利用背景噪声成像研究合肥-金华剖面地壳速度结构及径向各向异性的东西差异

背景噪声成像能够为地壳内部结构提供地震波速的观测证据,能够增进对地壳结构与物性的认识.本文利用背景噪声成像方法对合肥-金华流动地震台阵55个台站数据进行了分析反演,获得了华北克拉通与华南块体东部构造边界附近区域的地壳S波速度与径向各向异性结构.成像结果表明,以东经118°-118.5°附近为界,西北部表现为地壳低速异常和中下地壳正的径向各向异性,东南部表现为地壳高速异常,下部地壳存在负的径向各向异性.由此,本文推测地震波速结构差异反映了地壳内部物质与温度的差异,这种差异与两个地区自中生代晚期以来经历了截然不同的岩浆活动相关.

     

利用背景噪声互相关研究汶川地震震源区地震波速度变化

利用2007年3月至2009年3月四川数字地震台网的宽频带连续波形资料,通过计算地震背景噪声互相关提取台站对间的经验格林函数,在0.1～0.5 Hz频带下测量每天经验格林函数与参考经验格林函数的走时偏移,进而得到各台站对在该时段内的相对地震波速度变化.结果表明,2008年5月12日汶川Ms8.0级地震造成了震源区地震波速度的急剧降低,最大降幅达0.4%;大致以安县为界,余震带西南部地区在汶川主震后波速降即达到最大值,而东北部地区的最大波速降一般出现在主震后的1~4个月,相对地震波速度变化的这种分段特性与地震序列的时空分布特征有较好的对应关系;在震源区外围的四川盆地也观测到了震后波速降低,而川西高原内部则没有出现显著的波速变化.进一步的分析和计算结果表明主震的静态应力变化和强地面运动引起的地表破坏都不能很好地解释震后波速的急剧降低,地震导致的断层区内部结构破坏和周边介质应力状态改变可能是波速变化的主要原因.     

基于背景噪声研究云南地区面波速度非均匀性和方位各向异性

基于中国地震科学探测台阵项目一期在南北地震带南段架设的300多个地震台站,利用2011年10月至2012年9月的连续观测记录,采用基于背景噪声互相关函数的面波层析成像技术,研究了青藏高原东南缘的云南地区面波群速度和方位各向异性分布.结果显示,地壳的面波快波方向呈现近南北向,整体表现出围绕东喜马拉雅构造结顺时针旋转的趋势,和地表GPS速度场以及S波分裂的快波方位较为一致.小江断裂东西两侧的快波方位有一定差异.对反映深度大概在下地壳和上地幔顶部的长周期面波,快波方向从近南北向逐渐向北西向过渡,在菱形块体附近,26°N以南,快波方向和红河断裂的走向趋于一致;其他区域相比上地壳的快波方向也有较大变化,这种结果较为支持青藏高原东南缘的云南地区壳幔变形的解耦.在滇西南,澜沧江向东弧形展布区域,中下地壳快波方位呈现局部的圆周旋转趋势,结合该区地震分布规律和应力主轴方向,推测这种现象和块体挤压及旋转具有一定相关性.     

Crustal S-wave velocity structure of the Yellowstone region using a seismic ambient noise method

The Yellowstone volcano is one of the largest active volcanoes in the world, and its potential hazards demand detailed seismological and geodetic studies. Previous studies with travel time tomography and receiver functions have revealed a low-velocity layer in the crust beneath the Yellowstone volcano, suggesting the presence of a magma chamber at depth. We use ambient seismic noise from regional seismic stations to retrieve short-period surface waves and then study the shallow shear velocity structure of the Yellowstone region by surface wave dispersion analysis. We first obtained a crustal model of the area outside of the Yellowstone volcano and then constructed an absolute shear wave velocity structure in combination with receiver function results for the crust beneath the Yellowstone volcano. The velocity model shows a low-velocity layer with shear velocity at around 1.3 km/s, suggesting that a large-scale magma chamber exists at shallow levels within the crust of the Yellowstone volcanic region.     

