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.     

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。     

地震背景噪声互相关方法应用研究综述

利用地震台记录的背景噪声数据,进行台站对之间数据互相关以获得反映地下介质信息的格林函数,是目前地震学领域理论研究和实际应用方面的前沿和热点。首先介绍了噪声互相关应用的发展历史,之后对其在面波成像、体波信号提取与体波成像、监测地下介质波速变化与衰减、地震定位、噪声源分析与时移校正等多个方面的应用进行了阐述,最后针对目前背景噪声互相关应用的发展进行了分析与讨论。     

中国大陆背景噪声成像研究及应用前景

对长时间序列的背景地震噪声进行互相关计算可以得到台站间的经验格林函数,这种方法不依赖天然地震及人工震源,仅利用台站记录的背景噪声就能得到地下结构,该方法可以更为便捷地获得地震活动性较低地区的地下构造.随着背景噪声层析成像技术的发展应用,该方法会进一步提高地壳上地幔速度模型的分辨率.本文综述了背景噪声成像技术及其在中国大...     

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.     

基于背景噪声经验格林函数的地震准确定位精度分析——以2008年甘肃武都地震为例

准确的震源位置能够为抗震减灾工作和地球内部结构研究提供关键信息.在震中附近观测台网密集且方位角覆盖良好的情况下,通过拟合多个台站P波、S波的观测到时,能够得到准确的震源位置.而在台网稀疏的地区,由于缺少可靠的三维速度结构模型,往往造成较大的地震定位误差.近年来发展了基于背景噪声经验格林函数（EGFs）对地震波形进行校正的重定位方法,能够有效地压制路径上复杂速度结构体的影响,提高了地震定位精度,为稀疏台网情形下地震准确定位研究提供了一个新思路.本文选取由InSAR观测到准确位置的2008年甘肃武都M_S5.5地震作为测试案例,对稀疏台网下基于背景噪声格林函数地震准确震中测定方法进行了定量评估.利用震中附近多个流动台分别作为参考台,提取其与固定台站之间的背景噪声格林函数（EGFs）,然后使用噪声Rayleigh面波格林函数对地震波形进行校正,重定位武都地震震中,并与真实震中位置进行对比.结果表明：使用距离震中30 km以内的参考台,利用10~30 s频段的面波走时信息,噪声叠加时长为一个月,定位精度在5 km以内;当噪声叠加时间一年以上,重定位精度优于1 km.本文进一步针对缺少近台以及台网更加稀疏的情况进行了测试,发现使用10个左右固定台进行重定位,基于较高质量的噪声EGFs频散数据,定位结果精度可达3 km,从而给出了该方法的高精度定位所需的固定台网及参考台站的观测指标体系.

     

多种面波层析成像方法及其在青藏高原的应用与对比

面波层析成像是一种广泛应用的获取地壳与上地幔地震波速度与各向异性结构的地球物理方法.本论文综述了面波层析成像方法的简要历史,阐述了多种常用的面波层析成像方法（双台法、双平面波法、程函方程法、Helmholtz方程法、背景噪声成像法与直接面波层析成像法）的基本原理及其优缺点.双台法的理论与实际使用简单,但该方法要求震源与两个台站需近似位于同一大圆弧路径,在台站较少且记录时间较短的区域,获取的相速度水平分辨率偏低.双平面波法能一定程度克服地震波多路径传播与散射对频散的影响,但其对面波波形数据要求较为严格,且通常适用于区域地震台网.程函方程法和Helmholtz方程法可直接从地震记录同时获取相速度与方位各向异性,计算方便快速,无需经过正演与反演过程,但这两种方法要求台站分布密度要高,不适用于台站间距大且分布稀疏的区域.与程函方程法相比,Helmholtz方程法不仅考虑了波形的相位,还利用了其振幅,能获取更准确的相速度与方位各向异性信息.背景噪声成像法的优点是无需震源就可获取高分辨率地壳尺度的成像结果,但通常缺乏长周期面波的信息,难以约束岩石圈深部与软流圈结构.直接面波层析成像法能直接从台站间...     

