多地震疊加提取雙臺(tái)間面波頻散信息

陳浩朋 朱良保 葉慶東 王清東

1）中國(guó)武漢430079武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院地球物理系

2）中國(guó)武漢430079武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

多地震疊加提取雙臺(tái)間面波頻散信息

陳浩朋1），朱良保1，2）葉慶東3）王清東1）

1）中國(guó)武漢430079武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院地球物理系

2）中國(guó)武漢430079武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3）中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

利用中國(guó)HIA臺(tái)和哈撒克斯坦BRVK臺(tái)的甚寬頻地震儀記錄的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6—7強(qiáng)余震數(shù)據(jù)，采用互相關(guān)法提取了雙臺(tái)間的瑞雷波群速度頻散曲線.研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一臺(tái)記錄的大地震和強(qiáng)余震激發(fā)的瑞雷波，其主要能量的周期范圍明顯不同，MW9.0大地震面波主要能量周期長(zhǎng)（70s以上），而強(qiáng)余震面波的主要能量周期相對(duì)較短（10—50s）.單獨(dú)利用大地震數(shù)據(jù)無(wú)法提取60s以下的群速度頻散，而單獨(dú)利用強(qiáng)余震數(shù)據(jù)無(wú)法提取100s以上頻散.將雙臺(tái)記錄的特大地震、強(qiáng)余震數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)疊加，可以提取出較為可靠的寬頻帶瑞雷波群速度頻散曲線（10—200s）.

多地震 疊加 雙臺(tái) 互相關(guān)法 面波頻散

引言

20世紀(jì)50年代的面波頻散測(cè)量主要基于峰谷法.Sato（1955，1956a，b）將傅里葉變換技術(shù)應(yīng)用于分析面波頻散.20世紀(jì)60年代初，Alexander（1963）首先把數(shù)值濾波技術(shù)應(yīng)用于面波頻散測(cè)量.Pilant和Knopoff（1964）首先利用時(shí)間變量濾波方法測(cè)量相速度.數(shù)值濾波以及時(shí)間變量濾波技術(shù)的應(yīng)用在面波頻散的測(cè)量中具有劃時(shí)代的意義.60年代后期發(fā)展的方法都是在快速傅里葉變換和數(shù)值濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.Landisman等（1969）提出了移動(dòng)窗分析法；Dziewonski等（1969）提出了多重濾波法.由此建立了面波頻時(shí)分析的基礎(chǔ).Landisman等（1969）指出，可以利用雙臺(tái)數(shù)據(jù)互相關(guān)提取雙臺(tái)間的面波群速度、相速度.雙臺(tái)互相關(guān)法是提取面波頻散曲線的一種常用方法，該方法可以消除震源誤差的影響，測(cè)量精度相對(duì)較高（李白基等，1977；馮銳等，1981；徐果明等，2000，2007）.

地震面波頻散是研究地殼、上地幔結(jié)構(gòu)的有力工具.利用面波群速度頻散研究中國(guó)大陸及鄰區(qū)速度結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了大量成果（陳國(guó)英等，1991；宋仲和等，1991；朱良保等，2002），而對(duì)面波相速度頻散的研究也逐漸增多（陳國(guó)英等，1995；何正勤等，2000；徐果明等，2000，2007；易桂喜等，2008）.在利用面波反演時(shí)，既希望有高的精度，又希望有較寬的帶寬.面波頻散的提取一方面受到地震儀的頻帶影響.不同型號(hào)的地震儀具有不同的頻帶，如CMG－3ESP的頻帶上限為30s，Trillium 120P為120s，Streckeisen STS－1為360s，提取頻散的范圍不可能超過(guò)地震儀的頻帶.徐果明等（2000）根據(jù)中國(guó)763長(zhǎng)周期地震臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，選取穿過(guò)中國(guó)大陸東部的21個(gè)臺(tái)站的43條雙臺(tái)瑞雷面波相速度頻散曲線，反演求得中國(guó)大陸東部的純路徑相速度分布，并由此反演得到了該區(qū)域地殼上地幔的三維橫波速度結(jié)構(gòu)圖像.但是由于763臺(tái)站頻帶的限制，他們的研究周期較短（10—58s），因而對(duì)130km之下橫波速度結(jié)構(gòu)的分辨率不高.何正勤等（2000）利用北京臺(tái)網(wǎng)7個(gè)頻帶為0.5—20s的臺(tái)站獲得5條雙臺(tái)路徑上2—18s的瑞雷波相速度頻散.易桂喜等（2008）利用102個(gè)數(shù)字化臺(tái)站記錄的長(zhǎng)周期垂直向面波資料，采用雙臺(tái)互相關(guān)法測(cè)量了538條獨(dú)立路徑的基階瑞雷面波相速度頻散資料，反演獲得了中國(guó)大陸及鄰區(qū)20—120s的瑞雷波相速度空間分布圖像，其所采用的儀器頻帶的上限即為120s.另一方面，頻散的提取與地震的震級(jí)大小也有關(guān)，震級(jí)較小的地震面波往往不發(fā)育（羅艷，2010），而震級(jí)較大淺震的地震面波發(fā)育往往較好.對(duì)于面波發(fā)育較好的淺震，面波主要能量的周期范圍與震級(jí)也有一定關(guān)系.震級(jí)較大的地震波主要能量集中在中長(zhǎng)周期頻段（何正勤等，2000），而區(qū)域性小地震的振幅譜的峰值通常小于20s（Levshinetal，2001）.傳統(tǒng)上只用中強(qiáng)震數(shù)據(jù)提取面波頻散，這樣即使在儀器頻帶較寬的情況下也不能提取長(zhǎng)周期（＞120s）的頻散，從而不能反映出更深的橫波速度結(jié)構(gòu).