基于局部优化粒子群算法的背景噪声反演

从背景噪声中提取瑞雷波频散曲线并通过反演获得地下横波速度结构已被广泛应用于大尺度的地下结构探测和小尺度的工程勘探中.基于频散函数的反演目标函数可以有效解决多阶模频散曲线联合反演的模式误判问题, 然而其广泛分布的局部极值导致更为严重的多解性, 在大范围的参数搜索空间下很难获得最优解, 需要搭配全局搜索性能强的优化算法.本文提出局部优化粒子群算法(PSOG), 通过粒子迭代过程中引入局部优化方法提高种群多样性, 避免陷入局部极值并加快收敛速度.为验证新算法的有效性, 结合基于久期函数的目标函数对理论合成数据进行反演, 结果表明, 局部优化粒子群算法比传统算法的稳定性与准确性都有显著提高.处理了上海苏州河地区的背景噪声数据, 成功地对古河道切割造成的软弱层进行成像.PSOG算法与新型反演目标函数的结合在背景噪声勘探的工程应用上具有巨大潜力.

     

秦岭—大别及邻区背景噪声的瑞利波层析成像

秦岭—大别造山带西起青藏高原东北缘,东至郯庐断裂带,是华北板块和扬子板块之间的碰撞造山带.本文收集陕、豫、皖、赣、湘、鄂、渝等区域地震台网的160个宽频带地震台站连续两年地震背景噪声数据,用双台站互相关算法获得瑞利面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,并根据面波层析成像反演得到秦岭—大别及邻区周期8~35 s范围内相速度分布图像.结果显示,大别地块在14 s相速度分布图中呈现低速异常,与8 s相速度分布图中的高速异常形成鲜明对比,反映大别HP/UHP（high pressure/ultrahigh pressure metamorphic rocks,高压/超高压变质岩）的影响仅存在于上地壳.25 s相速度图中,大致以太行—武陵重力梯度带为界,东部以高速异常为主,西部以低速异常为主,反映了地壳东薄西厚的结构特征.14~35 s相速度分布图显示郯庐断裂带南段东西两侧的显著差异,佐证了郯庐断裂带发生大规模左行平移运动时,其南段可能切入壳幔边界.同时,郯庐断裂带南段可能存在一个热物质上涌的通道,熔融的热物质通过该通道上升,混入大别地区的中下地壳,造成了红安—大别造山带的差异隆升.南秦岭与四川盆地东北部表现为低速异常,是否与青藏高原物质东流或者南秦岭的拆沉有关,还有待于进一步深入研究.

     

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．     

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.

     

基于背景噪声研究大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造带之一. 为了研究该地区上中下地壳的速度结构, 选用国家数字地震台网和中国区域地震数据台网5省(山东、 安徽、 江苏、 河南和湖北)连续两年(2009年5月—2011年5月)的垂直向地震记录, 进行背景噪声互相关处理, 叠加得到了台站对间的面波经验格林函数. 采用多重滤波法提取了近4000条频散曲线, 并反演得到了研究区10—25 s的瑞雷波群速度分布结果. 通过分析大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构图像, 发现不同构造块体具有不同的瑞雷波群速度结构: ① 研究区内的郯庐断裂带及其周边地区包括鲁西地块和胶北地块上中下地壳均表现出明显的高速异常, 可能是在拉张环境下岩浆岩上涌, 导致高速、 高密度的变质岩在地壳富集而形成; ② 苏鲁高压变质带的瑞雷波速度在10—25 s周期内明显高于其它地区, 其上中下地壳均表现出较高的群速度结构特征, 认为苏鲁高压变质带至少延伸到下地壳, 而大别造山带在10 s时表现出高速特征, 但在15—25 s没有明显的高速特征, 故无法从其结果中判断大别高压变质带的垂向延伸范围; ③ 华北板块上中下地壳均表现为低速特征, 体现了研究区内华北板块的大陆地壳减薄特征.      

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景 噪声的勒夫波群速度成像

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造之一. 为了研究该地区的地壳上地幔速度结构,本文收集了国家数字地震台网和中国区域地震台网的山东、河南、安徽、江苏和湖北等省的144个宽频带地震台连续两年(2009年5月—2011年5月)的水平向地震记录(E分量和N分量)数据,首先对台站对之间E-E,E-N,N-N和N-E分量进行互相关,然后分别对这4个互相关分量采用相位权重叠加法进行叠加,最后旋转到横向分量(T-T)获得勒夫波经验格林函数(EGF);用频时分析(FTAN)方法获得4000余条勒夫波群速度频散曲线,并进一步反演得到了周期为6—40s的勒夫波群速度分布图.结果表明,周期为6—10s的勒夫波群速度分布与地表构造特征相吻合.大别造山带、苏鲁造山带、湖北西部隆起均表现为高速;华北盆地发育,表现为大面积的低速;江汉盆地、南襄盆地、合肥盆地等因其规模不同而显示不同程度的低速.在周期为6—30s的勒夫波群速度分布图上,大别和苏鲁地区均显示高速,已有的研究结果中地壳的低速并没有得到反映.其原因一方面可能与勒夫波群速度纵向分辨不高有关,另一方面高压变质岩深度分布可能比已有研究结果给出的要深. 6—30 s的分布图上郯庐断裂带及其邻近地区表现为不同程度的高速,可能与该地区白垩纪以来处于拉张构造体制,地幔物质受到扰动,造成物质上涌有关.     

