利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据,经过单台数据处理和互相关叠加计算后,由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数.为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性,对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估.检测结果表明,自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致,提取的格林函数可靠.此外,统计了使用从3 21个月不同长度数据叠加后,经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目.结果表明,至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大,数目足够多,可用于反演面波速度结构的经验格林函数;12个月的叠加时长,可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.     

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．      

基于背景噪声的宁夏及邻区瑞利波层析成像*

使用了宁夏及邻区90个地震观测台站资料,反演得到了该区高分辨率的瑞利面波层析成像结果。选用2012年1月至2013年12月的垂直分量连续波形数据,通过对台站对间进行波形互相关和叠加运算,得到各台站对间的经验格林函数,使用CPS(Computer Programs in Seismology)软件测量得到了4005条瑞利面波群速度频散曲线。选取信噪比大于10的经验格林函数对频散曲线进行了筛选,提取了3182条台站对间的频散曲线,反演得到了研究区周期6~50s,分辨率达0.5°×0.5°的瑞利波群速度分布图像。银川盆地在6~26s为明显的低速异常,且盆地内部的低速异常呈现出不均匀的减弱趋势;关中盆地在6~22s为条状低速异常,呈现出东南部的速度略强于西北部的横向不均匀性;在30~50s呈现出在银川断陷盆地及其以南存在一自北东向西南走向的大区域低速异常区,且表现出山地与盆地之间的主要活动构造带存在明显的地貌界线,即六盘山附近的深大断裂是中国东西两大构造单元的分界线。反演结果与研究区地质构造特征、地层地貌具有较好的相关性,且和银川盆地与穿过盆地的人工地震剖面结果吻合,为该地区活动构造带的动力学和强震发震机理研究提供重要依据。     

基于背景噪声的宁夏及邻区瑞利波层析成像

使用了宁夏及邻区90个地震观测台站资料,反演得到了该区高分辨率的瑞利面波层析成像结果。选用2012年1月至2013年12月的垂直分量连续波形数据,通过对台站对间进行波形互相关和叠加运算,得到各台站对间的经验格林函数,使用CPS(Computer Programs in Seismology)软件测量得到了4 005条瑞利面波群速度频散曲线。选取信噪比大于10的经验格林函数对频散曲线进行了筛选,提取了3 182条台站对间的频散曲线,反演得到了研究区周期6~50s,分辨率达0.5°×0.5°的瑞利波群速度分布图像。银川盆地在6~26s为明显的低速异常,且盆地内部的低速异常呈现出不均匀的减弱趋势;关中盆地在6~22s为条状低速异常,呈现出东南部的速度略强于西北部的横向不均匀性;在30~50s呈现出在银川断陷盆地及其以南存在一自北东向西南走向的大区域低速异常区,且表现出山地与盆地之间的主要活动构造带存在明显的地貌界线,即六盘山附近的深大断裂是中国东西两大构造单元的分界线。反演结果与研究区地质构造特征、地层地貌具有较好的相关性,且和银川盆地与穿过盆地的人工地震剖面结果吻合,为该地区活动构造带的动力学和强震发震机理研究提供重要依据。     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中,频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上,提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性,通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性,通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性,聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好,精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中,结果也验证了该方法的有效性.     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构

本文利用福建地震台网25个宽频带台站的噪声记录提取瑞利波和勒夫波频散曲线反演地壳波速结构,并利用爆破观测结果对该速度模型进行检验.结果表明:利用该方法得到的地壳波速结构在浅部分辨率较好,深部波速结构的反演结果精度较低,这主要是由于本文所选台站间距较小,提取得到的面波频散曲线在短周期部分精度较高,而长周期部分面波频散曲线的偏差较大.综合噪声反演结果与传统反演结果,本文最终给出了一个新的速度模型,利用该模型计算得到的理论走时与爆破观测走时具有很好的一致性.     

