利用基于密集台阵的面波成像方法研究南北地震带北段地壳上地幔速度结构

南北地震带北段位于青藏高原东北缘,包含阿拉善块体、鄂尔多斯块体、青藏块体和四川盆地等多个活动块体。这些块体,尤其是它们的交界部位,具有十分复杂的结构。本文首先利用在天水布设的较小型台阵,对数据做空间自相关来提取频散曲线,采用传统成像方法得到地下50 m内浅层速度结构;之后应用背景噪声面波成像方法,背景噪声面波周期较短,路径覆盖密集,获得10~22 s的群速度和相速度信息;近年来,随着越来越多密集台阵的布设,延伸出一些基于密集台阵的新方法,如程函方程成像和赫姆霍兹成像。利用这种方法,得到20~70 s面波相速度图及各向异性信息;地震中面波周期较长,此地区比较复杂,需要对浅层速度做约束,而对10 km以上更浅层信息,需要通过面波另外一个特性进行解释。通过计算得到相同周期下,振幅纵横比反映深度大小的信息,但密集台阵数据过多,九分量NCF计算量更大,利用云计算的方法,大大节省了计算的时间。本文主要包括以下几点:(1)为了对比天然源面波勘探不同台阵布局的探测效果,筛选出探测成果可靠、效率高和便于野外施工的天然源面波勘探台阵阵形,我们在天水市黄土覆盖区的同一场地分别用4种常见的阵形进行了数据采集试验,并对各种阵形数据用SPAC或ESPAC方法提取了相应的频散曲线,通过反演得到了试验点地下的浅层速度结构模型。分析对比试验结果表明:4种台阵提取的频散曲线数值很相近;频散谱能量集中度较高的是嵌套式等边三角形和圆形台阵,L形和直线形相对分散;L形低频段(4~8 Hz)比直线形差,高频段(8~40 Hz)比直线形好。针对直线形排列在高频段信噪比较低的情况,在确保探测成果可靠的前提下,为了提高探测效率,提出了在同一直线形排列上开展天然源和人工源面波联合勘探的数据采集方法。实验结果证实:这种联合方法不仅可弥补直线形高频段的不足,确保探测精度和结果的可靠性,而且还能做到"高低"频兼顾,即"深浅"兼顾。(2)南北地震带北段位于东昆仑断裂带东段以北的青藏高原东北隅构造区,是研究青藏高原东北缘同周边块体相互作用的重要区域,也是研究大陆块体强震孕育模式的重要试验场。本文利用2013年12月到2015年5月密集台阵记录的数据,通过互相关方法提取瑞利波的经验格林函数,利用相匹配滤波的时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线。采用背景噪声面波成像方法得到南北地震带北段地区10~22 s的瑞利波群速度和相速度分布图,结果较好地匹配了块体边界及断层走向。(3)目前面波层析成像是研究地壳上地幔结构的重要方法,并且随着密集台阵的布设,出现了一些基于密集台阵的面波层析成像新方法。本文利用南北地震带北段密集台阵数据,通过自动获取面波相速度方法(ASWMS),得到20~70 s的瑞利面波相速度分布图像及方位各项异性。通过将本文结果和前人研究成果相结合,对南北地震带北段区域的低速层分布、活动块体边界及变形信息有了更深的认识。联合两种基于台阵的成像方法,可以使我们获得较为完备的壳幔结构,从而可以对该区的活动地块分界及其相互作用有较为深入的认识。(4)随着背景噪声研究的发展,九分量背景噪声互相关函数得到越来越多的应用。然而,大规模密集台站往往产生海量的数据集合,利用这些数据计算九分量噪声互相关函数的计算量过大,难以在传统计算模式下快速完成。本文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。我们将此技术应用于"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10.2小时。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倍的增速,并可以弹性地扩充。我们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,并同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。     

基于福建地区环境噪声瑞利面波群速度的层析成像分析

利用福建及其周边3省(浙江、江西、广东)数字地震监测台网的69个宽频带台站一年的噪声记录,采用互相关技术提取两两台站间的瑞利面波格林函数,反演得到了福建及其周边地区3个周期段(T=4s、T=10s、T=15s)的瑞利面波群速度分布图像。所得结果可为研究该地区的地壳构造、地热分布、地震活动等提供重要依据。     

