从背景噪声提取瑞利面波频散曲线——方法与应用实例

利用地震背景噪声提取台站间的面波频散信息,进而进行地下结构研究是目前地球物理学的研究热点之一.本文详细介绍了该方法的发展历程,并以流动台阵和固定地震台站数据为例给出了较为详细的噪声数据处理过程,重点阐述了如何利用地震背景噪声提取瑞利面波的频散曲线.此外,对基层科研人员如何更好地应用固定台站数据资料的技术细节问题给出了具体解决方案.     

从背景噪声提取瑞利面波频散曲线——方法与应用实例

利用地震背景噪声提取台站间的面波频散信息,进而进行地下结构研究是目前地球物理学的研究热点之一。本文详细介绍了该方法的发展历程,并以流动台阵和固定地震台站数据为例给出了较为详细的噪声数据处理过程,重点阐述了如何利用地震背景噪声提取瑞利面波的频散曲线。此外,对基层科研人员如何更好地应用固定台站数据资料的技术细节问题给出了具体解决方案。     

利用HVSR方法探测四川理县西山村滑坡速度结构

HVSR(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio)是地震背景噪声水平分量与垂直分量的频谱比, 常被用来探测起伏地形较小的浅地表速度结构.然而, 高起伏地形下该方法的适用性还需要仔细研究.本文探讨利用HVSR方法探测四川理县西山村滑坡的速度结构.我们首先将ENZ坐标系下三分量地震数据旋转到垂直于地形自由面的LQT坐标系, 分别计算了两个坐标系下2 h地震背景噪声数据的HVSR曲线, 对比结果发现, LQT坐标系下三分量数据的HVSR峰值频率更能反映地下结构信息.然后, 本文反演了29个台站LQT坐标系的HVSR曲线, 获得了滑坡体堆积物及基岩的一维S波速度结构.西山村滑坡体堆积物的S波速度范围为50~1000 m·s^-1, 滑坡厚度23~130 m.滑坡体西侧边缘地下40 ~120 m处存在10~20 m的低速层, 表明该位置抗剪强度相对较弱, 是潜在的滑动危险区域.对数据进行坐标系转换后, HVSR方法能够利用较短的观测数据获取可靠的滑坡体速度结构, 为滑坡体积估算、脆弱位置识别、灾害评估提供重要信息.

     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

基于Python语言的ObsPy软件包从地震背景噪声中提取瑞利面波经验格林函数的实行方案

针对海量地震数据的高效自动处理是现代地震学重要的研究课题之一.本文基于Python语言的地震学数据处理软件平台ObsPy重构了背景噪声成像数据处理工作流程方案.以大兴安岭地区的不同来源与不同格式的地震数据为例,利用ObsPy软件包实现了背景噪声成像去除仪器响应、重采样、滤波、去均值趋势等预处理过程,以及One-Bit时间域归一化、谱白化、互相关计算等主要工作流程.对比测试表明基于ObsPy软件包的新流程与常用的噪声成像软件包的计算效率具有可比性,但代码更加简洁易用.同时,基于Python语言实现了利用Bootstrap方法对背景噪声成像提取面波频散曲线的误差分析.最后,本文利用归一化背景能量流方法分析了大兴安岭地区相关噪声源的时空分布.分析结果显示,研究区接收的短周期噪声可能与太平洋浪高的季节变化相关,接收的长周期噪声可能与全球海洋浪高的季节变化相关.     

基于近震高频接收函数研究中国四川西山村滑坡的泊松比和S波速度

滑坡现象是一种全球频发并造成巨大人员伤亡和财产损失的自然灾害.本文依次采用近震高频接收函数Vp-k叠加方法和接收函数非线性波形反演方法得到了从下往上由h1、h2和h3块体组成的第四系西山村滑坡体密集台阵下方的泊松比和S波速度.结果表明,滑坡体泊松比普遍高于0.33,S波速度主要在0.1～0.9kms-1内变化.高异常泊...     

广东及其邻域噪声面波层析成像

通过收集广东及其邻域104个固定地震台站近10个月的垂直分量连续波形数据资料, 使用地震背景噪声互相关格林函数方法, 获得了大部分台站对的背景噪声互相关曲线. 基于这些对称叠加的互相关曲线, 利用时频分析方法, 进一步提取了该地区周期为5—40 s的基阶瑞雷波群速度频散曲线. 其噪声来源分析结果显示: 广东及其邻域的噪声场来源有很强的方向性, 短周期(5—10 s)噪声主要来自东南方向, 范围基本与海岸线分布一致, 可能是由于近海水陆相互作用产生的;较长周期 (15—30 s) 噪声主要来自三大洋的方位. 以这些提取的噪声面波资料为基础, 采用噪声面波层析成像方法反演得到了该地区周期为5—28 s的瑞雷波群速度层析成像图, 从该图可以看出, 广东及其邻域地下结构的横向变化总体较小, 沉积层厚度较薄, 地壳中可能普遍存在一个低速层;从研究区历史地震的分布及其表层地质构造的发育特征来看, 地震主要分布在高、低速过渡带附近, 表明面波群速度与地震之间具有较强的耦合关系;从群速度的低速异常特征来看, 广东及其邻域普遍分布的温泉和高地热主要受深部构造的控制和影响.     

