东北地区背景噪声的Rayleigh和Love波相速度层析成像

本文利用中国数字地震台网位于东北地区的122个宽频地震台站的18个月记录的三分量连续地震噪声数据,采用互相关方法提取了Rayleigh和Love波经验格林函数,并利用时频自动分析技术获取了相应的相速度频散曲线.通过反演频散曲线,获得了Rayleigh和Love波周期为8~35 s的二维相速度分布.结果表明,东北地区相速度的分布存在横向和垂向的不均匀性.短周期的相速度分布同地表地质构造密切相关,松辽盆地及山间沉积盆地呈现低速异常,而大兴安岭、小兴安岭及东部的一些山岭显示高速异常.随着周期的增加,位于中间的松辽盆地变为高低速相间,两侧的造山带呈现低速异常.这种异常的转变,可能是受构造活动或者莫霍面深度的影响.另外,在周期为20~35 s 频段内,Rayleigh和Love波同一周期的相速度在松辽盆地和位于吉林地区的郯庐断裂带表现不一致,表明可能存在径向各向异性.     

利用背景噪声进行地震成像的新方法

利用背景地震噪声提取格林函数，即通过一对台站记录的地震噪声进行互相关计算，来近似台站间的格林函数，并进一步通过地震成像获取地下结构的认识，成为最近跨学科研究的热点问题之一.本文首先叙述了其发展背景及过程，然后分别从四个角度，简要介绍了目前对其物理原理的解释.如果该方法能得到进一步的发展，将不再依赖于天然地震以及人工地震，而仅仅利用地震台站记录的地震噪声便可获取高分辨率的地下成像.该方法将会大大促进地震学的发展.     

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。     

青藏高原东北缘及邻区Rayleigh和Love波背景噪声层析成像

基于青藏高原东北缘及邻区流动密集地震台阵——喜马拉雅二期2013年12月至2015年8月期间的三分量连续波形数据,采用背景噪声成像方法获得了Rayleigh波周期为6~30 s和Love波6~25 s的二维相速度.6~12 s Rayleigh和Love波相速度在鄂尔多斯盆地及银川—河套地堑呈现明显的低速异常,而在西秦岭造山带和中亚造山带则显示高速异常.16~25 s的相速度同时受中下地壳及上地幔顶部速度结构和地壳厚度影响.此周期范围内,位于青藏高原的祁连地块和松潘甘孜地块北部呈现大范围相速度低速异常,青藏高原周边的鄂尔多斯和西秦岭造山带表现为高速异常.青藏高原与周边块体相速度的横向不均匀性,可能反映了构造活动或者地壳厚度的差异.此外,中亚造山带在周期16~20 s时,Rayleigh波相速度高低相间,但Love波大范围高速异常,两者差异可能反映了径向各向异性的影响.

     

用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

本文利用东北地区的黑龙江、 吉林、 辽宁和内蒙古等四省区区域数字地震台网122个宽频带地震台站记录的波形数据, 分别通过背景噪声互相关及地震面波提取8~25 s和25~70 s的瑞利面波频散曲线, 进而反演得到东北地区从浅到深直至约100 km的岩石圈速度结构。 结果表明, 周期为8 s至15 s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系, 盆岭边界的大型断裂对上地壳速度结构的控制作用明显, 松辽盆地呈现较厚的低速沉积盆地特征; 周期为20 s至30 s的群速度与短周期时相比出现明显变化, 反映了以大兴安岭—太行山重力梯度带为界, 西部地区莫霍面深度大于东部地区; 周期为50 s至70 s的长周期群速度图表现为随着周期的增加, 东部低速区域西移而西部显示稳定高速, 可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响, 大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。     

