地震背景噪聲互相關(guān)方法應(yīng)用研究綜述

陳玉鑫 唐明帥

摘要：利用地震臺(tái)記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行臺(tái)站對之間數(shù)據(jù)互相關(guān)以獲得反映地下介質(zhì)信息的格林函數(shù)，是目前地震學(xué)領(lǐng)域理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面的前沿和熱點(diǎn)。首先介紹了噪聲互相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展歷史，之后對其在面波成像、體波信號提取與體波成像、監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化與衰減、地震定位、噪聲源分析與時(shí)移校正等多個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后針對目前背景噪聲互相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)行了分析與討論。

關(guān)鍵詞：背景噪聲;格林函數(shù);頻散曲線;層析成像;介質(zhì)變化

中圖分類號：P315.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0594-13

0引言

長久以來，地震學(xué)家們利用地震波走時(shí)或振幅信息對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)行研究，這種方法通常采用臺(tái)站記錄中的天然地震信息或人工地震產(chǎn)生的地震波。一般天然地震多集中在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍的板塊邊界或斷裂帶，這使得地震活動(dòng)性低的區(qū)域無法得到充足可靠的地震資料。人工地震往往采用爆破等方式，不僅費(fèi)用昂貴，還面臨著破壞地層結(jié)構(gòu)、污染環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn)。以上兩種方法對于研究地下介質(zhì)信息有很大的局限性，而背景噪聲提供了新的途徑。背景噪聲是指那些通過各種拾震器采集的、按照常規(guī)的地震數(shù)據(jù)處理方法難以識別出有效信號的、常常作為干擾剔除或壓制的地震數(shù)據(jù)（徐義賢，羅銀河，2015）。過去背景噪聲被認(rèn)為是影響震相提取的無用隨機(jī)信號。隨著認(rèn)識的加深，人們發(fā)現(xiàn)臺(tái)站對記錄的噪聲互相關(guān)結(jié)果，與反映臺(tái)站間地下介質(zhì)信息的格林函數(shù)存在聯(lián)系。由于地震噪聲是一種連續(xù)、穩(wěn)定的自然源，不存在傳統(tǒng)研究方法的缺陷，因而可以很好地應(yīng)用于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。只要有足夠的臺(tái)站以及合理的布設(shè)，就可以在限制條件很多的地區(qū)展開應(yīng)用（孔祥艷，2019），因而受到越來越多科學(xué)家的關(guān)注，為揭示世界各地的構(gòu)造變形和地下動(dòng)力學(xué)機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)。

本文回顧了背景噪聲互相關(guān)方法在地震學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷史，并對其應(yīng)用進(jìn)行了介紹，包括噪聲面波成像、提取體波信號及體波成像、波速變化和衰減結(jié)構(gòu)監(jiān)測、地震定位、噪聲源分析、時(shí)移校正等，最后分析了現(xiàn)有背景噪聲互相關(guān)應(yīng)用存在的問題，對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1背景噪聲互相關(guān)應(yīng)用發(fā)展歷史

背景噪聲互相關(guān)方法利用時(shí)刻都在產(chǎn)生的噪聲信號獲取地下介質(zhì)的信息，它的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代。Aki（1957）提出利用空間自相關(guān)方法（Spatial AutoCorrelation method ，SPAC）從“微震”信號中獲得研究區(qū)域相速度分布。Claerbout（1968）證明了在水平層狀介質(zhì)中，自由地表接收的來自地下的地震記錄自相關(guān)等價(jià)于該點(diǎn)自激自收的模擬記錄。隨后，這種思想就被推廣到地表任意兩個(gè)接收器之間計(jì)算互相關(guān)信號，并在太陽地震學(xué)領(lǐng)域得到成功實(shí)踐。Duvall 等（1993）率先完成了利用太陽表面的噪聲信息互相關(guān)提取時(shí)距曲線的突破，這種方法被稱為聲波日光成像法。后來，Weaver 和Lobkis（2001，2002，2003）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接收電路中熱噪聲自相關(guān)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)與直接獲得的脈沖信號相同，因此又對比了鋁塊上兩點(diǎn)記錄的熱噪聲互相關(guān)結(jié)果與格林函數(shù)的差異，并基于模式均分假設(shè)對此進(jìn)行了解釋。此后，互相關(guān)函數(shù)和格林函數(shù)之間的關(guān)系得到了眾多研究者關(guān)注，并基于不同假設(shè)，提出了時(shí)間反對稱理論（Derode et al ，2003）、穩(wěn)相近似理論（Snieder，2004）等進(jìn)行了論證。