本文利用中國(guó)HIA臺(tái)和哈撒克斯坦BRVK臺(tái)的Streckeisen STS－1V、STS－1甚寬頻地震儀記錄的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6—7強(qiáng)余震垂直分量數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)MW9.0大地震激發(fā)的面波主要能量在較長(zhǎng)周期（70s以上），而6級(jí)左右的強(qiáng)余震激發(fā)的面波能量集中在較短周期（10—50s）.單獨(dú)利用大地震數(shù)據(jù)，無(wú)法提取較短周期內(nèi)的頻散，得到的頻散曲線缺乏連續(xù)性，也無(wú)法判斷得到的長(zhǎng)周期頻散信息是否正確；而單獨(dú)利用強(qiáng)余震數(shù)據(jù)，又無(wú)法提取長(zhǎng)周期內(nèi)的頻散.利用日本MW9.0大地震及其余震數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)疊加發(fā)現(xiàn)，通過(guò)多地震疊加既可以提高信噪比，又可以得到寬頻帶的瑞雷波頻散信息.

1 互相關(guān)方法原理

互相關(guān)法是雙臺(tái)法的一種.雙臺(tái)法要求面波路徑為大圓弧，即地震震中與兩個(gè)臺(tái)站在同一大圓弧上，并且兩個(gè)臺(tái)站在地震震中同一邊.

設(shè)第一個(gè)、第二個(gè)臺(tái)站的地震面波數(shù)據(jù)分別為f1（t）和f2（t）.

f1（t）的譜為

式中，An（ω）為第n階振型的振幅譜；φ（ω）為震源的相位；Δ1為第一個(gè)臺(tái)站震中距；kn（ω）Δ1為與路徑有關(guān)的相位；t1為第一個(gè)臺(tái)站第一個(gè)有效數(shù)據(jù)相對(duì)于參考時(shí)刻的時(shí)間，如果參考時(shí)刻為發(fā)震時(shí)刻，則t1表示走時(shí).

f2（t）的譜為

類似地，Bm（ω）為第m階振型的振幅譜；Δ2為第二個(gè)臺(tái)站震中距；km（ω）Δ2為與路徑有關(guān)的相位；t2為第二個(gè)臺(tái)站第一個(gè)有效數(shù)據(jù)相對(duì)于參考時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間，如果參考時(shí)刻為發(fā)震時(shí)刻，則t2表示走時(shí).

兩臺(tái)站數(shù)據(jù)的互相關(guān)譜為

分解為兩項(xiàng)，則

由式（4）可知，經(jīng)過(guò)互相關(guān)，震源的相位被消除，但保留了路徑頻散的信息.第一項(xiàng)保留了兩臺(tái)站之間介質(zhì)的基階和高階振型的頻散信息，第二項(xiàng)為交叉振型項(xiàng).

假設(shè)在統(tǒng)計(jì)意義下，不同振型相互獨(dú)立.不同階振型在互相關(guān)后疊加會(huì)互相抵消，則交叉振型可以忽略不計(jì).又由于t1與t2是已知的量，可以消去ejω（t2－t1），式（4）可以變?yōu)?/p>

返回到時(shí)間域，f（t）就是兩臺(tái)站之間高信噪比的面波數(shù)據(jù)，可以用多重濾波法提取出兩臺(tái)站間的面波群速度頻散.由于公式（5）中不包含震源的相位，所以也可以獲得兩臺(tái)站間的面波相速度頻散.

