兰州地震台阵环境噪声调研分析

随着我国社会经济的发展,地震台站观测环境破坏日益严重。对兰州地震台阵环境噪声进行调研,定量分析并提供该台阵与国际标注各大干扰源的直线距离,以充分了解各干扰源对地震台阵的影响程度。结果发现,兰州地震台阵目前基本达到Ⅰ级台站环境噪声水平,满足台阵观测条件。     

龙门山断裂带中上地壳速度结构的短周期环境噪声成像

本文利用在龙门山断裂带周边布设的57个台站自2008年11月至2009年11月为期一年的垂直分量连续地震环境噪声数据,通过短周期地震环境噪声成像方法,获得了龙门山断裂带中北段地壳25 km深度范围的S波精细速度结构.结果表明: (1)龙门山断裂带周边区域10 km以上的速度结构与地表断裂的分布形态具有良好的一致性,速度结构控制了龙门山主要断层的深部延展特征;在15 km及以下深度,S波速度结构呈现沿龙门山和沿岷山隆起走向的交叉构造格局,由此造成的速度结构差异可能影响了汶川地震的破裂过程; (2)速度结构随深度的分布特征为龙门山断裂带主要断层的深部延伸形态给出了良好的约束,结果进一步确认了龙门山断裂中段的高角度铲型断裂构造特征; (3)研究区的南端发现了龙门山断裂下方20 km以下深度具有与松潘地块中地壳低速层相关的低速结构的迹象,这可能是汶川地震破裂带南段22 km左右深度存在脆韧转换带的一个证据.研究结果显示出密集台阵和短周期环境噪声成像方法在地壳浅部精细结构和断层探测研究中具有巨大潜力.     

海拉尔地震台阵噪声源调查

利用海拉尔地震台阵位置资料,选取台阵半径50 km范围,通过实地摸排和GPS仪定位方法,判断台阵周围有无国际标注的各大噪声源,同时计算噪声源与台阵的距离,分析台阵所属9个子台环境噪声水平,并将现今噪声功率谱与2000年时进行对比,汇总结果,并对台阵环境噪声水平进行评价。结果表明,海拉尔地震台阵周围有6类噪声源,其中工业设施和公共交通对台阵噪声水平的影响集中在高频段,但对监测能力影响不大;根据地震计安放位置与干扰源的最小距离进行评价,得出7个子台噪声源水平达到Ⅰ级台站环境地噪声水平,B₄、B₅子台处于Ⅱ级台站环境地噪声水平,台阵噪声水平总体处于良好状态,不影响仪器的正常运行。     

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.     

华北地区基于噪声的瑞利面波群速度层析成像

本文利用华北地震科学台阵2007年1~4月份、190个宽频带和10个甚宽带垂直分量的地震噪声数据,通过互相关方法提取了瑞利面波的经验格林函数,用多重滤波方法测量了瑞利面波的群速度频散曲线.我们将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,利用噪声层析成像方法得到了研究区域7 s、12 s、16 s、23 s的瑞利面波群速度分布图像,所得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,短周期的群速度分布同地表地质结构、地形密切相关;华北地区的地壳结构具有明显的横向不均匀性,华北盆地及山间的沉积盆地显示出低速异常,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区,呈现高速异常;多数强震(M≥6.0级)都发生在高群速度与低群速度的过渡地带.     

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．     

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.     

