海底與陸地臺站背景噪聲差異

王嗣尹 徐 彥 李曉夢 解朝娣

（中國昆明650500 云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球物理系）

0 引言

地震儀被廣泛架設(shè)于大陸地區(qū)，用以記錄構(gòu)造地震事件所產(chǎn)生的地震波信號，研究震源性質(zhì)與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在無地震事件發(fā)生的時間段里，地震儀會記錄持續(xù)性的、看似隨機的噪聲擾動信號。這樣的信號通常被稱為背景噪聲。Webb（1998）認為，這種看似是噪聲的信號，實際上是由風(fēng)和海浪的直接壓力作用以及與彈性波的非線性耦合而產(chǎn)生的，是一種永久性、持續(xù)性的地震背景噪聲信號。

地震背景噪聲中包含著豐富的信息。架設(shè)在陸地上的地震儀所記錄的背景噪聲已得到較為廣泛的研究。根據(jù)頻率可將背景噪聲分為2 部分：①周期小于1 s 的背景噪聲被稱為微振動（microtremor），通常具有和人類活動密切相關(guān)的日或周的周期變化性。這部分背景噪聲中，周期0.2—1 s范圍內(nèi)的信號可來自于自然界（區(qū)域性的大氣活動或者火山巖漿活動）或人類活動（交通、工業(yè)生產(chǎn)等），而更高頻率的背景噪聲基本來源于人類活動；②周期大于1 s的背景噪聲被稱為地脈動（microseism），主要來源于海浪運動。Longuet-Higgin（s1950）對地脈動進行了分類，將周期10—20 s 由于涌浪拍打海岸線產(chǎn)生的背景噪聲稱為第一地脈動或單頻地脈動（Single-Frequency microseism，SF）；將周期2—10 s 的背景噪聲稱為第二地脈動或雙頻地脈動（Double-Frequency microseism）。第二地脈動可進一步劃分為短周期第二地脈動信號（short period double-frequency microseism，SPDF）與長周期第二地脈動信號（long period double-frcquency microseism，LPDF）。Bromirski 等（2005）和Sharon 等（2008）對第二地脈動進行研究，發(fā)現(xiàn)第二地脈動的短周期部分（SPDF）可能來源于遙遠的深海，長周期部分（LPDF）主要來源于海岸。陳棟爐等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，地脈動信號存在季節(jié)特征，夏秋季節(jié)（5 月—10 月）地脈動信號較弱，冬春季節(jié)（11 月—次年4 月）地脈動信號則相對較強。

背景噪聲應(yīng)用廣泛，可被用于獲取地殼乃至上地幔速度結(jié)構(gòu)（Shapiro et al，2005）。采用背景噪聲方法，既不依賴地震的發(fā)生，也不需震源車或人工爆破，只需對連續(xù)記錄的噪聲進行互相關(guān)分析，即可獲得地下結(jié)構(gòu)信息。該方法相比于傳統(tǒng)方法，還可獲取地殼中剪切波速度均勻性的信息，提高了速度結(jié)構(gòu)的分辨率。在全球范圍內(nèi)，背景噪聲一直存在，Okada（2003）經(jīng)過長期觀測研究，發(fā)現(xiàn)通過分析背景噪聲可以對地殼以及深層地幔的運動做出一定預(yù)測，可在一定程度上預(yù)測強地面運動。

占地球表面積近2/3 的海洋是地球物理研究的前沿領(lǐng)域。對于架設(shè)于洋底的海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，OBS）記錄的地震背景噪聲的頻率特征和能量分布特征等的認識還相對不足。文中對架設(shè)在太平洋的6 個OBS 和5 個不同區(qū)域的陸上地震儀，采用相同的背景噪聲處理方法，分析陸地地震儀和OBS 記錄的背景噪聲的差異。

1 數(shù)據(jù)

