甘東南地區(qū)寬頻帶地震臺陣背景噪聲特征分析*

顏文華　張?jiān)∏貪M忠　劉旭宙　郭瑛霞

1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所　　　　　　　　2) 中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

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甘東南地區(qū)寬頻帶地震臺陣背景噪聲特征分析*

顏文華1)張?jiān)?，2)，*秦滿忠1，2)劉旭宙1，2)郭瑛霞1)

1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所2) 中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

基于甘肅東南地區(qū)150個寬頻帶流動臺站2010年的垂直分量連續(xù)波形記錄，通過計(jì)算臺站對之間背景噪聲的互相關(guān)函數(shù)并疊加得到5—10 s和10—20 s兩個周期的瑞雷面波信號，并通過信噪比和歸一化背景能量流兩種方法研究了該地區(qū)背景噪聲源的時空演化特征. 研究結(jié)果表明，甘東南地區(qū)5—10 s和10—20 s周期的背景噪聲源具有明顯的季節(jié)變化特征和各自的優(yōu)勢方位. 5—10 s周期的背景噪聲在夏季的能量優(yōu)勢方位為170°—240°，噪聲源主要位于印度洋，而冬季為100°—150°，主要位于北太平洋； 10—20 s周期的背景噪聲源則比較復(fù)雜，其優(yōu)勢方位受多個大洋的交替影響，夏季噪聲源能量優(yōu)勢方位為170°—210°，噪聲源主要位于印度洋，冬季為90°—150°和310°—355°，噪聲源分別位于北太平洋和北大西洋. 由于這兩個周期的背景噪聲源在甘東南地區(qū)存在明顯的季節(jié)變化，因此在利用背景噪聲方法研究該地區(qū)介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)時需充分考慮噪聲源的非均勻性所產(chǎn)生的影響.

甘東南地區(qū)互相關(guān)函數(shù)背景噪聲源信噪比歸一化背景能量流

引言

現(xiàn)代地震儀器記錄的數(shù)據(jù)不僅只包含連續(xù)的天然地震信息，更多的是地球地震背景噪聲信息. 傳統(tǒng)地震學(xué)在研究天然地震事件時往往為了凸顯地震信號而將背景噪聲當(dāng)作干擾去除，實(shí)際上地震背景噪聲包含了大量有用信息. 自互相關(guān)函數(shù)提取格林函數(shù)的方法在日震學(xué)(Rickett，Claerbout，1999)、超聲學(xué)(Lobkis，Weaver，2001； Weaver，Lobkis，2001； Laroseetal，2004； Malcolmetal，2004)、水下聲學(xué)(Rouxetal，2004； Sabraetal，2005)等學(xué)科得到成功運(yùn)用，Shapiro等(2005)首次通過背景噪聲互相關(guān)函數(shù)提取面波頻散信息并將其應(yīng)用于成像，此后背景噪聲便作為一種有用信號在地震學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，例如，地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)和各向異性研究(房立華等，2009，2013； 魯來玉等，2014)，地殼介質(zhì)參數(shù)動態(tài)變化的監(jiān)測(劉志坤，黃金莉，2010)等．

利用背景噪聲互相關(guān)提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的前提是假設(shè)背景噪聲源是隨機(jī)均勻分布的(Rouxetal，2005)，而背景噪聲互相關(guān)函數(shù)的非對稱性表明實(shí)際的背景噪聲源并不滿足均勻隨機(jī)分布的假設(shè)，不同周期的背景噪聲源不僅在空間方位上表現(xiàn)出顯著的各向異性(Pedersen，Krüger，2007)，而且在時間上也表現(xiàn)出隨季節(jié)變化的特征(Stehlyetal，2006). 噪聲源在時間和空間上的非均勻性及其演化規(guī)律是影響經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)形態(tài)和精度的重要因素，進(jìn)而影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，有必要分析所研究區(qū)域的背景噪聲源在時空上的特征. Peterson(1993)的研究指出，背景噪聲在第一微震帶(10—20 s)和第二微震帶(5—10 s)存在兩個突出的值，其產(chǎn)生機(jī)制仍存在爭議，一般認(rèn)為與海陸相互作用密切相關(guān). 第一微震帶10—20 s周期接近全球海浪的主要周期，一般認(rèn)為是由海洋波與海底或海岸線的非線性相互作用引起的壓力擾動所致(Hasselmann，1963； Stehlyetal，2006)； 第二微震帶5—10 s周期的背景噪聲則被認(rèn)為是由兩組周期相同、傳播方向相反的波經(jīng)過干涉而生成的(Longuet-Higgins，1950； Fronteraetal，2010).