西北太平洋海岛地区地震背景噪声特征及海洋学解释

地震背景噪声特性及噪声源的分布研究逐渐成为深化背景噪声层析成像的关键问题.海岛地区由于特殊的地理位置,其背景噪声具有相对独特的特征.地脉动（约0.003~1 Hz）是地震背景噪声中能量最强的分量,其激发与特性被认为与海浪运动和固体地球之间的相互作用有关,但海岛地区地脉动特征与海洋波浪场之间的关系尚未被充分研究.本文利用西北太平洋海岛地震台站的连续记录数据、波浪浮标的实测数据以及WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式的数值模拟结果,通过地震学和海洋学的交叉,分析海岛地区地脉动信号的时频特性及其与海洋波浪场之间的相关性,从海洋学角度对地脉动信号的特征及激发进行探讨与解释.结果表明,海岛地区地脉动信号相对于内陆地区更强,并具有明显且稳定的季节性变化特征：高频地脉动信号（0.12~0.32 Hz）在夏秋季节（5月-10月）相对较弱,而在冬春季节（11月-次年4月）相对较强,与北半球海洋活动季节性变化相一致.此外,海岛地区地脉动主要受周边海域波浪场影响,与周边海域波浪能功率密度及实测和数值模拟所得的有效波高均具有很好的互相关性.该研究结果同时表明可进一步发展利用地脉动观测数据反演海表波浪场的可能,为海洋科学研究中海表波浪场连续观测数据的获取提供地震学上的支持.

     

Statistical analysis of background noise in seismic prospecting

From a conventional viewpoint, seismic‐prospecting background noise is usually regarded as the product of a stationary and Gaussian stochastic process. In this paper, we use statistical methods to investigate the properties of the land‐seismic‐prospecting background noise on stationarity, Gaussianity, power spectral density, and spatial correlation. We use and analyse the passive noise records collected by receiver arrays at different typical geological environments (desert, steppe, and mountainous regions). Differences exist in the statistical properties of the background noise from different geological environments, but we still find some common characteristics. It is shown that the background noise is not strictly stationary and has different stationary properties over different timescales. Most of the noise records appear to be a Gaussian process when examined over a period of about 20 s but are found to be non‐Gaussian when examined over shorter periods of about 1 s. The background noise is a kind of colored noise, and its energy mainly concentrates in the low‐frequency bands. We also find that the spatial correlation of the background noise is weak. The results of this paper provide a scientific understanding about the properties of seismic‐prospecting background noise.     

Artificial Neural Network Prediction of Tropospheric Ozone Concentrations in Istanbul,Turkey

Tropospheric (ground‐level) ozone has adverse effects on human health and environment. In this study, next day's maximum 1‐h average ozone concentrations in Istanbul were predicted using multi‐layer perceptron (MLP) type artificial neural networks (ANNs). Nine meteorological parameters and nine air pollutant concentrations were utilized as inputs. The total 578 datasets were divided into three groups: training, cross‐validation, and testing. When all the 18 inputs were used, the best performance was obtained with a network containing one hidden layer with 24 neurons. The transfer function was hyperbolic tangent. The correlation coefficient (R), mean absolute error (MAE), root mean squared error (RMSE), and index of agreement or Willmott's Index (d₂) for the testing data were 0.90, 8.78 µg/m³, 11.15 µg/m³, and 0.95, respectively. Sensitivity analysis has indicated that the persistence information (current day's maximum and average ozone concentrations), NO concentration, average temperature, PM₁₀, maximum temperature, sunshine time, wind direction, and solar radiation were the most important input parameters. The values of R, MAE, RMSE, and d₂ did not change considerably for the MLP model using only these nine inputs. The performances of the MLP models were compared with those of regression models (i.e., multiple linear regression and multiple non‐linear regression). It has been found that there was no significant difference between the ANN and regression modeling techniques for the forecasting of ozone concentrations in Istanbul.     

新疆和田台阵PSD与PDF分析

和田台阵是我国第一个自主建成并运行至今的小孔径台阵,承担着监测印巴地区核试验以及我国西部地震活动的重要使命.台阵波形数据中充斥着背景噪声,直接影响着数据质量.为了评估台阵噪声水平,本文利用Welch平均周期法对9个子台记录的数十万条噪声样本进行功率谱估计,对出现的谱异常进行了总结归纳,通过绘制概率密度函数图以及单频曲线来研究背景噪声变化范围和规律,最后针对台阵降噪提出了建设性意见.研究结果表明,中心台长周期噪声功率谱密度随季节变化显著,具有周期性;受温度和气压影响,水平分量长周期噪声变化幅度较大,局部频段超出新高噪声模型,建议改善仪器安装条件,或者利用数学方法进行校正.所有子台短周期噪声变化规律与长周期相反,受到采石场影响,谱密度曲线在4~8 Hz之间出现形态规则的高频尖刺,A1、B3、B4子台最为明显,可以通过窄带滤波或者聚束予以压制.本文取得的研究成果为台阵运维提供重要依据,除此之外,总结出的不同地震频谱特征也为地震解释工作提供重要参考.