從國際地震數(shù)據(jù)交換中心（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）獲取，三分量寬頻帶地震儀連續(xù)數(shù)據(jù)時間段2010 年2 月1 日—28 日和2012 年2 月1 日—28 日所涉臺站為架設(shè)于太平洋西北和中東部區(qū)域，臺網(wǎng)編號分別為Z6 和ZA 的OBS，以及位于歐亞、非洲、北美、南美大陸及南太平洋島嶼的5 個不同區(qū)域編號為IU 和II 臺網(wǎng)的LSZ、SAML、SLBS、SNZO、AAK 臺站，臺站位置如圖1（a）所示。Z6 臺網(wǎng)共布設(shè)11臺儀器，其中11、15、16 號儀器數(shù)據(jù)可獲取。ZA 臺網(wǎng)共布設(shè)49 臺儀器，僅B01、B02、B04 數(shù)據(jù)可獲取。陸地臺站配備Streckeisen STS-2 寬頻帶地震儀。該地震儀功率較低，頻率范圍超出傳統(tǒng)的短周期和長周期儀器，速度響應(yīng)為0.1—120 s。OBS 采用Nanometrics Trillium 240 寬頻帶地震儀，采用低噪聲模型，速度響應(yīng)為0.1—100 s。OBS 和陸地儀器頻帶范圍較寬且相近，能夠保證對洋底和大陸不同頻帶背景噪聲的對比研究。

下載數(shù)據(jù)為三分量1 h 連續(xù)數(shù)據(jù)。對比5 個陸地臺和6 個OBS 的數(shù)據(jù)完整性情況[圖1（b）]，可以看出，5 個陸地臺的數(shù)據(jù)完整性在75%以上，其中AAK 臺的數(shù)據(jù)完整性達99.85%。而OBS 的數(shù)據(jù)完整性普遍較低，最高為75%，最低僅38.1%。由數(shù)據(jù)完整性可知，由于OBS 架設(shè)位置的特殊性，儀器維護比陸地地震臺困難，數(shù)據(jù)完整性普遍偏低。Z6 臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)完整性在71%—75%之間，保證了OBS 和陸地臺背景噪聲的可比性。

圖1 臺站位置及數(shù)據(jù)完整性示意（a）地震臺站位置，紅色五角星代表陸地臺站，黃色五角星代表ZA 臺網(wǎng)的OBS、綠色五角星代表Z6 臺網(wǎng)的OBS，插入圖為Z6 和ZA 臺網(wǎng)的臺站分布以及位于加利福尼亞半島的SLBS 臺站的放大圖；（b）各臺站數(shù)據(jù)完整性，紅色為陸地臺站，黃色為ZA 臺網(wǎng)，綠色為Z6 臺網(wǎng)Fig.1 Station location and data integrity diagram

2 原理

采用Park 等（1987）和Koper 等（2010）提及的偏振分析法處理地震數(shù)據(jù)。偏振分析是一種多通道算法，可以從三分量地震數(shù)據(jù)中得到質(zhì)點隨頻率變化的偏振信息。該算法基于給定頻率下特征譜矩陣的奇異值分解。

假設(shè)三分量地震記錄具有如下離散時間序列的形式：

其中，t=nτ，n=0，1，…，N-1，τ是采樣間隔，數(shù)據(jù)長度為Nτ；x(1)(t)為垂直分量，x(2)(t)為徑向分量，x(3)(t)為切向分量。

利用多窗譜分析法對x(t)進行快速傅里葉變換（FFT），則

其中，ωt(k)(N,W) 為k階窗函數(shù)，k=0,1 …K-1,K取決于2W值，2W代表所選的頻帶寬度。

進而得出多窗口譜密度矩陣，有

其中，M*(ω)為M(ω)的共軛轉(zhuǎn)置，M(ω)為K×3 階矩陣，有

由此，可以得到垂直方向和水平方向運動的相位差：ФVH=ΘH-Ф1，ФVH的變化范圍為（-90°，90°），2 個水平方向之間的相位差ФHH=Ф3-Ф2，ФHH的變化范圍為（-180°，180°）。質(zhì)點運動的極化度β可表示為

其中，符號tr 代表矩陣的跡，S為譜密度矩陣。β2取值范圍[0，1]。本研究中的高值并不意味著直線粒子運動，橢圓運動也可以導(dǎo)致高值。

3 數(shù)據(jù)處理方法

對從IRIS 下載的OBS 和陸地臺1 h 長度的三分量連續(xù)地面位移數(shù)據(jù)，首先去除儀器響應(yīng)，并通過2 次微分得到地面運動加速度值。之后將數(shù)據(jù)劃分成27 個滑動子窗口，2個子窗口間的數(shù)據(jù)重疊率為62.21%，每個子窗口的長度為122.6 s（8 192 個采樣點）。之后，對每一個子窗口，進行去趨勢、加Hanning 濾波窗處理，然后進行快速傅里葉變換（FFT），進而得到每一子窗口對應(yīng)的3×3 譜密度矩陣。通過對27 個子窗的譜密度矩陣求平均值，得到1 h 噪聲樣本整體的譜密度矩陣，計算該譜密度矩陣的特征值和特征向量。通過特征值和特征向量得出極化屬性，對陸地臺站和OBS 的極化屬性進行對比。