假設(shè)有l(wèi)次地震震中分布在雙臺(tái)所在大圓弧上，或者近似在雙臺(tái)大圓弧上同一位置，則將這l次地震互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可得

進(jìn)行多地震疊加，可以進(jìn)一步消除互相關(guān)中交叉項(xiàng)的影響，提高信噪比，從而得到真實(shí)可靠的面波頻散信息.

2 實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理

格林尼治時(shí)間2011年3月11日5時(shí)46分，日本本州海域發(fā)生MW9.0大地震.中國(guó)HIA臺(tái)和哈撒克斯坦BRVK臺(tái)與日本大地震震中在同一大圓弧上，震中距分別為2 177 km和5 591km.從美國(guó)地震學(xué)聯(lián)合研究會(huì)（IRIS）網(wǎng)站上下載了HIA和BRVK臺(tái)記錄的日本MW9.0大地震和震源附近3次MW6—7強(qiáng)余震的長(zhǎng)周期垂直分量記錄.HIA臺(tái)地震儀類型為Streckeisen STS－1V，BRVK臺(tái)地震儀類型為Streckeisen STS－1，地震儀頻帶均為2—360s.3次強(qiáng)余震也近似與HIA和BRVK臺(tái)在同一大圓弧上，臺(tái)站分布見圖1.圖1中的另外3個(gè)臺(tái)站為中國(guó)的HKPS臺(tái)、QIZ臺(tái)和俄羅斯基茲洛沃茨克市的KIV臺(tái).地震信息見表1.

圖1 2011年日本MW9.0大地震震中和臺(tái)站位置分布圖圖中黑色的線為地震震中到臺(tái)站的大圓弧路徑Fig.1 Epicenter（star）of the 2011Japan MW9.0great earthquake and seismic stations used in this study Black lines show great circle paths from the epicenter to stations

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了去均值、去線性化趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)和帶通濾波處理后，得到了位移記錄.帶通濾波通帶范圍為2.5—200s.

表1 日本MW9.0大地震和余震信息Table 1 Information of the Japan MW9.0great earthquake and aftershocks

2.2 波形對(duì)比

從圖2可以看出，HIA臺(tái)和BRVK臺(tái)記錄的MW9.0大地震與強(qiáng)余震的波形明顯不同，MW9.0大地震記錄中主要是長(zhǎng)周期面波，而強(qiáng)余震記錄中主要是較短周期面波.從圖2b可以看出，BRVK臺(tái)記錄的大地震長(zhǎng)周期面波最大值所在區(qū)間為1 400—1 800s，而強(qiáng)余震短周期面波最大值所在區(qū)間為1 800—2 000s，即長(zhǎng)周期面波速度要比短周期面波速度快，這正符合面波正頻散特征.從圖2b中還可以看出，BRVK臺(tái)記錄的MW6.8，MW6.5余震波形在1 400—1 600s的區(qū)間內(nèi)有與MW9.0大地震波形相似的長(zhǎng)周期面波.其中MW6.8余震的長(zhǎng)周期面波比較強(qiáng)，MW6.5余震的長(zhǎng)周期面波振幅較弱，但是它們相對(duì)于1 500—1 800s時(shí)窗內(nèi)的短周期面波都不算太強(qiáng)；MW6.1余震波形1 400—1 600s的區(qū)間內(nèi)沒有明顯的長(zhǎng)周期面波.

圖2 HIA（a）和BRVK臺(tái)（b）記錄的日本MW9.0大地震和3次余震垂直分量波形（a），（b）圖中4個(gè)波形從上到下分別是HIA臺(tái)和BRVK臺(tái)記錄的MW9.0，MW6.8，MW6.5和 MW6.1地震波形Fig.2 Waveforms of Japan MW9.0great earthquake and 3 aftershocks recorded by HIA （a）and BRVK （b）stationsThe 4waveforms in（a）are records of the MW9.0，MW6.8，MW6.5and MW6.1 earthquakes recorded by HIA.Similarly，those in（b）are waveforms of the 4earthquakes recorded by BRVK

綜上，大地震記錄中起主導(dǎo)的是速度較快的長(zhǎng)周期面波，強(qiáng)余震記錄中起主導(dǎo)的是速度較慢的短周期面波；對(duì)于強(qiáng)余震記錄，隨著震級(jí)的增大，也開始出現(xiàn)速度較快的長(zhǎng)周期面波，并且相對(duì)于短周期面波的振幅逐漸增強(qiáng)，當(dāng)震級(jí)增大到一定程度（如MW9.0），地震記錄中起主導(dǎo)的是長(zhǎng)周期面波.