     

地震噪声异常实时监测

本文以福建省85个测震台站2012年全年噪声资料中的垂直向记录作为研究对象,将噪声记录以每5min为单位进行分段,求出每小段的功率谱,应用概率分布函数方法绘出台站的PDF图,之后利用网格概率法确定出台站的高低噪声参照线。另外,以85个台站的PDF图为基础,将噪声异常分成缺数异常、低噪处异常、高噪处异常、中噪处异常等4类。依据4类异常的特征分别找出每一类异常的遴选方法,再将这4种挑选方法相结合形成地震噪声实时监测系统。选取福建省85个测震台站2013年7月份的噪声记录进行验证,结果表明:85个台站应用地震噪声实时监测系统识别出来的异常正确率都达到90%以上,遴选效果很好,可用于对台站噪声实时监测。     

沙漠地区地震勘探随机噪声建模及其在噪声压制中的应用

随机噪声是影响地震勘探有效信号的主要因素,其存在大大降低了地震记录的信噪比.在噪声压制方法不断被改进的同时,对随机噪声特性进行研究,了解噪声的产生机制是对其进行压制的先决条件,目前对噪声的研究主要是特性研究以寻找规律性,对其进行定性定量的分析还比较少.本文根据塔里木沙漠地区实际采集环境,考虑到噪声的连续性给计算带来的不便,假设各类噪声源以点源的形式分布在检波器周围,依据相应理论确定各类噪声源的源函数,其激发的噪声经由波动方程传播,将随机噪声作为各类噪声源共同作用的综合波场,建立随机噪声的理论模型.通过分析不同种噪声对地震记录的影响,选取合适的滤波方法对其进行压制,实验结果表明,通过建立沙漠地区随机噪声的理论模型,为选择有效的滤波方法,提高地震记录信噪比起到理论指导作用.     

Local-scale cross-correlation of seismic noise from the Calico fault experiment

Most studies of seismic noise cross-correlation (NCC) have focused on regional/continental scale imaging using empirical surface-wave Green’s functions extracted from primary (0.05–0.08 Hz) and secondary (0.1–0.16 Hz) microseisms. In this work, we present the NCC results at higher frequencies (>0.5 Hz) from 6 months seismic noise recorded by a local array (~4 km aperture) deployed along the Calico fault in the Mojave Desert, California. Both fast and slow propagating waves are observed from the NCC record-sections. We compare the NCCs from sensor pairs that share a common sensor with the records of a borehole shot located very close to this common sensor. The result shows a good match of the slow surface-wave arrivals, indicating that the NCC method is able to recover unbiased surface-wave Green’s functions at local scales. The strong body-wave NCC component is caused by the P waves generated offshore California. Along a SW–NE profile across the fault, we observe apparent P-wave arrivals and their reflections, which can be explained by a low-velocity-zone (LVZ) along the Calico fault. We calculate the LVZ width to be ~ 2.3 km, and the P-wave velocity reduction within the LVZ to be ~35 %. These estimates are consistent with other evidence for a relatively wide LVZ along the Calico fault.     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.

     

漳州地震台阵背景噪声的特性研究

对2007年10~12月在福建省漳州地区进行的勘址观测数据进行了分析,采用了均方根、功率谱、相干函数等方法对漳州地区的地震背景噪声水平进行了研究。研究结果表明,漳州台阵内环半径参考值为510m,外环半径参考值为1700m。滨临海边的台阵勘址测点噪声水平偏高,并在1.5、5.0Hz处发现明显噪声源。1.5Hz噪声源主要来自水库地区的大风引起的水波,5.0Hz噪声源来自台阵场地东北方向的发电厂。     

基于方向可控滤波的地震勘探随机噪声压制

针对地震勘探随机噪声的压制,本文应用拉伸厄米特高斯函数设计出方向可控滤波器.根据时空域上随机噪声的无方向性与有效信号的有向性的区别,通过局部数字特征,对数据进行选择后重组信号.方向选择性的增加,使得滤波过程能与不同方向的轴进行匹配,噪声被压制的同时保持信号的幅度;方向可调性,使得计算效率提高,且所需存储空间减少.仿真实验表明,采用此方法,信号保幅性和去噪效果均比传统的小波算法以及Curvelet变换好,在-5 db信噪比下,本文方法保幅度为92.99%,信噪比提升221.774%,在实际地震信号处理中有明显的抑制噪声、保持有用信号的效果.     