基于矢量波数变换法(VWTM)的多道Rayleigh波分析方法

在近二十年来,多道面波分析法(MASW)由于其便捷、高效等特性在浅层地震勘探领域得到了广泛的应用.本文基于多道面波勘探的采集方式,提出了一种新的面波多道分析方法——矢量波数变换法(VWTM).该方法通过对震源的近似,基于水平层状模型得到台站与震源间近似格林函数,然后进行矢量波数变换得到含有高阶模态Rayleigh波(频率-相速度)频散能量图.本研究首先利用合成地震数据到频散能量图与理论频散曲线进行叠加分析该方法的有效性和正确性;然后与相移法进行对比分析,我们发现在频散能量图中VWTM法对基阶、高阶模态成像均具有更高的分辨率和成像质量;最后我们将其应用于实际多道瞬态面波探测中,通过与相移法进行对比分析,发现VWTM法是一种方便、实用、有效的Rayleigh波频散提取方法.VWTM法提取多模态的Rayleigh波频散特征具有巨大潜力,可为基阶、高阶面波频散联合反演提供丰富的高阶模态频散信息.     

Extracting Rayleigh Wave Green's Functions from the Records of Temporary Seismic Stations along the Xiamen-Liancheng Line

本文利用沿厦门—连城测线布设的20个临时观测台的记录,结合近年发展起来的利用噪声提取面波格林函数的技术,提取了这20个临时观测点两两间的面波格林函数.结果表明,40天的噪声数据完全可以得到信噪比较高的面波格林函数,这可能和该测线与海岸线近似垂直,能量主要由沿海传向内陆有关.根据所有射线每天的面波格林函数随时间推移的变化,指出S04观测点在此次临时观测期间存在1.5～2.0 s的授时误差,这可很好的解释爆破观测中出现的震中距与波形到时的颠倒现象;并且,利用爆破记录的观测到时验证了“华南地区近震走时表”在该地区的适用性.     

A new stacking technique in ambient noise tomography

We have developed a new stacking technique in ambient noise tomography to obtain high-quality dispersion curves of Rayleigh waves.This technique is used to stack the vertical components of the Estimated Green Functions(EGFs) obtained respectively from cross correlation of the ambient noise data recorded by a remote seismic station and one of the short distance seismic stations of a seismic array.It is based on a phase-matched filter and is implemented by a four-step iterative process:signal compression,stacking,signal extraction and signal decompression.The iterative process ends and gives the dispersion curve of Rayleigh wave when the predicted one and the processing result converge.We have tested the method using the vertical components of synthetic Rayleigh wave records.Results show that this new stacking method is stable and it can improve the quality of dispersion curves.In addition,we have applied this method to real data.We see that the results given by our new technique are obviously better than the ones employing the traditional method which is a three-step process:signal compression,signal extraction and signal decompression.In conclusion,the new method proposed in this paper can improve the signal to noise ratio of EGFs,and can therefore potentially improve the resolution of ambient noise tomography.     

云南地区的背景弹性波场分析

利用云南省地震台网44个台站记录的2008年1-9月连续波形数据进行互相关计算,得到了台站间的格林函数,并获取对应的频散曲线,据此分析了该地区的区域背景弹性波场的来源及分布.研究发现,该地区的区域背景弹性波场有着明显的方向性,15s信号的总体传播方向是从东南向西北,也就是说主要来自云南省的东南方向,据此推测区域背景弹性...     