云南地区背景噪声互相关函数中体波信号来源初探

利用云南地区43个宽频带地震台站记录的2008～2010年垂直分量数据,计算了台站对间的互相关函数并得到了5～40 s周期的瑞利面波信号。研究发现在5～10 s周期范围内,瑞利面波信号之前存在很强的前驱信号,该信号能量优势频段为0.1～0.2 Hz,其到时接近噪声互相关函数零点,视速度约为30 km/s。该信号到时随季节存在正负交替变化,进一步的质点分析表明该信号为出射角较小的P波信号。参考已有的研究,认为远场地脉动噪声源中的P波信号穿过地球深部到达云南地区,形成了噪声互相关函数中视速度较高的体波信号,并且相关的噪声源位置在冬季和夏季分别位于北太平洋和南印度洋,具有明显的季节性空间变化。     

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.     

噪声地震学方法及其应用

基于背景噪声的地震方法发展迅速,已广泛应用于全球和区域地球内部结构研究、浅地表地质调查及油气田勘探开发.本文简要介绍了背景噪声的来源,回顾了噪声地震学的发展历程.给出了基于背景噪声的全波场和面波格林函数恢复的公式,较为详细综述了噪声源的分布和记录台站间距对格林函数恢复的影响.讨论了两台站互相关法和空间自相关法获取面波频散特性的区别与理论连接.对基于噪声的面波层析成像法、程函方程层析成像法、空间自相关法的原理进行了总结.介绍了噪声地震学方法在各领域特别是浅地表方面的应用现状.最后简要展望了噪声地震学的发展前景.     

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.     

利用背景噪声互相关观测近对跖点台站间体波格林函数

本文利用秦岭周边和南美地区的部分台站2012—2014年记录的地震事件垂直分量数据,获取了166个台站对之间的互相关函数,从中观测到了近对跖点台站之间的体波格林函数.在此基础上,我们计算了理论地震图的互相关,其结果与实际数据获得的结果很相似,推测格林函数的能量来源应主要是大地震引起的地球自由振荡.更进一步的研究表明,不同的震源机制对于互相关结果中不同震相的振幅有较大影响,走滑断层引起的地震并不能产生较好的互相关结果.通过对比不同位置台站对的互相关结果,本文认为互相关得到的体波格林函数包含了传播路径信息.     

地震面波产生的地震动转动分量研究

本文利用弹性波动理论对地面转动分量，即瑞利（Rayleigh)波和乐夫（Love)波产生的转动分量进行了研究，给出了相应的计算公式和计算方法，特别注意到面波的散射效应对转动分量的影响，并将这一特性引入到转动分量的求取中，使问题的解决更切合于实际，最后选取实际地震记录，利用得到的公式计算出地震面波产生的转动分量。     

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...     

基于平面波模型重访地震背景噪声互相关及空间自相关(SPAC)