海南琼北火山区上地壳岩浆囊的地震背景噪声成像研究

本文利用位于海南、广西、广东等地区32个固定地震台站的背景噪声连续波形数据,基于波形互相关提取得到了Rayleigh波5～22 s的群速度频散曲线和6～11 s的相速度频散曲线,采用0.25°×0.25°的网格划分完成了面波层析成像．利用群速度和相速度频散曲线联合反演获得了海南岛及周边区域至25 km深度的三维S波速度结构．基于反演获得的三维S波速度结构模型,正演计算得到了不同周期的Rayleigh波群速度、相速度异常分布,并与面波层析成像的结果进行对比．结果表明：不同周期面波成像结果比较一致,大部分地区的差值小于0.04 km/s(约1%),表明本文反演得到的三维S波速度结构模型可以解释观测数据．本文研究发现：海南琼北地区地表至15 km深度存在显著的低速异常;5 km以上深度的低速异常可能是火山喷发后的裂隙内流体填充造成的;至于5～15 km深度,存在更加显著的低速异常,低值异常幅度低于-10%甚至更低,推测可能存在部分熔融的上地壳岩浆囊．基于S波速度低值异常与岩浆囊熔融百分比定量关系的研究结果,使用6～16 km深度的S波低速异常模型,本文计算得到的最大熔融百分比约为25%,岩浆...     

利用地震背景噪声成像技术反演三峡库区及邻近地区地壳剪切波速度结构

本文利用三峡库区重庆遥测台网及邻近地区台网2012年1月至12月期间的连续波形记录,通过噪声互相关,提取了这些台站间的经验格林函数.并通过获取的经验格林函数瑞利面波频散信息,反演出该区域5~40 s瑞利面波相速度分布.周期5 s及10 s的相速度分布结果显示：四川盆地具有较厚的沉积盖层,其中盆地中部沉积层相对偏浅.而周期20 s及35 s的相速度分布结果显示：中下地壳的扬子克拉通整体呈现较高的相速度分布,具有相对坚硬的中下地壳结构.这其中吉首—常德的武陵山区附近出现明显高速异常,可能与江南古陆古火山岛链（雪峰—九岭弧形古火山群）活动有关,火山活动导致大量的基性-超基性幔源物质侵入地壳,造成了武陵山重力异常,并一定程度上阻挡了云贵高原和湘鄂西部的物质向南逃逸;在地形上,此处恰好对应我国地形第二阶梯向第三阶梯的过渡带,并将华南地块分隔为东西两大部分.最后我们在瑞利面波相速度成像的基础上,反演出该区域三维剪切波速度分布,结果显示四川盆地周边的龙门山、米仓山、大巴山、七曜山和大娄山等地质构造与地壳剪切波速度结构具有明显对应关系.研究结果有助于深入研究该区的深部地质构造特征与地震发生机理.     

松辽盆地沉积层结构的短周期地震背景噪声成像研究

使用位于松辽盆地内部的NECESSArray台阵连续两年背景噪声数据,通过波形互相关和多重滤波方法提取到2~14 s较短周期的Rayleigh波群速度和相速度频散曲线,基于快速行进（FMM）面波成像方法得到群速度和相速度成像结果,并采用最小二乘迭代线性方法反演获得了松辽盆地深至12 km的三维S波速度结构.本文成像结果显示：松辽盆地内部S波速度分布的横向不均匀性与该区域的构造单元呈现出良好的空间对应关系.从地表至下方的6 km深度,盆地北部比南部表现出更加强烈的低速异常,这一特征可能与盆地南北的沉积构造差异有关.中央坳陷区低速异常的边界与嫩江断裂走向相互平行,表明盆地基底断裂对盆地形成演化具有一定的控制作用.在垂直速度结构剖面中,2.9 km·s^-1的S波速度等值线与地震反射剖面显示的盆地基底深度大致对应.基于S波速度模型和盆地基底速度（2.9 km·s^-1）,我们获得精细的松辽盆地沉积层厚度模型,结果表明松辽盆地的沉积层厚度分布呈现出中间厚、四周薄的特征,中央坳陷区的沉积层厚度范围大约在3~6 km.

     

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。     

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.

