利用背景噪聲數(shù)據(jù)提取地震臺站間面波的可靠性分析——以中國大陸中東部地區(qū)的寬頻帶臺站為例＊

鄭 現(xiàn) 趙翠萍 周連慶 鄭斯華

（中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所）

引言

對隨機(jī)噪聲場中兩接收點(diǎn)記錄的噪聲進(jìn)行互相關(guān)計算，可以提取兩個接收點(diǎn)間結(jié)構(gòu)體的脈沖響應(yīng)（格林函數(shù)）.這種思想最早在超聲波的實(shí)驗(yàn)室測試中得到驗(yàn)證（Weaver，Lobkis，2001；Lobkis，Weaver，2001）.之后很快被應(yīng)用于地震學(xué)領(lǐng)域，通過臺站對記錄到的遠(yuǎn)震尾波（Campillo，Paul，2003）和背景噪聲（Shapiro，Campillo，2004）的互相關(guān)計算，證明了散射波場中可以提取地震面波.其中，利用背景噪聲提取面波由于不依賴于地震，資料獲取不受時間和空間的限制，在層析成像應(yīng)用方面較有優(yōu)勢.

Shapiro等（2005）成功地將利用背景噪聲提取的格林函數(shù)展開層析成像的研究，并得到了美國加州地區(qū)與已知地質(zhì)構(gòu)造吻合較好的7.5s和15s的瑞雷波群速度分布圖像.隨之在世界各地區(qū)開展了一系列利用背景噪聲進(jìn)行層析成像的研究.研究尺度從小區(qū)域到整個大陸（Kang，Shin，2006；Lin et al，2007；Yang et al，2007；Bensen et al，2008；Lin et al，2008；Zheng et al，2008；Sun et al，2010），研究內(nèi)容包括瑞雷波和勒夫波的群速度和相速度.背景噪聲層析成像的周期范圍通常在8—40s范圍內(nèi)，但Kang和Shin（2006）得到了2—4s的瑞雷波群速度圖像；Nishida等（2009）利用臺站記錄到的“地球哼鳴”（earth’s hum）信號進(jìn)行互相關(guān)分析，也得到全球范圍周期在300s以上的層析成像結(jié)果.在數(shù)據(jù)處理方面，Bensen等（2007）提出了一套比較完整靈活、適應(yīng)性好的處理方法，此后的噪聲層析成像研究多參照了這一套方法.另外，根據(jù)背景噪聲不依賴震源的優(yōu)勢也可以對地下介質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測.其方法的主要原理是通過背景噪聲提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，對波形的尾波進(jìn)行干涉測量得到地下介質(zhì)的相對速度變化.目前，該方法已經(jīng)應(yīng)用于地震（Xu，Song，2009；Chen et al，2010；劉志坤，黃金莉，2010；趙盼盼，2011）、火山（Brenguier et al，2008a）和斷層（Wegler，Sens-Schonfelder，2007；Brenguier et al，2008b）等方面的監(jiān)測.

背景噪聲層析成像法克服了地震面波層析成像法的一些局限性，首先它不受地震數(shù)量不足、分布不均的制約，只要有數(shù)量足夠、分布均勻的寬頻帶地震臺，在一些地震活動性較弱的地區(qū)也可以展開高精度的成像研究.此外，由于不依賴震源信息，避免了定位不精確帶來的誤差.該方法在短周期成像結(jié)果的分辨率比地震面波層析成像法有著絕對的優(yōu)勢，能夠更好地反映地殼淺層的結(jié)構(gòu)特征.

由于面波層析成像方法的優(yōu)越性，近些年在中國大陸也開展了一系列區(qū)域性（Yao et al，2006；Li et al，2009；Fang et al，2010；Zheng et al，2010；李昱等，2010）和大陸范圍（Zheng et al，2008；Sun et al，2010）的層析成像工作，取得了一定的成果.本研究利用中國中東部地區(qū)100個分布均勻的寬頻帶地震臺記錄到的21個月的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行互相關(guān)和疊加計算，提取瑞雷波經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（empirical Green function，簡寫為EGF），利用時頻分析法（Levshin，Ritzwoller，2001）提取臺站對間的頻散曲線，并采用2種檢測方法對經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和頻散曲線的可靠性進(jìn)行評估.此外也對疊加時長和時間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對使用不同長度時間序列互相關(guān)進(jìn)行疊加后EGF大于10的路徑數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計和討論，以期為今后的研究提供借鑒.

