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.     

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-κ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.     

西拉木伦断裂带东沿背景噪声特征分析

利用中国地震局的“中国地震科学台阵——华北地区东部”(简称科学台阵3.2期)项目西拉木伦断裂带东沿地区26个流动台站连续观测数据，通过计算其加速度功率谱密度和相应的概率密度函数及1～20 Hz频段速度均方根值，研究西拉木伦断裂带东沿地区背景噪声特征。研究结果表明，高频段背景噪声时空分布差异性显著，噪声源主要来自人类活动；微震频段背景噪声主要来自海洋活动，其中高频微震频段背景噪声没有时空分布差异；低频微震频段背景噪声有一定的时空分布差异，白天差异性相比夜间更突出，这主要因温度变化和观测井微变形引起；低频段，白天三分向噪声水平大于夜间，且水平向噪声水平和动态范围大于垂直向，主要因白天环境温度变化和地倾斜影响大于夜间，且水平向对温度和地倾斜比垂直向更敏感导致。     

青藏高原东北缘背景噪声特征分析

采用2009年青藏高原东北缘55个数字化宽频带地震台站的垂直分量波形数据,计算了台站间噪声互相关函数,得到了Rayleigh经验格林函数。利用信噪比和归一化平均能量流的方法分析了青藏高原东北缘背景噪声源的方位分布和季节性变化特征。结果表明,5~10 s周期噪声源方位分布上较为稳定,不随季节变化,噪声源能量集中在105°~165°方向上,噪声源主要来自于太平洋。10~20 s周期噪声源季节性变化特征明显,夏季的噪声能量主要集中在165°~210°方向上,噪声源来自于印度洋海洋活动;冬季主要集中在300°~350°和165°~210°方向上,噪声能量主要来源于太平洋和北大西洋。     

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.      

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.     

青藏高原东北缘祁连山地区地震台阵背景地噪声特征

基于祁连山地区78个地震台站的垂直分量连续波形记录,计算台站对之间背景噪声的互相关函数,并叠加得到5-10 s和10-20 s两个周期的瑞利面波信号。利用归一化振幅方法,分析不同周期范围的噪声源能量在不同方位随季节变化的规律。研究结果显示：祁连山地区5-10 s周期背景噪声的能量优势来源,夏季集中在110°-170°方位,冬季集中在300°-350°方位,但在110°-150°方位也有相对微弱的能量分布,表明第二微震带的噪声能量来源在夏季主要来源于太平洋的海洋活动,冬季主要来源于大西洋的海洋活动;10-20 s周期背景噪声的能量优势来源在夏季集中在70°-150°和170°-230°方位,在冬季则集中在290°-350°和70°-130°方位,表明第一微震带的噪声能量在夏季主要来源于印度洋的海洋区域,冬季主要来源于北大西洋和太平洋。由于2个周期的背景噪声源在祁连山地区存在明显的季节差异,因此在利用背景噪声方法研究该地区介质速度结构时,需充分考虑噪声源非均匀性产生的影响。     

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.     

噪声源的时空分布及其对噪声互相关函数的影响——以ChinArray二期数据为例

噪声源的空间分布和季节变化会对噪声互相关函数中的信号产生一定影响.本文选取了 ChinArrry二期台阵南部的 322 个宽频带地震台,利用其 2013年9 月至 2016年6 月的垂直分量连续记录计算了台站间的互相关函数,进而通过背景噪声能量流的方法,分析了周期频段4～8 s,8～12 s和 12～20 s的噪声能量随时间的演化规律.结果表明,在不同频段,背景噪声的强度及优势来源方向均具明显的季节变化,且不同周期频段的噪声能量变化规律有所差异.总体而言,噪声能量在北半球冬季较强,夏季较弱,与全球海洋活动的季节性变化一致,能量优势来源方向也与全球海浪波高分布相符.同时,在 10～20 s频段范围内,噪声互相关函数中存在较强的异常信号.该信号在环形台阵路径上的到时呈现随方位角的规律变化,且冬季较强,夏季较弱.基于走时的分析表明,该信号是由大西洋北部的一个强噪声源激发产生的.在特定路径上,该信号可能对频散提取产生干扰.研究表明,噪声源分布的不均匀性以及季节变化会对噪声互相关函数中信号的细节形态产生影响,进而影响格林函数的收敛程度,相关精细化研究应对噪声源的特性予以关注.     

