基于地震背景噪声互相关函数研究介质衰减综述

近年来,基于地震背景噪声互相关函数的地震层析成像技术,在研究地球深浅部结构中获得了广泛应用.目前,绝大多数的背景噪声成像仅仅利用了互相关函数的相位信息,即利用走时来反演地球介质的速度和各向异性特征.利用互相关函数的振幅信息提取介质的衰减仍在研究之中.从背景噪声场中提取的衰减信息可以从非弹性的角度更好地约束地壳和上地幔的精细结构,为地球动力学解释提供更多证据.利用背景噪声提取介质衰减,有两种基本的方法:(1)基于时间域噪声互相关函数的相对振幅随台间距变化,即衰减介质中的地震干涉方法;(2)基于频率域空间相干曲线的拟合,即考虑衰减的空间自相关(SPAC)方法.这两种衰减提取的方法在原理上是一致的.本文分别评述这两种方法的理论发展和处理过程,介绍背景噪声互相关技术提取衰减的应用成果.背景噪声互相关函数幅度受噪声源分布,固有衰减、散射、聚焦和散焦等因素的共同影响,文中对此做了评述.利用背景噪声场提取衰减时,需要谨慎对待这些因素的影响.最后对背景噪声衰减提取和今后的发展前景进行了展望.随着密集台阵的布设和衰减提取方法的不断完善,噪声互相关幅度信息的研究将会获得更为广泛的应用.     

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...     

利用地震波干涉法探求衰减结构的理论背景

地震干涉法或噪声相关法提供了走时层析成像的被动方法。然而尚不清楚的是所恢复的格林函数的振幅用于估计衰减结构是否可靠。最近建立的组合方程被认为是空间自相关(spatial autocorrelation,SPAC)法向衰减性介质的扩展,并已用于根据所恢复格林函数的振幅估计衰减结构。然而,该组合方程尚未通过进行数值和分析研究的明确检验证实。在本研究中,我首先对非均匀衰减性介质证实空间自相关法与地震干涉法之间的关系,然后借助该关系建立支持该组合方程的理论。该组合方程在假设(1)衰减弱和(2)台站间隔大于所考虑波长的情况下对均匀衰减性介质的推导证明是有效的。根据所得结果,应用地震干涉法估计衰减结构应在衰减弱的相对均匀地区进行。应用于非均匀地区的衰减层析成像仍需要在理论上研究。     

由地震背景噪声提取介质衰减:衰减介质中的空间相干表示

传统基于地震背景噪声互相关的层析成像技术,主要利用了互相关函数的相位信息,即利用走时来反演地球介质的速度和各向异性特征.最近,开始有研究人员利用互相关函数的振幅信息提取介质的衰减.主要是将二维弹性情形下,互相关函数正比于第一类零阶贝塞尔函数J_0(k_0r)这一结论,通过引入指数衰减系数,直接推广到衰减介质情形,令衰减介质中背景噪声互相关函数类比于J_0(k_0r)·e~(-α(ω)r),以此来反演介质的衰减系数α.然而,在衰减介质中,互相关受源的方位平均的影响,这种简单的推广,可能无法提取可靠的衰减系数.本文基于平面波的叠加模型,研究不同的互相关定义和坐标选择下,衰减介质中两点间互相关函数的理论表达式.结果表明,在平面波叠加模型下,互相关函数的表达形式随着坐标原点的选择,并因而随着源分布的变化而变化,对不同的归一化因子,表达式也不尽相同.利用J_0(k_0r)·e~(-α(ω)r)的形式拟合背景噪声的观测数据得到的衰减比实际值偏小.     