自Aki(1957)提出微震的空间自相关(SPatial AutoCorelation,SPAC)技术以来,SPAC技术一直独立发展,并在工程地震领域获得了广泛应用.近20年来,地震干涉(Seisimic Interferometry,SI)在多个领域引起人们的关注,该技术的核心思想是连续地震背景噪声的互相关函数(Noise Crosscorrelation Function,NCF)可以重建系统的格林函数(Green's Function,GF),对该技术的回溯性研究建立了SPAC和NCF的关系:它们是对同一物理现象的不同描述,SPAC在频率域中描述随机平稳噪声的空间相干,NCF在时间域中描述扩散场的互相关.理论上SAPC和NCF技术要求背景噪声源均匀分布,这样的噪声场可以用平面波叠加来模拟.本文基于平面波模型重访地震背景噪声的互相关和空间自相关技术,从单色平面波的互相关表示出发,对地震背景噪声互相关及空间自相关技术进行评述,试图使这些概念更易于理解.与之前众多研究地震干涉技术的理论相比,本文尤其关注以下几点:(1)基于简单的平面波模型,给出不同维度下,源或台站对方位均匀分布时,平面波互相关对入射波的方位平均和台阵对的方位平均结果,并对格林函数GF和时域互相关函数NCF的关系进行总结.(2)给出声源和(或)交叉台站方位分布不均匀时的互相关表示,指出这种非均匀性对方位的依赖关系,与弱各向异性介质中面波速度的方位依赖关系类似,因此,非均匀源的影响在反演时可能会映射到面波方位各向异性结果中.(3)互相关运算中,哪一个台站是虚拟源.NCF包含因果性和非因果性两部分,NCF的非对称性通常用于研究噪声源的方位分布,但由于源和接收的互易关系,及对互相关运算的不同定义和不同的傅里叶变换习惯,哪一个台站是虚拟源在目前的文献中并不明确.(4)方位平均和时间平均的关系.在SPAC处理中,需要对不同方位分布的台站对进行方位平均,本文从理论上说明,单个平面波入射时,交叉台站互相关系数对台站对的方位平均,等价于单个台站对互相关系数对入射波的时间平均.(5)几种特定分布非均匀噪声源的SPAC表示.包括单独的因果性噪声源和非因果性噪声源给出的互相关函数表示,及由此带来的相移问题.(6)利用SPAC、NCF和面波GF之间的关系,给出交叉分量的空间自相关系数表示.(7)衰减介质的空间相干表示.虽然利用地震干涉技术研究介质衰减在理论上仍然存在一些争议,但人们正试图研究从连续背景噪声记录中提取介质衰减的可能性.本文基于平面波模型,给出了不同坐标选择下,衰减介质的空间相干表示,这种表达的不同,指示了由地震干涉技术提取介质衰减的困难.与众多研究地震干涉的理论相比,比如稳相近似理论、互易定理、时间反转声学等,本文主要考虑均匀介质,不涉及非均匀介质的散射,从最简单的平面波模型,理解背景噪声重建系统格林函数这一地震干涉的核心思想和相应的基本概念.     

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.     

基于SNMP协议的GNSS基准站网络云监控系统

将SNMP协议的简单、应用广、可屏蔽设备之间的物理差异等优势应用于GNSS基准站运维中,设计实现一个云监控系统,对不同物理空间内,不同类型、不同厂家、不同型号的设备进行统一监控管理,减轻运维人员维护繁多设备的负担,协助运维人员第一时间发现故障、定位故障点,有效提升运维能力。基于SNMP协议的云监控系统部署在地震行业网络,通过物理资源虚拟化、虚拟资源再分配、业务系统在多台服务器之间自由迁移等技术,真正摒弃传统机房存在的一项业务占用一台服务器、服务器宕机业务即中断等缺点。      

基于频率-慢度域叠前地震记录的合成与并行方法研究

正演模拟是叠前弹性波反演的基础.采用慢度法计算层状介质的叠前地震记录,分别对频率和慢度进行积分变换得到时-空域的地震道集,并对在慢度积分过程中产生的计算噪音提出了解决方案.为得到高精度合成地震记录,需将地层细分,但地层层数很多时,计算量较大;而对地层粗分虽然会大大加快运算速度,但合成记录会丢失很多信息,文中给出了地层的划分原则.该方法能够计算出包括转换波和多次反射在内的全地震响应.但在提高合成记录精度的同时,也导致计算量增大、计算效率降低,因此,本文对基于慢度法全波场模拟进行了并行算法设计,采用计算域分割、工作池并行技术,建立了慢度法全波场正演模拟的并行算法,使得弹性波正演问题求解更加高效,为充分利用叠前地震资料进行叠前反演提供了研究基础.     

CD数据流至miniSEED数据流近实时转换的方法及实现

禁核试北京国家数据中心（NDC）是我国与CTBTO/IDC进行数据交换的唯一节点,完成汇集、保存和处理我境内各IMS台站的监测数据,同时向国内用户提供境内IMS台站监测数据。NDC目前主要接入、处理、转发CD数据,但国内履约技术支持单位和协作单位多采用miniSEED数据,并使用JOPENS系统的流服务来交换数据,为了与其进行数据交换或向其分发监测数据,NDC需要具备分发miniSEED数据流的能力。文中设计的软件,是NDC自主开发的应用工具软件之一,可作为JOPENS系统流服务器的本地或远程仪器适配器,将CD数据流准实时转换为miniSEED流或将历史CD数据转换为miniSEED数据流,并通过JOPENS流服务器分发境内IMS台站数据,扩展了NDC的实时数据服务能力。     

Teleseismic body waves extracted from ambient noise cross correlation between F-net and ChinArray phase II