由长时间连续记录不压制地震信号提取近似格林函数的可行性研究

从地震背景噪声、地震波直达波或者地震波尾波的相关函数中提取近似格林函数(Estimated Green's Function)已经成为地震学研究的一个热点.由近似格林函数中提取面波频散曲线,进而研究地壳和上地幔结构,已经成为地震学研究地球内部结构的一种新方法,其尺度由最初的几十千米发展到全球尺度.从原理上,只要由充分漫射波场的数据计算得到的互相关函数都可以得到近似格林函数,但在地震背景噪声数据的实际处理过程中,需要通过时间域的归一化处理压制地震信号的影响,然后利用频率域归一化压制单色噪声源影响和提高信噪比.但是时间域归一化的常用方法均为非线性,影响进一步提取噪声互相关函数(NCF)中的有效信息.我们通过对比有无时间域归一化和频率域归一化对不同数据进行计算得到了相似的NCF,发现时间域归一化处理并非必需,在此基础上频率域归一化处理也可以省略,由此得到一个简化的处理流程,直接计算长时间的地震记录的互相关函数得到近似格林函数,并且最大限度保留了原始振幅信息,可以更有效地用于研究噪声源.     

基于背景噪声成像方法的新疆呼图壁储气库地区近地表速度结构研究

近年来,背景噪声成像方法在恢复高频面波信号及获取近地表速度结构方面得到了广泛的应用,本文将该方法应用于准噶尔盆地南缘的呼图壁背斜地区的呼图壁储气库.采用储气库及其周边区域22个台站记录的连续背景噪声数据的垂直分量,通过噪声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0.5~1.5 s的基阶瑞利面波群速度频散曲线.首先根据区域平均频散曲线得到了该地区地下数百米的平均一维横波速度结构,然后利用基于面波射线路径追踪的面波频散直接成像方法得到该地区深度为500 m以上的三维横波速度结构.反演结果显示该地区沉积层较厚,整体横波速度值较小（0.4~0.9 km·s^-1）.储气库在地表投影区域的横波速度值较小,这可能是由于抽注水、气引起的沉积岩石裂隙所导致.储气库东北和东南方向均有明显的相对高速区,推测是区域地下水位和地形起伏综合作用的结果.本研究获得的近地表三维速度结构为呼图壁储气库地区的上覆地层物性研究、区域微震精定位、场地效应的评估和去除浅层影响的深部介质成像等研究提供了重要基础.

     

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．     

Ambient noise as the new source for urban engineering seismology and earthquake engineering: a case study from Beijing metropolitan area

In highly populated urban centers, traditional seismic survey sources can no longer be properly applied due to restrictions in modern civilian life styles. The ambient vibration noise, including both microseisms and microtremor, though are generally weak but available anywhere and anytime, can be an ideal supplementary source for conducting seismic surveys for engineering seismology and earthquake engineering. This is fundamentally supported by advanced digital signal processing techniques for effectively extracting the useful information out from the noise. Thus, it can be essentially regarded as a passive seismic method. In this paper we first make a brief survey of the ambient vibration noise, followed by a quick summary of digital signal processing for passive seismic surveys. Then the applications of ambient noise in engineering seismology and earthquake engineering for urban settings are illustrated with examples from Beijing metropolitan area. For engineering seismology the example is the assessment of site effect in a large area via microtremor observations. For earthquake engineering the example is for structural characterization of a typical reinforced concrete high-rise building using background vibration noise. By showing these examples we argue that the ambient noise can be treated as a new source that is economical, practical, and particularly valuable to engineering seismology and earthquake engineering projects for seismic hazard mitigation in urban areas.     

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.

     

阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区的浅层探测实验研究

随着野外观测数据的累积和地震成像技术的发展,对地球内部结构的探测范围越来越大,精度越来越高.利用新的技术手段获得更多的观测数据,不仅填补了研究区观测数据的空白,还有助于提高地下结构的探测精度.利用光纤地震仪耐极端环境和易于布设等优势,本研究使用自主研发的阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区进行野外试验,首次获得了青藏高原地区主动源和背景噪声的光纤地震数据（包含一条水下测线的数据）.利用背景噪声成像手段得到了易贡湖岸近地表S波速度结构,但未获得湖底的速度结构.经分析认为,湖水的流动对架设于湖底的探头造成了干扰.本次试验初步验证了阵列式光纤地震仪在极端野外环境中（尤其是水下）进行数据采集的可行性,为未来在极端环境下的数据采集提供了新思路.

     

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.

