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.

     

由环境应力值寻找地震危险区的尝试

作者根据位错理论,采用二维矩形破裂模式,在导出了平均震源速度谱的基础上,导出了用地震波计算环境剪应力τ_0的公式。计算了1987—1991年中国和邻区大约1000多次4级以上中强地震的环境剪应力值τ_0,并把τ_0≥10MPa的地震看作是高剪应力值地震。自1987—1991年5年内,我国及邻区共发生M_s≥6.0的强震45次,和160余次高剪应力中强地震(M=4.0-5.0,τ_0≥10MPa),大约有1/4的强震和1/3的高应力值地震发生在台湾地区。说明台湾地区是一个高地震活动区和高应力值地区。新疆的喀什—乌恰—乌什地区也是高地震活动区和高应力值地区。我们对发生在其地区的强震,向前追溯了环境应力值τ_0的变化。发现有11个强震事件(约占全部事件80%)在震前1—5年内,在以强震为圆心,半径为200km范围内(个别略远),均有1—2个或多个高应力值地震出现。说明当高应力值地震发生时,该地区环境应力在增高,它可以作为将要发生强震的前兆。据此,推测了今后3年内大陆强震发生的可能地区是:①中印缅三国边境地区;②西藏波密地区;③青海北部到宁夏北部地区;④新疆伊宁地区;⑤纵贯新青藏90°E±2°线地带;⑥晋北忻州地区;⑦苏北及黄海地区;⑧山东长岛地区。     

Fault detection by reflected surface waves based on ambient noise interferometry

Detecting subsurface fault structure is important for evaluating potential earthquake risks associated with active faults. In this study, we propose a new method to detect faults using reflected surface waves observed in ambient noise cross correlation functions. Ambient noise tomography using direct surface waves obtained from ambient noise interferometry has been widely used to characterize active fault zones. In cases where a strong velocity contrast exists across the fault interface, fault-reflected surface waves are expected. We test this idea using a linear array deployed in the Suqian segment of Tanlu fault zone in Eastern China. The fault-reflected surface waves can be clearly seen in the cross-correlation functions of the ambient noise data, and the spatial position of the fault on the surface is close to the stations where the reflected signals first appear. Potentially reflected surface waves could also be used to infer the dip angle, fault zone thickness and the degree of velocity contrast across the fault by comparing synthetic and observed waveforms.     

Correlation between damage distribution and ambient noise H/V spectral ratio: the SESAME project results

In the framework of the SESAME project one of the tasks was the compilation of all available ambient noise measurements within urban environments affected by historical or/and recent strong earthquakes in Europe. The aim of such a task was to give an answer to the question; “How does horizontal-to-vertical ambient noise spectral ratio compare with damage in modern cities?”. For this purpose five European urban areas, namely, Angra do Heroismo (Portugal), Fabriano and Palermo (Italy), Thessaloniki and Kalamata (Greece) were selected for which spatial damage information was available either in terms of modified Mercalli intensity or in EMS98 damage grades. The geological setting of the examined sites as well as the causative earthquakes are satisfactorily known. Ambient noise recordings compiled for all examined sites have been homogeneously processed by a technique developed and agreed upon SESAME project. Using a standard multivariate statistical analysis, namely, factor analysis and canonical correlation, the horizontal-to-vertical ambient noise spectral ratio (HVNSR) is correlated with damage pattern observed within examined urban areas. Results show that, in some cases (Thessaloniki, Palermo), the HVNSR seems to be able to differentiate between areas previously shown to be associated with higher damage. In other cases however (Angra do Heroismo, Fabriano, Kalamata), the correlation is not statistically significant indicating thus the complex character of the parameters involved, implying that currently there is no a straightforward way that a value of HVNSR can correctly predict the extent to which a given region will be associated with increased damage.     

福建及其邻区背景噪声面波群速度层析成像

基于福建及邻区108个宽频带地震台站2016年6月到7月两个月垂直和水平分量波形连续记录, 利用相位加权叠加算法提高信噪比, 计算得到108个台站对的高质量经验格林函数。 对所获取的经验格林函数, 采用时频分析的方法在1~20 s频段内量取了大量高质量的Rayleigh波和Love波群速度频散数据。 在此基础上, 采用基于射线追踪的二维层析成像方法反演得到了福建及其邻区1~20 s的Rayleigh波和Love波群速度分布。 分辨率测试结果表明群速度分布的分辨率能达50 km。 成像结果显示1~10 s的群速度分布与地壳中上部地质特征有很好的一致性, 区内的福州盆地和漳州盆地在浅层结构中表现出明显的低速异常。 长周期的群速度则揭示了漳州西北的高地热区内中下地壳低速体, 政和-大埔断裂两侧的速度差异, 表明其可能是一个深大断裂, 并呈现明显的东西差异。     

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.

