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.     

地震背景噪声成像研究综述

地震背景噪声成像方法已成为21世纪地震学的伟大突破之一,其原理是,对2个台站记录的连续背景噪声信号进行互相关计算,得到台站间的格林函数,利用经验格林函数得到面波速度函数,获取面波频散特性,用地震层析成像方法对面波速度进行反演,得到地球内部的速度结构。其应用近年来日益广泛,涉及各向同性和各向异性的速度结构成像、大地震前后速度结构变化监测、体波联合成像、衰减结构成像、地震定位精度提高、噪声源分布和物理起源探究、强地面运动评估等。其优点是不需要等待天然地震或使用对环境构成威胁的人工爆破,所有台阵都可以当作源,拓宽了频带范围,可以获得较多短周期频散数据,提高反演分辨率。     

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.     

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。     

利用背景噪声互相关研究汶川地震震源区地震波速度变化

利用2007年3月至2009年3月四川数字地震台网的宽频带连续波形资料,通过计算地震背景噪声互相关提取台站对间的经验格林函数,在0.1～0.5 Hz频带下测量每天经验格林函数与参考经验格林函数的走时偏移,进而得到各台站对在该时段内的相对地震波速度变化.结果表明,2008年5月12日汶川Ms8.0级地震造成了震源区地震波速度的急剧降低,最大降幅达0.4%;大致以安县为界,余震带西南部地区在汶川主震后波速降即达到最大值,而东北部地区的最大波速降一般出现在主震后的1~4个月,相对地震波速度变化的这种分段特性与地震序列的时空分布特征有较好的对应关系;在震源区外围的四川盆地也观测到了震后波速降低,而川西高原内部则没有出现显著的波速变化.进一步的分析和计算结果表明主震的静态应力变化和强地面运动引起的地表破坏都不能很好地解释震后波速的急剧降低,地震导致的断层区内部结构破坏和周边介质应力状态改变可能是波速变化的主要原因.     

利用地震背景噪声互相关检测流动地震台波形时钟漂移

时钟精度是地震观测中最重要的参数之一,需要通过卫星授时信号来保障。当卫星信号被屏蔽或仪器守时部件出现问题时,地震计内部时钟会逐渐漂移,给后续数据处理带来极大困扰。利用地震背景噪声台站对互相关提取的经验格林函数,不仅可以用于结构成像,也可以用于检测波形时钟是否存在漂移,并获得时钟漂移幅度。使用地震背景噪声互相关方法对2017—2019年云南永胜地区4个流动观测台站的连续波形进行了时钟漂移检测,结果发现部分流动台站在不同时间段存在不同模式的时钟漂移,最大幅度可达到1.75 s。同时,利用云南宾川气枪重复震源激发的信号进行互相关计算,对上述结果进行了验证,发现两种结果具有较好的一致性。研究表明,背景噪声互相关对波形的时钟漂移有较高的灵敏度,能够有效检测出时钟问题,防止波形被误用,可为后续波形时钟校正提供参考信息。     

背景噪声互相关函数多尺度成像研究

当前研究表明噪声互相关函数中成分较为复杂,其包含各阶频散曲线信息,传统从互相关函数中提取基阶频散曲线信息成像方法存在有效信号遗漏风险.因此,本研究不再提取频散曲线,而是直接利用互相关函数进行成像,系统研究了基于两个台站的噪声互相关函数数据处理、正演和反演方法.此外,在地震勘探中,如何划分地层网格,并选择合适的反演频段对于高精度成像具有较为重要的意义.因此,本研究提出了层厚和反演深度随频率变化的多尺度反演方法.在成像中首先划分较粗的地层网格,选择较低的频段反演得到地下大尺度介质结构,由于较粗网格虽然反演稳定且计算量较小,但分辨率有限,因此对反演大尺度结果重新划分较细网格,并选择高频段进行反演,这一策略可以减少反演参数个数,从而提高反演稳定性,并且降低计算量,同时可以从模型尺度提高反演的分辨率.实际数据处理验证了方法可行性.本文噪声互相关函数成像方法为仅能布设少量地震台站的特殊地区的探测（如月球、火星等地外天体）提供了更多选择,并且为复杂介质多尺度成像方法的研发铺平了道路.

     

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.     

