大孔径地震台阵噪声互相关函数中体波信号的研究——以ChinArray二期数据为例

本文利用ChinArray二期大孔径台阵677个台站2013年10月至2016年4月期间的垂直分量记录,计算了不同路径上的噪声互相关函数（Noise Cross-correlation Function,NCF）,观测到4~8 s和8~12 s频带内的NCF零时附近存在显著的高视速度信号.基于NCF的慢度聚束分析表明,这些信号由背景噪声中的远震P、PP和PKPbc波干涉产生,且以P波能量为主.位置聚束图像表明,P波类型的噪声源主要分布在北大西洋、北太平洋和南大洋凯尔盖朗深海高原,其位置对应于平均海浪波高较高的区域.同时,在阿拉斯加海岸及澳大利亚附近海域也存在P波噪声源.利用已识别的P波噪声源位置,计算了其在NCF中产生的干涉信号理论到时,结果与实际观测一致.

     

大孔径地震台阵噪声互相关函数中体波信号的研究——以ChinArray二期数据为例

本文利用ChinArray二期大孔径台阵677个台站2013年10月至2016年4月期间的垂直分量记录,计算了不同路径上的噪声互相关函数（Noise Cross-correlation Function,NCF）,观测到4~8 s和8~12 s频带内的NCF零时附近存在显著的高视速度信号.基于NCF的慢度聚束分析表明,这些信号由背景噪声中的远震P、PP和PKPbc波干涉产生,且以P波能量为主.位置聚束图像表明,P波类型的噪声源主要分布在北大西洋、北太平洋和南大洋凯尔盖朗深海高原,其位置对应于平均海浪波高较高的区域.同时,在阿拉斯加海岸及澳大利亚附近海域也存在P波噪声源.利用已识别的P波噪声源位置,计算了其在NCF中产生的干涉信号理论到时,结果与实际观测一致.     

中国中东部地震台站噪声互相关函数中面波前驱信号的分析研究

利用中国中东部地震台网中430个宽频带台站2008和2009两年的垂直分量记录,我们计算了台站对之间的噪声互相关函数(Noise Cross-correlation Function,NCF).在相当多的NCF中,沿大圆路径传播的瑞利面波信号之前存在一个较强的前驱信号,该信号持续时间约50 s,频率范围为0.07~0.12 Hz.此信号在同一台站对的NCF中稳定存在、到时相同,而在不同台站对的NCF中到时不一致,这表明该信号可能源于一个固定的较小区域内持续存在的噪声源.基于格点搜索方法的定位结果显示该噪声源位于日本九州岛附近,其激发出的信号传播速度约2.7 km/s.假定该信号由一点产生,我们计算了合成地震图,合成地震图与观测到的前驱信号基本一致,验证了定位结果的可靠性.此噪声源会对特定路径上的面波信号产生干扰,在相关研究中需要采取一定措施避免.该噪声源的物理机制有待于进一步的研究.     

地震背景噪声互相关函数的面波理论表达形式

基于弹性动力学面波激发公式推导出地震背景噪声互相关函数(简称为NCF)的理论表达形式. 证明了NCF等价于面波的震源激发公式, 其中一个台站为等价震源的位置, 另一个台站为接收点. 本文提出的最重要的概念是等价震源相位, 它直接影响群速度与相速度的测量误差. 在噪声源均匀分布的条件下, 等价震源相位等于-π/4. 一般情况下, 等价震源相位与噪声源分布有关, 而不是简单的常数. 在大信噪比的条件下,等价震源相位的最大可能取值等于信噪比的倒数. 本文详细讨论了利用三台法测量相速度的可能性, 并且给出了估算等价震源相位以及相速度测量误差的公式.     

汶川震中区震后波速变化——基于三分量噪声互相关的结果

利用地震背景噪声互相关研究地下介质波速随时间变化是目前地震学的研究热点之一.对于2008年汶川地震引起的地下介质变化多个研究组也用噪声互相关进行了研究,观测到发震断层附近的龙门山地区和四川盆地出现明显的同震波速降低.     

基于背景噪声互相关格林函数的 单台时间误差估计

从江苏省数字地震台网2011年的宽频带记录数据中, 选取了不同背景噪声区域下的两组不同台间距的台站(A, B每组4个台站), 两组台站的平均台间距分别为44.6和30.5 km. 首先, 运用滑动窗互相关技术, 测量出各台站对间背景噪声互相关格林函数随时间的偏移量ΔD_Si-Sj, 然后通过奇异值分解来求解由ΔD_Si-Sj与系数矩阵构成的超定方程, 从而计算出单个台站的时钟误差ΔS_i;并引入协方差矩阵来估计不同置信水平下计算结果的误差范围. 计算结果表明, 除去明显的钟差误差(>3 s)外, 8个台站的时间误差平均均方根为0.4215 s, A与B两组台站在置信水平为95%时的时间误差范围分别为±0.4544 s和±0.4283 s; 而采用HYPOSAT定位方法对2010—2011年江苏地区的地震进行定位, 得到的平均走时残差约为0.386 s. 两者的计算精度基本相当, 表明基于背景噪声互相关格林函数计算出的单台时间误差是可信的.     