利用背景噪声进行地震成像的新方法

利用背景地震噪声提取格林函数，即通过一对台站记录的地震噪声进行互相关计算，来近似台站间的格林函数，并进一步通过地震成像获取地下结构的认识，成为最近跨学科研究的热点问题之一.本文首先叙述了其发展背景及过程，然后分别从四个角度，简要介绍了目前对其物理原理的解释.如果该方法能得到进一步的发展，将不再依赖于天然地震以及人工地震，而仅仅利用地震台站记录的地震噪声便可获取高分辨率的地下成像.该方法将会大大促进地震学的发展.     

广东省东部地区背景噪声面波群速度层析成像

选取广东省东部及福建和江西测震台网的26个固定台站2011年3～9月的地震背景噪声的垂直分量数据,用互相关方法获得瑞利面波的格林函数,再用频时分析方法提取瑞利面波的群速度频散曲线,最后用面波层析成像方法反演得到研究区周期为5～15s的瑞利面波群速度图像.反演结果揭示了广东省东部地区浅部地壳群速度结构存在明显横向不均匀性.短周期群速度异常与研究区内山脉、盆地的分布有较好的对应关系,沉积厚度较大的盆地地区表现为低速异常,而基底埋深较浅的山脉则显示了高速异常;地热分布对面波群速度产生重要影响,地热值较高的区域面波群速度一般表现为低速异常;粤东地区特别是粤东沿海地区地壳中部可能存在低速层.     

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.     

华北地区勒夫波噪声层析成像研究

利用华北地震科学台阵200个流动地震台站、14个月的连续波形数据,通过互相关方法提取了勒夫波的经验格林函数,使用多重滤波方法测量了5229条勒夫波的群速度频散曲线,采用噪声层析成像方法得到了研究区域4~30 s的勒夫波群速度分布图像,横向分辨率在多数区域可以达到0.25°×0.25°. 层析成像结果显示,短周期的群速度分布特征与地表地质和构造特征基本一致,华北盆地和山西断陷带内的盆地呈现低速异常,燕山隆起和太行山隆起表现为高速异常;中周期的群速度分布图揭示了华北盆地内部隆起和坳陷的空间分布范围及沉积层的厚度差异. 勒夫波频散曲线具有明显的分区特征,太行山隆起、燕山隆起和鄂尔多斯块体东北缘的频散曲线形态基本一致,和其它典型克拉通相似;张渤地震带和山西裂谷盆地的频散曲线基本一致,接近于埃塞俄比亚裂谷. 中西部块体的平均频散曲线和其它典型克拉通相似,而东部块体的频散曲线和中西部块体存在较大差异,且低于其它典型克拉通,表明东部块体的地壳受到了强烈的破坏和改造,而中西部块体受改造的程度较低,仍具有稳定克拉通的物理性质. 太行山重力梯度带的东西两侧在地形地貌、速度结构、频散特征、地壳厚度、岩石圈厚度以及地幔过渡带厚度均存在显著差异,是划分华北克拉通破坏空间范围的一条重要界线,推测华北克拉通的破坏范围主要在太行山重力梯度带以东.     

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.     

川西地区台阵环境噪声瑞利波相速度层析成像

2006年中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区(26°N~32°N,100°E~105°E)布设了由297台宽频带数字地震仪组成的流动观测台阵.利用该密集台阵29°N以北156个台站2007年1~12月份的地震环境噪声记录和互相关技术,我们得到了所有台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,并进一步反演得到了观测台阵下方2~35 s周期的瑞利波相速度分布图像．本文结果表明,观测台阵覆盖的川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地的地壳速度结构存在显著差异,具体表现为：(1)短周期（2~8 s）相速度分布与地表构造特征相吻合,作为川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地之间的边界断裂,龙门山断裂带和鲜水河断裂带对上述三个地块上地壳的速度结构具有明显的控制作用,四川盆地前陆低速特征表明相应区域存在较厚的（约10 km）沉积盖层;(2)中周期（12~18 s）相速度分布表明,川滇地块和松潘-甘孜地块中上地壳速度结构存在明显的不均匀横向变化,并形成了尺度不同且高、低速相间的分块结构,而四川盆地中地壳整体上已经表现出相对高速;(3)长周期（25~35 s）相速度分布表明,松潘-甘孜地块,特别是川滇地块中下地壳表现为广泛的明显低速异常,意味着它们的中下地壳相对软弱,而四川盆地的中下地壳呈现整体性的相对高速,意味着四川盆地具有相对坚硬的中下地壳,并且以汶川地震的震中为界,龙门山断裂带的地壳结构显示了北段为高速异常,南段为低速异常的分段特征．     

