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.     

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。     

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.     

基于密集台阵地震背景噪声成像预测煤矿瓦斯分布

瓦斯突出是一种常见的煤矿动力灾害现象,随着煤矿矿井开采深度的增加,煤层瓦斯含量、压力都呈上升趋势,发生煤与瓦斯突出的危险性加大.传统的瓦斯测量方法只能测量局部离散点瓦斯含量,难以从矿井及采区尺度对瓦斯含量进行预测.因此需要寻求一种能够在采区及工作面布设前预测煤层瓦斯富集程度的高效地球物理方法.背景噪声成像方法已经在城市地下空间、矿产资源等近地表成像中得到广泛的运用.本文将该方法首次应用到阳泉寺家庄煤矿井田区域,采用96个台站记录的连续背景噪声数据,通过互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了5 Hz~1.4 s的基阶瑞利面波的群速度和相速度频散曲线.本研究首先通过区域的平均频散曲线获得该区域的平均一维横波速度结构作为三维反演的初始模型;其次,利用基于射线追踪的面波频散直接成像方法获得研究区1.0 km以浅的三维横波速度结构;最后,结合获得的三维速度结构,以及岩石物理实验获得的瓦斯含量与地震波速度的经验关系,预测了寺家庄井田15号煤的瓦斯含量,预测的瓦斯含量与实际巷道揭露的瓦斯含量具有较好的一致性.本研究成果表明,对于煤矿瓦斯分布预测来说,背景噪声成像方法是一种潜在有效的全新的技术形式.

     

华北地区基于噪声的瑞利面波群速度层析成像

本文利用华北地震科学台阵2007年1~4月份、190个宽频带和10个甚宽带垂直分量的地震噪声数据,通过互相关方法提取了瑞利面波的经验格林函数,用多重滤波方法测量了瑞利面波的群速度频散曲线.我们将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,利用噪声层析成像方法得到了研究区域7 s、12 s、16 s、23 s的瑞利面波群速度分布图像,所得结果较好地揭示了地壳内部、尤其是浅部地壳的横向速度变化.研究表明,短周期的群速度分布同地表地质结构、地形密切相关;华北地区的地壳结构具有明显的横向不均匀性,华北盆地及山间的沉积盆地显示出低速异常,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区,呈现高速异常;多数强震(M≥6.0级)都发生在高群速度与低群速度的过渡地带.     

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.     

青藏东南缘背景噪声的瑞利波相速度层析成像及强震活动

为研究青藏东南缘的速度结构及其与地震的关系,本研究使用云南区域地震台网的55个宽频带地震台站连续地震背景噪声数据,采用双台站互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,根据面波层析成像反演得到云南地区周期5~34 s范围内相速度分布图像.反演结果揭示研究区地壳及上地幔速度结构存在明显横向不均匀性.短周期(5~12 s)相速度异常与研究区内沉积层厚度、结晶基底埋深等区域地质构造有密切的关系;16~26 s周期内由红河断裂、小江断裂和剑川断裂围成的"川滇菱形块体"内呈现大范围的低速异常,至30~34 s时"川滇菱形块体"下方又变为高速异常,纵观整个范围川滇菱形块体内相速度的变化情况,暗示中下地壳处的低速异常区很可能就是青藏高原下地壳流的通道.1970年以来的地震活动显示,云南区域强震活动空间分布不均匀,具有比较显著的块体活动特点,但大多数集中在上地壳,除滇中块体外,地震主要发生在高低速分界面和低速异常区,震级一般不超过7级.在深度15~30 km范围内,5级以上强震的数量很少,但7级以上地震却集中在这个深度范围,主要发生在高低速分界面并更深入到相对高速的异常体内.     

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.     

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．     

南海地区地震背景噪声成像与壳幔深部结构

利用南海地区28个陆地地震台站和2个布设于太平岛和东沙岛的新增海岛地震台站2011—2016年间的连续地震背景噪声波形数据,使用互相关方法计算得到了台站间的互相关函数,并提取出Rayleigh面波群速度和相速度频散曲线.采用快速行进和子空间方法反演获得了南海及周边地区12~40 s周期的Rayleigh面波群速度和相速度图像,并联合反演得到了研究区深至60 km的三维S波速度结构.考虑到南海数千米厚海水层对于面波频散反演的严重影响,本文在反演模型中加入了水层,显著提高了反演结果的可靠性.成像结果表明：南海及周边地区地壳上地幔顶部S波速度结构存在显著的横向不均匀性,并与这一区域的主要构造单元具有较好的空间对应关系.在5~10 km深度,莺歌海—宋红盆地区的低速异常特征可能与盆地较厚的沉积层有关.在5~15 km深度,海域高速异常区与海盆空间位置具有高度一致性,推测与海盆区地壳厚度相对陆缘区明显偏薄有关.当深度从20 km增加至30 km,海盆区的高速特征扩展至了陆缘地区,反映了地壳厚度从海盆至陆缘逐渐增厚的趋势,与OBS（海底地震仪）深地震剖面给出的地壳精细结构结果一致.至35~60 km深度,海盆的高速异常特征依然明显,且速度值随深度增加整体呈现上升的趋势,推测南海海盆区的岩石圈厚度应该大于60 km.