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

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.     

台阵和噪声源分布对微动成像的影响及其在盐矿溶腔探测中的应用

随着节点地震仪的发展, 被动源地震成像方法在不同尺度的地下结构成像中得到了越来越广泛的应用.对于小尺度浅地表成像, 因高频噪声源时空分布不均, 一般采用基于台阵平均的方法, 即所谓的微动成像方法提取高频被动源面波频散数据, 但是不同类型的台阵一定程度上也会受到噪声源分布不均匀的影响.本文以水溶型盐矿溶腔探测为例, 通过实测数据较为系统地分析了不同台阵的响应函数及其对噪声源方向不均匀性的适应能力.研究发现, 当噪声源分布不均时, 三角形台阵可以获得更可靠的频散数据, 但对应的数据采集效率较低, 而其他类型的台阵虽然布设相对简便, 但是提取的相速度与真实速度存在较大的误差.当线性台阵和噪声源方位一致时, 可以提取与三角形台阵一致甚至更好的频散数据.在这个基础上, 我们分别采用三角形台阵和考虑噪声源的线性台阵在湘衡盐矿开展了两条剖面的数据采集, 并利用适应性更好的扩展空间自相关方法(ESPAC)计算面波频散数据.最后, 利用蒙特卡洛方法生成的随机初始模型进行了频散数据反演, 获得研究区600 m以浅的横波速度结构, 并刻画了盐溶腔的发育位置和空间分布形态.

     

基于云计算的九分量噪声互相关函数计算及其在China Array密集台阵数据的应用

提出一种基于云计算的九分量噪声互相关函数的计算方法,可以利用弹性的云计算服务,实现海量噪声互相关函数计算的分解和加速。本文将此技术应用于"中国地震科学台阵探测——南北地震带北段"674个宽频带台站2014~2015年的三分量连续记录,获取了所有台站间的九分量噪声互相关函数。总体计算共完成了约22万条台站对路径上近14.9亿条单天互相关函数的计算,整体平均耗时约为10.2h,完成等量计算,传统计算模式需要耗时近6个月,基于云计算的NCF计算技术实现了近400倍的加速,并可以弹性地扩充。分析了所得九分量噪声互相关函数中瑞利面波的ZH振幅比,并与天然地震中瑞利面波的振幅比进行了比较,验证了计算结果的可靠性。基于云计算的噪声互相关函数计算方法,为利用现代计算技术处理海量数据提供了重要参考。     

千岛湖叶绿素a的时空分布及其与影响因子的相关分析

为了解千岛湖在大量放养鲢鳙鱼后叶绿素a的时空分布格局及其与主要环境因子的相关性,本文于2007年1月至2009年12月对千岛湖叶绿素a及其他10个水质理化指标进行了每月定期采样及监测.结果表明:上游河流区和过渡区叶绿素a含量存在明显的季节变化,其共同特点是每年会形成春季和夏末秋初的双高峰.叶绿素a含量在空间分布上具有一...     

利用背景噪声互相关方法研究唐山地区地震波速变化

本文使用唐山地区部分数字地震观测台网2013年1月~2015年12月的连续背景噪声记录, 采用波形互相关方法来监测研究区地下物性介质随时间的变化特征。 首先采用背景噪声互相关技术获取台站间的经验格林函数, 然后通过观测台站对之间参考经验格林函数和当天格林函数中直达的瑞利波走时偏移来计算台站对之间的瑞利波速时空变化。 结果显示, 在2013年1月至2015年12月期间, 大部分台站对的瑞利波速度未发生明显改变, 预示着唐山地区中上地壳的物性介质处于相对稳定阶段。 但是, 部分台站对之间的瑞利波速在2015年9月14日昌黎M_L4.7地震前出现上升变化, 而震后随着时间的流逝又慢慢恢复到背景值附近波动。 目前, 虽然难以确定瑞利波速的震前上升变化跟震源区的应力积累过程有直接关系, 但这种现象值得持续关注和深入研究。     

华北科学探测台阵背景噪声特征分析

利用华北科学探测台阵180多个宽频带台站2007年的连续记录,得到了台站之间噪声互相关函数.通过对三个分量记录的相关运算,获得了Rayleigh波和Love波的经验格林函数,分析了其信噪比随周期的变化和高信噪比台站对的方位分布.利用经验格林函数的非对称性和聚束方法,研究了华北科学探测台阵地震噪声的方位分布,及其季节变化特征.尽管噪声源的分布随季节有轻微变化,但全年的分析结果表明,10～32 s周期内华北台阵的地震噪声源在各个方向上的分布近于均匀,这为利用噪声成像提供了理论前提.     

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.     