地面与地下深部地震背景噪声对比分析

深部地下空间具有低于地面的噪声环境,为开展高精度多物理场观测提供了绝佳平台.通过淮南潘一东矿区海拔-848 m的井下巷道和地面的地震联测,我们分析了深部地下与地面的地振动背景噪声特征.对比结果显示,大于1.0 Hz的高频段,地面噪声功率谱密度（Power Spectral Density,PSD）值高出地下20~40 dB,并呈现随人类活动变化的昼夜模式;而井下观测不存在这一时变规律,地下巷道上覆870 m厚的沉积层有效衰减了浅层或地表的人文噪声.0.1~1.0 Hz频段二者差异相对减小,地面PSD值平均高出地下10 dB.小于0.1 Hz的低频噪声差异较小,或与井下气流干扰和仪器本底噪声有关.在第二地脉动谱的对比中,可发现明显的场地放大效应和地脉动峰的分裂现象.此外,深部地下低噪声环境突显了若干高频非时变信号,根据频域极化分析可厘定这些稳定噪声为井下的固定振动源.上述结果说明深部地下可以为高精度地震观测和震源定位提供优良环境,同时也给深地实验室的后续建设以及相关深地研究提供重要参考.

     

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.     

2013年芦山地震震源区地壳介质地震波速变化的特征分析

为探究芦山M7.0级地震后5年多来,震源区龙门山断裂带西南段介质波速的变化规律,本文基于2012年4月至2018年4月共6年的连续波形数据,运用移动窗互谱与频域偏振等分析方法,结合背景噪声源的特性,对不同深度范围内的相对波速变化以及震后的恢复过程与机制进行了研究.获得的主要认识包括：（1）年尺度而言,震源区周期为1~20 s的背景噪声场相对稳定,但成分复杂、2~10 s频带内至少存在2个能量相对稳定的噪声源;不同周期噪声的能量,在月变与季节性上的变化特征差异明显.（2）获得了长时间尺度、不同频带内介质相对波速的背景变化水平,1~2 s、2~4 s的波动幅度（约为±0.04%）与季节性变化规律强于4~10 s、10~20 s的,结合与降雨量相关的地下水位模型能很好地解释其变化规律.（3）震源区的同震波速降低现象清晰,降幅约为0.08%~0.1%;空间上,波速下降最为显著的区域主要集中在龙门山断裂带两侧约70 km范围内,其中四川盆地一侧平均约为0.1%,略高于青藏高原（0.08%）一侧;在断裂带内的降速不显著.对不同子频带进行测量的结果显示,震后除10~20 s外,其余3个子频带的相对波速在震后较短时间内（约20天左右）均出现较大幅度的波速降低现象,其中4~10 s的平均降速最大（约为0.08%）,分析认为主震及大量余震的松弛效应是引起介质波速下降的主要原因.（4）震后大约1年左右,波速变化基本恢复到震前水平,且至2018年4月前未观察到大幅的波速变化现象,总体上各频带内的结果均沿零线小幅波动.

     

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-k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.

     

秦岭—大别及邻区背景噪声的瑞利波层析成像

秦岭—大别造山带西起青藏高原东北缘,东至郯庐断裂带,是华北板块和扬子板块之间的碰撞造山带.本文收集陕、豫、皖、赣、湘、鄂、渝等区域地震台网的160个宽频带地震台站连续两年地震背景噪声数据,用双台站互相关算法获得瑞利面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,并根据面波层析成像反演得到秦岭—大别及邻区周期8~35 s范围内相速度分布图像.结果显示,大别地块在14 s相速度分布图中呈现低速异常,与8 s相速度分布图中的高速异常形成鲜明对比,反映大别HP/UHP（high pressure/ultrahigh pressure metamorphic rocks,高压/超高压变质岩）的影响仅存在于上地壳.25 s相速度图中,大致以太行—武陵重力梯度带为界,东部以高速异常为主,西部以低速异常为主,反映了地壳东薄西厚的结构特征.14~35 s相速度分布图显示郯庐断裂带南段东西两侧的显著差异,佐证了郯庐断裂带发生大规模左行平移运动时,其南段可能切入壳幔边界.同时,郯庐断裂带南段可能存在一个热物质上涌的通道,熔融的热物质通过该通道上升,混入大别地区的中下地壳,造成了红安—大别造山带的差异隆升.南秦岭与四川盆地东北部表现为低速异常,是否与青藏高原物质东流或者南秦岭的拆沉有关,还有待于进一步深入研究.