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.     

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.     

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。     

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...     

基于背景噪声经验格林函数的地震准确定位精度分析——以2008年甘肃武都地震为例

准确的震源位置能够为抗震减灾工作和地球内部结构研究提供关键信息.在震中附近观测台网密集且方位角覆盖良好的情况下,通过拟合多个台站P波、S波的观测到时,能够得到准确的震源位置.而在台网稀疏的地区,由于缺少可靠的三维速度结构模型,往往造成较大的地震定位误差.近年来发展了基于背景噪声经验格林函数（EGFs）对地震波形进行校正的重定位方法,能够有效地压制路径上复杂速度结构体的影响,提高了地震定位精度,为稀疏台网情形下地震准确定位研究提供了一个新思路.本文选取由InSAR观测到准确位置的2008年甘肃武都M_S5.5地震作为测试案例,对稀疏台网下基于背景噪声格林函数地震准确震中测定方法进行了定量评估.利用震中附近多个流动台分别作为参考台,提取其与固定台站之间的背景噪声格林函数（EGFs）,然后使用噪声Rayleigh面波格林函数对地震波形进行校正,重定位武都地震震中,并与真实震中位置进行对比.结果表明：使用距离震中30 km以内的参考台,利用10~30 s频段的面波走时信息,噪声叠加时长为一个月,定位精度在5 km以内;当噪声叠加时间一年以上,重定位精度优于1 km.本文进一步针对缺少近台以及台网更加稀疏的情况进行了测试,发现使用10个左右固定台进行重定位,基于较高质量的噪声EGFs频散数据,定位结果精度可达3 km,从而给出了该方法的高精度定位所需的固定台网及参考台站的观测指标体系.

     

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.     

背景噪声在数字地震台网时间系统中的稳定性估计

核查地震波形数据记录中的时间系统是数字地震台网最困难的任务之一,特别是当波形数据进行离线保存或使用时,在时空部署上通常具有不确定性.对于层析成像、地震定位、预警等来说,时间系统的精度是极其关键的.尽管目前数字地震台网中部普遍采用了GPS或广播信号来进行授时,但当GPS重复不断地连接外部时钟失败时,数据的记录时间就只能依赖于内部时钟.     

基于多重互相关函数计算地探信号到时差

论文介绍了一种提高地震等地探信号到时差精度的新方法-多重互相关函数法. 从理论上推导出了多重互相关函数的公式,且通过实验验证了用此函数不仅能提高信号的信噪比,还能提取出相似信号所共有的频率信号,进而精确地识别出它们的到时差.探讨了此原理在场地、地震剪切波速信号到时差提取中的应用,分析结果显示:相比互相关函数,多重互相关函数能更准确地求取两相似信号的初至时刻差.     

Surface wave tomography on a large-scale seismic array combining ambient noise and teleseismic earthquake data

We discuss two array-based tomography methods,ambient noise tomography (ANT) and two-planewave earthquake tomography (TPWT),which are capable of taking advantage of emerging large-scale broadband seismic arrays to generate high resolution phase velocity maps,but in complementary period band:ANT at 8-40 s and TPWT at 25-100 s period.Combining these two methods generates surface wave dispersion maps from 8 to 100 s periods,which can be used to construct a 3D v S model from the surface to ～200 km depth.As an i...     