     

利用接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比联合反演青藏高原东北缘及周边地区地壳结构

本文对在青藏高原东北缘及邻近地区架设的571套宽频带流动地震台站记录到的连续波形数据进行处理,通过联合反演P波接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比,获得了研究区高分辨率三维地壳S波速度（V_S）结构.研究结果显示,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带以及北祁连造山带下方15~40 km的深度范围内存在很显著的S波低速异常体.其中,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带下方的低速异常体很可能与部分熔融有关,且造成部分熔融的原因除了剪切加热外,还有可能是软流圈物质上涌和地壳内部的放射生热.而北祁连造山带的低速异常体则可能由地表隆升和地壳增厚所造成.阿拉善块体内部分布有很多不太显著的低速异常体,这可能与阿拉善块体经历了复杂的构造变形有关.在银川—河套地堑下方20~35 km的深度范围内同样观测到了相对不太显著的低速异常体,这更可能与基性岩浆的底侵作用有关.

     

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。     

利用背景噪声研究紫坪铺水库水位加卸载对库区地下介质波速的影响

基于2005年1月1日~2008年1月1日紫坪铺台网及YZP台连续波形资料,利用噪声互相关技术研究了紫坪铺水库区域在蓄水、泄水过程中库区介质的变化特征,同时对可能的渗透过程进行了讨论。使用移动窗口互谱方法计算了库区台站对之间的相对波速变化。结果表明,在紫坪铺水库的3次大规模蓄水及2次泄水过程中,地下介质相对波速变化与水位变化之间存在较为明显的相关性,且在时间上有一定延迟,其可能与水的渗透有关。分析认为蓄水对浅层介质产生的作用最快,影响最大,波速的变化是蓄水产生的压力及渗透共同作用的结果。在第1次蓄水时,压力起主要作用,后2次蓄水时,渗透起主要作用,且渗透作用已影响至深达8km左右的断层。     

Phase and Correlation in `Random' Seismic Fields and the Reconstruction of the Green Function

We first present a summary of recent results on coda interpretation. We emphasize the observation of the stabilization of P to S energy ratio indicating the modal equipartition of the wavefield. This property clearly shows that the coda waves are in the regime of multiple scattering. Numerical solutions of the elastic radiative transfer equation are used to illustrate the evolution of the wave-field towards P-to-S energy stabilization, and asymptotically to complete isotropy. The energy properties of the coda have been widely studied but the phase properties have often been neglected. The recently observed coherent backscattering enhancement, an expression of the so-called `weak localization', demonstrates that interference effects still persist for multiple diffracted waves. Another manifestation of the persistence of the phase is the possibility to reconstruct the Green function between two stations by averaging the cross correlation of coda waves produced by distant earthquakes and recorded at those two stations. This reconstruction is directly related to the properties of reciprocity and time reversal of any wavefield. Using broadband seismic coda waves, we show that the dominant phases of the Green function in the band 2 s–10 s, namely fundamental mode Rayleigh and Love waves, are reconstructed. We analyze the time symmetry of the cross correlation and show how the level of symmetry evolves with the isotropization of the diffuse field with lapse time. Similarly we investigate the correlation in continuous ambient noise records. Whereas the randomness of the coda results from multiple scattering by randomly distributed scatterers, we assume that the seismic noise is random mostly because of the distribution of sources at the surface of the Earth. Surface waves can be extracted from long time series. The dispersion curves of Rayleigh waves are deduced from the correlations. On paths where measurements from earthquake data are also available, we show that they are in good agreement with those deduced from noise correlation. The measurement of velocities from correlation of noise along paths crossing different crustal structures opens the way for a `passive imaging' of the Earth's structure.     