2.3 頻譜分析

對(duì)大地震、強(qiáng)余震記錄進(jìn)行傅里葉變換，得到其振幅譜，結(jié)果見圖3.

圖3 HIA臺(tái)與BRVK臺(tái)記錄的日本MW9.0大地震和余震垂直方向位移振幅譜（a），（c），（e），（g）分別為 HIA臺(tái)記錄的2011年日本 MW9.0，MW6.8，MW6.5和 MW6.1地震垂直方向位移頻譜圖；（b），（d），（f），（h）分別為BRVK臺(tái)記錄的2011年日本MW9.0，MW6.8，MW6.5和MW6.1地震垂直方向位移頻譜圖.橫軸表示周期，縱軸表示振幅譜（A）Fig.3 Amplitude spectra of vertical displacement records of the Japan MW9.0 earthquake and aftershocks observed by HIA and BRVK stations（a），（c），（e）and（g）are amplitude spectra of vertical displacement records of the Japan MW9.0，MW6.8，MW6.5and MW6.1earthquakes，respectively，obtained by HIA；（b），（d），（f）and（h）are amplitude spectra of vertical displacements of the same earthquakes recorded by BRVK.Horizontal axes show period，and vertical axes represent spectrum amplitudes（A）

從圖3中可以看出，同一臺(tái)站記錄的同一位置不同震級(jí)的地震的位移頻譜存在明顯不同.HIA臺(tái)記錄的MW9.0大地震面波主要能量集中在70—200s內(nèi)，此外在40—70s和10—30s之間分別有一個(gè)較小的峰值.而記錄的MW6.8，MW6.5和MW6.1余震面波主要能量則集中在10—50s.BRVK臺(tái)記錄的MW9.0大地震面波主要能量集中在70—200s，記錄的MW6.1余震和MW6.5余震面波主要能量則集中在10—50s.其中MW6.5余震在140—200s有一個(gè)較小的峰值，而記錄的MW6.8余震面波主要能量集中在兩處，即10—50s和100—200s，其中100—200s的振幅要稍高些.

地震波形記錄是震源函數(shù)、傳播路徑介質(zhì)、儀器響應(yīng)、場(chǎng)地響應(yīng)的綜合結(jié)果.地震臺(tái)觀測(cè)到的地震記錄傅里葉譜可以表示為（劉麗芳等，2007）

式中，A0（f）為震源譜；R為震中距；G（R）為幾何擴(kuò)散函數(shù)；S（f）為場(chǎng)地響應(yīng)；I（f）為儀器響應(yīng)；為非彈性衰減，其中Q（f）為品質(zhì)因子，vb為體波速度.

不同臺(tái)站記錄的同一地震的振幅譜差異則是由路徑與場(chǎng)地響應(yīng)的不同造成的.

設(shè)HIA臺(tái)和BRVK臺(tái)記錄同一地震振幅譜分別為

則BRVK臺(tái)與HIA臺(tái)的振幅譜之比為

對(duì)于同一位置不同震級(jí)的地震來(lái)說(shuō)，BRVK臺(tái)和HIA臺(tái)的位移振幅譜之比應(yīng)是相同的.從圖4可以看出，兩個(gè)臺(tái)站記錄的不同震級(jí)地震位移振幅譜比值是基本一致的；兩個(gè)臺(tái)站振幅譜之比在70s以下大體小于1，在70—200s大于1.這說(shuō)明由于BRVK臺(tái)和HIA臺(tái)路徑和場(chǎng)地響應(yīng)的差異，造成了BRVK臺(tái)長(zhǎng)周期振幅（70—200s）相對(duì)HIA臺(tái)增強(qiáng)，短周期（70s以下）相對(duì)減弱.

圖4 BRVK臺(tái)與HIA臺(tái)記錄的同一地震垂直方向位移振幅譜之比Fig.4 The ratio of amplitude spectra of vertical displacements of the same earthquake recorded by BRVK and HIA stations

對(duì)于同一臺(tái)站記錄的同一位置不同震級(jí)的地震，其振幅譜的差異應(yīng)是由震源譜的不同造成的.從圖3可以看出，當(dāng)震級(jí)較小時(shí)，地震面波主要能量集中在較短周期，隨著震級(jí)的增大，長(zhǎng)周期面波開始增強(qiáng)，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖3中的結(jié)果，除HIA臺(tái)和BRVK臺(tái)外，又選擇了中國(guó)的HKPS臺(tái)、QIZ臺(tái)和俄羅斯基茲洛沃茨克市的KIV臺(tái)記錄的2011年日本MW9.0大地震和前面提到的MW6.5余震的長(zhǎng)周期垂直分量數(shù)據(jù)，得到了位移頻譜圖（圖5）.