地震背景噪声互相关方法应用研究综述

利用地震台记录的背景噪声数据,进行台站对之间数据互相关以获得反映地下介质信息的格林函数,是目前地震学领域理论研究和实际应用方面的前沿和热点。首先介绍了噪声互相关应用的发展历史,之后对其在面波成像、体波信号提取与体波成像、监测地下介质波速变化与衰减、地震定位、噪声源分析与时移校正等多个方面的应用进行了阐述,最后针对目前背景噪声互相关应用的发展进行了分析与讨论。     

甘东南地区宽频带地震台阵背景噪声特征分析

基于甘肃东南地区150个宽频带流动台站2010年的垂直分量连续波形记录,通过计算台站对之间背景噪声的互相关函数并叠加得到5—10s和10—20s两个周期的瑞雷面波信号,并通过信噪比和归一化背景能量流两种方法研究了该地区背景噪声源的时空演化特征.研究结果表明,甘东南地区5—10s和10—20s周期的背景噪声源具有明显的季节变化特征和各自的优势方位.5—10s周期的背景噪声在夏季的能量优势方位为170°—240°,噪声源主要位于印度洋,而冬季为100°—150°,主要位于北太平洋;10—20s周期的背景噪声源则比较复杂,其优势方位受多个大洋的交替影响,夏季噪声源能量优势方位为170°—210°,噪声源主要位于印度洋,冬季为90°—150°和310°—355°,噪声源分别位于北太平洋和北大西洋.由于这两个周期的背景噪声源在甘东南地区存在明显的季节变化,因此在利用背景噪声方法研究该地区介质速度结构时需充分考虑噪声源的非均匀性所产生的影响.      

主动源和被动源面波浅勘方法综述

面波勘探在浅层勘探中获得了广泛应用.随着地震干涉理论和被动源噪声互相关技术的发展,发现传统的基于微动技术的空间自相关技术(SPAC)方法和背景噪声互相关函数(NCF)的物理本质是一致的,因此,将地震干涉理论用于被动源面波勘探中的技术和方法越来越受到关注.本文基于地震干涉理论和应用的发展,对面波勘探的原理进行了简要介绍,阐述了主动源方法中稳态法、瞬态法等各种常规方法.并根据最新的研究进展,对被动源SPAC和NCF方法在浅层勘探中的应用进行了评述,分析了各种勘探方法的原理和特点,叙述了主动源与被动源SPAC方法及NCF方法三者联合勘探的新思路,有望将传统的面波勘探技术拓展到浅层三维速度结构的精细探测.叙述了面波反演过程中多模式问题的一些重要概念和处理方法,最后讨论了面波方法的发展趋势和几个值得关注的研究方向.     

由长时间连续记录不压制地震信号提取近似格林函数的可行性研究

从地震背景噪声、地震波直达波或者地震波尾波的相关函数中提取近似格林函数(Estimated Green's Function)已经成为地震学研究的一个热点.由近似格林函数中提取面波频散曲线,进而研究地壳和上地幔结构,已经成为地震学研究地球内部结构的一种新方法,其尺度由最初的几十千米发展到全球尺度.从原理上,只要由充分漫射波场的数据计算得到的互相关函数都可以得到近似格林函数,但在地震背景噪声数据的实际处理过程中,需要通过时间域的归一化处理压制地震信号的影响,然后利用频率域归一化压制单色噪声源影响和提高信噪比.但是时间域归一化的常用方法均为非线性,影响进一步提取噪声互相关函数(NCF)中的有效信息.我们通过对比有无时间域归一化和频率域归一化对不同数据进行计算得到了相似的NCF,发现时间域归一化处理并非必需,在此基础上频率域归一化处理也可以省略,由此得到一个简化的处理流程,直接计算长时间的地震记录的互相关函数得到近似格林函数,并且最大限度保留了原始振幅信息,可以更有效地用于研究噪声源.     

海洋活动对云南地震观测台网的影响

1 研究背景 地震的孕育和发生通常伴随着应力场变化、地下流体迁移、地壳浅层破坏等事件的发生,从而导致地下介质物理性质(如波速)的变化.由于背景噪声监测方法的独特优势,背景噪声互相关函数在监测地震孕育过程中展现了巨大潜力(Brenguier et al,2008),也为地震预测预报工作提供了有用的参考信息.然而,噪声源季节性变化,对以背景噪声互相关方法测量的地震波速度的精度存在影响.因此,利用背景噪声监测地震波速度变化,必须对噪声源机制有清晰认识.     

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.     

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.     

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.     