     

Temporal and Spatial Images of Ambient Noise Intensity in the Chinese Mainland

Successive waveforms of the vertical component recorded by 888 broadband seismic stations in the China Seismography Network from January,2010 to June,2011 are used to investigate the temporal and spatial distribution of ambient noise intensity,and the images of ambient noise intensity at the period of 10 s in the Chinese Mainland are obtained. The temporal variation of ambient noise intensity shows some seasonal and periodic characteristics. The maximum ambient noise intensity occurred from January,2011 to March,2011. The spatial distribution images of ambient noise intensity show obvious zoning features,which doesnt correlate with surface geology,suggesting that the noise field is stronger than the site factors. The strength in southeastern coastal areas reaches its maximum and generally decreases toward to inland areas,and arrives at the minimum in the Qinghai-Tibetan Plateau. The zonal intensity distribution is probably correlated with ocean tides from the Philippine Ocean and the Pacific Ocean. It also shows that the influence from the Indian Ocean seems small. However, the ambient noise intensity increases to a certain degree in the Xinjiang area,indicating that the main source of ambient noise in the western area of the Chinese Mainland is not derived from the East and South China Sea,but rather from the deep interior of the Eurasian continent. The ambient noise intensity obtained in this study can supply reference for seismology research based on ambient noise correlation. Moreover,it can supply basic data for attenuation research based on ambient noise, and thus help achieve the object of retrieving the attenuation of Rayleigh waves from ambient noise.     

人工源宽角地震实验的谱元法模拟和逆时偏移成像方法研究

人工源宽角反射(折射)地震资料具有偏移距较大、信噪比较低等特点,通常用于地震波走时反演重建地壳速度结构。逆时偏移成像方法作为勘探地震学领域获取地下构造形态的有效手段之一,可以有效弥补走时反演方法的不足。本文针对大偏移距宽角反射(折射)地震实验,利用四边形网格谱元法进行波场模拟,结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度获取模型合成地震记录,后采用逆时偏移成像方法将合成地震记录偏移归位,获取地壳几何结构,验证了逆时偏移成像方法在宽角地震资料处理及结果解释中的适用性,为后期实际地震资料的偏移成像提供了理论依据和支持。     

中国大陆背景噪声强度时空分布

使用中国地震台网888个宽频带地震台站2010年1月至2011年6月记录的连续波形垂直向分量, 进行了中国大陆背景噪声强度时空分布研究, 得到了中国大陆周期为10 s的背景噪声强度的时空分布图像。 背景噪声强度的时间分布具有一定的季节性和周期性变化特征, 研究表明2011年1~3月间的背景噪声强度最高。 背景噪声强度空间分布显示, 中国大陆背景噪声强度呈现明显的分区特性, 其分布与地质结构无明显相关性, 表明背景噪声场的强度高于场地效应。 其中, 东南沿海地区的背景噪声强度最大, 向内陆地区逐渐衰减, 至青藏高原地区背景噪声强度减至最小。 这种方向性的强度分布很可能与菲律宾和太平洋的潮汐等因素有关, 受印度洋的影响不大; 而到新疆地区, 背景噪声的强度又有一定程度增加, 表明这一地区的背景噪声主要不是来源于中国东南海域, 而是来自于欧亚大陆内部。 本研究得到的背景噪声强度可以为多个地区的微震强度提供基础数据资料, 也可以为背景噪声互相关的地震学研究提供参考。 更为重要的是, 还可以为基于背景噪声提取面波衰减研究提供基础数据, 进而实现从背景噪声中提取面波衰减。     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ:背景噪声成像

随着城市化的发展,城市地球物理日益成为地球物理研究的重要方向,地震成像是构建城市地下空间三维/四维图像的重要手段,但面临观测成本高的困难.近年来国际上新发展的分布式光纤声波传感器作为高密度地震观测系统已经在地震层析成像方面得到了应用,在提高成像分辨率的同时,又降低了观测成本.本研究使用国产分布式光纤声波传感器开展了观测实验,利用480 m埋地光缆记录了13 h背景噪声,计算得到噪声互相关函数,获得了高频Rayleigh面波信号.采用多道面波分析方法提取相速度频散曲线,其结果与传统检波器记录和主动源结果较为一致.采用遗传算法反演得到了研究区内二维S波速度剖面,获得了下方沉积物横向变化特征.通过本次实验,初步验证了国产设备开展地震背景噪声成像研究、构建地下浅层结构模型的可行性.

     

用尾波干涉法监测介质波速变化研究进展

多次散射形成的尾波由于在介质内部重复采样、迭加和放大的作用,对介质的微小变化十分敏感。尾波干涉法利用尾波的这一特点检测介质的微小变化。近年来利用尾波干涉法高精度检测介质波速变化已经广泛应用到地震学领域和材料无损检测中。本文从尾波干涉法的原理和方法及研究进展两方面进行介绍,着重介绍了重复地震、噪声和人工源在研究介质速度变化中取得的成果。利用尾波干涉法,可以更精细地了解介质动态演化过程。