利用噪声研究地下介质速度结构及其变化在中国大陆的应用

背景噪声层析成像技术已被广泛应用于地壳和上地幔速度结构的研究,这种方法不依靠地震的发生和人工源爆破,只需记录连续的噪声信号而无需产生信号,因为噪声穿过地下介质时会携带信息,然后通过利用台站记录到的连续背景噪声数据进行互相关计算和叠加,即可得到台站间的经验格林函数,从而获取对地下结构的认识。这种方法已经很好地应用于中国的东北地区、华北克拉通、青藏高原以及华南地区,并成功地揭示了这些地区地壳与上地幔顶部的速度结构。此外近年来,一些学者还利用噪声互相关技术研究地下介质地震波速度随时间的变化,通过对汶川大地震前后连续噪声记录的研究发现,大震发生后呈现同震波速降低和震后波速逐渐恢复的特点,这表明可以通过观测地震波特性的变化来监测地下应力的变化,从而为大震的预测预防工作提供科学依据。本文主要综述了近些年来背景噪声技术及其在中国大陆地区的应用。     

利用背景噪声研究福建金钟库区地壳介质波速变化

基于2011年10月—2015年12月福建测震台网金钟库区周边台站的连续波形数据,利用地震背景噪声互相关技术提取台站对间的经验格林函数,分周期(1~2 s,2~4 s和4~8 s)测量每天经验格林函数与参考格林函数的走时偏移,进而计算了库区各台站对之间的相对地震波速变化。结果表明:2~4 s周期内地下介质相对波速变化表现出夏高冬低的年变规律,与库区水位变化及当地降雨量存在明显的正相关性,说明在此周期范围内,水位变化及降雨量对波速变化的影响最大。2013年8—10月,仙游地区接连发生了4次M_L≥4.0地震,其中在2013年9月4日仙游震群最大M_L5.0地震发生后,波速变化出现趋势性下降,幅度约为0.1%,随后波速逐渐恢复,在整个震群活动后期,对库区介质波速的影响不明显。     

福建及其邻区背景噪声面波群速度层析成像

基于福建及邻区108个宽频带地震台站2016年6月到7月两个月垂直和水平分量波形连续记录, 利用相位加权叠加算法提高信噪比, 计算得到108个台站对的高质量经验格林函数。 对所获取的经验格林函数, 采用时频分析的方法在1~20 s频段内量取了大量高质量的Rayleigh波和Love波群速度频散数据。 在此基础上, 采用基于射线追踪的二维层析成像方法反演得到了福建及其邻区1~20 s的Rayleigh波和Love波群速度分布。 分辨率测试结果表明群速度分布的分辨率能达50 km。 成像结果显示1~10 s的群速度分布与地壳中上部地质特征有很好的一致性, 区内的福州盆地和漳州盆地在浅层结构中表现出明显的低速异常。 长周期的群速度则揭示了漳州西北的高地热区内中下地壳低速体, 政和-大埔断裂两侧的速度差异, 表明其可能是一个深大断裂, 并呈现明显的东西差异。     

用噪声成像方法研究云南地区强震前地震面波速度变化

本文利用2008年1月至2010年1月云南地震台网46个台站的连续波形资料, 采用背景噪声方法计算云南地区不同台站对之间的面波延迟时间, 通过层析成像方法反演得到不同时间段相同时间窗长的面波波速分布。 根据试验, 将三个月的时间窗长作为云南地区得到稳定信噪比的延迟时间的叠加天数。 结果表明, 不同时间段得到的波速结构具有明显的变化。 这些变化表明: ① 2008年汶川8.0级地震后, 程海断裂带波速增加, 能量积累加剧; ② 2008年攀枝花6.1级地震前攀枝花地区处于速度升高和速度降低的分界带上; ③ 2009年姚安6.0级地震前震中所在区域面波波速升高, 而震后出现降低。 与传统的动态成像相比, 背景噪声方法由于采用固定的台站对, 不同时间段的射线固定, 这样可以减小由于不同时段地震分布不均一和震源定位而引起的误差, 使动态反演结果更加可靠。     

