基于福建地區(qū)環(huán)境噪聲瑞利面波群速度的層析成像分析

黃玲珠，李 軍，張紅才

（福建省地震局，福建 福州 350003）

基于福建地區(qū)環(huán)境噪聲瑞利面波群速度的層析成像分析

黃玲珠，李 軍，張紅才

（福建省地震局，福建 福州 350003）

利用福建及其周邊3省（浙江、江西、廣東）數(shù)字地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的69個(gè)寬頻帶臺(tái)站一年的噪聲記錄，采用互相關(guān)技術(shù)提取兩兩臺(tái)站間的瑞利面波格林函數(shù)，反演得到了福建及其周邊地區(qū)3個(gè)周期段（T=4s、T=10s、T=15s）的瑞利面波群速度分布圖像。所得結(jié)果可為研究該地區(qū)的地殼構(gòu)造、地?zé)岱植肌⒌卣鸹顒?dòng)等提供重要依據(jù)。

噪聲；相干疊加；層析成像；瑞利面波

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.004

1674-8565（2017）04-0021-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAK03B02）

2017-04-18

2017-07-07

黃玲珠（1982-），女，福建省泉州市人，畢業(yè)于廈門大學(xué)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地震觀測(cè)與地震預(yù)警等方面的研究工作。E-mail：huanglz@fjea.gov.cn

0 引言

福建省位于歐亞板塊的東南部，地處太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖碰撞帶的內(nèi)側(cè)，區(qū)內(nèi)從沿海到內(nèi)陸活動(dòng)斷裂帶貫穿全省，具有構(gòu)造規(guī)模大、延伸長(zhǎng)、切割深和活動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是我國(guó)東南沿海地震活動(dòng)水平最高的地區(qū)，明萬歷三十二年（公元1604年12月29日）曾發(fā)生泉州海外7.5級(jí)大地震，福建全境震感強(qiáng)烈[1]。因此，精細(xì)探測(cè)福建地區(qū)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)對(duì)加強(qiáng)福建地區(qū)的防震減災(zāi)工作顯得非常重要。

近年來，環(huán)境噪聲層析成像技術(shù)獲得了快速發(fā)展并成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，它擺脫了傳統(tǒng)方法需依賴地震信息的限制，具有射線分布更加均勻、可重復(fù)觀測(cè)、可獲得較多的短周期成分等優(yōu)點(diǎn)，使之成為區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)高分辨成像的一種新的技術(shù)途徑。

在國(guó)際上，Shapiro等[2]和Sabra等[3]在20 05年發(fā)表了波群速度背景噪聲層析成像圖像，他們都采用了來自加州南部臺(tái)站的一到幾個(gè)月的數(shù)據(jù)。之后世界各地相繼開展了形式多樣的應(yīng)用研究，除了美國(guó)之外還包括歐洲[4]、韓國(guó)[5]、中國(guó)[6]等，時(shí)間序列長(zhǎng)度也達(dá)到2年甚至4年，取得了一系列的成果。Stehly等[7]發(fā)表了有關(guān)背景噪聲方向性的研究成果，認(rèn)為背景噪聲傳播的方位角非常廣，雖然有時(shí)在方位上也會(huì)有某些傾向性，但觀測(cè)結(jié)果的偏差相對(duì)于其他方法的測(cè)量誤差而言微不足道。

金星、李軍等[8-10]對(duì)福建地區(qū)的脈動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年的跟蹤分析，并利用福建地震臺(tái)網(wǎng)8個(gè)寬頻帶臺(tái)站記錄到的環(huán)境噪聲，根據(jù)相干疊加的原理提取了面波格林函數(shù)，反演了福建地區(qū)的瑞利面波群速度分布，但受當(dāng)時(shí)寬頻帶臺(tái)站稀疏的限制，所得結(jié)果比較粗略。隨著“十五”建設(shè)項(xiàng)目的完成，福建地區(qū)寬頻帶地震臺(tái)站的密度有了較大提高，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地震是由于地殼介質(zhì)受到的應(yīng)力變化引起的這一理論，他們又利用福建臺(tái)網(wǎng)25個(gè)寬頻帶臺(tái)站的噪聲記錄，嘗試性地研究了2007年8月14日—2008年7月1日福建地區(qū)瑞利面波群速度分布的相對(duì)變化與地震的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波速變化與地震之間有一定的吻合[11]。但25個(gè)臺(tái)站只能組成300條射線，射線比較稀疏，所得層析成像結(jié)果比較粗略，只覆蓋了福建中東部地區(qū)，對(duì)福建西部地區(qū)缺少相應(yīng)分析。為了能夠?qū)Ω＝ǖ貐^(qū)有較好的射線覆蓋并提高福建地區(qū)面波層析成像的精度，本文利用福建及其周邊3?。ㄕ憬?、江西、廣東）共69個(gè)臺(tái)站的脈動(dòng)數(shù)據(jù)，反演得到了分辨率較高的福建地區(qū)瑞利面波群速度分布圖像。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文所利用的福建、廣東、江西和浙江四省的臺(tái)站共69個(gè)，全部為速度型，采樣率分100 Hz和50 Hz兩種，儀器類型包括CTS-1、BBVS-60、KS2000、JCZ-1、BBAS-2等。兩兩臺(tái)站間可以構(gòu)成一條射線，因此，理論上69個(gè)臺(tái)站可構(gòu)成2346條射線，臺(tái)站分布如圖1所示。