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.

     

2013年芦山地震震源区地壳介质地震波速变化的特征分析

为探究芦山M7.0级地震后5年多来,震源区龙门山断裂带西南段介质波速的变化规律,本文基于2012年4月至2018年4月共6年的连续波形数据,运用移动窗互谱与频域偏振等分析方法,结合背景噪声源的特性,对不同深度范围内的相对波速变化以及震后的恢复过程与机制进行了研究.获得的主要认识包括：（1）年尺度而言,震源区周期为1~20 s的背景噪声场相对稳定,但成分复杂、2~10 s频带内至少存在2个能量相对稳定的噪声源;不同周期噪声的能量,在月变与季节性上的变化特征差异明显.（2）获得了长时间尺度、不同频带内介质相对波速的背景变化水平,1~2 s、2~4 s的波动幅度（约为±0.04%）与季节性变化规律强于4~10 s、10~20 s的,结合与降雨量相关的地下水位模型能很好地解释其变化规律.（3）震源区的同震波速降低现象清晰,降幅约为0.08%~0.1%;空间上,波速下降最为显著的区域主要集中在龙门山断裂带两侧约70 km范围内,其中四川盆地一侧平均约为0.1%,略高于青藏高原（0.08%）一侧;在断裂带内的降速不显著.对不同子频带进行测量的结果显示,震后除10~20 s外,其余3个子频带的相对波速在震后较短时间内（约20天左右）均出现较大幅度的波速降低现象,其中4~10 s的平均降速最大（约为0.08%）,分析认为主震及大量余震的松弛效应是引起介质波速下降的主要原因.（4）震后大约1年左右,波速变化基本恢复到震前水平,且至2018年4月前未观察到大幅的波速变化现象,总体上各频带内的结果均沿零线小幅波动.

     

广东省东部地区背景噪声面波群速度层析成像

选取广东省东部及福建和江西测震台网的26个固定台站2011年3～9月的地震背景噪声的垂直分量数据,用互相关方法获得瑞利面波的格林函数,再用频时分析方法提取瑞利面波的群速度频散曲线,最后用面波层析成像方法反演得到研究区周期为5～15s的瑞利面波群速度图像.反演结果揭示了广东省东部地区浅部地壳群速度结构存在明显横向不均匀性.短周期群速度异常与研究区内山脉、盆地的分布有较好的对应关系,沉积厚度较大的盆地地区表现为低速异常,而基底埋深较浅的山脉则显示了高速异常;地热分布对面波群速度产生重要影响,地热值较高的区域面波群速度一般表现为低速异常;粤东地区特别是粤东沿海地区地壳中部可能存在低速层.     

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.     

地震背景噪声成像技术研究进展与展望

背景噪声成像技术是21世纪以来地震学研究最为重要的突破性进展之一.该方法不依赖于天然地震事件的发生,利用连续地震记录中普遍存在的"背景噪声",通过不同台站对间连续时间信号的互相关来提取经验格林函数并用以进行地下介质结构成像研究.与传统的天然源地震探测手段相比,背景噪声成像技术从随机场源信号中提取介质结构的信息,具有成像...     

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像

采用与作者2014年发表的“大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的勒夫波群速度成像”文章相同的资料,用频时分析提取5 000余条瑞雷波和4 000余条勒夫波相速度频散曲线,反演得到了8—32 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布图像．结果显示,瑞雷波与勒夫波相速度分布具有很好的一致性．8 s的相速度分布与地表构造特征相吻合,造山带与隆起区均表现为高速,盆地因其规模不同而显示不同程度的低速．随着周期的增大,大别 苏鲁的高速带由强变弱,但始终存在．16—24 s的高速可能主要受到中地壳高速的控制,而32 s的高速则可能与上地幔顶部的高速有关．比较大别造山带与苏鲁造山带的平均频散曲线,发现大别造山带和苏鲁造山带的勒夫波频散曲线均高于AK135模型计算的理论频散曲线,而瑞雷波则没有这一现象. 这可能意味着两个地区有比较强烈的径向各向异性．      