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。     

Temporal and Spatial Images of Ambient Noise Intensity in the Chinese Mainland

Successive waveforms of the vertical component recorded by 888 broadband seismic stations in the China Seismography Network from January,2010 to June,2011 are used to investigate the temporal and spatial distribution of ambient noise intensity,and the images of ambient noise intensity at the period of 10 s in the Chinese Mainland are obtained. The temporal variation of ambient noise intensity shows some seasonal and periodic characteristics. The maximum ambient noise intensity occurred from January,2011 to March,2011. The spatial distribution images of ambient noise intensity show obvious zoning features,which doesnt correlate with surface geology,suggesting that the noise field is stronger than the site factors. The strength in southeastern coastal areas reaches its maximum and generally decreases toward to inland areas,and arrives at the minimum in the Qinghai-Tibetan Plateau. The zonal intensity distribution is probably correlated with ocean tides from the Philippine Ocean and the Pacific Ocean. It also shows that the influence from the Indian Ocean seems small. However, the ambient noise intensity increases to a certain degree in the Xinjiang area,indicating that the main source of ambient noise in the western area of the Chinese Mainland is not derived from the East and South China Sea,but rather from the deep interior of the Eurasian continent. The ambient noise intensity obtained in this study can supply reference for seismology research based on ambient noise correlation. Moreover,it can supply basic data for attenuation research based on ambient noise, and thus help achieve the object of retrieving the attenuation of Rayleigh waves from ambient noise.     

用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

本文利用东北地区的黑龙江、 吉林、 辽宁和内蒙古等四省区区域数字地震台网122个宽频带地震台站记录的波形数据, 分别通过背景噪声互相关及地震面波提取8~25 s和25~70 s的瑞利面波频散曲线, 进而反演得到东北地区从浅到深直至约100 km的岩石圈速度结构。 结果表明, 周期为8 s至15 s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系, 盆岭边界的大型断裂对上地壳速度结构的控制作用明显, 松辽盆地呈现较厚的低速沉积盆地特征; 周期为20 s至30 s的群速度与短周期时相比出现明显变化, 反映了以大兴安岭—太行山重力梯度带为界, 西部地区莫霍面深度大于东部地区; 周期为50 s至70 s的长周期群速度图表现为随着周期的增加, 东部低速区域西移而西部显示稳定高速, 可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响, 大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。     

Advantages of Using Multichannel Analysis of Love Waves (MALW) to Estimate Near-Surface Shear-Wave Velocity

As theory dictates, for a series of horizontal layers, a pure, plane, horizontally polarized shear (SH) wave refracts and reflects only SH waves and does not undergo wave-type conversion as do incident P or Sv waves. This is one reason the shallow SH-wave refraction method is popular. SH-wave refraction method usually works well defining near-surface shear-wave velocities. Only first arrival information is used in the SH-wave refraction method. Most SH-wave data contain a strong component of Love-wave energy. Love waves are surface waves that are formed from the constructive interference of multiple reflections of SH waves in the shallow subsurface. Unlike Rayleigh waves, the dispersive nature of Love waves is independent of P-wave velocity. Love-wave phase velocities of a layered earth model are a function of frequency and three groups of earth properties: SH-wave velocity, density, and thickness of layers. In theory, a fewer parameters make the inversion of Love waves more stable and reduce the degree of nonuniqueness. Approximating SH-wave velocity using Love-wave inversion for near-surface applications may become more appealing than Rayleigh-wave inversion because it possesses the following three advantages. (1) Numerical modeling results suggest the independence of P-wave velocity makes Love-wave dispersion curves simpler than Rayleigh waves. A complication of “Mode kissing” is an undesired and frequently occurring phenomenon in Rayleigh-wave analysis that causes mode misidentification. This phenomenon is less common in dispersion images of Love-wave energy. (2) Real-world examples demonstrated that dispersion images of Love-wave energy have a higher signal-to-noise ratio and more focus than those generated from Rayleigh waves. This advantage is related to the long geophone spreads commonly used for SH-wave refraction surveys, images of Love-wave energy from longer offsets are much cleaner and sharper than for closer offsets, which makes picking phase velocities of Love waves easier and more accurate. (3) Real-world examples demonstrated that inversion of Love-wave dispersion curves is less dependent on initial models and more stable than Rayleigh waves. This is due to Love-wave’s independence of P-wave velocity, which results in fewer unknowns in the MALW method compared to inversion methods of Rayleigh waves. This characteristic not only makes Love-wave dispersion curves simpler but also reduces the degree of nonuniqueness leading to more stable inversion of Love-wave dispersion curves.     