本文選取了1年的噪聲記錄進(jìn)行相關(guān)分析，由于本文是利用噪聲記錄提取面波群速度，因此地震、爆破、脈檢以及儀器自身的一些長(zhǎng)周期成分等對(duì)于本文來說都屬于干擾，在計(jì)算互相關(guān)系數(shù)之前，需要對(duì)噪聲記錄進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理主要包括基線校正、滑動(dòng)光滑平均[12]等。數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，能夠去除零漂、儀器長(zhǎng)周期等，并可以大大降低地震、爆破等干擾信號(hào)的幅值。

1.2 環(huán)境噪聲提取面波格林函數(shù)

環(huán)境噪聲提取面波格林函數(shù)的基本原理是：假設(shè)波場(chǎng)均勻分布，則兩個(gè)臺(tái)站記錄的相關(guān)系數(shù)和兩個(gè)臺(tái)站之間的理論格林函數(shù)波形相同，但幅值不同，在相位上也有π/ 2的相移。由于地震臺(tái)站主要分布在地表，格林函數(shù)主要受面波控制，且地脈動(dòng)主要因表面的源（如海洋波動(dòng)和大氣干擾等）而產(chǎn)生，因此可通過此方法從環(huán)境噪聲中提取面波格林函數(shù)[13]。

圖1 臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations used in this study

理論上格林函數(shù)的兩個(gè)分支應(yīng)該是對(duì)稱的，但在實(shí)際觀察中，由于噪聲源分布不均，有時(shí)兩個(gè)分支可能會(huì)不完全對(duì)稱。本文將負(fù)的分支反序后疊加到正的分支上，可以明顯的提高結(jié)果的穩(wěn)定性和信噪比。本文定義的信噪比計(jì)算方法為：設(shè)置瑞利面波群速度窗為2～5 km/s，計(jì)算群速度窗中波形的最大值與整個(gè)波形的均方差，兩者的比值即為信噪比。之所以設(shè)定群速度窗，主要是為了剔除互相關(guān)結(jié)果中其他干擾的影響，如在時(shí)移0時(shí)刻附近，有些臺(tái)站對(duì)互相關(guān)結(jié)果表現(xiàn)出很好的相關(guān)性（關(guān)于其中原因目前尚不明確）。

對(duì)疊加后的結(jié)果進(jìn)行濾波，即可得到不同周期的瑞利面波群速度，即頻散曲線。求出濾波后波形絕對(duì)值的最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,即瑞利面波在兩個(gè)臺(tái)站之間傳播所需要的時(shí)間。

本文所利用的噪聲記錄臺(tái)站有69個(gè)，兩兩臺(tái)站間可以構(gòu)成一條射線，因此，理論上69個(gè)臺(tái)站共可構(gòu)成2346條射線，但由于臺(tái)站記錄以及臺(tái)站周邊干擾等因素的影響，導(dǎo)致并不是所有的臺(tái)站都能提取出信噪比較高的結(jié)果，為了提高層析成像結(jié)果的可靠度，對(duì)于信噪比較低的結(jié)果需要剔除，這樣反演得到的瑞利面波群速度分布圖才更為可靠。

2 層析成像

本文借鑒Ottemoller[14-15]對(duì)Lg波層析成像的方法反演得到了T=4s、T=10s、T=15s等3個(gè)周期的瑞利面波群速度分布圖像，該方法具體過程如下：

對(duì)于走時(shí)方程，

其中，d為所有射線的走時(shí)矢量，G為穿過各網(wǎng)格的射線長(zhǎng)度矩陣；m為各網(wǎng)格的慢度矢量。

為了求解這個(gè)方程組并保證解的穩(wěn)定性，需要將下面的函數(shù)最小化：

其中，

式中，F(xiàn)為矩陣控制空間平滑度，H為矩陣調(diào)節(jié)網(wǎng)格的初始信息。F和H分別為：

其中，

式中，Rij為i網(wǎng)格和j網(wǎng)格之間的距離，N為網(wǎng)格總數(shù)。

其中，Lij是穿過（i，j）網(wǎng)格單元的所有路徑長(zhǎng)度總和。

A矩陣依賴四個(gè)阻尼常數(shù)，α,σ,β,λ，通過檢測(cè)板測(cè)試和分辨率測(cè)試的結(jié)果來調(diào)整α,σ,β,λ的大小以得到合適的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果。其中α,σ控制空間平滑度，增大α或減少σ都可以使網(wǎng)格變得更平滑；而β,λ控制網(wǎng)格的反演信息，增大β或減少λ都可以增加射線覆蓋較差網(wǎng)格的反演信息。