4 結(jié)果分析

4.1 OBS 和陸地臺頻譜特征差異

將OBS 和陸地臺的偏振分析結(jié)果中垂直、東西、南北三分量和主特征值分別按照McNamara 等（2004）的方法來處理，得到各臺的垂向、南北向、東西向及特征值的加速度功率譜密度，如圖2 所示。

圖2 陸地臺站和OBS 垂直、東西、南北三分量和主特征值加速度功率譜密度2 條黑線代表全球背景噪聲模型，上方黑線為高噪聲模型(NHNM)，下方黑線為低噪聲模型（NLNM）Fig.2 Acceleration power spectral density results of Z,E,N,and EIG components of land stations and OBS stations

圖2 中OBS 三分量概率密度曲線顯示，垂直分量能夠?qū)Φ谝坏孛}動和第二地脈動信號進行良好記錄，而水平分量長周期部分則未記錄到第一地脈動信號峰值，且OBS 儀器水平分量在長周期（10—100 s）頻段噪聲較高。Montagner 等（1994）、Romanowicz 等（1998）、Webb（1998）等對其所采用的OBS 臺站進行了廣泛研究，認為造成這一現(xiàn)象的主要原因，是傳感器垂直分量的機械設(shè)計不同于2 個相同水平分量的機械設(shè)計。這種差異導(dǎo)致傳感器具有不同的沖擊脆弱性。當傳感器受到振動時，其組件會失效。本研究中OBS 臺站并不完全位于沉積層之下，海底界面湍流會引起壓力波動，該壓力波動使得周圍介質(zhì)發(fā)生變化，引起傳感器存在振動或者傾斜，從而對OBS 水平分量的長周期觀測造成影響。

在5 個陸地臺中，除了位于新西蘭的SNZO 臺外，其他臺站三分量和主特征值的概率密度曲線呈現(xiàn)相同變化。LSZ、SAML、SLBS、AAK 四個陸地臺站的3 個分量及特征值均能清晰記錄到周期在2—10 s 的第二地脈動和10—20 s 范圍的第一地脈動信號。而SNZO 臺只有垂直分量能清晰記錄到第一和第二地脈動信號，2 個水平分量和特征值對第一地脈動記錄較差。并且SNZO 臺背景噪聲整體偏高，靠近Peterson（1993）所提出的全球高噪音模型（New High Noise Model，NHNM）曲線。Hasselmann（1963）通過研究認為，第一地脈動信號是由涌浪撞擊海岸線產(chǎn)生的，在地殼內(nèi)以瑞利波傳播。位于歐亞大陸內(nèi)部的AAK 臺遠離海岸線，但3 個分量在周期12 s 處仍能清晰地記錄到第一地脈動信號峰值。SNZO 臺與海岸線距離遠比AAK 臺近。但其水平分量和特征值從10 s 開始呈現(xiàn)出信號能量隨頻率降低而增高的特征。因此，第一地脈動信號隨傳播距離衰減并不是SNZO 臺水平分量對第一地脈動記錄較差的原因。而且SNZO 臺的垂直分量在第一地脈動頻帶范圍有局域峰值存在，只是水平分量對第一地脈動信號的響應(yīng)較差。在圖1 所示臺站分布圖可以明顯看出，SLBS 和SNZO 均為海島臺站，由圖2 可知2 個臺站10—100 s 長周期部分具有2 種變化特征：三分量均能記錄到第一地脈動信號，垂直向能記錄到第一地脈動信號。把2 個臺水平分量能記錄第一地脈動的時段和水平分量不能記錄到第一地脈動的時段拆分，繪制概率密度曲線，如圖3 所示。

