广西北流地震震源区短周期密集台阵背景噪声成像

作为构造上较为稳定的华南地块,其地震活动相对中国西部明显偏低,但也发生过多次中强地震.华南中强地震震源区深部结构对于深入研究华南板内地震成因具有重要科学意义.2019年发生在两广交界的北流5.2级地震是近年来华南最大的一次中强地震,该次地震的发生也为我们研究华南地震震源区深部结构提供了理想场所.本文基于120个短周期地震仪组成的密集台阵背景噪声资料,通过互相关提取了1~5 s高频面波频散信号,然后采用面波直接反演法,对北流地震震源区进行地下6 km深度范围内浅层地壳速度结构成像.结果显示：浅层地壳剪切波速度横向变化强烈,速度分布不均匀;低速异常主要分布于三条断裂带周围;研究区存在NNW-SSE向的高速异常,该高速异常与震中区高速异常相交在水平方向上呈"L "形环绕分布于石窝断裂南东侧;震中上方为上凸形态的高速异常,这些高速异常可能为中生代花岗岩基,结合研究区现今NW-SE向的构造应力场分析：石窝断裂南西盘向南东方向运动时受到" L"形高速体阻挡,可能导致应力积累,进而引发地震.此外,这种局部异常高速体可能是华南"马赛克"结构中微陆块在上地壳中的延伸,上地壳结构的不均匀性和大尺度构造相互作用,会在局部区域导致应力积累,从而引发中强地震,这也可能是华南板内地震发生的一种重要成因机制.     

四川盐源盆地短周期密集台阵背景噪声分布特征分析

短周期密集台阵的高频背景噪声互相关函数（NCF）是探查地球浅层精细结构的重要数据.然而高频背景噪声成分复杂且容易分布不均,分析其对NCF信号提取的影响,有助于获取可靠成像结果.本文基于布设于川滇地区盐源盆地的209个短周期台站组成的盐源台阵,利用密集台阵的噪声水平评估以及基于NCF的相干噪声分析两种方法,分析了其记录到的噪声波场特征及其对NCF的影响.结果表明,盐源台阵的整体噪声水平呈现北低南高的不均匀分布,高频噪声水平的强弱受控于当地的人类活动,亦受到浅部松散沉积层的影响.台阵垂直分量NCF中主要信号为基阶Rayleigh波,且产生该信号的相干噪声源的优势方位在不同频带具有较大区别：0.3~0.5 Hz的噪声源强度较强且随时间变化较为稳定,主要能量来自台阵的南侧;0.5~1 Hz的相干噪声源强度较低,有两个优势方向,其中较强的一个来自于台阵南侧,可能与0.3~0.5 Hz的噪声同源,较弱的一个来自于台阵北偏东方向;1~1.5 Hz的背景噪声有四个较弱的优势方向,在台阵的不同区域有不同的优势方向,可能受到不同的局部噪声源的控制.垂向NCF中Rayleigh波的信噪比主要受控于波场的复杂程度,台阵南部受人文活动及沉积层影响,噪声水平较高,且由于盆山边缘复杂的反射、散射作用,其NCF波形复杂,信噪比偏低.受高频噪声源分布不均与及复杂地质结构的共同影响,盐源台阵的高频NCF中的信号复杂,后续对面波频散特征的提取应充分考虑噪声源对NCF的影响以获取可靠结果.

     

短周期密集台阵被动源地震探测技术研究进展

近十年来,短周期密集台阵被动源探测技术日益成长为国内外深部结构探测领域的一项重要手段.该技术相较于传统宽频带地震探测具有高分辨、省时省钱、绿色环保等优点.尽管低频信号不足,对岩石圈地幔以深结构探测能力有限,但密集的台站间距使得地壳精细结构成像成为可能;台阵下方不同方位射线形成密集的交叉覆盖,从而可通过反演和叠加偏移等手段获取稳定的壳幔结构图像.因此,短周期密集台阵探测技术已广泛应用于深部速度和界面结构成像,以及矿产资源勘查、火山活动监测、微震精定位、发震断层的几何学和运动学特征研究等多种不同领域.本文系统的总结了短周期密集台阵在地壳结构研究和微震定位检测等方面的研究进展.展望未来,以科学问题为导向,利用天然地震及背景噪声观测、重力测量、InSAR数据、GPS测量等多种地球物理数据,开展联合反演和成像,并提取研究对象的多属性特征正日益成为减少解的非唯一性、揭示地质体真实赋存状态的有效途径;该领域方法技术的迅速提升有望大大促进地震学及地球动力学研究,在深部结构成像、矿产资源勘查等领域具有广阔应用前景.     