1 數(shù)據(jù)與處理

本研究從中國大陸中東部地區(qū)國家臺網(wǎng)和區(qū)域臺網(wǎng)（圖1）中，挑選出100個分布基本均勻的寬頻帶臺站（平均臺間距200km），利用這些臺站記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行面波可靠性研究.所使用的臺站包括國家地震臺網(wǎng)的61個臺站和區(qū)域地震臺網(wǎng)的39個臺站（鄭秀芬等，2009）.地震計的主體類型是CTS-1、KS2000、BBVS-120和CMG-3ESPB，絕大部分儀器的頻帶寬度的低頻端為120s，只有少數(shù)儀器的可達(dá)360s或僅為60s.本文使用這些臺站21個月（2009年1月—2010年9月）的垂直分量連續(xù)波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過1Hz重采樣后進(jìn)行研究（鄭現(xiàn)等，2012）.

圖1 中國大陸中東部地區(qū)主要構(gòu)造單元及臺站分布圖灰色粗線勾勒出主要塊體，藍(lán)色細(xì)線表示主要斷層，白色三角為本研究所使用的國家臺網(wǎng)臺站和區(qū)域臺網(wǎng)臺站.OB：鄂爾多斯盆地；SCB：四川盆地；JB：江漢盆地；NJB：蘇北盆地Fig.1 Major geological structures and seismic stations in central and eastern China Gray thick lines mark major blocks，blue thin lines represent major faults and white triangles represent stations of China national and regional networks.OB：Ordos Basin；SCB：Sichuan Basin；JB：Jianghan Basin；NJB：north Jiangsu Basin

數(shù)據(jù)處理的方法主要分為3個步驟（Bensen et al，2007）：① 單臺數(shù)據(jù)處理；② 互相關(guān)和疊加計算；③ 頻散曲線提取.

1.1 單臺數(shù)據(jù)處理

單臺數(shù)據(jù)處理的目的主要是消除地震信號、儀器故障等因素對背景噪聲的影響.首先把數(shù)據(jù)分成長度為一天的數(shù)據(jù)單元，對數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值、去零漂，并截取成同樣長度的記錄.然后進(jìn)行5—150s帶通濾波和時域歸一化.本研究根據(jù)Bensen等（2007）對歸一化方法所做的討論，使用滑動絕對值平均法對所使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.該方法在固定長度的時間窗中，滑動計算波形的絕對值的平均值，權(quán)重的計算公式為

并用原始時間序列乘以權(quán)重的倒數(shù)，得到新的時間序列d′n＝dn／wn.本研究的歸一化時間窗（2L＋1）設(shè)定為40s.最后，為了抑制某些信號的干擾，拓寬背景噪聲的頻帶寬度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜白化處理.

1.2 互相關(guān)和疊加計算

對所有臺站對的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)和疊加計算可得到臺站對間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（EGF）.經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)是沿時間軸雙向傳播的，由于臺站兩側(cè)噪聲源方位角分布不均勻，波形正負(fù)時間坐標(biāo)軸的分量振幅是不對稱的.為了避免這種不均勻性的影響并增加EGF的信噪比（SNR）（Bensen et al，2007；Lin et al，2008），我們對沿正負(fù)時間軸的波形取均值，從而得到經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的“對稱”分量，在接下來的計算中只使用該對稱分量.圖2給出了以內(nèi)蒙臺網(wǎng)NMJIN臺站為中心臺，與其它臺站組成的臺站對間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)沿時間軸雙向和取平均后的結(jié)果.在整個研究區(qū)，路徑達(dá)2 000km以上的范圍內(nèi)，瑞雷波的信號都十分清晰.