噪聲互相關(guān)方法先后在太陽地震學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域的成功實(shí)踐，促使地震學(xué)家開始尋找與“熱噪聲”類似的信號。首先應(yīng)用于這種方法的是一種能夠形成漫射波場的多次散射信號，類似于背景噪聲，被稱為地震尾波。Campillo和Paul（2003）對墨西哥兩個(gè)臺(tái)站記錄到的101次遠(yuǎn)震的尾波進(jìn)行互相關(guān)，發(fā)現(xiàn)提取到的波形具有Ray-leigh 波和Love波的極化特性和群速度。緊接著，Shapiro 等（2004，2005）證明了應(yīng)用背景噪聲提取地球結(jié)構(gòu)的相干信息是可行的，并利用美國加州62個(gè)USArray觀測臺(tái)所記錄的30d背景噪聲數(shù)據(jù)提取了短周期Rayleigh 波頻散進(jìn)行層析成像，成像結(jié)果顯示速度異常區(qū)域與地表地質(zhì)構(gòu)造有著良好的對應(yīng)關(guān)系。

Yao等（2006）利用青藏高原東南部臺(tái)網(wǎng)記錄到的噪聲數(shù)據(jù)首次計(jì)算了10～30s的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（Empirical Green Functions ，EGFs），進(jìn)而提取Rayleigh 波相速度頻散進(jìn)行成像。Bensen等（2007）對背景噪聲提取面波頻散的流程進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，并對常見的五種時(shí)域歸一化方法進(jìn)行比較，肯定了滑動(dòng)絕對平均法去除地震信號的有效性和靈活性（圖1）。Lin等（2008）基于美國西部250多個(gè)臺(tái)站一年所記錄的三分量噪聲數(shù)據(jù)首次提取了Love波的頻散信息，并指出利用背景噪聲可以研究地殼內(nèi)部各向異性。

地震背景噪聲互相關(guān)研究在近些年得到了不斷地完善，已經(jīng)成為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)演變的重要手段，加深了人們對地球內(nèi)部的認(rèn)識。

2背景噪聲互相關(guān)方法的應(yīng)用

2.1噪聲面波成像

地震背景噪聲信號來源比較復(fù)雜，如海洋與陸地的相互作用、大氣擾動(dòng)以及人類活動(dòng)等。這些噪聲源主要分布在地表，因此，沿自由表面?zhèn)鞑デ夷芰克p較慢的面波是噪聲互相關(guān)函數(shù)（Noise Cross -correlation Function ，NCF）中最主要的信號，從淺層地表到上地幔深度，面波成像被廣泛應(yīng)用于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。短周期密集臺(tái)陣儀器布設(shè)間隔近（幾米到幾千米）、觀測時(shí)間短（1～2個(gè)月），因而成本較低、時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量好，其高頻數(shù)據(jù)可以用于對地表淺層地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行面波成像（王仁濤等，2019;范興利等，2020;楊潤海等，2020;Li et al ;2019;Zhang et al ，2020）。Lin等（2013b）利用2011年布設(shè)在美國加利福尼亞Long Beach 的密集臺(tái)陣三周噪聲記錄進(jìn)行程函函數(shù)層析成像，獲得了0.5～4Hz相速度分布。Li等（2016）基于布設(shè)在五大連池火山區(qū)的臺(tái)陣數(shù)據(jù)觀測了火山錐下的巖漿房，并在尾山火山下方7～13km處發(fā)現(xiàn)了顯著的低速異常。不同周期面波速度隨深度的變化對地下介質(zhì)密度、P波速度及S波速度具有不同的敏感性，其中受S波速度影響最大，所以利用面波頻散反演地殼和上地幔中群速度或相速度分布（Sabra et al ，2005;Bensen et al ，2008;付媛媛，高原，2016）進(jìn)而研究三維S波速度變化是一種常見的研究方法。Li等（2009）通過四川臺(tái)網(wǎng)記錄的噪聲數(shù)據(jù)獲得了8～44s川西及藏東地區(qū)Rayleigh 波群速度分布，并基于Herrmann 的線性反演程序計(jì)算了研究區(qū)10、25、45km深度S波速度分布圖像。Tang等（2013）采用環(huán)境噪聲和遠(yuǎn)震雙重面波層析成像法得到了華北克拉通6～143s Rayleigh 波相速度圖像，并構(gòu)建出該區(qū)域三維地殼和上地幔S波速度結(jié)構(gòu)。速度圖像清晰地顯示了華北盆地與鄂爾多斯地塊不同形式的巖石圈、地殼、上地幔結(jié)構(gòu)，表明它們具有不同的熱性質(zhì)和（或）化學(xué)性質(zhì)，自新生代以來經(jīng)歷了不同的地幔過程和演化歷史。