背景噪声和密集台阵成像技术在哈尔乌素露天煤矿采空区的应用

未知煤矿采空区是煤矿安全生产的巨大隐患,探测煤矿采空区的位置和形态对于保障煤矿安全生产具有重要意义,因此煤矿采空区探测是煤矿安全生产的关键内容之一。目前采空区探测方法较多,但存在成本高、周期长、效率低等问题。近些年来随着密集台阵观测技术的快速发展,背景噪声成像分析在浅层结构探测方面也得到了广泛应用。本文采用基于节点地震仪密集台阵观测和背景噪声成像技术,在内蒙古哈尔乌素露天煤矿区附近布设的145个台站,台间距为16 m,开展为期10 d的连续观测,利用背景噪声成像技术对煤矿采空区进行成像分析。结果表明：(1)通过背景噪声、ESPAC等方法获得探测区的橫波速度结构,背景噪声探测方法可以较好地圈划出测区内的横波低速异常体;(2)根据横波低速区域分布特征获得采空区潜在位置,与钻孔验证揭示的采空区位置吻合较好,验证该方法勾画采空区的良好效果。相关成果显示,利用地表密集地震台阵观测开展背景噪声成像并结合ESPAC方法进行数据处理是进行露天矿采空区探测的一种经济、有效的手段,具有广泛的应用前景。     

基于密集线性台阵的背景噪声成像在明光市城市活断层调查中的应用

近年来,短周期密集台阵被动源探测技术逐渐成为地壳精细结构探测研究中的重要手段.为了探讨其应用于城市活断层调查在勘探尺度的有效性,在横跨安徽省明光市郯庐断裂带东界两条主干断裂位置,沿同期的主动源S波反射剖面,安徽省地震局和中国科学技术大学联合布设了一条由133个短周期地震仪组成的被动源密集测线.我们通过该被动源测线获得了约28天的连续波形记录,并采用一种新的线性台阵背景噪声成像方法——拓距相移法提取了10 Hz~2.0 s宽频的基阶Rayleigh波相速度频散曲线.利用得到的宽频带频散曲线,我们反演了近地表 1.3 km以浅的高分辨率S波速度结构,并与基本重合的主动源S波反射剖面以及地质资料等进行对比,验证了反演结果的可靠性,同时进一步分析了郯庐断裂带东界两条主干断裂的断层特征.结果表明：（1）被动源与主动源反演结果在近地表100 m以浅高度一致,且被动源的反演深度更深;（2）池河—太湖断裂是隐伏于深部的走滑断裂和浅部伸展断裂的综合反映,浅部为倾向北西的正断层,向上穿透第四系地层,可能为活动断裂;（3）拓距相移法能有效拓宽频散曲线的提取频带,保证浅部结构具有高分辨率,同时大大加强对深部结构的约束.该方法能够获得可靠的地下结构反演结果,可以作为城市活断层调查的一种新的有效手段.

     

利用密集台阵背景噪声研究通州—三河地区高分辨率三维S波速度结构

北京通州—河北三河地区中存在几条大型隐伏断裂,地质构造复杂.为研究该区隐伏断裂的空间展布、断裂与隆起和凹陷的构造关系,本文利用布设在该区的914个短周期地震仪组成的密集台阵,获得了45天的连续波形记录,通过噪声互相关方法获得台站之间的面波经验格林函数,提取2~8 s基阶勒夫波群速度频散曲线,反演获得该区深度7.5 km以内的三维精细S波速度结构.结果表明,研究区的断裂展布影响了地质构造单元的速度异常分布,其中夏垫断裂、南苑—通州断裂和李桥断裂是高低速区的分界带,南苑—通州断裂附近的高速体大致沿NE向展布,南口—孙河断裂附近的高速体大致沿NW向展布,高速体的展布方向与断裂的走向有相关性.研究区的S波速度分布有明显的非均匀性,高速区主要分布在大兴隆起上,而在大兴隆起的中部还存在一个明显的低速体,大厂凹陷和俸伯凹陷主要表现为低速特征,断裂两侧的较大地层密度横向差异可能是地质构造单元呈现出高低速异常的原因之一.研究区的结晶基底埋深差异较大,大兴隆起的结晶基底埋深约为2 km,大厂凹陷的结晶基底埋深约为4~7 km,断裂影响了结晶基底的埋深状态.本文获得的通州—三河地区三维精细S波速度结构,为认识该区的隐伏断裂、隐伏隆起和凹陷的物性结构提供了更多的地球物理学依据,对城市的地质灾害风险评估、安全建设等有重要意义.