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景 噪声的勒夫波群速度成像

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造之一. 为了研究该地区的地壳上地幔速度结构,本文收集了国家数字地震台网和中国区域地震台网的山东、河南、安徽、江苏和湖北等省的144个宽频带地震台连续两年(2009年5月—2011年5月)的水平向地震记录(E分量和N分量)数据,首先对台站对之间E-E,E-N,N-N和N-E分量进行互相关,然后分别对这4个互相关分量采用相位权重叠加法进行叠加,最后旋转到横向分量(T-T)获得勒夫波经验格林函数(EGF);用频时分析(FTAN)方法获得4000余条勒夫波群速度频散曲线,并进一步反演得到了周期为6—40s的勒夫波群速度分布图.结果表明,周期为6—10s的勒夫波群速度分布与地表构造特征相吻合.大别造山带、苏鲁造山带、湖北西部隆起均表现为高速;华北盆地发育,表现为大面积的低速;江汉盆地、南襄盆地、合肥盆地等因其规模不同而显示不同程度的低速.在周期为6—30s的勒夫波群速度分布图上,大别和苏鲁地区均显示高速,已有的研究结果中地壳的低速并没有得到反映.其原因一方面可能与勒夫波群速度纵向分辨不高有关,另一方面高压变质岩深度分布可能比已有研究结果给出的要深. 6—30 s的分布图上郯庐断裂带及其邻近地区表现为不同程度的高速,可能与该地区白垩纪以来处于拉张构造体制,地幔物质受到扰动,造成物质上涌有关.     

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.     

四川地区地震背景噪声特征分析

选取四川省数字测震台网2015年1月1日至2018年12月31日期间60个固定台站的三分量连续波形记录,计算了台站噪声加速度功率谱密度及相应的概率密度函数分布,统计了不同频率下的噪声功率谱密度值分布,对不同区域、不同频率下背景噪声水平的变化特征予以分析。结果表明:大部分地震台站的高频段噪声由于受到台站附近人为的、规律的作息生活和生产方式的影响,呈现明显的季节性变化和日变化,即夏季噪声水平升高,冬季降低,在农历春节期间达到全年最低值,地理空间分布特征不明显;第二类地脉动冬季噪声水平升高,夏季降低,季节性变化明显,平均变化为1—5 dB,且冬季峰值出现的频率向长周期方向移动1—2 s,呈现明显的地理空间分布特征,川东地区平均噪声水平最高,攀西地区次之,川西高原最低;与第二类地脉动相比,第一类地脉动观测到的噪声能量较弱,季节性变化不明显,地理空间分布的噪声水平差异明显减小;在20 s以上的长周期部分,台站噪声未呈明显的季节性和地理空间分布差异。此外,将地震计安置在山洞和井下,可以有效地降低台站周围干扰源、温度和压强对高频段和长周期观测的影响,噪声水平低于地表安装方式。      

Comparison of ground truth location of earthquake from InSAR and from ambient seismic noise:A case study of the 1998 Zhangbei earthquake

Because ambient seismic noise provides estimated Greenos function (EGF) between two sites with high accuracy, Rayleigh wave propagation along the path connecting the two sites is well resolved. Therefore, earthquakes which are close to one seismic station can be well located with calibration extracting from EGF. We test two algorithms in locating the 1998 Zhangbei earthquake, one algorithm is waveform-based, and the other is traveltime-based. We first compute EGF between station ZHB (a station about 40 km away from the epicenter) and five IC/IRIS stations. With the waveform-based approach, we calculate 1D synthetic single-force Greenos functions between ZHB and other four stations, and obtain traveltime corrections by correlating synthetic Greenos functions with EGFs in period band of 10-30 s. Then we locate the earthquake by minimizing the differential travel times between observed earthquake waveform and the 1D synthetic earthquake waveforms computed with focal mechanism provided by Global CMT after traveltime correction from EGFs. This waveform-based approach yields a location which error is about 13 km away from the location observed with InSAR. With the traveltime-based approach, we begin with measuring group velocity from EGFs as well as group arrival time on observed earthquake waveforms, and then locate the earthquake by minimizing the difference between observed group arrival time and arrival time measured on EGFs. This traveltime-based approach yields accuracy of 3 km, Therefore it is feasible to achieve GT5 (ground truth location with accuracy 5 km) with ambient seismic noises. The less accuracy of the waveform-based approach was mainly caused by uncertainty of focal mechanism.     