Assessing underwater noise levels during pile-driving at an offshore windfarm and its potential effects on marine mammals

Marine renewable developments have raised concerns over impacts of underwater noise on marine species, particularly from pile-driving for wind turbines. Environmental assessments typically use generic sound propagation models, but empirical tests of these models are lacking. In 2006, two 5 MW wind turbines were installed off NE Scotland. The turbines were in deep (>40 m) water, 25 km from the Moray Firth Special Area of Conservation (SAC), potentially affecting a protected population of bottlenose dolphins. We measured pile-driving noise at distances of 0.1 (maximum broadband peak to peak sound level 205 dB re 1 μPa) to 80 km (no longer distinguishable above background noise). These sound levels were related to noise exposure criteria for marine mammals to assess possible effects. For bottlenose dolphins, auditory injury would only have occurred within 100 m of the pile-driving and behavioural disturbance, defined as modifications in behaviour, could have occurred up to 50 km away.     

南海地区地震背景噪声成像与壳幔深部结构

利用南海地区28个陆地地震台站和2个布设于太平岛和东沙岛的新增海岛地震台站2011—2016年间的连续地震背景噪声波形数据,使用互相关方法计算得到了台站间的互相关函数,并提取出Rayleigh面波群速度和相速度频散曲线.采用快速行进和子空间方法反演获得了南海及周边地区12~40 s周期的Rayleigh面波群速度和相速度图像,并联合反演得到了研究区深至60 km的三维S波速度结构.考虑到南海数千米厚海水层对于面波频散反演的严重影响,本文在反演模型中加入了水层,显著提高了反演结果的可靠性.成像结果表明：南海及周边地区地壳上地幔顶部S波速度结构存在显著的横向不均匀性,并与这一区域的主要构造单元具有较好的空间对应关系.在5~10 km深度,莺歌海—宋红盆地区的低速异常特征可能与盆地较厚的沉积层有关.在5~15 km深度,海域高速异常区与海盆空间位置具有高度一致性,推测与海盆区地壳厚度相对陆缘区明显偏薄有关.当深度从20 km增加至30 km,海盆区的高速特征扩展至了陆缘地区,反映了地壳厚度从海盆至陆缘逐渐增厚的趋势,与OBS（海底地震仪）深地震剖面给出的地壳精细结构结果一致.至35~60 km深度,海盆的高速异常特征依然明显,且速度值随深度增加整体呈现上升的趋势,推测南海海盆区的岩石圈厚度应该大于60 km.

     

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.

     

Effect of uneven noise source and/or station distribution on estimating the azimuth anisotropy of surface waves

With the development of the dense array, the surface wave velocity and azimuthal anisotropy under the array can be directly obtained by beamforming the noise cross-correlation functions (NCFs). However, the retrieval of the Green's function by cross-correlating the seismic noise requires that the noise source has a uniform distribution. For the case with uneven noise source, the azimuthal dependence on the sources in the expression for the spatial coherence function, which corresponds to the NCF in the time domain, has the same form as the azimuthal dependence of the surface wave velocity in weakly anisotropic media. Therefore, the uneven noise source will affect the surface wave anisotropy extraction. In this study, three passive seismic methods, i.e., beamforming, SPAC (spatial autocorrelation), and NCF, are compared to demonstrate that an uneven source distribution and uneven station distribution have equivalent effects on the outcome from each method. A beamforming method is proposed to directly extract the velocity and azimuthal anisotropy of surface waves. The effect of uneven noise source and/or station distribution on estimating the azimuth anisotropy of surface waves was investigated using data from the ChinArray Phase II. A method for correcting the apparent anisotropy in beamforming results caused by an uneven station distribution is suggested.     

西准噶尔地区地震背景噪声源分析

西准噶尔是我国大陆远离海岸带最远的地区.利用频率域聚束（或称f-k分析）方法对布设在西准噶尔地区的两个不同尺度的三分量宽频地震台阵61天和31天的连续记录分别进行了低、高频背景噪声源分析.通过台阵响应函数的计算,确定了分析背景噪声源的最佳频带范围分别为0.04~0.1 Hz和0.5~3 Hz.对于低频背景噪声,分析了初次地脉动的震源,结果说明西准噶尔大尺度台阵（WJLA）在观测时间范围内可以接收到来自亚欧大陆周边几个海洋活动强烈的海岸带的背景噪声,尤其以来自北太平洋西海岸带和北大西洋东海岸带的信号最强.通过分析由两个强温带气旋引起的北大西洋的海浪剧烈运动产生的地脉动信号,证明了这两个强温带气旋与北大西洋东海岸带相互作用的区域有所不同,并发现了当这两个强温带气旋结束后,该海域依然会在较长的一段时间内保持活跃状态.对于高频背景噪声,在1~2.5 Hz频带范围内有一个持续而稳定的噪声源,来自于西准噶尔小尺度台阵（WJSA）中心北偏东60°方向,主要由克拉玛依市区及附近的人类活动产生;除此之外,在较低频段有时还会在270°~300°方位产生一个能量相对更强的噪声源,其信号传播速度更快,分析认为该类震源为测区西北部的多个矿山的采矿活动.本项实验研究证明：即使在远离海岸带的我国西北部地区,背景噪声仍具有足够强的信号,但噪声来源存在强烈的方向性,因此在该地区利用背景噪声对地球内部进行成像时,需要考虑噪声源方位特性对成像的影响.