     

基于机器学习和短周期密集台阵资料研究北流地震余震特征

本文基于广西北流5.2级地震震源区震后约30天的短周期密集台阵连续观测资料,利用机器学习方法,对震后余震进行了识别,确定了可靠性较高的441个余震事件,约为同时期固定地震台网目录中余震数量的34倍.进而利用事件波形中P、S波到时信息,对299个余震事件进行了精定位,对信噪比较高的65个地震事件进行了震源机制解反演.根据余震空间分布及震源机制解特征,对该区域中强地震发震构造进行了探讨.结果表明：北流地震的余震主要集中在主震北西约1~3 km的范围内,且大部分余震震源机制解接近于前震;主震的孕震断裂为石窝断层,其走向NWW-SEE,倾角近70°;该区域还存在一条走向NEE-SWW倾角近乎直立的断裂,可能是前震的孕震断层;主震受前震的触发而产生,而后续两条断裂同时处于活动状态,产生了不同震源机制解的余震.此外,在蕉林断裂北端及石窝断裂南端同样拾取到了大量余震事件,这些事件的震源机制解多为逆冲型与走滑型,一致性较差,表明北流地震可能对这两个区域的地震活动起了一个触发作用,但具体触发机制较为复杂.

     

短周期密集台阵在郯庐带北段(辽宁段)的架设

本文基于局所合作项目"郯庐断裂带海城地震区地震活动性与精细结构探测研究",通过在郯庐带北段(抚顺地区、沈阳地区)布设2期60套短周期密集台阵的相关工作,介绍了辽宁地区野外短周期流动台阵布设的工作方案、流程、布设过程等内容,并探讨了野外布设过程中遇到的常见问题,以及在东北地区或其他季节温差较大的区域,野外工作中需要注意的事项等.     

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.

     

密集台阵背景噪声双聚束成像化龙断裂精细结构

双聚束成像法(Double beamforming, 简称DBF)是利用地震背景噪声进行地下速度结构成像的新方法, 该方法通过对环境噪声场中能量相干部分的叠加达到提高信号信噪比的目的, 识别和提取不同类型的地震波信号及其入射方位角(微弱体波、反射面波等), 从而进行地下速度结构成像研究等. 特别是进行背景噪声面波成像时, DBF能通过局部慢度(方位角)搜索直接提取面波信号的相速度而无需进行层析反演. 本文对广州番禺化龙断裂浅地表结构进行一维线性阵列背景噪声成像研究, 使用DBF方法提取了0.6~1.2 s周期的基阶瑞利波相速度, 并反演获得上地壳0~1200 m深度范围的二维S波速度结构剖面. 研究结果显示: 阵列东北侧靠近珠江位置出现的低速异常一直延伸至地下600 m深处, 反映了断裂两侧不同地块的沉积层厚度、压实率及岩性成分差异; 而900 m及以下深度处的相对高速异常则与第三纪岩浆活动形成的基岩层相对应. 化龙断裂在近地表的结构特征有效地提高了我们对珠江三角洲内断层系统的认识, 为进一步研究珠江三角洲的区域构造特征、发震机制及地震风险性评估提供了参考.