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:0.3～0.5Hz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;0.5～1Hz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;1～1.5Hz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.     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ:背景噪声成像

随着城市化的发展,城市地球物理日益成为地球物理研究的重要方向,地震成像是构建城市地下空间三维/四维图像的重要手段,但面临观测成本高的困难.近年来国际上新发展的分布式光纤声波传感器作为高密度地震观测系统已经在地震层析成像方面得到了应用,在提高成像分辨率的同时,又降低了观测成本.本研究使用国产分布式光纤声波传感器开展了观测实验,利用480m埋地光缆记录了13h背景噪声,计算得到噪声互相关函数,获得了高频Rayleigh面波信号.采用多道面波分析方法提取相速度频散曲线,其结果与传统检波器记录和主动源结果较为一致.采用遗传算法反演得到了研究区内二维S波速度剖面,获得了下方沉积物横向变化特征.通过本次实验,初步验证了国产设备开展地震背景噪声成像研究、构建地下浅层结构模型的可行性.     

Composition of high frequency ambient noise from cross-correlation:A case study using a small aperture array

Long-time cross correlation of ambient noise has been proved as a powerful tool to extract Green's function between two receivers.The study of composition of ambient noise is important for a better understanding of this method.Previous studies confirm that ambient noise in the long period (3 s and longer) mostly consists of surface wave,and 0.25-2.5 s noise consists more of body waves.In this paper,we perform cross correlation processing at much higher frequency (30-70 Hz) using ambient noise recorded by a small aperture array.No surface waves emerge from noise correlation function (NCF),but weak P waves emerge.The absence of surface wave in NCF is not due to high attenuation since surface waves are strong from active source,therefore probably the high ambient noise mostly consists of body wave and lacks surface wave.Origin of such high frequency body waves in ambient noise remains to be studied.     

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。     

Application of the Spatial Auto-Correlation Method for Shear-Wave Velocity Studies Using Ambient Noise

Ambient seismic noise or microtremor observations used in spatial auto-correlation (SPAC) array methods consist of a wide frequency range of surface waves from the frequency of about 0.1 Hz to several tens of Hz. The wavelengths (and hence depth sensitivity of such surface waves) allow determination of the site S-wave velocity model from a depth of 1 or 2 m down to a maximum of several kilometres; it is a passive seismic method using only ambient noise as the energy source. Application usually uses a 2D seismic array with a small number of seismometers (generally between 2 and 15) to estimate the phase velocity dispersion curve and hence the S-wave velocity depth profile for the site. A large number of methods have been proposed and used to estimate the dispersion curve; SPAC is the one of the oldest and the most commonly used methods due to its versatility and minimal instrumentation requirements. We show that direct fitting of observed and model SPAC spectra generally gives a superior bandwidth of useable data than does the more common approach of inversion after the intermediate step of constructing an observed dispersion curve. Current case histories demonstrate the method with a range of array types including two-station arrays, L-shaped multi-station arrays, triangular and circular arrays. Array sizes from a few metres to several-km in diameter have been successfully deployed in sites ranging from downtown urban settings to rural and remote desert sites. A fundamental requirement of the method is the ability to average wave propagation over a range of azimuths; this can be achieved with either or both of the wave sources being widely distributed in azimuth, and the use of a 2D array sampling the wave field over a range of azimuths. Several variants of the method extend its applicability to under-sampled data from sparse arrays, the complexity of multiple-mode propagation of energy, and the problem of precise estimation where array geometry departs from an ideal regular array. We find that sparse nested triangular arrays are generally sufficient, and the use of high-density circular arrays is unlikely to be cost-effective in routine applications. We recommend that passive seismic arrays should be the method of first choice when characterizing average S-wave velocity to a depth of 30 m (V_s30) and deeper, with active seismic methods such as multichannel analysis of surface waves (MASW) being a complementary method for use if and when conditions so require. The use of computer inversion methodology allows estimation of not only the S-wave velocity profile but also parameter uncertainties in terms of layer thickness and velocity. The coupling of SPAC methods with horizontal/vertical particle motion spectral ratio analysis generally allows use of lower frequency data, with consequent resolution of deeper layers than is possible with SPAC alone. Considering its non-invasive methodology, logistical flexibility, simplicity, applicability, and stability, the SPAC method and its various modified extensions will play an increasingly important role in site effect evaluation. The paper summarizes the fundamental theory of the SPAC method, reviews recent developments, and offers recommendations for future blind studies.