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.     

Microseism Variations in Response to Antarctic Seasonal Changes in Sea Ice Extent

The temporal and spatial distributions of Antarctic sea ice play important roles in both the generation mechanisms and the signal characteristics of microseisms. This link paves the way for seismological investigations of Antarctic sea ice. Here we present an overview of the current state of seismological research about microseisms on Antarctic sea ice. We first briefly review satellite remote-sensing observations of Antarctic sea ice over the past 50 years. We then systematically expound upon the generation mechanisms and source distribution of microseisms in relation to seismic noise investigations of sea ice, and the characteristics of Antarctic microseisms and relationship with sea ice variations are further analyzed. We also analyze the continuous data recorded at seismic station BEAR in West Antarctica from 2011 to 2018 and compare the microseism observations with the corresponding satellite remote-sensing observations of Antarctic sea ice. Our results show that:(1) the microseisms from the coastal regions of West Antarctica exhibit clear seasonal variations, SFM with maximum intensities every April-May and minimum intensities around every October-November; while DFM intensities peak every February-March, and reach the minimum around every October. Comparatively, the strong seasonal periodicity of Antarctic sea ice in better agreement with the observed DFM; and (2) microseism decay is not synchronous with sea ice expansion since the microseism intensity is also linked to the source location, source intensity (e.g., ocean storms, ocean wave field), and other factors. Finally, we discuss the effect of Southern Annular Mode on Antarctic sea ice and microseisms, as well as the current limitations and potential of employing seismological investigations to elucidate Antarctic sea ice variations and climate change.     

Spectral development of microseism storms at the Oulu seismograph station,Finland

Summary In this study spectral development of microseisms at Oulu is discussed by means of power spectra computed from the recordings of a long period vertical seismograph. North Atlantic storm microseisms are found to be distinguished at peak frequencies in band 90–130 mHz while the main peaks of Norwegian microseisms occur at frequencies higher than 130 mHz. In both of these cases a low frequency side maximum is found at nearly the same frequencies as the main maximum in corresponding sea wave spectra. Fast moving storms associate with rapid changes in microseism spectra. A shift of peaks towards higher frequencies is found in connection with storm approach.     

Frequency dependent polarization analysis of ambient seismic noise recorded at a broadband seismometer in the central United States

We present a new approach to polarization analysis of seismic noise recorded by three-component seismometers.It is based on statistical analysis of frequency-dependent particle motion properties determined from a large number of time windows via eigenanalysis of the 3-by-3,Hermitian,spectral covariance matrix.We applied the algorithm to continuous data recorded in 2009 by the seismic station SLM,located in central North America.A rich variety of noise sources was observed.At low frequencies (0.05 Hz) we observed a tilt-related signal that showed some elliptical motion in the horizontal plane.In the microseism band of 0.05-0.25 Hz,we observed Rayleigh energy arriving from the northeast,but with three distinct peaks instead of the classic single and double frequency peaks.At intermediate frequencies of 0.5-2.0 Hz,the noise was dominated by non-fundamental-mode Rayleigh energy,most likely P and Lg waves.At the highest frequencies (3 Hz),Rayleigh-type energy was again dominant in the form of Rg waves created by nearby cultural activities.Analysis of the time dependence of noise power shows that a frequency range of at least 0.02-1.0 Hz (much larger than the microseism band) is sensitive to annual,meteorologically induced sources of noise.     

大西洋中北部双频微地动特征

本文对大西洋中北部两侧五个地震台站2015年记录到的地震数据进行处理,计算噪声功率谱密度和概率密度函数,并通过极化分析对双频微地动不同周期的主导源区方位角分布进行了分析。研究结果显示:大西洋中北部台站双频微地动发生显著分裂,各台站的峰值周期各不同,且来自相同方向和不同方向的双频微地动都有可能产生双频微地动分裂;大西洋中北部的噪声功率谱密度随季节变化复杂,部分台站冬季的功率谱密度振幅比夏季强,部分台站夏季的比冬季强;而大西洋中北部台站源区方位受季节影响不大,台站主要源区的方位不变,且两季的源区方位角在大范围内重合;大西洋东岸中北部台站,夏季受台站以南大西洋源区影响更多,冬季受台站以北大西洋源区影响更多;靠近加勒比海位于大西洋西岸的台站,其双频微地动源区方向在冬季和夏季都更多地指向加勒比海;大西洋西岸纬度最低的台站MPG,其双频微地动在冬季主要受台站以北大西洋源区的影响,而在夏季则同时受到台站以北大西洋源区和台站西南方位很可能源于太平洋源区的共同影响。      