甘東南地區(qū)位于新構(gòu)造活動強(qiáng)烈的青藏高原地塊、阿拉善地塊與鄂爾多斯地塊的交匯區(qū)(張輝等，2011)，同時也處于南北地震帶與祁連山地震帶的交匯區(qū)域. 該地區(qū)為青藏高原東北緣構(gòu)造活動強(qiáng)烈的地區(qū)之一，地震活動頻繁，曾發(fā)生過多次破壞性地震，其中著名的有1654年天水南MS8.0，1718年通渭MS7.5，1879年武都MS8.0和1976年松潘MS7.2等地震. 為了密集監(jiān)測青藏高原東北緣地區(qū)的地震活動，深入研究該區(qū)域的地球深部結(jié)構(gòu)，中國地震局蘭州地震研究所和中國地震局地質(zhì)研究所于2009年11月共同在甘東南地區(qū)架設(shè)了野外寬頻帶流動觀測臺陣，共7條測線、150個流動臺站，平均臺站間距約10 km，觀測時段為2009年11月—2011年12月(高見等，2013).

本文擬基于甘東南地區(qū)2010年1—12月的垂直分量連續(xù)波形記錄，通過臺站間互相關(guān)計(jì)算得到臺站間互相關(guān)函數(shù)，并采用信噪比(signal-to-noise ratio，簡寫為SNR)和歸一化背景能量流(normalized background energy flow，簡寫為NBEF)兩種方法研究5—10 s和10—20 s兩個周期內(nèi)該地區(qū)背景噪聲源能量的時空變化特征.

1　原理及方法

在完全散射波場中，對兩點(diǎn)間的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算可以得到兩點(diǎn)間介質(zhì)的格林函數(shù)(Yangetal，2007). 可以簡單理解為，在多次散射波場中，一條射線被一個接收點(diǎn)接收到信號后，再被接下來的另一個接收點(diǎn)接收，這兩個接收點(diǎn)接收到的背景噪聲信號是弱相關(guān)信號，雖然該信號被廣泛分布的非相關(guān)波場所淹沒，但可以對兩個接收點(diǎn)所記錄的長時間背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，并將這種相關(guān)成分提取出來(Weaver，2005). 對此，很多研究人員通過多種理論方法來解釋互相關(guān)函數(shù)與格林函數(shù)的關(guān)系，主要有模式均分理論、時間反轉(zhuǎn)對稱理論、穩(wěn)相近似理論、單向波相關(guān)類型的互易理論等(齊誠等，2007).

兩個地震臺站間的互相關(guān)函數(shù)經(jīng)過長時間疊加，可以近似成臺站間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù). 若噪聲源分布均勻，經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的正負(fù)半軸則應(yīng)該是對稱的； 實(shí)際上，噪聲源分布并不均勻，從而導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的正負(fù)分支不對稱，正分支為因果信號，負(fù)分支為非因果信號，正負(fù)分支所表示的兩列波傳播方向正好相反.

本文根據(jù)互相關(guān)函數(shù)正負(fù)分支非對稱的特點(diǎn)，采用兩種方法對甘東南地區(qū)背景噪聲源的時空演化規(guī)律進(jìn)行分析. 一種方法是基于正負(fù)分支信噪比的相對大小，統(tǒng)計(jì)分析不同周期噪聲源的強(qiáng)度和方位隨季節(jié)的變化特征. 考慮到經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)正負(fù)分支振幅不對稱、相位對稱的特點(diǎn)，振幅差異可以代表相反方向波的能量強(qiáng)弱，即振幅大的分支所代表方向的背景噪聲能量強(qiáng)、信噪比高，因此可以通過振幅和信噪比的相對大小來分析背景噪聲源的時空變化特征(Yang，Ritzwoller，2008； 馬小軍等，2014). 本文中，信噪比定義為信號窗口振幅的最大值與噪聲窗口振幅的均方根值之比，考慮到甘東南地區(qū)的瑞雷面波平均速度，信號窗口取瑞雷面波群速度為4.0 km/s與2.4 km/s之間的互相關(guān)函數(shù)的到時窗，噪聲窗口為信號窗口延時500 s，窗長為500 s. 另一種方法是Stehly等(2006)提出的歸一化背景能量流，其基本原理是計(jì)算背景能量流E(i,j,Ti,Tj,θ)：

(1)

(2)

通過式(2)即可得到整個研究區(qū)的歸一化背景能量流函數(shù)，據(jù)此可以分析研究區(qū)域背景噪聲源能量強(qiáng)度和優(yōu)勢方位隨時間的演化規(guī)律.