圖2 以NMJIN臺為中心的互相關(guān)波形（經(jīng)過10—40s濾波）（a）雙向傳播的互相關(guān)波形；（b）互相關(guān)波形的對稱分量Fig.2 Wave cross-correlations between station NMJIN and other stations（band-pass filtering 10—40s）（a）Positive and negative lags of the cross-correlations；（b）Symmetric component of the cross-correlations

1.3 群速度頻散曲線提取

本研究使用時頻分析法（Levshin，Ritzwoller，2001），采用反頻散濾波或相位匹配濾波去除潛在干擾，獲得了100個臺站兩兩臺站之間的瑞雷波群速度頻散曲線.圖3a中我們給出了3組穿過不同構(gòu)造塊體的大弧路徑，即穿過四川盆地和華南造山系的SCSPA－－GDSHD，穿過秦嶺造山帶和華南造山系的GSTSS－－FZCM2，以及穿過華北－渤海灣盆地和華南造山系的GDHUJ－－HEZJK.圖3b，d表明，這3條路徑由經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)提取的頻散曲線與由參考的3D剪切波速度模型（Shapiro，Ritzwoller，2002）提取的頻散曲線在形態(tài)上基本一致.其中，沿GDSHD－－SCSPA路徑和GDHUJ－－HEZJK的頻散曲線與理論曲線不完全吻合，恰恰反映了這條具體路徑介質(zhì)速度與區(qū)域平均值的差異.

圖3 瑞雷波經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)及頻散曲線示意圖（圖3d引自鄭現(xiàn)等，2012）（a）與（b），（c），（d）對應(yīng)的射線路徑示意圖；（b），（c），（d）為沿（a）圖射線路徑由時頻分析法提取的瑞雷波群速度頻散結(jié)果（藍(lán)色曲線）和由全球剪切波速度模型（Shapiro，Ritzwoller，2002）計算的理論值（黑色曲線）Fig.3 Example of Rayleigh wave EGFs and dispersion measurements（Fig.3bis quoted from Zheng et al，2012）（a）Location map for（b），（c），（d）showing the 3selected ray paths；（b），（c），（d）Rayleigh wave dispersion measurement（blue curve）retrieved by frequency-time analysis and the prediction caculate（black curve）from the 3-D global shear velocity model（Shapiro，Ritzwoller，2002）along ray paths in（a）

從理論上講，100個臺站會構(gòu)成4 950［n（n－1）／2］個臺站對（Bensen et al，2007）.但是，為了確保結(jié)果的可靠性，我們基于信噪比測試和臺間距對所有頻散曲線進(jìn)行了篩選.對各周期只保留SNR大于10和臺間距大于3倍波長的記錄（Bensen et al，2007）.

2 質(zhì)量評估

背景噪聲頻散曲線的質(zhì)量是利用其進(jìn)一步開展速度結(jié)構(gòu)反演或速度變化監(jiān)測的關(guān)鍵.因此，在進(jìn)行層析成像前，需要做一些檢測來評估滿足上述截斷準(zhǔn)則的頻散曲線的質(zhì)量.本文采用的檢測方法主要有：沿相同路徑的格林函數(shù)與地震信號對比、空間一致性檢測.其中，經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與地震記錄對比檢測最為有效，也是對利用噪聲提取面波理論的一個驗(yàn)證.

2.1 經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與地震信號對比

對于經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與地震記錄對比檢測，最理想的情況是地震的位置正好與臺站位置重合（Bensen et al，2007）.依據(jù)這一準(zhǔn)則，從中東部地區(qū)2009年1月—2010年9月發(fā)生的4.5級以上地震中選取了重慶榮昌臺附近的榮昌地震（發(fā)震時刻2010年9月10日，105.43°E、29.36°N，震源深度6km，MS＝4.5），該地震距榮昌臺約2km.我們挑選出相對于這次地震與榮昌臺不同方位角和震中距的其它5個臺站（圖4a），首先分別對這5個臺站記錄到的榮昌MS4.5

圖4 經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與地震信號對比圖（a）榮昌地震（紅色圓）和臺站CQROC與其它5個臺站間的射線路徑；（b）沿圖（a）射線路徑的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（綠色線）與5個臺站記錄到的地震波形（紅色線）的對比結(jié)果（以20s為中心頻率濾波），其中左側(cè)數(shù)字為震中距，右側(cè)字母為臺站代號；（c）與（b）圖類似，經(jīng)過了10—25s的帶通濾波Fig.4 Comparison between EGFs and earthquake seismic records（a）Location map showing the Rongchang earthquake（red circle）and the paths between station CQROC and five other stations；（b）Comparison between EGFs（green lines）and earthquake seismic records（red lines）along ray paths in（a）（after narrowband filtering centered at 20speriod）；（c）Similar to（b），after 10—25sband-pass filtering