Composition of high frequency ambient noise from cross-correlation:A case study using a small aperture array

Long-time cross correlation of ambient noise has been proved as a powerful tool to extract Green's function between two receivers.The study of composition of ambient noise is important for a better understanding of this method.Previous studies confirm that ambient noise in the long period (3 s and longer) mostly consists of surface wave,and 0.25-2.5 s noise consists more of body waves.In this paper,we perform cross correlation processing at much higher frequency (30-70 Hz) using ambient noise recorded by a small aperture array.No surface waves emerge from noise correlation function (NCF),but weak P waves emerge.The absence of surface wave in NCF is not due to high attenuation since surface waves are strong from active source,therefore probably the high ambient noise mostly consists of body wave and lacks surface wave.Origin of such high frequency body waves in ambient noise remains to be studied.     

华北地区基于噪声的瑞利面波群速度层析成像

本文利用华北地震科学台阵2007年1~4月份、190个宽频带和10个甚宽带垂直分量的地震噪声数据,通过互相关方法提取了瑞利面波的经验格林函数,用多重滤波方法测量了瑞利面波的群速度频散曲线.我们将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,利用噪声层析成像方法得到了研究区域7 s、12 s、16 s、23 s的瑞利面波群速度分布图像,所得结果较好地揭示了地壳内部、尤其是浅部地壳的横向速度变化.研究表明,短周期的群速度分布同地表地质结构、地形密切相关;华北地区的地壳结构具有明显的横向不均匀性,华北盆地及山间的沉积盆地显示出低速异常,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区,呈现高速异常;多数强震(M≥6.0级)都发生在高群速度与低群速度的过渡地带.     

基于背景噪声研究大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造带之一. 为了研究该地区上中下地壳的速度结构, 选用国家数字地震台网和中国区域地震数据台网5省(山东、 安徽、 江苏、 河南和湖北)连续两年(2009年5月—2011年5月)的垂直向地震记录, 进行背景噪声互相关处理, 叠加得到了台站对间的面波经验格林函数. 采用多重滤波法提取了近4000条频散曲线, 并反演得到了研究区10—25 s的瑞雷波群速度分布结果. 通过分析大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构图像, 发现不同构造块体具有不同的瑞雷波群速度结构: ① 研究区内的郯庐断裂带及其周边地区包括鲁西地块和胶北地块上中下地壳均表现出明显的高速异常, 可能是在拉张环境下岩浆岩上涌, 导致高速、 高密度的变质岩在地壳富集而形成; ② 苏鲁高压变质带的瑞雷波速度在10—25 s周期内明显高于其它地区, 其上中下地壳均表现出较高的群速度结构特征, 认为苏鲁高压变质带至少延伸到下地壳, 而大别造山带在10 s时表现出高速特征, 但在15—25 s没有明显的高速特征, 故无法从其结果中判断大别高压变质带的垂向延伸范围; ③ 华北板块上中下地壳均表现为低速特征, 体现了研究区内华北板块的大陆地壳减薄特征.      

利用背景噪声成像研究合肥-金华剖面地壳速度结构及径向各向异性的东西差异

背景噪声成像能够为地壳内部结构提供地震波速的观测证据,能够增进对地壳结构与物性的认识.本文利用背景噪声成像方法对合肥-金华流动地震台阵55个台站数据进行了分析反演,获得了华北克拉通与华南块体东部构造边界附近区域的地壳S波速度与径向各向异性结构.成像结果表明,以东经118°-118.5°附近为界,西北部表现为地壳低速异常和中下地壳正的径向各向异性,东南部表现为地壳高速异常,下部地壳存在负的径向各向异性.由此,本文推测地震波速结构差异反映了地壳内部物质与温度的差异,这种差异与两个地区自中生代晚期以来经历了截然不同的岩浆活动相关.

     

新冠疫情防控前后湖北恩施地震台背景噪声变化分析

利用2018年1月至2020年3月恩施地震台站观测的垂直分量连续波形数据,通过计算噪声功率谱密度和概率密度函数,统计其不同频段功率谱密度分布情况,对比分析疫情前后恩施地区噪声水平变化特征.同时,将2018年、2019年和2020年垂直向地震噪声的加速度幅值进行对比,发现春节前几日的加速度幅值变化曲线高度一致,表明这三年...