The vertical-vertical noise cross-correlation functions (NCFs) between two seismic arrays, the Japan F-net and ChinArray phase II, are calculated using continuous recordings during 2013–2016. After array interferometry to obtain bin stacked NCFs, clear body waves are retrieved at different period bands. Teleseismic direct P waves for distance 15–40 degrees are observed between short period 3–10 ?s while core reflected PcP/ScS waves are more obvious for longer period 30–60s. The signal-to-noise-ratio (SNR) of the short period P waves reaches its highest point with bin widths around 20 ?km while SNRs of PcP and ScS increase slowly with bin width. All those body waves demonstrate clear directivity with strong signals traveling from the east. The time-lapse SNR variations for the PcP and ScS show correlation with the occurrence of major earthquakes, while the P-wave SNR demonstrates seasonal variations with additional contribution from major earthquakes. The present results suggest teleseismic body waves can be retrieved through bin stacking, though further processing is still necessary to obtain finer waveforms such as P wave triplications.     

基于逆虚折射干涉法有效提取近地表弱地震信号

在地震勘探中,地形起伏和近地表速度的剧烈变化会导致地震波旅行时的扰动,通常会通过折射波信息来估算和消除这些扰动.本文在虚折射的基础上提出了逆虚折射干涉法,通过虚折射波场和原始折射波场的互相关,并对所有位于固定相位点上的检波点进行叠加,重构出逆虚折射波场.通过逆虚折射与超级虚折射的叠加,保证了不同偏移距下折射波振幅恢复的一致性,显著提高折射波的信噪比,有效提取弱信号.同时,本文采用反褶积干涉法来压制由于互相关和褶积产生的子波旁瓣的影响,弥补低频和高频能量的损失,改善恢复的折射波场的稳定性和分辨率.该新方法不需要知道近地表复杂速度模型的信息,可以将虚折射的勘探孔径恢复到原始地震记录的最大孔径.合成资料和实际资料的计算结果表明,基于反褶积的逆虚折射干涉法能够从低信噪比的资料中,有效恢复出折射波信息.     

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.     

Evidence for an Independent 26-s Microseismic Source near the Vanuatu Islands

The 26 s peak in the ambient seismic noise spectrum is persistently excited and observed at stations globally. Using noise cross-correlation functions (NCFs), the location suggests that the source could be situated in the Gulf of Guinea and Fiji Basin. However, the Fiji Basin was proposed to be the mirror site (near antipode) of the Gulf of Guinea source instead of an independent source, assuming that the surface waves more efficiently propagate along the major-arc paths of oceanic movements. To investigate the propagation of the Rayleigh waves along continental and oceanic paths, we analyzed the surface wave data recorded from an earthquake near the Gulf of Guinea and found that Rayleigh waves travel along continental minor-arc paths more efficiently than along oceanic major-arc paths. We then located the source in the western Pacific Ocean from group velocities measured with earthquake data by using the travel time misfit in NCFs after calibration and concluded that the source is in the Vanuatu Islands. Moreover, the temporal variation of the 26 s microseismic peak observed in the western Pacific seismic stations is very different from that in stations near the Gulf of Guinea, which suggests that they are excited by independent sources. Therefore, the Vanuatu source should be an independent microseismic source. As it is close to volcanoes in the Vanuatu islands, the Pacific 26 s microseismic source might be excited by magmatic processes, which are also responsible for very-long-period volcanic tremors.     

Recovering relative locations of the 2005–2006 Mukacheve earthquakes from similarity of their waveforms at a single station

An algorithm was designed for inverting the set of cross-correlation coefficients between the records of recurrent earthquakes by a single station for their relative locations based on an assumption of Menke (1999) that the cross-correlation is only a function of separation between the sources and decays exponentially with it. Tested on synthetic data sets, the algorithm easily recovered the true relative locations, the initial ones seeded randomly. Inversion of the cross-correlation coefficients between the records of the two groups of the Mukacheve 2005–2006 recurrent earthquakes by the station Mukacheve steadily produced an almost flat shape of hypocenter cloud for each of the groups, final relative locations of hypocenters being almost the same for different initial seedlings. The combined set of cross-correlation coefficients for both groups was also inverted, and the shape of the combined hypocenter cloud was almost flat again. These results compare well with ones obtained earlier (Gnyp 2010) by relocating the Mukacheve earthquakes with the use of differential arrivals and source specific station terms.