圖5 HIA，HKPS，QIZ，BRVK和KIV臺(tái)站分別記錄的2011年日本MW9.0大地震（a）和MW6.5余震（b）垂直方向位移振幅譜.橫軸表示周期，縱軸表示振幅譜（A）Fig.5 Amplitude spectra of vertical displacements of the Japan MW9.0earthquake（a）and the MW6.5aftershock（b）recorded by HIA，HKPS，QIZ，BRVK and KIV stations.Horizontal axes show period，and vertical axes represent spectrum amplitude（A）

對(duì)比圖3和圖5，可以看出兩者有一致的結(jié)果.這說(shuō)明同一臺(tái)站記錄的不同地震振幅譜的差異不是臺(tái)站造成的，也不是路徑的原因，很有可能是震級(jí)的不同造成的.綜上，MW9.0大地震和6級(jí)左右余震激發(fā)的面波主要能量存在明顯不同，MW9.0大地震面波主要能量在較長(zhǎng)周期（70s以上），6級(jí)左右余震面波主要能量在較短周期（10—50s）.

2.4 雙臺(tái)互相關(guān)

與地震震中在同一大圓弧上的雙臺(tái)互相關(guān)，相當(dāng)于是在第二個(gè)臺(tái)站記錄的在第一個(gè)臺(tái)站發(fā)生的地震的數(shù)據(jù)（Landismanetal，1969）.通過(guò)雙臺(tái)互相關(guān)，可以消除震源的影響，在地震震中和發(fā)震時(shí)刻有較大誤差時(shí)仍能準(zhǔn)確提取雙臺(tái)間的面波頻散信息，這也是互相關(guān)法相對(duì)于單臺(tái)法的一大優(yōu)勢(shì).

同一地震的雙臺(tái)垂直分量記錄做互相關(guān)后進(jìn)行歸一化，結(jié)果見圖6.從圖6可以看出，MW9.0大地震的互相關(guān)波形與6級(jí)左右余震的互相關(guān)波形明顯不同.大地震互相關(guān)波形中主要是速度較快的長(zhǎng)周期面波，而小地震互相關(guān)波形中主要是速度較慢的短周期面波.MW6.8余震、MW6.1余震、MW6.5余震的互相關(guān)波形比較接近，最大振幅都是在1 100—1 200s的時(shí)間范圍內(nèi)，這也從一個(gè)方面反映了結(jié)果的可靠性.

2.5 多地震疊加

將前面得到的不同地震的互相關(guān)波形進(jìn)行疊加，結(jié)果見圖6.從圖6中的多地震疊加波形可以看出，經(jīng)過(guò)多地震疊加后，同時(shí)具有了速度較快的長(zhǎng)周期面波和速度較慢的短周期面波.

2.6 提取頻散曲線

CPS（computer programs in seismology）3.3軟件包（Herrmann，2004）中的do＿mft程序可以用于提取面波群速度頻散信息.該程序采用的是多重濾波法，提供了交互式圖型界面，得到的頻散結(jié)果較為可靠.前面已經(jīng)得到了雙臺(tái)間的垂直分量互相關(guān)波形，利用do＿mft程序可以提取出雙臺(tái)間的瑞雷波群速度頻散信息.在提取頻散時(shí)，選擇參數(shù)Alpha＝50.

圖6 HIA－BRVK臺(tái)的垂直分量互相關(guān)記錄（縱軸表示歸一化振幅）圖中從上到下前4個(gè)波形依次是 HIA－BRVK臺(tái)的MW9.0大地震、MW6.8余震、MW6.5余震和MW6.1余震數(shù)據(jù)歸一化互相關(guān)波形；第5個(gè)波形是多地震疊加波形，即由前面4個(gè)互相關(guān)波形疊加并歸一化后得到的Fig.6 Cross－correlation function between the vertical component displacement at HIA station and that at BRVK stationVertical axis represents normalized amplitude.The first 4waveforms from top downward show the normalized cross－correlation function between the record at HIA and that at BRVK from MW9.0，MW6.8，MW6.5，MW6.1earthquakes，respectively；the 5th cross－correlation function is the multiearthquake stacked result，i.e.，the sum of the first 4correlation functions after being normalized

3 結(jié)果分析

3.1 單地震頻散曲線

MW9.0大地震提取的瑞雷波群速度頻散曲線周期范圍為60—200s，MW6.8地震則為10—150s，MW6.1余震為10—120s，MW6.5余震為10—170s，結(jié)果見圖7.