     

华北地区地震环境噪声特征研究

利用华北流动地震台阵观测的垂直分向连续波形数据, 通过计算功率谱密度和相应的概率密度函数, 对华北地区地震环境噪声特征进行了分析研究. 结果表明, 东部平原和沉积盆地2 Hz以上的高频环境噪声水平与全球新高噪声模型（NHNM）相近, 周期3——18 s的平均噪声水平低于NHNM和新低噪声模型（NLNM）的平均值; 山区及西部高原的高频噪声水平明显低于NHNM, 周期1——18 s的噪声水平大多明显低于NHNM和NLNM的平均值; 不同区域18 s以上周期的噪声水平差异相对较小. 流动地震台阵部分台站的环境噪声存在明显的昼夜变化, 个别台站噪声水平明显高于周边台站, 表明这些台站受人类活动干扰较大. 不同台站的噪声水平分析表明, 将台站布设在摆坑内, 能在一定程度上降低高频和低频段的噪声水平. 台站环境噪声特征的研究结果可为流动地震台阵观测数据质量的定量评估, 观测期间的台站优化调整等提供重要依据.      

蒙古中南部地区噪声层析成像

依托中蒙国际合作项目"远东地区地磁场、重力场及深部构造观测与模型研究", 我们首次获取了蒙古中南部地区密集的地震台阵观测资料.本研究收集了69套宽频带台站2011年8月至2013年7月间的垂直向连续记录, 利用噪声互相关方法计算了台站间的经验格林函数, 并采用基于连续小波变换的频时分析方法, 提取了1478条周期6~30s的瑞雷波的相速度频散曲线.利用 Ditmar & Yanovskaya 方法, 我们构建了研究区6~30s瑞雷波的高分辨率(0.5°× 0.5°)相速度分布图.结果表明, 蒙古中南部地区的地壳上地幔速度结构存在横向非均匀性, 但并不显著(相对变化~± 2%).短周期(如6s)的相速度分布与地表地质构造具有明显的相关性, 具体来说, 北部山盆显示为高速, 南部盆地、戈壁滩均显示为低速; 随着周期的增大(如15s, 20s), 地形的控制作用相对减弱.较长周期(30s)的相速度分布图上, 南部的高速区进一步扩大, 与南部地壳厚度较薄有关.蒙古主构造线南北两侧相速度分布有明显差异, 暗示它不仅是地表地形和构造的分界线, 而且还是地壳结构的分界线.从6~30s中戈壁一直显示为低速, 可能与该区新生代火山活动有关; 研究区北部杭爱山—肯特盆地一直显示为相对的高速, 与该区具有较老、稳定的地层有关.     

中国东北地区噪声层析成像

中国东北地区是中国唯一的深震孕育区,获取该区的壳幔结构,对于研究板块俯冲、深震以及火山活动等有重要的科学意义.本文利用该区159个固定台站2011年1月至2012年6月和27个流动台站2011年1月至2011年6月间的垂向波形连续记录,计算了台站间的预估格林函数,并采用基于连续小波变换的时频分析方法,测量了双台路径上瑞雷波的群速度和相速度频散曲线.通过质量控制和筛选,最终得到了2204条路径上周期5~40 s的群/相速度频散曲线.检测板测试表明,反演结果可以达到2°×2°的分辨.利用Ditmar & Yanovskaya反演方法,我们得到了研究区（105°E—135°E,39°N—52°N）周期8~30 s的瑞雷波的群速度和相速度分布图.不同周期的群/相速度分布图,反映了不同深度S波速度的横向变化情况.研究结果显示：中国东北地区的地壳上地幔S波速度结构存在横向非均匀性.短周期（如8 s）的群/相速度分布与地表地质构造具有明显的相关性,具体来说,山区显示为高速,沉积盆地显示为低速;随着周期的增大（如15 s,22 s）,地形的控制作用相对减弱;较长周期（如30 s）的群/相速度分布与地壳厚度密切相关.     

台湾地区的随机噪音瑞利波层析成像研究

本文使用的数据来源于2004、2005和2008年台湾CWBSN(Central Weather Bureau Seismic Network)的18个宽频带台站记录的数据,2008年中国国家地震台网的2个宽频带台站数据和日本MASN(MeteorologicalAgency Seismic Network)的1个宽频带台站数据.通过互相关方法提取瑞利波的经验格林函数,利用相匹配滤波的时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线.利用面波层析成像方法给出台湾地区8s、12s、16s、20s的瑞利波相速度分布图,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,短周期的相速度分布同地表地质结构、地形密切相关,滨海平原、屏东盆地以及宜兰平原为低速区,西部丘陵、中央山脉以及海岸山脉地区为高速区;不同周期的相速度分布图显示,整体上低速区随相速度周期的增大逐渐向东移,这与台湾地区地壳内部速度的分布特征和构造特征基本一致.此外,屏东地区一直处于低速区,这可能与该地区布格重力负值异常有关.     