Crustal structure beneath Liaoning province and the Bohai Sea and its adjacent region in China based on ambient noise tomography

The velocity structure of the crust beneath Liaoning province and the Bohai sea in China was imaged using ambient seismic noise recorded by 73 regional broadband stations. All available three-component time series from the 12-month span between January and December 2013 were cross-correlated to yield empirical Green's functions for Rayleigh and Love waves. Phasevelocity dispersion curves for the Rayleigh waves and the Love waves were measured by applying the frequencytime analysis method. Dispersion measurements of the Rayleigh wave and the Love wave were then utilized to construct 2D phase-velocity maps for the Rayleigh wave at8–35 s periods and the Love wave at 9–32 s periods,respectively. Both Rayleigh and Love phase-velocity maps show significant lateral variations that are correlated well with known geological features and tectonics units in the study region. Next, phase dispersion curves of the Rayleigh wave and the Love wave extracted from each cell of the 2D Rayleigh wave and Love wave phase-velocity maps,respectively, were inverted simultaneously to determine the3 D shear wave velocity structures. The horizontal shear wave velocity images clearly and intuitively exhibit that the earthquake swarms in the Haicheng region and theTangshan region are mainly clustered in the transition zone between the low-and high-velocity zones in the upper crust, coinciding with fault zones, and their distribution is very closely associated with these faults. The vertical shear wave velocity image reveals that the lower crust downward to the uppermost mantle is featured by distinctly high velocities, with even a high-velocity thinner layer existing at the bottom of the lower crust near Moho in central and northern the Bohai sea along the Tanlu fault, and these phenomena could be caused by the intrusion of mantle material, indicating the Tanlu fault could be just as the uprising channel of deep materials.     

利用背景噪声和接收函数研究华北克拉通地壳结构

收集华北克拉通地区188个宽频带流动台站观测资料进行处理.通过背景噪声面波数据和接收函数双重资料约束联合反演,得到了研究区沉积层厚度、地壳厚度及地壳S波速度结构.结果显示：(1)沉积盖层厚度与地质构造相对应,盆地区与隆起区分界明显.(2)研究区地壳厚度变化范围约29~46 km,自西向东逐渐变薄.(3)中、上地壳华北盆地S波速度偏高,可能与新生代以来多次沉降所造成的相对高的岩石强度有关;(4)下地壳S波速度显示研究区主要存在三个低速区,分别是唐山—天津周边、张北及太行山造山带地区;华北盆地存在显著高速异常,推测可能是由于华北盆地经历下地壳拆沉后,大规模的伸展作用相伴随的幔源基性铁镁质岩浆底侵至下地壳结晶所造成的.(5)多个发生过强震的区域表现出沉积层下方存在较大范围的(约10 km)高速体,并且高速体又被其下低S波速度包裹,壳内岩石强度的差异为应力积累及地震发生提供条件.

     

结合波形互相关技术的双差算法在地震定位中的应用探讨

本文致力于探讨在数字化地震监测大规模发展后,如何更好地将大量丰富的数字化波形信息应用到地震定位领域,从而更大程度地提高地震定位精度问题。笔者认为"结合波形互相关技术的双差定位算法"是一种比较有发展前景的方法,因此分别从基本理论、发展历程、台网实用化过程以及推广使用中可能存在的问题等角度进行分析,探讨该技术在地震定位领域中的发展方向及推广使用的可能性。     

基于GNSS数据的三种应变计算方法在青藏高原东南缘地区的应用

利用GNSS速度场求解应变率的方法存在多元化特征,可以区分为数学方法和物理方法。本文选取求解应变率的三种数学方法：最小二乘配置法、多尺度球面小波法、 Gussian加权内插法,对1999—2019年青藏高原东南缘(97°E～106°E, 21°N～30°N)GNSS速度场以及均匀GNSS速度场进行解算,探讨以上三种方法在该区域的适用性特征。通过分析由两组不同数据分布密度获得的主应变率(最大/最小)、最大剪切应变率、面应变率结果,发现利用多尺度球面小波法获得的应变参数在青藏高原东南缘区域有更高的空间分辨率表现。在数据分布密度高时可以详细反映小区域内空间变形特征,有助于详细确定断裂变形特征。本研究结果仅代表在青藏高原东南缘研究区域结果,对于其他区域计算方法的选取仍需考虑其构造变形背景、测点分布密度等条件。     

Experiments on Exploration of Shallow Fine Structures and the Construction of the 1-D Velocity Model in the Pingtan Island, Fujian

112 short-period seismographs were set up in the 400km² area of Pingtan Island and its surrounding areas in Fujian. The combined observations of the airgun source and ambient noise source were carried out using a dense array to receive the 387 airgun signals excited around the island and one month of continuous ambient noise recording. The 1-D P-wave and S-wave shallow velocity model of Pingtan Island is obtained by the inversion of the airgun body wave''s first arrival time data, and the reliability of the velocity model is verified by using the surface wave phase velocity dispersion curve, which can provide initial model for subsequent 3-D imaging. The experimental results show that this experiment is a successful demonstration of local scale green non-destructive detection, which can provide basic data for shallow surface structure research and strong vibration simulation of the Pingtan Island.