估計(jì)的模型矢量可以通過下式獲得：

其中，

網(wǎng)格的選擇依賴于數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用射線的數(shù)量，以及所研究區(qū)域的橫向不均勻尺度等因素。網(wǎng)格選擇太稀疏，得到的橫向不均勻分布精度就會(huì)太低，而網(wǎng)格選擇太密集會(huì)導(dǎo)致用于反演的數(shù)據(jù)量不夠，導(dǎo)致反演時(shí)出現(xiàn)欠定的問題。通過對(duì)比不同的阻尼參數(shù)和網(wǎng)格劃分所得到的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果，本文最終用于反演的網(wǎng)格大小為0.5o×0.5o，反演得到了福建及其周邊地區(qū)3個(gè)周期段（T=4s、T=10s、T=15s）的瑞利面波群速度分布圖像（圖2）。

圖2 （a）研究區(qū)域內(nèi)地形圖；（b）T=4 s時(shí)的瑞利面波群速度分布圖像；（c）T=10 s時(shí)的瑞利面波群速度圖像；（d）T=15 s時(shí)的瑞利面波群速度分布圖像Fig.2 （a）Topography map of study region; （b-d）Rayleigh wave group velocity maps at different periods（T=4 s、T=10 s、T=15 s）

3 結(jié)果與討論

瑞利面波某一周期的群速度對(duì)波長(zhǎng)三分之一深度的介質(zhì)最為敏感[16]，不同周期的群速度分布圖像分別表征了不同深度范圍內(nèi)的構(gòu)造差異。群速度分布所呈現(xiàn)的速度結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性，對(duì)研究大的構(gòu)造塊體以及整體構(gòu)造特征等都有十分重要的參考價(jià)值[17]。本文對(duì)反演得到的3個(gè)周期段的群速度圖像分別進(jìn)行討論。

3.1 T=4s時(shí)的瑞利面波群速度圖像

T=4s群速度圖像主要反映了地殼淺部（約2～5 km）的速度結(jié)構(gòu)特征。從圖2（b）中可以看出，沉積層的分布、地形地貌等對(duì)波速分布有明顯的觸控作用，幾乎所有的盆地都呈現(xiàn)出較低的群速度，而且低速的分布和強(qiáng)度與盆地的分布和沉積層的厚度能夠很好的對(duì)應(yīng)。在福建地區(qū)，瑞利面波波速分布基本呈現(xiàn)出北高南低的態(tài)勢(shì)。在漳州盆地（福建東南部）等地勢(shì)低洼地區(qū)波速較低，胡家富等[18]利用中長(zhǎng)周期的面波記錄也證明華夏塊體（主要包括福建和廣東）南部沉積層厚度為4km，北部沉積層僅為2km厚，這和本文得出的面波波速北高南低的結(jié)論相一致。

在地形圖2（a）中，福建中南部地區(qū)波速也明顯較低，構(gòu)成了一個(gè)波速異常區(qū)。世界各地區(qū)如蘇聯(lián)的貝爾加胡、美國(guó)的黃石公園、紅海大裂谷等地，在有低速異常的地方都會(huì)出現(xiàn)高熱流值異常，地表往往出露大量的高溫?zé)崛猍19]。福建地區(qū)屬于東南沿海褶皺系，該區(qū)具有大陸地殼向海洋地殼過渡邊緣地區(qū)的構(gòu)造特征，位于濱太平洋斷裂體系中，殼內(nèi)深斷裂發(fā)育，為強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)，幔內(nèi)熱物質(zhì)容易通過深斷裂上涌，使殼內(nèi)熱流值增高[20]。事實(shí)也證明，福建省是我國(guó)三大地?zé)崽镏?，該區(qū)巖漿活動(dòng)劇烈，許多地區(qū)都有玄武巖噴溢，福建境內(nèi)現(xiàn)有溫泉175處，絕大多數(shù)分布在閩南地區(qū)（圖3a），如在漳州盆地及其附近地區(qū)就有大量溫泉出露地表[21]，因此，進(jìn)一步探明該區(qū)低速區(qū)分布規(guī)律，對(duì)地震預(yù)報(bào)以及福建省地?zé)崽镞h(yuǎn)景預(yù)測(cè)、圈定、開發(fā)等有很大意義。