华北克拉通中部地区背景噪声成像

利用华北地区的流动与固定地震观测台阵在2007年1月~12月期间的垂直分量记录,采用背景噪声层析成像方法获得了华北克拉通中部地区6~40 s的相速度和群速度分布图像.成像结果显示研究区地壳以及上地幔的速度结构存在很大的横向不均匀性.8~16 s的相速度以及8~20 s的群速度分布图像清晰地勾绘出华北地区盆地和隆起之间的边界.华北盆地以及山西断陷带呈明显的低速异常,表明相应区域存在较厚的沉积层并且在中、上地壳内存在低速带;而太行山隆起以及鄂尔多斯高原则呈现高速异常.相速度16~25 s以及群速度20~30 s的图像显示华北盆地由低速异常变为高速异常,表明华北盆地的地壳较薄.长周期(30~35 s)相速度图像表明华北盆地的上地幔顶部存在低速异常.华北盆地较薄的地壳和低速异常(明显低于全球平均水平),可能与该地区岩石圈减薄,软流圈物质上涌有关.8~35 s的群速度和相速度图像都显示,大同火山区是一个低速异常区,可能是由目前仍在活动的岩浆的加热而引起地壳升温造成的.     

地震干涉技术被动源地震成像

被动源地震成像是基于地下反射波响应和透射波响应之间的关系,通过在地表接收由地下非人工震源发出的透射波响应,利用互相关运算来合成反射波响应的方法.合成的反射波响应,又称虚炮集记录等价于地表地震剖面记录.本文研究了由地下随机分布的被动源发出的透射波记录来合成虚炮集记录的基本原理,推导了反射波记录和透射波记录的关系公式;并通过数值模拟方法,分析了被动源成像的可行性.结果表明:利用被动源地震信息进行成像是可行的.     

Path-integral seismic imaging

A new type of seismic imaging, based on Feynman path integrals for waveform modelling, is capable of producing accurate subsurface images without any need for a reference velocity model. Instead of the usual optimization for traveltime curves with maximal signal semblance, a weighted summation over all representative curves avoids the need for velocity analysis, with its common difficulties of subjective and time‐consuming manual picking. The summation over all curves includes the stationary one that plays a preferential role in classical imaging schemes, but also multiple stationary curves when they exist. Moreover, the weighted summation over all curves also accounts for non‐uniqueness and uncertainty in the stacking/migration velocities. The path‐integral imaging can be applied to stacking to zero‐offset and to time and depth migration. In all these cases, a properly defined weighting function plays a vital role: to emphasize contributions from traveltime curves close to the optimal one and to suppress contributions from unrealistic curves. The path‐integral method is an authentic macromodel‐independent technique in the sense that there is strictly no parameter optimization or estimation involved. Development is still in its initial stage, and several conceptual and implementation issues are yet to be solved. However, application to synthetic and real data examples shows that it has the potential for becoming a fully automatic imaging technique.     

Ambient noise levels and detection threshold in Norway

Ambient seismic noise is caused by a number of sources in specific frequency bands. The quantification of ambient noise makes it possible to evaluate station and network performance. We evaluate noise levels in Norway from the 2013 data set of the Norwegian National Seismic Network as well as two temporary deployments. Apart from the station performance, we studied the geographical and temporal variations, and developed a local noise model for Norway. The microseism peaks related to the ocean are significant in Norway. We, therefore, investigated the relationship between oceanic weather conditions and noise levels. We find a correlation of low-frequency noise (0.125–0.25 Hz) with wave heights up to 900 km offshore. High (2–10 Hz) and intermediate (0.5–5 Hz) frequency noise correlates only up to 450 km offshore with wave heights. From a geographic perspective, stations in southern Norway show lower noise levels for low frequencies due to a larger distance to the dominant noise sources in the North Atlantic. Finally, we studied the influence of high-frequency noise levels on earthquake detectability and found that a noise level increase of 10 dB decreases the detectability by 0.5 magnitude units. This method provides a practical way to consider noise variations in detection maps.