地震背景噪声互相关的尾波互相关(C3)研究进展

背景噪声地震学是近些年地震学研究的热点领域,其理论基础是背景噪声的互相关(C1)与台站间经验格林函数的等价关系.进一步的研究发现,从噪声互相关尾波的互相关(C3)中也可以提取经验格林函数.本文系统地综述了目前国内外在背景噪声C3方面的研究进展.首先介绍了C3计算方法的研究进展和对互相关波形对称性改善的特性.之后重点评述...     

背景噪声成像研究综述

背景噪声成像方法采用的是自然稳定的噪声源,具有可重复和时间上稳定等特点,回避了传统成像方法的地震分布不均和定位不准等缺点,因而成为当前地球物理研究的热点.从格林函数提取、噪声源特性和成像工作中取得的成果几个方面对背景噪声成像方法进行综述.     

背景噪声互相关去噪的滑动窗加权SVD滤波方法

假设噪声互相关函数中的面波为相干信号和椭圆极化的,而噪声信号一般是非相干的,本文采用滑动窗加权SVD方法对噪声互相关函数去噪,通过对一些列时间窗内的波形进行SVD分解,将前两个特征图像叠加重构波形,叠加过程中引入与极化强度有关的权重因子达到滤波目的.该方法显著的增加了噪声互相关函数的信噪比,面波前驱信号也得到有效压制,有效增加了远距离台站对射线数目,射线覆盖和交叉程度的增加一定程度上提高了成像的分辨率.     

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.     

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。     

基于相关参数的时移地震互均化质量监控方法研究

在时移地震技术的实际应用过程中,限于观测条件及处理流程等因素的影响,不同时期所获得的地震数据的一致性往往是较差的.这些不一致通常表现为地震资料在振幅、时间延迟、频率、相位等方面的差异.为了消除这些差异带来的影响,通常使用的方法就是进行时移地震的互均化处理,本文讨论了一种有效的时移地震互均化质量监控方法,用来评定时移资料的优劣,互均化结果的好坏,能够为时移地震可行性分析及互均化处理流程带来一定的帮助,同时可以起到很好的指导意义.     

地震层析成像研究方法综述

国际上对地震层析成像的研究始于上世纪70年代末,经过30多年的发展,地震层析成像方法逐渐成熟,并越来越广泛地被运用到地球物理各个领域中.以地震层析成像方法的发展作为主线,主要介绍了地震层析成像方法和所用地震数据的发展.     

地震频发区域背景噪声提取格林函数的反褶积方法研究

针对云南这一地震频发区域记录到的地震背景噪声数据,设计了一种"最大值均一化"算法,该算法能有效地消除背景噪声中的地震信号、畸变信号及其它干扰信号。应用此算法对记录到的背景噪声数据进行预处理,对处理后的数据利用多窗谱反褶积计算方法可获得其具有较高信噪比和保留了相对幅值信息的格林函数。     

华北地区地震面波及背景噪声层析成像研究

华北克拉通是我国大陆最古老的克拉通之一,中、新生代火成岩的广泛侵入与喷发、大量中强地震的密集发生等地学现象都表明,中生代以来它遭到了广泛的破坏作用。大量的地     

利用背景噪声进行地震成像

利用长时序列背景地震噪声进行地震成像是最近的一项创新成果,它摆脱了传统方法须依赖地震获取地壳上地幔高分辨率信息的限制。新方法被称为背景噪声层析成像（ANT）,主要用于地震面波。随着背景噪声层析成像技术在最新部署的地震台阵（如美国台阵地球透镜项目）资料解释中的应用,更高分辨率的地壳上地幔地震模型已赫然显现。     

结合波形互相关的双差定位方法在三峡水库地震中的应用

本文采用基于波形互相关算法的双差定位方法对三峡水库地震进行精定位和地震活动性分析。首先使用双谱互相关方法分析了三峡库区加密台网于2009年3月至2010年12月观测到的地震波形数据,并对波形互相关分析的结果进行了评价。基于结合获得的波形互相关数据使用双差定位方法对地震事件进行精定位研究,结果表明使用双谱法验证的波形互相关数据的定位精度要高于其他数据的结果,其东西向震源位置平均误差为3.2m、南北向为3.9m、垂直向为6.2m。重定位震中结果显示巴东神龙溪两岸微震分布明显呈现出3条近东西向的线性条带状,与地表小规模断裂和碳酸盐岩地层走向一致,揭示了库水主要沿着溶洞或者地下暗河渗透进而诱发地震活动,较强地震可能是微小地震贯穿活动面的结果。