Surface Wave Group Velocity Tomography Imaging from Ambient Noise for Fujian Province and Its Adjacent Areas

Two-month continuous waveforms of 108 broadband seismic stations in Fujian Province and its adjacent areas are used to compute noise cross-correlation function (NCF). The signal quality of NCF is improved via the application of time-frequency phase weighted stacking. The Rayleigh and Love waves group velocities between 1s-20s are measured on the symmetrical component of the NCF with the multiple filter method. More than 5,000 Rayleigh wave dispersion curves and about 4,000 Love wave dispersion curves are obtained and used to invert for group velocity maps. This data set provides about 50km resolution that is demonstrated with checkerboard tests. Considering the off great circle effect in inhomogeneous medium, the ray path is traced based on the travel time field computed with a finite difference method. The inverted group velocity maps show good correlation with the geological features in the upper and middle crust. The Fuzhou basin and Zhangzhou basin showed low velocity on the short period group velocity maps. On the long period group velocity maps, the low velocity anomaly in the high heat flow region near Zhangzhou and clear velocity contrast across the Zhenghe-Dapu faults, which suggests that the Zhenghe-Dapu fault might be a deep fault.     

利用背景噪声研究紫坪铺水库水位加卸载对库区地下介质波速的影响

利用2005年1月1日~2008年1月1日紫坪铺台网及YZP台连续波形资料,通过噪声互相关技术研究了紫坪铺水库区域在蓄水、泄水过程中库区介质的变化特征,同时对可能的渗透过程进行了讨论。使用移动窗口互谱方法计算库区台站对之间的相对波速变化。结果表明,在紫坪铺水库的3次大规模蓄水及2次泄水过程中,地下介质相对波速变化与水位变化之间存在较为明显的相关性,并在时间上有一定延迟,可能与水的渗透有关。分析认为蓄水对浅层介质产生的作用最快,影响最大,波速的变化是蓄水产生的压力及渗透共同作用的结果。在第1次蓄水时,压力起主要作用,后2次蓄水时,渗透起主要作用,且渗透作用已影响至8km左右的断层。     

川西地区地壳三维速度结构环境噪声高分辨率地震成像研究

川西高原地处青藏高原东部边缘。川西地区高分辨率的地壳上地幔三维速度结构探测研究对于青藏高原动力学和大陆内部块体边界动力学来说无疑具有至关重要的意义。近年来,川西地区已成为青藏高原动力学和大陆内部块体边界动力学研究的热点。与之相应的地球物理探测工作也十分活跃。但是,由于台站覆盖区域及空间分辨率的限制,     

基于背景噪声研究河北及邻区群速度分布特征

通过收集河北及邻区190个宽频地震仪记录的自2010年1月至2011年12月共24个月垂直分量的连续噪声数据,利用噪声面波层析成像的方法获得了河北及邻区的面波群速度分布特征。首先采用多重滤波方法提取面波群速度频散曲线,然后将研究区域划分为0.2°×0.2°的网格,利用O’ccam方法反演得到河北及邻区7~34s周期范围内的瑞利波群速度分布图。结果表明,群速度分布特征与研究区地表地貌和地质构造表现出较好的相关性,能清晰地揭示地壳内部的横向速度变化。在短周期(7~25s)内,拥有较厚的沉积层的盆地表现为明显的低速特征,而太行山及燕山隆起地区则表现为较高的群速度分布特征;在长周期(﹥25s),群速度的分布特征表现出与短周期相反的特性,拥有较薄地壳的平原地区表现为高速,而拥有较厚地壳的太行山和燕山隆起区域则表现为相对低速。山西带北段和河北平原带中、下地壳存在明显的低速层。在群速度分布图上,太行山不仅是华北盆地与太行山的地形和构造分界带,同时也对应着高群速度与低群速度的过渡带。研究区的多数强震分布在高低速过渡地带之间偏向高速一边,且发生地震较多的地区中下地壳都存在明显的低速异常。     