Ambient noise surface wave tomography of the Makran subduction zone,south-east Iran:Implications for crustal and uppermost mantle structures

Seismic ambient noise of surface wave tomography was applied to estimate Rayleigh wave empirical Green's functions(EGFs) and then to study crust and uppermost mantle structure beneath the Makran region in south-east Iran.12 months of continuous data from January 2009 through January 2010,recorded at broadband seismic stations,were analyzed.Group velocities of the fundamental mode Rayleigh wave dispersion curves were obtained from the empirical Green's functions.Multiplefilter analysis was used to plot group velocity variations at periods from 10 to 50 s.Using group velocity dispersion curves,1-D vs velocity models were calculated between several station pairs.The final results demonstrate significant agreement to known geological and tectonic features.Our tomography maps display low-velocity anomaly with SW-NE trend,comparable with volcanic arc settings of the Makran region which may be attributable to the geometry of Arabian Plate subducting beneath the overriding the Lut block.The northward subducting Arabian Plate is determined by high-velocity anomaly along the Straits of Hormuz.At short periods(20 s),there is a sharp transition boundary between low- and high-velocity transition zone with the NW trending at the western edge of Makran which is attributable to the Minab fault system.     

Estimated Green's function extracted from superconducting gravimeters and seismometers

Estimated Green's function (EGF) between stations has been extracted from ambient seismic noise, direct surface wave and coda waves. It is also confirmed by laboratory experiments on ultrasonics and theoretical derivations assuming diffusive wave field, equi-partition of modes or random sources on an enclosed surface. This method provides a new approach to study the crust and mantle structure at regional scale, continental scale and global scale. Following the achievements with seismometer records, the records of infrasonic station, hydrophone and microphone were also used to obtain the EGFs of different wave fields. Since superconducting gravimeter is a better long period instrument than regular seismometer, EGF at longer period is expected to be obtained with the cross correlation of gravity data. In this paper, we will show the EGFs extracted by cross-correlations between the superconducting gravimeters and the seismometers. Both the travel times and dispersion curves obtained from different data types are consistent. The result shows that it is possible to retrieve the deep structure by the cross correlation of gravity data.     

中国大陆中东部地区基于背景噪声的瑞利波层析成像

本研究使用了中国大陆中东部地区494个分布基本均匀的宽频带地震台站和7个中国大陆周边地区IRIS台站资料,反演得到了中东部地区高分辨率的瑞利面波层析成像结果.本文使用这些台站记录到的从2009年1月到2010年9月的垂直分量连续波形数据,首先通过对台站对间进行波形互相关和叠加运算,计算得到各台站对间的经验格林函数.然后用时频分析法提取了约125000条台站对间的频散曲线,并剔除了经验格林函数信噪比小于10的频散曲线.最后反演得到了研究区周期8~40 s、分辨率达0.5°的瑞利波群速度分布图像.不同周期的速度分布图像显示,研究区瑞利波群速度分布与地质构造特征具有较好的相关性.8~20 s的瑞利波群速度在研究区内主要盆地表现为低速分布,而在造山带呈现高速分布;25~40 s的瑞利波群速度图中,存在一条北北东-南南西向的分界线,该分界线与中国大陆东部的地壳厚度突变带基本吻合.25 s以下周期,华北平原的显著低速区形态与该地区早第三纪以来的断块分布构造一致.揭示了盆地下方介质结构强烈的非均匀性,也与较厚的沉积层分布有关.低速的四川盆地中部,显示出显著的高速特征,揭示了四川盆地下方基底的上隆特征;20 s以下周期的群速度图像中,鄂尔多斯盆地西北部速度低于东南部,揭示出其地壳中上部介质结构的横向不均匀性.     

利用背景噪声互相关观测近对跖点台站间体波格林函数

本文利用秦岭周边和南美地区的部分台站2012—2014年记录的地震事件垂直分量数据,获取了166个台站对之间的互相关函数,从中观测到了近对跖点台站之间的体波格林函数.在此基础上,我们计算了理论地震图的互相关,其结果与实际数据获得的结果很相似,推测格林函数的能量来源应主要是大地震引起的地球自由振荡.更进一步的研究表明,不同的震源机制对于互相关结果中不同震相的振幅有较大影响,走滑断层引起的地震并不能产生较好的互相关结果.通过对比不同位置台站对的互相关结果,本文认为互相关得到的体波格林函数包含了传播路径信息.     