SLBS 臺和SNZO 臺分別有514 h 和472 h 的數(shù)據(jù)。SLBS 臺三分量數(shù)據(jù)均能清楚，記錄到第一地脈動峰值的時間為228 h，近全部時段的一半，只有垂直分量能記錄到第一地脈動的時間為286 h。SNZO 臺三分量均記錄到第一地脈動峰值的時間段較短，只有26 h，而水平分量不能記錄到第一地脈動峰值的時間長達446 h，占全部時段的94%。由圖2 和圖3 可知，SLBS 臺站對第一地脈動信號的記錄效果比SNZO 臺站好。這主要是因為，2 個海島臺站地理環(huán)境具有較大差異。SNZO 臺位于新西蘭，地處太平洋西南部。而SLBS臺位于墨西哥境內(nèi)的加利福尼亞半島，一側(cè)為太平洋，一側(cè)為加利福尼亞灣。SNZO 和SLBS 臺水平分量對第一類地脈動觀測不佳原因可能類似于OBS 臺站：由于距海岸線近，在海浪壓力作用的影響下，使得第一地脈動觀測效果發(fā)生變化。當海浪壓力相對較小時，這2 個海島臺的水平分量能記錄到第一地脈動，而當海浪壓力較大時第一地脈動信號就無法被記錄到。SNZO 臺相比SLBS 臺，周圍海域面積更為寬闊并且陸地面積更小，因此其水平分量受到較大影響。

圖3 SLBS 與SNZO 臺站長周期加速度功率譜密度結(jié)果Fig.3 Long-period Acceleration power spectral density results of SLBS and SNZO stations

4.2 OBS 和陸地臺背景噪聲頻率特征差異

OBS 的第二地脈動信號能量較陸地臺高，靠近甚至高于全球高背景噪聲模型（NHNM）曲線（圖2）。這可能是由于OBS 比陸地臺距第二地脈動信號源近，從而能觀測到更強的信號。在第二地脈動頻率區(qū)間內(nèi)，陸地臺的概率密度曲線較為平滑，而OBS 則表現(xiàn)出多個峰值。這同樣可能因為OBS 距第二地脈動信號源較近，所以能記錄到不同波長的地震波能量。而陸地臺距第二地脈動信號源較遠。在第二地脈動信號由海洋地殼傳播到大陸地殼的過程中，短周期能量在傳播過程中快速衰減，從而使得概率密度曲線相對平滑，只體現(xiàn)出較長周期的信號能量。

背景噪聲中的短周期部分（周期短于1 s），對于陸地臺站而言主要來自于人類活動。當臺站周邊環(huán)境較為安靜時，短周期背景噪聲相對較低。由圖2 可見，OBS 水平分量高頻部分（3—10 Hz）出現(xiàn)多個峰值，垂直分量能量值較低且較為平滑，在周期0.1—1 s 范圍內(nèi)，能量隨著周期增大而升高。陸地臺站垂直分量與水平分量變化類似，無特別峰值，較為平滑。圖4 為OBS 和陸地臺三分量及主特征值高頻部分（周期0.1—0.3 s）均值，無論垂直向還是水平方向，OBS 背景噪聲明顯低于陸地臺站，原因可能是OBS 記錄噪聲大致與湍流平均流速和周期的乘積（即波長）成正比。高頻段波長短，受湍流影響較小，表現(xiàn)出較低噪聲水平。而出現(xiàn)的多個峰值可能來源于水流振動。隨著周期增加，湍流波長變大導(dǎo)致能量升高（Webb，1988）。

圖4 2010 年2 月陸地臺站和OBS 三分量及特征值高頻部分（周期0.1—0.3 s）均值Fig.4 Mean energy of the three components and eigenvalues of the high-frequency part(0.1—0.3 s) of the land and OBS stations in February 2010

4.3 極化度、角度四分量概率密度函數(shù)結(jié)果

利用偏振分析方法不僅可以得到三分量背景噪聲能量隨頻率變化特征，還可以獲取背景噪聲的方向信息，即極化信息。極化度β2，4 個角量ΘH、ΘV、ФVH、ФHH的結(jié)果如圖5 所示。

通過分析圖5 中陸地臺站和OBS 的極化度和四分量概率密度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于長周期（大于10 s）信號，由于OBS 的水平分量存在問題，所以第一地脈動的極化信息不具有探討意義。陸地臺除SNZO 外，其余4 個臺的三分量觀測正常。對4 個陸地臺的長周期信號進行極化分析后，發(fā)現(xiàn)在主特征值概率密度曲線上，周期10—20 s 的部分存在明顯峰值。LSZ 臺的ΘV值集中于40°附近，其余陸地臺ΘV值靠近0°，表明幾個陸地臺的垂直分量比水平分量的第一地脈動信號強。陸地臺中的SAML、SLBS、AAK 臺記錄的第一地脈動信號均具有瑞利波質(zhì)點運動特征，即水平方向為線性運動（ΦHH=0°或±180°），而垂直平面則為橢圓運動（ΦVH=±90°）。LSZ 臺記錄的第一地脈動信號不具備基階瑞利波質(zhì)點運動特征，主要表現(xiàn)為水平方向的橢圓運動（ΦHH≈-90°），ΘH值顯示能量主要來自于臺站NE60°方向。