地震波形記錄進(jìn)行去儀器響應(yīng)校正；然后分別對提取的榮昌臺與這5個臺站之間的EGF和地震記錄進(jìn)行以20s為中心頻率濾波（圖4b）和10—25s的帶通濾波（圖4c），并進(jìn)行歸一化處理；最后由于不同路徑長度差別很大，為了方便觀察，將信號由時間域轉(zhuǎn)換至群速度域.從圖4b，c可以看出，各臺站記錄的地震信號與EGF基本一致，在峰值部分吻合得比較好.這證明利用背景噪聲提取的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)是臺站對之間路徑上的面波，是真實(shí)可靠的.

2.2 空間一致性檢測

空間一致性測試是通過比較空間相似路徑的形態(tài)，來檢查頻散曲線的穩(wěn)定性和可靠性.本文挑選出了兩個位置鄰近的臺站SXXAX和SXLIF（間隔108km），它們和一較遠(yuǎn)的臺站JXSHR構(gòu)成兩組相似路徑.作為對比，這里另給出了臺站JXSHR－－SCSPA路徑（圖5a），該路徑與上述兩組路徑差別較大.圖5b表明，JXSHR－－SXXAX、JXSHR－－SXLIF兩組路徑間的頻散曲線在整個觀測周期（8—50s）形態(tài)基本相似，而JXSHR-SCSPA的頻散曲線則與其差別較大且形態(tài)則更為復(fù)雜，反映出此路徑上介質(zhì)的強(qiáng)烈非均勻性.這從一個側(cè)面證明了本研究提取的頻散曲線的可靠性.

圖5 頻散曲線的空間連續(xù)性實(shí)驗(yàn)（a）實(shí)驗(yàn)選取的3組射線路徑：JXSHR－－SCSPA（長度約1400km）、JXSHR－－SXLIF、JXSHR－－SXXAX（長度約1000km），其中SXLIF和SXXAX的間距為108km；（b）沿（a）圖射線路徑的頻散曲線對比結(jié)果Fig.5 Example of spatial consistency of dispersion curves（a）The 3selected paths：JXSHR－－SCSPA （about 1400km long），JXSHR－－SXLIF，JXSHR－－SXXAX（about 1000km long），where the distance between SXLIF and SXXAX is about 108km；（b）Comparison of the dispersion curves along the paths in（a）

2.3 疊加時長及時間穩(wěn)定性分析

下面通過統(tǒng)計互相關(guān)疊加的數(shù)據(jù)長度與滿足一定信噪比的頻散曲線數(shù)目的關(guān)系，來分析疊加時長的選取.

圖6 各周期所使用的頻散曲線數(shù)目隨時間序列長度的分布Fig.6 Dispersion measurements’number versus time-series length at different periods

我們對研究區(qū)內(nèi)的所有臺站對分別進(jìn)行了時間長度為3，4，5，6，9，12，15，18和21個月的疊加計算，并基于信噪比和臺間距對這些頻散曲線進(jìn)行篩選.各周期只保留SNR大于10且臺間距大于3倍波長的記錄，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示.對于本研究所用的中國大陸中東部地區(qū)的100個臺站分布和儀器頻帶寬度，相同疊加時長，周期為15，20，10，25，8，30，35，40和45s范圍內(nèi)的頻散曲線數(shù)目依次大幅減小，如疊加12個月時，15s周期的頻散曲線數(shù)目可達(dá)4 000條，而40s周期的頻散曲線數(shù)目僅有不到1 500條.隨著疊加時間長度的增加，沿各路徑經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的信噪比增高，各周期（8—45s）篩選后用于反演的頻散曲線數(shù)目增加.疊加長度從3個月增加到12個月時，頻散曲線數(shù)目上升比較快；疊加長度從12個月增加到21個月時，頻散曲線數(shù)目上升趨勢相對較緩.根據(jù)這一現(xiàn)象，我們認(rèn)為，當(dāng)利用噪聲對中國大陸中東部地區(qū)進(jìn)行面波成像時，疊加時間最好取12個月或以上.

