中东部地震台网中430个宽频带台站2008和2009两年的垂直分量记录,我们计算了台站对之间的噪声互相关函数(Noise Cross-correlation Function,NCF).在相当多的NCF中,沿大圆路径传播的瑞利面波信号之前存在一个较强的前驱信号,该信号持续时间约50 s,频率范围为0.07~0.12 Hz.此信号在同一台站对的NCF中稳定存在、到时相同,而在不同台站对的NCF中到时不一致,这表明该信号可能源于一个固定的较小区域内持续存在的噪声源.基于格点搜索方法的定位结果显示该噪声源位于日本九州岛附近,其激发出的信号传播速度约2.7 km/s.假定该信号由一点产生,我们计算了合成地震图,合成地震图与观测到的前驱信号基本一致,验证了定位结果的可靠性.此噪声源会对特定路径上的面波信号产生干扰,在相关研究中需要采取一定措施避免.该噪声源的物理机制有待于进一步的研究.