2　背景噪聲互相關(guān)處理與結(jié)果

圖1　甘東南地區(qū)流動臺陣(三角形)分布圖Fig.1　Location of portable array (triangles) in the southeastern Gansu region

本文處理了甘東南地區(qū)野外寬頻帶流動觀測臺陣150個流動臺站(圖1)2010年整年的垂直向波形數(shù)據(jù). 首先通過流動地震觀測臺陣數(shù)據(jù)快速整合程序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為sac格式文件(劉旭宙等，2014)，一個小時的數(shù)據(jù)存儲為一個文件； 然后進(jìn)行單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理(Bensenetal，2007)，對單個小時文件減采樣至1 Hz，去均值和去趨勢，由于是同一種儀器記錄的數(shù)據(jù)，未進(jìn)行去儀器響應(yīng)操作，這對經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的獲得和群速度提取并無影響(李玲利等，2014)； 接著進(jìn)行5—40 s帶通濾波，用一位化(one-bit)方法進(jìn)行時域歸一化，以消除地震事件、儀器畸變和臺站附近非靜態(tài)干擾； 再進(jìn)行頻譜白化處理來拓寬背景噪聲頻帶寬度和消除單頻信號的干擾； 最后對單臺預(yù)處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，為避免近場效應(yīng)的影響，剔除臺站間距在120 km以內(nèi)的臺站對，將互相關(guān)函數(shù)按月份疊加.

選取某臺站與距其大于120 km的其它臺站的波形記錄進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，并經(jīng)過12個月疊加得到5—10 s和10—20 s兩個周期的背景噪聲互相關(guān)函數(shù)，如圖2所示. 可以看出： 互相關(guān)函數(shù)在兩個周期內(nèi)均存在清晰的瑞雷面波信號； 但僅在 5—10 s周期內(nèi)能夠清晰地看到一組能量較強(qiáng)的前驅(qū)信號，可能來自遠(yuǎn)場噪聲源中的體波成分(Koper，de Foy，2008； 王偉濤等，2011b).

3　甘東南地區(qū)背景噪聲特征分析

3.1信噪比表征噪聲能量來源的特征分析

將經(jīng)過12個月疊加的噪聲互相關(guān)函數(shù)按季節(jié)疊加，得到甘東南地區(qū)冬季(2010年1，2，11, 12月)和夏季(2010年6—9月)的背景噪聲互相關(guān)函數(shù)，并繪制所有臺站對在5—10 s和10—20 s兩個周期內(nèi)信噪比方位隨季節(jié)變化的分布圖(圖3)，據(jù)此分析研究區(qū)冬季和夏季噪聲源能量和方位的演化規(guī)律.

圖2　經(jīng)過12個月疊加的噪聲互相關(guān)函數(shù)波形圖 實(shí)線與虛線之間為信號窗口； 時間軸上正負(fù)分支分別表示同一路徑上沿相反方向傳播的面波延時Fig.2　The 12-month stacked cross-correlation function waveforms in the periods of 5--10 s and 10--20 s Signal window is marked by the solid line and the dashed line; the positive and negative lags present surface wave lapse time along the same path in the opposite direction, respectively

圖3中，極徑表示該方位分布的臺站對互相關(guān)函數(shù)的信噪比大小，較高信噪比表示來自該方位的噪聲源能量強(qiáng). 在冬季，5—10 s周期背景噪聲源能量來源的優(yōu)勢方位為115°—130°； 在夏季，其優(yōu)勢方位為105°—135°和170°—240°. 10—20 s周期，背景噪聲源能量來源在冬季的優(yōu)勢方位為45°—120°和305°—355°，夏季則明顯地指向170°—210°. 總之，背景噪聲源在時間上表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，在空間上表現(xiàn)出明顯的方位變化特征.