為了檢驗(yàn)提取頻散的可靠性，圖7中給出了由AK135全球模型計(jì)算的理論瑞雷波群速度頻散曲線.從圖7中可以看出，由3次強(qiáng)余震提取的瑞雷波群速度頻散在10—50s內(nèi)非常一致，但是MW6.1地震提取的頻散從50s起開始與MW6.8和MW6.5地震有一定差別，80—120s之間的差別更大.MW6.5地震提取的頻散與MW6.8地震在10—100s都比較接近，100—140s開始出現(xiàn)一定差別，140s后的差別更大.這說(shuō)明強(qiáng)地震記錄中的面波能量有限，無(wú)法準(zhǔn)確提取更長(zhǎng)周期的面波頻散.而對(duì)于大地震，面波主要能量集中在70s以上，70s以下的面波成分相對(duì)較弱，無(wú)法準(zhǔn)確提取60s以下的頻散信息.MW9.0地震提取的頻散曲線在60—100s與MW6.8，MW6.5余震較為一致.由于MW6.8和MW6.5余震在100—200s內(nèi)的能量相對(duì)較弱，而MW9.0大地震的主要能量集中在該周期范圍內(nèi)，因此有理由相信大地震得到的100—200s間的頻散曲線更為可靠.

圖7 不同地震提取的HIA臺(tái)與BRVK臺(tái)間瑞雷波群速度頻散曲線Fig.7 Rayleigh wave group velocity dispersion curves between HIA and BRVK stations from the data of different earthquakes

綜上，由MW9.0大地震數(shù)據(jù)可以提取出60—200s的瑞雷波群速度頻散，60s以下的頻散無(wú)法提??；由MW6—7余震數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確提取100s以上的瑞雷波群速度頻散.

3.2 多地震疊加頻散曲線

用前面的多地震疊加波形提取瑞雷波群速度頻散，可得到10—200s內(nèi)的連續(xù)的頻散曲線，結(jié)果見圖8.

圖8 多地震疊加提取的HIA臺(tái)與BRVK臺(tái)間瑞雷波群速度頻散曲線Fig.8 Rayleigh wave group velocity dispersion curves between HIA and BRVK stations from multi－earthquake stacked data

從圖8可以看出，多地震疊加提取的瑞雷波群速度頻散曲線在10—200s周期范圍內(nèi)與由AK135全球模型計(jì)算的理論頻散曲線趨勢(shì)基本一致.除在50s附近存在一個(gè)艾里震相（Shearer，1999）外，20s附近也有一個(gè)，其中50s附近的為頻散曲線極大值，20s附近的為極小值；實(shí)測(cè)和理論頻散曲線在50—200s都呈現(xiàn)隨周期增大而減小的趨勢(shì).這說(shuō)明通過(guò)多地震疊加，得到了較為可靠的寬頻帶群速度頻散曲線.需要注意的是，實(shí)測(cè)與理論頻散曲線在120—170s存在較大差別，這一問(wèn)題的原因有待于進(jìn)一步研究.

4 討論與結(jié)論

本文利用中國(guó)HIA臺(tái)和哈撒克斯坦BRVK臺(tái)的甚寬頻地震儀記錄的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6—7強(qiáng)余震數(shù)據(jù)，采用互相關(guān)法提取雙臺(tái)間的瑞雷波群速度頻散曲線.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)站記錄的大地震與強(qiáng)余震記錄的波形與頻譜存在明顯差異，利用大地震與強(qiáng)余震提取的雙臺(tái)間群速度頻散也存在明顯差異.

從波形來(lái)看，HIA臺(tái)和BRVK臺(tái)記錄的日本MW9.0大地震與強(qiáng)余震的波形存在明顯不同，MW9.0大地震記錄中主要是長(zhǎng)周期面波，而強(qiáng)余震記錄中主要是較短周期面波.從頻譜來(lái)看，MW9.0大地震和6級(jí)左右余震的面波主要能量存在明顯不同，MW9.0大地震集中在較長(zhǎng)周期（70s以上），6級(jí)左右余震則集中在較短周期（10—50s）.地震波形記錄是震源函數(shù)、傳播路徑介質(zhì)、儀器響應(yīng)、場(chǎng)地響應(yīng)的綜合結(jié)果.對(duì)于同一臺(tái)站記錄的同一位置的地震，其振幅譜的差異應(yīng)是由震源譜的不同造成的.從本文結(jié)果可以看出，當(dāng)震級(jí)較小時(shí)，地震面波主要能量集中在較短周期，隨著震級(jí)增強(qiáng)，長(zhǎng)周期面波逐漸增強(qiáng)，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位.