3.2 T=10 s時(shí)的瑞利面波群速度圖像

T=10 s時(shí)的群速度分布圖像主要反映了上地殼（約6～15 km）的結(jié)構(gòu)特征。瑞利面波波速分布仍然受到地表地形的影響，但與地表地形相關(guān)程度已經(jīng)明顯降低，橫向變化率也較小。由于福建省內(nèi)發(fā)生的地震震源深度多數(shù)在10 km左右（據(jù)福建省地震局地震編目資料），為了探討地震活動(dòng)與速度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，本文給出了歷史上福建地區(qū)所發(fā)生的M＞2.5級(jí)地震的震中分布（圖3b），發(fā)現(xiàn)地震一般都分布在高群速度與低群速度的過渡地帶，而且更偏重于低群速度一側(cè)。一般而言，速度變化比較強(qiáng)烈的地區(qū)即是應(yīng)力集中的地區(qū)，又是介質(zhì)相對(duì)脆弱的地區(qū)，這樣的地區(qū)更容易發(fā)生破裂從而產(chǎn)生地震。

圖3 （a）福建地區(qū)地?zé)岱植紙D；（b）福建地區(qū)歷史地震（M＞2.5）震中分布圖Fig.3 （a）Geothermal distribution in study region;（b）Earthquake epocenters with M ＞2.5

3.3 T =15s時(shí)的瑞利面波群速度圖像

T=15s群速度圖像主要反映了下地殼（約13～30 km）的速度結(jié)構(gòu)特征。瑞利面波波速似乎反而有些降低，橫向變化率也有所增大，根據(jù)華南模型正演得到的瑞利面波頻散曲線顯示，該地區(qū)瑞利面波埃里相約出現(xiàn)在周期15秒處，因此分析認(rèn)為，可能是由于瑞利面波埃里相的出現(xiàn)導(dǎo)致了該頻率范圍的瑞利面波波速下降，而不同地區(qū)埃里相的不同又導(dǎo)致了面波波速橫向變化率有所增大?？傮w而言，瑞利面波波速分布顯示該地區(qū)不同深度處橫向變化率較小，橫向變化率隨深度增加呈減小的趨勢(shì)。不同深度存在橫向不均勻性，然而除東南沿海斷裂系為構(gòu)造活動(dòng)區(qū)、地震較多之外，該地區(qū)仍屬于較穩(wěn)定的大陸塊體構(gòu)造[20]。

4 結(jié)論

本文利用近年發(fā)展起來的噪聲層析成像技術(shù)反演得到了福建及其周邊地區(qū)在T=4s、T=10s、T=15s的瑞利面波群速度分布圖像，所得結(jié)果為研究該地區(qū)的地殼構(gòu)造、地?zé)岱植?、地震活?dòng)等提供了重要依據(jù)。與以往面波層析成像結(jié)果相比，本文射線密度大，高頻信息豐富，對(duì)淺部結(jié)構(gòu)的分辨率較好，所得結(jié)果較好的揭示了淺部地殼結(jié)構(gòu)的橫向變化率。這些結(jié)果的取得對(duì)指導(dǎo)福建地區(qū)的地?zé)衢_發(fā)、探討該地區(qū)地震發(fā)生的機(jī)制以及危險(xiǎn)區(qū)的劃分等都有非常重要的意義。

噪聲層析成像技術(shù)不再依賴于天然地震，而且能夠得到更多的短周期成分，這為精確反演淺部地殼結(jié)構(gòu)提供了很好的方法，隨著更多地震臺(tái)站的布設(shè)以及該研究的進(jìn)一步深入，該方法將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

本文反演了瑞利面波在不同周期的群速度分布情況，并未反演剪切波速度結(jié)構(gòu)，由于瑞利面波的頻散特性，因此本文并不能對(duì)該地區(qū)地殼是否存在低速層做出判斷，以后需要進(jìn)一步反演得到剪切波速度結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)υ摰貐^(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)有更深入的了解。

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Tomography Analysis of Rayleigh Wave Group Velocity based on Environmental Noise in Fujian Area

HUANG Ling-zhu，LI Jun，ZHANG Hong-cai

（Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)ujian Fuzhou 350003，China）

The Green-function of Rayleigh wave between two stations was extracted by cross correlating a year velocity seismic noise records of 69 broad-band stations, which from four Digital Seismic Monitoring Networks of Fujian, Guangdong, Jiangxi and Zhejiang Provinces. And the group velocity distribution images of Rayleigh wave were inversed in three periods（T=4s、T=10s、T=15s） in Fujian and the surrounding. The results can provide important basis for the study of crustal structure, geothermal distribution and seismic activity in this area.

noise recording；coherent stacking；tomography；rayleigh wave