3.2歸一化背景能量流表征噪聲能量來源的特征分析

將背景噪聲互相關(guān)函數(shù)單月疊加，得到2010年12個月的互相關(guān)函數(shù)，計(jì)算每個月各臺站對的互相關(guān)函數(shù)信號窗口的振幅最大值及其方位角分布. 該信號窗口與計(jì)算信噪比時所選取的信號窗口相同，對振幅最大值歸一化，得到取值范圍為0—1的歸一化背景能量流函數(shù)，該值愈大，代表該方位的噪聲能量愈強(qiáng)．

圖4為2010年背景噪聲能量在5—10 s和10—20 s周期內(nèi)的時空演化圖． 可以看出，第二微震帶5—10 s周期內(nèi), 噪聲能量的優(yōu)勢方位呈現(xiàn)明顯的季節(jié)交替變化特征，冬季能量優(yōu)勢方位指向100°—150°，夏季則指向170°—240°，且冬季的噪聲能量高于夏季的噪聲能量； 第一微震帶10—20 s周期內(nèi)噪聲能量構(gòu)成比較復(fù)雜，夏季的噪聲能量優(yōu)勢方位為170°—210°，而冬季的噪聲能量來源相對夏季較弱且較雜亂，主要的兩個優(yōu)勢方位分別為90°—150°和310°—355°． 總體上看，背景噪聲能量在第一微震帶10—20 s和第二微震帶5—10 s均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，10—20 s內(nèi)的噪聲能量強(qiáng)度在夏季占優(yōu)勢，在冬季處于劣勢，而5—10 s內(nèi)的噪聲能量強(qiáng)度優(yōu)勢季節(jié)則正好與之相反．

圖3　5—10 s (a)和10—20 s (b)周期內(nèi)臺站對信噪比方位的冬季(左)和夏季(右)分布圖Fig.3　Azimuth distribution of SNRs for the station-pairs in the winter (left) and in the summer (right) in the periods of 5—10 s (a) and 10—20 s (b)

圖4　5—10 s (a)和10—20 s (b)周期內(nèi)背景噪聲能量的優(yōu)勢方位及強(qiáng)度隨時間的演化圖Fig.4　The azimuth distribution and the variation of the strength of ambient seismic noise in the periods of 5—10 s (a) and 10—20 s (b)

4　討論與結(jié)論

由信噪比和歸一化背景能量流兩種方法獲取的結(jié)果均可以說明甘東南地區(qū)背景噪聲能量的季節(jié)和方位變化特征，但優(yōu)勢方位的范圍稍有差異. 究其原因有二： 第一，信噪比方法未考慮面波在介質(zhì)中傳播的衰減； 第二，可能是兩種方法疊加的時間尺度不同. 但就總的優(yōu)勢方位而言，兩種方法得到的結(jié)果基本一致. 甘東南地區(qū)位于中國大陸西部，據(jù)其所處的全球地理位置可判斷其主要受北太平洋和印度洋海洋活動的控制. 5—10 s周期的背景噪聲冬季能量優(yōu)勢方位指向100°—150°，夏季則指向170°—240°. 而正因?yàn)楸碧窖蠛陀《妊笤诒卑肭虻南募九c冬季表現(xiàn)出相反的海洋活動特征，即北太平洋的海洋活動在北半球冬季強(qiáng)于印度洋的海洋活動，在北半球夏季則印度洋的海洋活動強(qiáng)于北太平洋，所以冬季噪聲能量來源于東南方向的沿海區(qū)域，即北太平洋，夏季噪聲能量來源于西南方向的印度洋區(qū)域. 10—20 s周期的背景噪聲能量來源相對比較復(fù)雜，可能受多個大洋的交替影響. 在夏季，噪聲能量優(yōu)勢方位指向正南方向的170°—210°，代表印度洋的方向； 冬季噪聲能量優(yōu)勢方位為90°—150°和310°—355°，分別代表著北太平洋和大西洋方向，且大西洋僅在冬季的12月份占據(jù)能量優(yōu)勢. 總體上看，5—20 s周期的背景噪聲源具有明顯的季節(jié)變化特征； 10—20 s周期噪聲源受印度洋、北太平洋和大西洋的共同影響，不同時段的噪聲能量來源具有多方位角特征； 印度洋和北太平洋對5—10 s周期的噪聲源起交替主導(dǎo)影響，可能是由于甘東南地區(qū)在地理位置上更靠近北太平洋，傳播過來的面波能量衰減較少，從而導(dǎo)致冬季的優(yōu)勢方位噪聲能量強(qiáng)度明顯強(qiáng)于夏季.