在此基礎(chǔ)上，我們選擇了SCCD2－－ANKG3和SXTIY－－JXJIJ兩組路徑（圖7），來分析疊加時長為12個月的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.以1個月為滑動窗，對21個月的數(shù)據(jù)共提取到10條頻散曲線.此外，我們也給出了21個月時長數(shù)據(jù)提取的頻散曲線.由圖7可見，SXTIY－－JXJIJ路徑在周期8—50s范圍內(nèi)整體一致性較好；SCCD2－－ANKG3路徑的頻散曲線在30s以下周期一致性均較好，提取的EGF和頻散曲線基本穩(wěn)定，受噪聲源的影響較??；在30s以上周期，不同時間段的疊加結(jié)果比較分散，與21個月的頻散曲線也存在不同程度的偏差，說明在該周期范圍內(nèi)頻散曲線一定程度上受到了噪聲源分布不均的影響.因此，在利用噪聲數(shù)據(jù)滑動提取EGF，分析其時間變化特征以達(dá)到監(jiān)視介質(zhì)性質(zhì)變化目的的研究中，由于計算EGF所使用的數(shù)據(jù)通常比較短，所以應(yīng)使用30s以下周期的EGF波形進(jìn)行相關(guān)分析.30s以下較短周期提取的EGF對應(yīng)的大致是地殼深度30km以內(nèi)的面波，基本上是大部分大陸地區(qū)孕震層的下邊界.

3 討論與結(jié)論

本文以中國大陸中東部100個分布均勻的寬頻帶地震臺為例，由臺站記錄到的21個月的垂直分量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行互相關(guān)和疊加計算，并由時頻分析法提取了各臺站對間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和頻散曲線.通過質(zhì)量評估，我們檢測了利用背景噪聲在中東部地區(qū)提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和瑞雷面波頻散曲線的可靠性和穩(wěn)定性，對疊加時長也進(jìn)行了討論，主要結(jié)論為：

圖7 頻散曲線的時間穩(wěn)定性檢測（a）實(shí)驗(yàn)所選取的兩組路徑；（b）對每條路徑分別使用10組長度為12個月的數(shù)據(jù)（紅色線）、21個月的數(shù)據(jù)（黑色線）互相關(guān)疊加計算，得到頻散曲線Fig.7 Example of temporal consistency of dispersion curves（a）The 2selected paths；（b）Dispersion measurements calculated by using 12months’data（10lines，all in red）and 21months data（black）separately along the paths in（a）

1）在質(zhì)量評估測試中，沿不同長度、不同方位角路徑的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和地震記錄波形在峰值附近基本一致，表明由背景噪聲記錄進(jìn)行互相關(guān)疊加后可以得到地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的格林函數(shù).而沿空間上近似路徑提取的頻散曲線、不同時間段數(shù)據(jù)提取的頻散曲線形態(tài)大體一致，也說明本研究得到的格林函數(shù)和頻散曲線是可靠的.

2）當(dāng)疊加的時間長度由3個月增加到21個月時，經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的信噪比增大，各周期可以使用的頻散曲線數(shù)目也隨之增多.根據(jù)頻散曲線數(shù)目隨疊加時長的變化趨勢，我們認(rèn)為，疊加時長至少為12個月才能得到數(shù)目足夠和可靠的頻散曲線，來進(jìn)行進(jìn)一步的面波速度結(jié)構(gòu)成像研究.

3）本文結(jié)果表明，疊加時間長度為12個月時，可以確保在30s以下周期沿各路徑的頻散曲線時間上穩(wěn)定.對于30s以上周期，提取頻散曲線的疊加時間要足夠長，應(yīng)在12個月以上.作者認(rèn)為，聯(lián)合天然地震的長周期面波進(jìn)行成像，彌補(bǔ)噪聲在長周期的不可靠性，以取得各個周期可靠的面波和剪切波結(jié)構(gòu)，是目前的研究方向.

中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本文提供了地震波形數(shù)據(jù).文中所有圖件的繪制均使用了Wessel和Smith 1998年的GMT軟件.在此表示誠摯的謝意.

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