     

利用随机噪声研究华南地区瑞利波相速度特征

基于2009~2010年国家、区域测震台网的387个宽频带台站数据,通过互相关方法提取到可靠的瑞利波经验格林函数,利用相位匹配滤波时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线,最后采用噪声层析成像方法获得了华南地区不同周期的瑞利波相速度分布图。结果显示,华南地区速度结构横向变化幅度较小,反映了华南地区作为一个整体较为稳定,与华南地区自晚中生代以来未发生过强烈构造活动的特征基本一致;虽然华南地区整个岩石圈速度结构较为均匀,但扬子块体西部、四川盆地与扬子块体东部、华夏块体间存在明显的速度差异,体现在周期为8~10s时华夏块体相速度大于扬子块体西部、川滇块体以及四川盆地,由于沉积层较厚四川盆地速度最低;周期为10~30s时华夏块体面波相速度大于扬子块体西部和四川盆地,而川滇块体速度最低;周期为35s时扬子块体、华夏块体、四川盆地的速度基本一致,且高于川滇块体,这与华南地区地壳厚度明显小于川滇块体的特征相符。     

安宁河-则木河断裂带及周边地区Rayleigh波群速度背景噪声成像研究

安宁河-则木河断裂带位于川滇地块、巴颜喀拉地块和华南地块的交接部位,是川滇菱形块体的东部重要边界。利用布设在安宁河-则木河断裂带周边区域的西昌台阵和川西台阵均历时两年、共187个宽频带地震台站的垂直分量的背景噪声数据,采用噪声层析成像方法获得了这一区域4~20s的Rayleigh波群速度分布图像。与前人研究相比,本文结果的横向分辨率有明显改进,在安宁河-则木河断裂带可达20km左右,在其它区域可以达到20~40km。成像结果表明,安宁河-则木河断裂地区上地壳的速度结构存在明显横向不均匀性,速度分布特征与地表地质构造基本一致,不同周期的速度分布变化较小。盐源盆地、西昌盆地和四川盆地西南缘表现为低速异常。九龙附近和南部的德昌-盐边-巧家附近表现为高速异常,分别与出露的花岗岩体和峨眉山玄武岩有关。在安宁河断裂南段和则木河断裂北段能观测到断裂两侧的速度存在明显差异,其余断裂带两侧的速度对比不明显。贡嘎山附近的中上地壳表现为明显的低速异常,其东侧和西南侧高速体的阻挡,以及鲜水河-安宁河断裂带走向的变化,在贡嘎山区形成一个挤压弯曲段,使得川滇菱形块体的东南向水平运动转换为垂直于断裂的挤压作用和垂直隆升,导致了贡嘎山的快速隆起。     

青藏高原东南缘基于背景噪声的Rayleigh面波方位各向异性研究

青藏高原东南缘地区是现今地壳形变和地震活动最强烈的地区之一,也是研究青藏高原现今变形机制和构造演化规律的重要区域.本研究使用云南区域地震台网的55个宽频带地震台站连续地震背景噪声数据,采用双台站互相关方法获得Rayleigh(瑞利)面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,反演得到云南地区周期5~34s范围内方位各向异性分布图像.反演结果揭示:短周期(5~12s)Rayleigh面波快波优势方向与区域断裂走向有很好的一致性,快波方向随着断裂走向的变化而变化.周期16~26s快波优势方向与反映上地壳特性的5~12s图像总体图像相似,但细节略有不同.其中,滇中块体内易门断裂和滇中块体内东侧的普渡河断裂附近,各向异性快波方向从NS向NW方向旋转;易门断裂以西呈NW向.这反映了青藏高原物质东流和川滇块体受到青藏块体的南东向挤压作用.周期30~34s范围的各向异性,滇缅泰块体和印支块体,快波优势方向为NS和NNW向;而在滇中块体内部,各向异性快波方向呈顺时针旋转变化,可能与青藏高原物质向东逃逸有关.本文还开展了与体波各向异性的对比分析,通过与近震S波分裂、Pms转换波分裂和远震SKS、PKS和SKKS(以后简称为XKS)分裂的对比研究,发现随着周期的增大,得到的快波优势方向与XKS剪切波快波偏振方向趋向一致,与地壳快剪切波偏振方向呈一定夹角.本研究认为,青藏高原东南缘地区壳幔各向异性具有不同的特征和形成机制.     

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。