臺站方位角分布的均勻性對統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有一定的影響，但從上述兩種方法所得到的結(jié)果來看，甘東南地區(qū)背景噪聲源在兩個微震帶的時空變化特征與王偉濤等(2011a)和馬小軍等(2014)在不同地區(qū)所得到的結(jié)果類似，這說明本文中臺站方位角的分布對結(jié)果的影響不大.

背景噪聲面波成像的質(zhì)量不僅與臺站數(shù)量及分布、數(shù)據(jù)疊加時間長度等密切相關(guān)，還與噪聲源分布有關(guān). Lin等(2008)的研究表明，噪聲源分布的不均性會造成相速度0.5%的誤差，而群速度的誤差可達(dá)2%，因此，在噪聲面波成像時可通過長時間疊加來等效均勻噪聲源，以消除噪聲源方位和季節(jié)變化對成像結(jié)果可能產(chǎn)生的誤差(Bensenetal，2007； Yang，Ritzwoller，2008). 甘東南地區(qū)噪聲源具有明顯的方位和季節(jié)變化特征，對于使用背景噪聲方法進(jìn)行介質(zhì)波速變化研究時，如果因互相關(guān)函數(shù)疊加時間尺度較小而不能使噪聲源均勻化，則需要特別注意噪聲源的時空演化對結(jié)果的影響.

本文的資料處理使用了Lawrence Livermore實(shí)驗(yàn)室的SAC軟件，部分圖的繪制使用了GMT軟件(Wessel，Smith，1998)，作者在此一并表示感謝．

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Characteristics of ambient seismic noise of broadband seismic array in the southeastern Gansu region

Yan Wenhua1)Zhang Yuansheng1,2),*Qin Manzhong1,2)Liu Xuzhou1,2)Guo Yingxia1)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)LanzhouBaseofInstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China

Using the vertical component records of 150 broadband seismic stations from January to December 2010 in the southeastern Gansu region，this paper calculated the ambient noise cross-correlation functions between each station-pair and stacked them to obtain Rayleigh surface wave signals in the periods of 5--10 s and 10--20 s. And then the method of signal-to-noise ratio (SNR) and normalized background energy flow (NBEF) measurement are adopted to study the characteristics of ambient noise source in southeastern Gansu region based on the asymmetrical features of cross-correlation functions. The results show that the seasonal variations of ambient noise source for both periods of 5--10 s and 10--20 s have their respective azimuthal distribution of noise energy. The azimuth of ambient noise source in the period of 5--10 s is 170°--240° in summer，which means the energy of ambient noise source is mainly affected by the Indian Ocean，and it moves to 100°--150° in winter，which means the energy of ambient noise source is mainly affected by the North Pacific Ocean. In contrast，the characteristics of ambient noise source in the period of 10--20 s is more complex，because the azimuth of ambient noise source is controlled by several oceans. The energy of ambient noise source focuses on the azimuth of 170°--210° in summer，which means it is mainly affected by the Indian Ocean，then it moves to 90°--150° and 310°--355° in winter，which means it is mainly affected by the North Pacific Ocean and the North Atlantic Ocean. Because the ambient noise source of southeastern Gansu region has obvious seasonal variation in both periods of 5--10 s and 10--20 s，inhomogeneous ambient noise source should be taken into consideration when the method of ambient noise is used to study the seismic velocity structure in the region.

southeastern Gansu region； cross-correlation function； ambient seismic noise source； signal-to-noise ratio； normalized background energy flow

國家自然科學(xué)基金(41574044)和地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201308011)共同資助.

2015-11-30收到初稿，2016-03-21決定采用修改稿.

e-mail: zhangys2011@163.com

10.11939/jass.2016.05.006

P315.4

A

顏文華, 張?jiān)? 秦滿忠, 劉旭宙, 郭瑛霞. 2016. 甘東南地區(qū)寬頻帶地震臺陣背景噪聲特征分析. 地震學(xué)報(bào), 38(5): 719--727. doi:10.11939/jass.2016.05.006.

Yan W H, Zhang Y S, Qin M Z, Liu X Z, Guo Y X. 2016. Characteristics of ambient seismic noise of broadband seismic array in the southeastern Gansu region.ActaSeismologicaSinica, 38(5): 719--727. doi:10.11939/jass.2016.05.006.