汶川地震区地壳速度相对变化的环境噪声自相关研究

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(100°E～105°E, 26°N～32°N)布设了由297个宽频带地震台组成的密集流动地震观测台阵.本文利用川西流动地震台阵29°N以北地区的137个台站2007年1月至2008年10月的连续三分量地震环境噪声记录,研究了汶川地震震前震后地壳速度变化特征.借助川西台阵的密度优势,我们针对单台三分量噪声自相关函数和单台不同分量间的互相关函数,利用互谱移动窗技术,在0.33～1 Hz频带范围内测量了经过50天滑动平均的相关函数与长时间平均参考相关函数的走时变化率,进而求得地壳浅部速度随时间的相对变化,并得到其空间分布特征.本文结果表明,利用环境噪声自相关方法可以得到与互相关方法基本一致的同震速度变化分布图像,同震速度变化分布与同震体应变具有明显相关性.具有更高空间分辨率的噪声自相关研究进一步发现,在鲜水河断裂和龙门山断裂交汇区存在同震速度增加区,这个区域与同震库伦应力变化和地表形变观测预测的周边断层库伦应力增加区一致.我们的研究发现,同震库伦应力增加效应的持续时间大约为2个月左右,在此之后,区域应力场逐渐恢复为普遍的应力下降.     

基于背景噪声研究青藏高原东北缘瑞利波相速度和方位各向异性

本研究收集了甘肃、青海、宁夏等118个宽频带数字地震台站的连续波形资料,利用噪声互相关,经过计算和筛选,在5~38 s范围内,共得到5773条瑞利波相速度频散曲线.然后采用1°×1°的网格划分,反演获得青藏高原东北缘相速度和方位各向异性分布.结果表明：短周期8~12 s内,鄂尔多斯从低速异常变为高速异常;该周期范围内各向异性结果与区域断裂走向有很好的一致性.18~25 s周期内,祁连地块、松潘-甘孜地块、羌塘地块低速异常范围逐渐变大,随周期增加地壳低速异常与人工探测结果相符;鄂尔多斯表现为速度随周期增加逐渐变大,说明其中下地壳速度相对偏高,不存在低速异常;该周期范围内的各向异性特征表现为,祁连地块和松潘甘孜地块大致呈NW-SE方向,而青藏高原内部快波方向显示了顺时针旋转的形态.在30~35 s范围内面波速度主要受莫霍面深度和莫霍面附近介质速度的影响,与地壳厚度分布有非常好的吻合.综合不同方法获得的各向异性研究结果,支持印度-欧亚板块的碰撞使青藏高原东北缘地壳发生缩短和逐渐隆升的观点,认为整个岩石圈的垂直缩短变形是青藏高原东北缘的主要形成机制.

     

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。     

Analysis of seismic reflection data as a tool for the seismotectonic assessment of a low activity intraplate basin – the Lower Tagus Valley (Portugal)

The Lower TagusValley is located in the Lower TagusSedimentary Basin. Occurrence ofearthquakes in the area indicates thepresence of seismogenic structures at depththat are still deficiently known due to athick Cenozoic sedimentary cover. It isusually assumed that regional M = 6–7earthquakes are generated by the LowerTagus Valley fault. However, this structurehas never been characterised, and there isevidence for the presence of other faultsthat have the potential of generating largeseismic events. The hidden character ofmany of the structures in the Lower TagusBasin necessitates the use of indirectmethodologies for their study. Availableseismic reflection lines acquired for oilexploration in the Lower Tagus Valleyregion were thus examined, with emphasis onthe recognition of faults displacing theCenozoic and particularly the youngergeological units. The foreseen complexityof the basin structure was confirmed.Evidence for a continuous `Lower TagusValley fault' is absent. Instead, N-S toNNE-SSW trending, en echelon,sub-vertical and reverse faults showingsignificant post-Miocene offsets, linked bytransverse (NW-SE) faults that accommodatelarge displacements, were recognised in theseismic sections that cross the Tagusvalley. These faults range in length from10 km to a maximum of ca. 40 km, leading toan estimation of 6.2–6.9 maximum credibleearthquake magnitudes, which fall in themagnitude range of the regional historicalseismicity.