基于模拟退火法的青藏高原东缘噪声层析成像研究

青藏高原是全球造山带研究的热点地区,此前在青藏高原开展的三维层析成像研究大多基于线性反演方法.本文利用青藏高原东缘及邻区布设的127个宽频带固定地震台站记录的连续波形资料,首先通过噪声互相关提取了3~50 s Rayleigh波群速度频散曲线并反演得到群速度分布,再进一步采用模拟退火法反演了研究区的三维S波速度及泊松比结构.结果显示：（1）松潘—甘孜地块的中下地壳低速异常主要分布在龙日坝断裂带、鲜水河断裂带、龙门山断裂带和岷山隆起所围限的区域,而该区域的中下地壳仅具有中等泊松比值,推测松潘—甘孜地块中下地壳的低速物质可能是青藏高原与扬子块体长期相互作用产生的塑性低速滑脱层;上地壳脆性物质在板块作用下沿中地壳低速滑脱层顶界面发生逆冲增厚,造成龙门山的持续抬升和地形起伏,并在构造边界带形成了应变积累和应力集中;而龙门山断裂带的上地壳低速软弱物质为地壳发生破裂提供了有利条件,从而在某种程度上促进了汶川地震和芦山地震的发生.（2）岷山隆起一带中下地壳的高泊松比异常呈"凸起"形态,结合前人研究发现的较高热流和岩石快速抬升现象,推测岷山隆起一带可能存在岩石圈的拆沉,导致地幔热物质上涌而形成下地壳高泊松比物质.（3）川滇地块的北部和南部具有不同的S波速度和泊松比分布特征.30 km深度下川滇地块北部具有明显的低速异常,而该深度下并不具有明显的高泊松比值特征;此外剖面成像结果也显示川滇地块内的低速异常与高泊松比的分布不一致,因此川滇地块的研究结果不支持下地壳流模型.综合其他地震学证据,本文认为川滇地块的变形模式为上地壳纯剪切增厚,块体变形主要受块体内部的走滑断裂及活动边界断裂控制.     

流动地震观测背景噪声的台基响应

大规模流动地震台阵技术发展为高分辨率深部结构成像提供了重要基础,背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素. 为掌握流动地震观测噪声规律,发展流动地震观测降噪技术, 编制流动地震观测技术规范, 我们开展了针对不同台基流动地震观测背景噪声的观测实验与分析. 其中,山西省临汾市五个地点架设了共22个对比观测台站, 进行了超过一年半的连续观测. 通过计算不同频段范围内背景噪声记录的加速度功率谱密度, 研究了不同场地条件和环境噪声下流动地震观测台站的噪声特征及其台基响应,分析了不同台基处理方式对噪声的抑制效果. 结果表明:(1)高频人为噪声和长周期自然噪声是影响流动地震观测质量的主要噪声, 可以通过增加台基深度和改善台基处理方式等方法降低其影响; (2)增加台基深度能有效地降低长周期噪声和高频噪声, 2 m深坑能使高人为噪声台站各分量的高频频段和长周期频段分别降低5 dB和10 dB; (3)由于其不稳定性, 沙子台基的水平分量在长周期频段一般要高于摆墩台基5 dB, 流动地震观测中推荐使用摆墩台基; (4) 台站位置、台站内部温度和空气流动都是影响台站噪声的重要因素. 在此基础上提出了不同场地条件和噪声环境下的台基处理建议和适合国情的移动地震台阵台站建设参考方案, 有助于流动地震观测野外工作的标准化和规范化.     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.