中国大陆背景噪声强度时空分布

使用中国地震台网888个宽频带地震台站2010年1月至2011年6月记录的连续波形垂直向分量, 进行了中国大陆背景噪声强度时空分布研究, 得到了中国大陆周期为10 s的背景噪声强度的时空分布图像。 背景噪声强度的时间分布具有一定的季节性和周期性变化特征, 研究表明2011年1~3月间的背景噪声强度最高。 背景噪声强度空间分布显示, 中国大陆背景噪声强度呈现明显的分区特性, 其分布与地质结构无明显相关性, 表明背景噪声场的强度高于场地效应。 其中, 东南沿海地区的背景噪声强度最大, 向内陆地区逐渐衰减, 至青藏高原地区背景噪声强度减至最小。 这种方向性的强度分布很可能与菲律宾和太平洋的潮汐等因素有关, 受印度洋的影响不大; 而到新疆地区, 背景噪声的强度又有一定程度增加, 表明这一地区的背景噪声主要不是来源于中国东南海域, 而是来自于欧亚大陆内部。 本研究得到的背景噪声强度可以为多个地区的微震强度提供基础数据资料, 也可以为背景噪声互相关的地震学研究提供参考。 更为重要的是, 还可以为基于背景噪声提取面波衰减研究提供基础数据, 进而实现从背景噪声中提取面波衰减。     

广义S变换在背景噪声数据处理中的应用

广义S变换解决了标准S变换中基本小波形态固定的缺陷,在分析非平稳信号时能更好地刻画其时频特性。编写广义S变换的计算程序,并用它对地震背景噪声数据进行去噪处理。结果显示:广义S变换处理过的数据信噪比大大提高,可以为数据反演提供更精确的数据。     

利用脉动记录反演台湾海峡面波的群速度的初步探讨

在地震研究中,地震波波速异常的探讨进行的比较早。但自1978年以后,波速异常的研究便处于缓慢发展和检验阶段。除此之外,目前对于波速的测定还受到地震发生与否、台站位置、记录效果以及地震定位的精确性等的局限。近些年,有很多研究人员将目标转向脉动记录,希望能够通过脉动记录来得到该地区面波的传播速度,进而反演出地下介质的结构并监测其变化情况。     

沉积层地震观测噪声的对比试验

天津地区的地质构造条件复杂,其中大部分地区被新生代沉积物深度覆盖,地势以平原和洼地为主,北部有少量低山丘陵,平原约占93％.因此,天津市测震台网地震观测台站除蓟县台有基岩出露台外,其余台站均为井下地震观测.而井下地震计维修价格昂贵且不易维修,同时还面临着由于井下电缆损毁,地震计无法回收等问题.为此,天津市测震台网一直在寻找一种可替代现有井下观测的新方式,以应对深覆盖层地震观测存在的问题.本文通过地震观测,完成了一地多台基情况下台基噪声的对比试验,得到了很好的对比结果.该方法适合在其它类似天津这样沉积层较厚的地区推广使用,可达到简化地震计安装、降低设备维护成本和方便维护的目的.     

利用背景噪声研究地下介质速度变化及其进展

利用背景噪声互相关提取经验格林函数,再由走时偏移计算介质速度变化,是一种监测地下介质速度变化的新方法。先从背景噪声中提取地下介质速度变化的研究意义,然后从其发展过程、原理及目前的研究动态三方面进行阐述,最后是对此方法的总结与展望。     

河南及邻区瑞利波群速度噪声层析成像

本文选取河南及邻区39个宽频带和甚宽频带地震台站记录的2014年1月～2015年12月垂直分量的连续波形资料,通过波形互相关和叠加运算得到台站间的经验格林函数,并用时频分析方法提取了498条瑞利波群速度频散曲线,进而采用噪声层析成像方法反演获得了河南及邻区8～25s的瑞利波群速度分布图像。结果表明,8s周期的群速度分布与地表构造特征密切相关,平原地区表现为低速异常,而基岩出露的山区呈现为高速异常;14s、20s周期的群速度在山区表现的高速异常与8s相似,说明中上地壳与地壳浅部结构有一定的相关性和继承性;8～20s周期的群速度在华北平原地区存在低速异常范围随周期增加而减小的现象。华北平原地区在下地壳表现出的低速异常,可能与大陆地壳减薄有关。大致以太行-武陵重力梯度带为界,下地壳表现出的西部低速、东部至研究区中部高速异常差异,体现了地壳东薄西厚的结构特征。