     

川西地区台阵环境噪声瑞利波相速度层析成像

2006年中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区(26°N~32°N,100°E~105°E)布设了由297台宽频带数字地震仪组成的流动观测台阵.利用该密集台阵29°N以北156个台站2007年1~12月份的地震环境噪声记录和互相关技术,我们得到了所有台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,并进一步反演得到了观测台阵下方2~35 s周期的瑞利波相速度分布图像．本文结果表明,观测台阵覆盖的川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地的地壳速度结构存在显著差异,具体表现为：(1)短周期（2~8 s）相速度分布与地表构造特征相吻合,作为川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地之间的边界断裂,龙门山断裂带和鲜水河断裂带对上述三个地块上地壳的速度结构具有明显的控制作用,四川盆地前陆低速特征表明相应区域存在较厚的（约10 km）沉积盖层;(2)中周期（12~18 s）相速度分布表明,川滇地块和松潘-甘孜地块中上地壳速度结构存在明显的不均匀横向变化,并形成了尺度不同且高、低速相间的分块结构,而四川盆地中地壳整体上已经表现出相对高速;(3)长周期（25~35 s）相速度分布表明,松潘-甘孜地块,特别是川滇地块中下地壳表现为广泛的明显低速异常,意味着它们的中下地壳相对软弱,而四川盆地的中下地壳呈现整体性的相对高速,意味着四川盆地具有相对坚硬的中下地壳,并且以汶川地震的震中为界,龙门山断裂带的地壳结构显示了北段为高速异常,南段为低速异常的分段特征．     

3D S-wave velocity structure of the Ningdu basin in Jiangxi province inferred from ambient noise tomography with dense array

The Ningdu basin, located in southern Jiangxi province of southwest China, is one of the Mesozoic basin groups which has exploration prospects for geothermal energy. A study on the detailed velocity structure of the Ningdu basin can provide important information for geothermal resource exploration. In this study, we deployed a dense seismic array in the Ningdu basin to investigate the 3D velocity structure and discuss implications for geothermal exploration and geological evolution. Based on the dense seismic array including 35 short-period (5 s-100 ?Hz) seismometers with an average interstation distance of ～5 ?km, Rayleigh surface wave dispersion curves were extracted from the continuous ambient noise data for surface wave tomographic inversion. Group velocity tomography was conducted and the 3D S-wave velocity structure was inverted by the neighborhood algorithm. The results revealed obvious low-velocity anomalies in the center of the basin, consistent with the low-velocity Cretaceous sedimentary rocks. The basement and basin-controlling fault can also be depicted by the S-wave velocity anomalies. The obvious seismic interface is about 2 ?km depth in the basin center and decreases to 700 ?m depth near the basin boundary, suggesting spatial thickness variations of the Cretaceous sediment. The fault features of the S-wave velocity profile coincide with the geological cognition of the western boundary basin-controlling fault, which may provide possible upwelling channels for geothermal fluid. This study suggests that seismic tomography with a dense array is an effective method and can play an important role in the detailed investigations of sedimentary basins.     

Crustal velocity structures beneath North China revealed by ambient noise tomography

We collected continuous noise waveform data from January 2007 to February 2008 recorded by 190 broadband and 10 very broadband stations of the North China Seismic Array.The study region is divided into grid with interval 0.25°×0.25°,and group velocity distribution maps between 4 s and 30 s are obtained using ambient noise tomography method.The lateral resolution is estimated to be 20-50 km for most of the study area.We construct a 3-D S wave velocity model by inverting the pure path dispersion curve at each grid using a genetic algorithm with smoothing constraint.The crustal structure observed in the model includes sedimentary basins such as North China basin,Yanqing-Huailai basin and Datong basin.A well-defined low velocity zone is observed in the Beijing-Tianjin-Tangshan region in 22-30 km depth range,which may be related to the upwelling of hot mantle material.The high velocity zone near Datong,Shuozhou and Qingshuihe within the depth range of 1-23 km reveals stable characteristics of Ordos block.The Taihangshan front fault extends to 12 km depth at least.     

基于背景噪声研究华北克拉通中部Rayleigh波相速度和方位各向异性

基于中国地震科学台阵探测项目在华北中部布设的306个台站记录的波形数据,利用背景噪声层析成像方法开展了 Rayleigh波相速度和方位各向异性研究.结果显示,短周期的相速度异常及其方位各向异性主要与地表构造相关,盆地表现为低速异常,造山带表现为高速异常,快波方向主要表现为NE-SW向,与断层走向以及构造单元走向一致.在...