Source time functions of the 1999, Jiji (Chi-Chi) earthquake from GDSN long period waveform data using aftershocks as empirical Green''''s functions

IntroductionA large earthquake occurred in Jiji (Chi-Chi) town of Nantou County, Taiwan, China at 17h47min on September 20, 1999 (UTC). The origin time was determined to be 17h47min19s of September 20 UTC (1h47min19s of September 21, Beijing Time). The epicenter was determined to be longitude 120.80°E and latitude 23.86°N. It was reported that 2 333 people were killed, 10 002 people were injured, and thousands of houses collapsed which made more than 100 000 people homeless (Shin, e…     

Comparison of ground truth location of earthquake from InSAR and from ambient seismic noise:A case study of the 1998 Zhangbei earthquake

Because ambient seismic noise provides estimated Greenos function (EGF) between two sites with high accuracy, Rayleigh wave propagation along the path connecting the two sites is well resolved. Therefore, earthquakes which are close to one seismic station can be well located with calibration extracting from EGF. We test two algorithms in locating the 1998 Zhangbei earthquake, one algorithm is waveform-based, and the other is traveltime-based. We first compute EGF between station ZHB (a station about 40 km away from the epicenter) and five IC/IRIS stations. With the waveform-based approach, we calculate 1D synthetic single-force Greenos functions between ZHB and other four stations, and obtain traveltime corrections by correlating synthetic Greenos functions with EGFs in period band of 10-30 s. Then we locate the earthquake by minimizing the differential travel times between observed earthquake waveform and the 1D synthetic earthquake waveforms computed with focal mechanism provided by Global CMT after traveltime correction from EGFs. This waveform-based approach yields a location which error is about 13 km away from the location observed with InSAR. With the traveltime-based approach, we begin with measuring group velocity from EGFs as well as group arrival time on observed earthquake waveforms, and then locate the earthquake by minimizing the difference between observed group arrival time and arrival time measured on EGFs. This traveltime-based approach yields accuracy of 3 km, Therefore it is feasible to achieve GT5 (ground truth location with accuracy 5 km) with ambient seismic noises. The less accuracy of the waveform-based approach was mainly caused by uncertainty of focal mechanism.     

华北地区勒夫波噪声层析成像研究

利用华北地震科学台阵200个流动地震台站、14个月的连续波形数据,通过互相关方法提取了勒夫波的经验格林函数,使用多重滤波方法测量了5229条勒夫波的群速度频散曲线,采用噪声层析成像方法得到了研究区域4~30 s的勒夫波群速度分布图像,横向分辨率在多数区域可以达到0.25°×0.25°. 层析成像结果显示,短周期的群速度分布特征与地表地质和构造特征基本一致,华北盆地和山西断陷带内的盆地呈现低速异常,燕山隆起和太行山隆起表现为高速异常;中周期的群速度分布图揭示了华北盆地内部隆起和坳陷的空间分布范围及沉积层的厚度差异. 勒夫波频散曲线具有明显的分区特征,太行山隆起、燕山隆起和鄂尔多斯块体东北缘的频散曲线形态基本一致,和其它典型克拉通相似;张渤地震带和山西裂谷盆地的频散曲线基本一致,接近于埃塞俄比亚裂谷. 中西部块体的平均频散曲线和其它典型克拉通相似,而东部块体的频散曲线和中西部块体存在较大差异,且低于其它典型克拉通,表明东部块体的地壳受到了强烈的破坏和改造,而中西部块体受改造的程度较低,仍具有稳定克拉通的物理性质. 太行山重力梯度带的东西两侧在地形地貌、速度结构、频散特征、地壳厚度、岩石圈厚度以及地幔过渡带厚度均存在显著差异,是划分华北克拉通破坏空间范围的一条重要界线,推测华北克拉通的破坏范围主要在太行山重力梯度带以东.