分別用單次地震數(shù)據(jù)提取了雙臺(tái)間的瑞雷波群速度頻散曲線.結(jié)果表明，單獨(dú)利用3次MW6—7余震提取的頻散曲線在100s以上的差別較大，并不可靠，而在10—50s范圍內(nèi)的頻散曲線則基本一致，較為可信；單獨(dú)利用大地震數(shù)據(jù)無(wú)法提取60s以下的群速度頻散，而提取的60—200s范圍內(nèi)的頻散曲線較為可靠.

通過(guò)多地震疊加，獲得了10—200s范圍內(nèi)較為可靠的雙臺(tái)間瑞雷波群速度頻散曲線.一次特大地震發(fā)生后，大地震震源附近往往會(huì)發(fā)生許多強(qiáng)余震.利用與震中在同一大圓弧上的雙臺(tái)記錄的特大地震、強(qiáng)余震數(shù)據(jù)，進(jìn)行多地震互相關(guān)疊加，既可以提高信噪比，又能得到可連續(xù)追蹤的寬頻帶頻散信息.這對(duì)于相速度的提取尤為重要.提取相速度時(shí)在高頻容易存在2nπ的相位誤差，但是200s后的頻散曲線與全球理論頻散曲線十分接近，可以由低頻向高頻追蹤.本文搜集的數(shù)據(jù)有限，并且只提取了雙臺(tái)間的瑞雷波群速度.今后將搜集更多的數(shù)據(jù)，并提取雙臺(tái)間的瑞雷波相速度，進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

隨著大學(xué)生畢業(yè)人數(shù)逐年增加，就業(yè)形式愈發(fā)嚴(yán)峻，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)在高校教育中突顯極其重要的地位。尤其在新的歷史時(shí)期，黨的十九大報(bào)告中提出了要堅(jiān)持新發(fā)展理念，要不斷壯大我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國(guó)力，大力建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。新發(fā)展理念的科學(xué)內(nèi)涵包括創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，新發(fā)展理念指明了“十三五”乃至更長(zhǎng)時(shí)期我國(guó)的發(fā)展思路、發(fā)展方向和發(fā)展著力點(diǎn)，也為我國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)指明了方向。

陳國(guó)英，宋仲和，安昌強(qiáng)，陳立華，莊真，傅竹武，呂梓齡，胡家富.1991.華北地區(qū)三維地殼上地幔結(jié)構(gòu)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，34（2）：172－181.

陳國(guó)英，宋仲和，安昌強(qiáng)，蘇小蘭.1995.中國(guó)北部及其鄰區(qū)地殼上地慢三維速度結(jié)構(gòu)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，38（3）：321－328.

馮銳，朱介壽，丁韞玉，陳國(guó)英，何正勤，楊樹彬，周海南.1981.用地震面波研究中國(guó)地殼結(jié)構(gòu)［J］.地震學(xué)報(bào)，3（4）：335－350.

何正勤，張?zhí)熘?，葉太蘭，丁志峰.2000.河北平原北部的短周期面波頻散與地殼中上部速度結(jié)構(gòu)［J］.地震學(xué)報(bào)，22（1）：82－86.

李白基，師潔珊，宋子安，曾融生.1977.地震面波頻散的數(shù)字計(jì)算：方法與試驗(yàn)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，20（4）：283－298.

劉麗芳，蘇有錦，劉杰，華衛(wèi).2007.用Moya方法反演云南數(shù)字地震臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)［J］.地震研究，30（1）：39－42.

羅艷.2010.中小地震震源參數(shù)研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)：1－5.

宋仲和，安昌強(qiáng)，陳國(guó)英，陳立華，莊真，傅竹武，呂梓齡，胡家富.1991.中國(guó)西部三維速度結(jié)構(gòu)及其各向異性［J］.地球物理學(xué)報(bào)，34（6）：694－707.

徐果明，李光品，王善恩，陳虹，周虎順.2000.用瑞利面波資料反演中國(guó)大陸東部地殼上地幔橫波速度的三維構(gòu)造［J］.地球物理學(xué)報(bào)，43（3）：366－376.

徐果明，姚華建，朱良保，沈玉松.2007.中國(guó)西部及其鄰域地殼上地幔橫波速度結(jié)構(gòu)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，50（1）：193－208.