圖5 陸地臺站和OBS 極化度（β2 ），角度四分量ΘH、ΘV、ФVH、ФHH 的概率密度函數(shù)結(jié)果Fig.5 Figure of probability density function results for the polarizability (β2) and four angular components (ΘH,ΘV,ФVH,ФHH) of land stations and OBS stations

對于第二地脈動信號，陸地臺觀測數(shù)據(jù)得到的質(zhì)點偏振運動軌跡和第一地脈動一致。LSZ 臺表現(xiàn)為水平方向的橢圓運動。SAML、SLBS、SNZO 臺表現(xiàn)出瑞利波質(zhì)點運動特征。AAK 臺第二地脈動信號也具有瑞利波質(zhì)點運動特征，但可能由于臺站位于歐亞大陸內(nèi)部，信號能量是5 個陸地臺中最弱的，因而其ΦVH和ΦHH的數(shù)值相對其他陸地臺較為分散。

反觀OBS 臺站，ZA 臺網(wǎng)的第二地脈動信號偏振分析的結(jié)果無明顯的質(zhì)點偏振平面或瑞利波質(zhì)點運動特征，其ΦVH和ΦHH值變化范圍較為分散?？赡苁且驗閆A 臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)完整性較低。Z6 臺網(wǎng)相較ZA 臺網(wǎng)有更為明顯的瑞利波質(zhì)點橢圓運動特征，15 和16 號臺站的ΦHH=±180°，ΦVH=±90°。11 號臺站ΦVH和ΦHH的數(shù)值較分散，不具備清晰的偏振平面信息。

在短周期部分（小于1 s），對于陸地臺，這部分信號主要來源于人類活動，在不同區(qū)域、不同環(huán)境條件下，信號源不同。LSZ 和SAML 臺在周期0.2—1 s 間的信號同樣具有瑞利波質(zhì)點運動特征。SLBS 和SNZO 臺在水平和垂直向則表現(xiàn)出線性運動的特征，且ΦHH=0°或±180°且ΦVH=0°。AAK 臺位于國家公園內(nèi)部，環(huán)境噪聲較為復(fù)雜，因而其偏振角度在高頻部分較為波動。OBS 中Z6 臺網(wǎng)的11 號和16 號臺站ΦVH和ΦHH均趨于0°，反映了高頻信號在水平和垂直平面具有線性運動特征，而其他臺站的高頻信號偏振角度不具備偏振特征，角度分散。

5 結(jié)論

從IRIS 下載全球不同區(qū)域5 個陸地臺和位于太平洋西北和中東區(qū)域2 個OBS 臺網(wǎng)的6 個臺站數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)完整性上，OBS 臺站維護不便，其數(shù)據(jù)完整性整體較低。且由于洋底湍流的影響，OBS 臺站對第一地脈動信號的記錄效果明顯不如陸地臺站。陸地臺站間也存在差異，海島臺站水平分量對第一地脈動的記錄效果明顯不如內(nèi)陸臺站。在第二地脈動頻率區(qū)間內(nèi)，陸地臺的概率密度曲線較為平滑，而OBS 臺則表現(xiàn)出多個峰值。產(chǎn)生這一差異的主要原因是，臺站所處環(huán)境不同，OBS 距第二地脈動信號源較近，能記錄到不同波長的海浪壓力變化在洋底地殼中轉(zhuǎn)化的地震波能量，而陸地臺距第二地脈動信號源較遠，短周期能量的衰減使得加速度功率譜密度曲線逐漸平滑。

高頻部分陸地臺站受周圍環(huán)境影響，OBS 臺站受湍流影響。高頻段波長短，OBS 受到湍流的影響較小，因而OBS 三分量信號能量較陸地臺低。偏振分析結(jié)果顯示，無論是第一地脈動頻段（10—20 s）還是第二地脈動頻段（2—10 s）或周期小于1 s 的頻段，陸地臺信號均有相對清晰的質(zhì)點偏振運動特征，表現(xiàn)為瑞利波運動特征以及水平或垂直平面的線性運動特征。而OBS 臺站，除個別臺站的高頻信號在水平和垂直平面顯示線性運動特征，其他臺站均不具備偏振特征指向性，極化角度較分散。