全球海洋碳循环模式MOM4_L40对碳和营养物自然分布的模拟

本文介绍了国家气候中心发展的一个全球海洋碳循环环流模式,并分析评估了该模式的基本性能.该模式是在美国地球物理流体动力学实验室(GFDL,Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)的全球海洋环流模式MOM4(Modular Ocean Model Version 4)基础上发展的一个垂直方向40层、包含生物地球化学过程的全球三维海洋碳循环环流模式,简称为MOM4_L40(Modular Ocean Model Version 4 With 40Levels).该模式在气候场强迫下长期积分1000年,结果分析表明,与观测相比,模式较好地模拟了海洋温度、盐度、总二氧化碳、总碱、总磷酸盐的表面和垂直分布特征.模拟的海洋总二氧化碳分布与观测基本相符,表层为低值区,其下为高值区,高值区域位于10°S—60°N之间,但2000m以上模拟值较观测偏小,2000m以下模拟值较观测偏大.总体来说,MOM4_L40模式是一个可信赖的海洋碳循环过程模拟研究工具.     

Ocean-generated microseismic noise located with the Gräfenberg array

The main cause for mid-period seismic ground distortions are ocean waves generated by atmospheric disturbances. These act upon the earth through different mechanisms. The microseismic wavefield can be divided into primary (T =12–18 s) and secondary (T = 6–9 s) noise. Classical theory tells that the origin of these induced ground distortions depends on the location and the intensity of the low pressure region. A considerable part of the microseismic wave field reaches the GRF-array in southern Germany with high coherency and almost constant amplitudes. Thus it is possible to locate the generating areas using frequency-wavenumber analysis. Five discrete generating areas for secondary microseisms and three generating areas for primary microseisms could be determined in the Atlantic Ocean, the Arctic Sea and the Mediterranean Sea by investigating broadband continuous recordings over four months in winter 1995/96. An essential result is the long-time constancy of the backazimuths of the coherent part of the microseismic wavefield with respect to the origin areas, independent of the location of the moving low pressure zone. Results from a triangulation using additionally broadband data from the NORSAR-array and an independent estimation of the distance of the source region with water wave dispersion data indicate an origin of the secondary microseismic wavefield near the north-Norwegian coast for the strongest source. The array analysis of a temporary network of ten three-component broadband stations in south-east Germany shows that the ratio of energy between coherent Love and Rayleigh waves is much higher for the primary than for the secondary microseismic noise wavefield. This indicates differences in the source mechanisms.     

台风激发的第二类地脉动特征及激发模式分析

0.003~1 Hz频段的地脉动主要来源于海浪运动与固体地球的耦合作用,台风引起的强烈海浪运动往往可使地脉动能量显著增强.由于涉及大气-海洋-固体地球三个圈层之间的复杂动量传递与耦合过程,迄今为止,关于台风激发地脉动的具体源区位置及激发机制尚存在争议.本文选取日本、中国东南沿海及台湾地区的地震台站波形连续记录,研究了2008年台风"森拉克"和"黑格比"激发地脉动的时频特征,开展相应数值模拟,并与观测数据进行了对比分析研究.结果表明台风激发第二类地脉动存在两种主要模式:(1)近岸源区激发,即台风引起波浪入射至海岸反射并与后续来波相互作用形成驻波作用于海底而激发;(2)台风中心附近源区激发,即台风中心移动过程中不同时期激发的同频率波浪相向传播、相互作用产生驻波作用于海底而激发,源区位置主要集中于台风中心左后方.此外,结合波浪再分析数据、台风风场特征,我们进一步对第二类地脉动激发过程中的影响因素进行了分析,发现:第一种模式激发的地脉动与近岸源区波浪场强度、观测点至源区距离及台风中心至海岸线距离等因素相关;而第二种模式激发的地脉动则主要受台风中心附近波浪场的频率成分与传播方向影响.