易桂喜，姚華建，朱介壽，Robert D van der Hilst.2008.中國(guó)大陸及鄰區(qū)瑞雷面波相速度分布特征［J］.地球物理學(xué)報(bào)，51（2）：402－411.

朱良保，許慶，陳曉非.2002.中國(guó)大陸及鄰近海域的Rayleigh波群速度分布［J］.地球物理學(xué)報(bào)，45（4）：475－482.

Alexander S S.1963.SurfaceWavePropagationintheWesternUnitedStates［D］.Pasadena，California，America：California Institute of Technology：1－50.

Dziewonski A，Bloch S，Landisman M.1969.A technique for the analysis of transient seismic signals［J］.BullSeismSoc Amer，59（1）：427－444.

Herrmann R B.2004.ComputerProgramsinSeismology3.30［CP／OL］.［2011－10－05］.http：∥www.eas.slu.edu／eqc／eqccps.html

Landisman M，Dziewonski A，Sato Y.1969.Recent improvement in the analysis of surface wave observations［J］.GeophysJRastrSoc，17（4）：369－403.

Levshin A L，Ritzwoller MH，Barmin MP，Stevens J L.2001.Short period group velocity measurements and maps in Central Asia［C］∥Casey L A ed.Proceedingsofthe23rdSeismicResearchReview：WorldwideMonitoringofNuclearExplosions.Jackson Hole，Wyoming，United States：National Nuclear Security Administration：258－269.

Pilant WL，Knopoff L.1964.Observation of multiple seismic events［J］.BullSeismSocAmer，54（1）：19－39.

Sato Y.1955.Analysis of dispersed surface waves by means of fourier transform （Ⅰ）［J］.BullEarthqResInstTokyo Univ，33：33－47.

Sato Y.1956a.Analysis of dispersed surface waves by means of fourier transform（Ⅱ）［J］.BullEarthqResInstTokyo Univ，34：9－18.

Sato Y.1956b.Analysis of dispersed surface waves by means of fourier transform（Ⅲ）［J］.BullEarthqResInstTokyo Univ，34：131－138.

Shearer P M.1999.IntroductiontoSeismology［M］.Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press：144－153.

陳浩朋 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院固體地球物理學(xué)專業(yè)博士研究生.2010年6月武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院地球物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位；2010年9月至今在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院碩博連讀，攻讀博士學(xué)位.現(xiàn)從事面波層析成像和面波方位各項(xiàng)異性方面的研究.

Measurement of inter－station surface wave dispersion using multi－earthquake data stacking

Chen Haopeng1），Zhu Liangbao1，2）Ye Qingdong3）Wang Qingdong1）

1）DepartmentofGeophysics，SchoolofGeodesyandGeomatics，WuhanUniversity，Wuhan430079，China
2）KeyLaboratoryofGeospaceEnvironmentandGeodesy，MinistryofEducation，Wuhan University，Wuhan430079，China
3）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

Using data of the 2011JapanMW9.0great earthquake and three strong aftershocks recorded by the very broadband seismometers of HIA station of China and BRVK station of Kazakhstan，the Rayleigh wave group velocity dispersion curves between the two stations are acquired by correlation method.The result shows that main energy of Rayleigh wave varies with earthquake magnitude，though the data are recorded by the same station.Main Rayleigh wave of theMW9.0great earthquake has longer period（＞70s），and the main Rayleigh wave of the strong aftershocks has shorter period（10—50s）.The dispersion curve has a limit in band when using the data of the great earthquake or the aftershocks separately.The dispersion less than 60scould not be obtained from the data of the great earthquake alone，and dispersion longer than 100scould not be acquired from the aftershock data alone.However，broadband group velocity dispersion curve of Rayleigh wave（10—200s）is acquired using multi－earthquake correlation data stacking.

multi－earthquake；data stacking；double－station；correlation method；surface wave dispersion

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.004

P315.3＋1

A

陳浩朋，朱良保，葉慶東，王清東.2012.多地震疊加提取雙臺(tái)間面波頻散信息.地震學(xué)報(bào)，34（6）：773－784.

Chen Haopeng，Zhu Liangbao，Ye Qingdong，Wang Qingdong.2012.Measurement of inter－station surface wave dispersion using multi－earthquake data stacking.ActaSeismologicaSinica，34（6）：773－784.

國(guó)家自然科學(xué)基金（40774018）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助.

2011－11－22收到初稿，2012－04－12決定采用修改稿.

e－mail：chp＠whu.edu.cn < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2012－09－12 19：01：00

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／11.2021.P.20120912.1901.006.html