噪聲面波成像是探究地下不同深度結(jié)構(gòu)的重要方法，因此被廣泛應(yīng)用于小尺度、區(qū)域尺度乃至全球尺度的研究（Nishida et al ，2009）。李玲利等（2020）對合肥市區(qū)城市下方地殼淺層速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像，并對S波速度變化與多組斷裂的關(guān)系進(jìn)行分析，揭示了城市下方隱伏斷裂的展布特征以及地殼淺部的橫向不均勻性和縱向成層性。曾求等（2020）計(jì)算得到了四川威遠(yuǎn)地區(qū)5km以內(nèi)的三維S波速度模型，通過比較2016年威遠(yuǎn)地震震源位置和礦物開采區(qū)域與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造的關(guān)系探討了地震發(fā)生機(jī)制。地震波在傳播過程中速度及質(zhì)點(diǎn)偏振方向等特性都會(huì)隨波傳播的方向而產(chǎn)生變化，即產(chǎn)生所謂的地震各向異性（張忠杰，許忠淮，2013），具體表現(xiàn)為兩種（彭艷菊等，2007）：徑向各向異性（反映了同一路徑上SV和SH波速度結(jié)構(gòu)的差異）和方位各向異性（代表了同一類型的波沿不同方向傳播速度不同）。各向異性反映了地下礦物的特定結(jié)構(gòu)和排列分布，對探究地表地質(zhì)構(gòu)造演化具有重要意義，一直以來是研究地下結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)（歐陽龍斌等，2015;楊志高等，2019;顧勤平等，2020;王懷富等，2020）。Xie等（2013）利用青藏高原東部及周邊地區(qū)Rayleigh 波（T=8～65s）和Love波（T=8～44s）相速度分布及貝葉斯蒙特卡羅反演方法獲得了地殼和上地幔SV和SH分布，討論了該區(qū)域徑向各向異性速度場。Yao等（2010）使用中國西南地區(qū)寬頻臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)，結(jié)合噪聲互相關(guān)方法（T=10～40s）和雙臺(tái)法（T=20～150s）提取Rayleigh 波相速度頻散曲線，得到了青藏高原東南部巖石圈至150km深處的方位各向異性。Shen等（2016）基于中國以及周邊國家2000多個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)制作了覆蓋全中國的各向同性和方位各向異性Rayleigh 波速度分布圖像，為進(jìn)一步探究地下結(jié)構(gòu)提供了有益的S波參考模型。

傳統(tǒng)噪聲面波成像反演過程通常采用兩步法，在獲得研究區(qū)不同周期二維面波速度分布的基礎(chǔ)上利用線性或非線性反演方法得到S波速度隨深度的變化（房立華，2009）。這種反演過程在計(jì)算速度和成像分辨率等方面有待提升，因此，不斷有新方法和新思路被提出以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。Fang等（2015）提出了基于射線追蹤的面波直接反演方法，這種方法不需要構(gòu)建二維面波速度分布，考慮了復(fù)雜介質(zhì)中面波非大圓路徑傳播的情況，減少了路徑假設(shè)誤差，在國內(nèi)很多地方得到了廣泛應(yīng)用（郭瑛霞等，2017;馮紅武等，2019;李玲利等，2020）。另一些方法，全波形環(huán)境噪聲成像（Gao，Shen，2014）、背景噪聲伴隨成像（Chen et al ，2014）則集中于提高成像分辨率，對計(jì)算機(jī)的性能有更高要求，不具有高效的計(jì)算速率，應(yīng)用受到了限制。除此之外，隨著研究深度的增加，面波成像分辨率會(huì)逐漸降低，無法有效反演深部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。為降低面波反演的多解性，壓制背景噪聲成像方法中的反演假象，利用多種數(shù)據(jù)（郭震等，2015;吳萍萍等，2020）和方法聯(lián)合反演獲取地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用到很多研究中。Fang等（2016）結(jié)合區(qū)域尺度體波雙差成像和面波直接反演法提出了一種聯(lián)合體波數(shù)據(jù)和面波數(shù)據(jù)反演的新方法（圖2），并對南加州地區(qū)板塊邊界P波和S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反演，這種方法結(jié)合了面波數(shù)據(jù)和體波數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，能夠更好地恢復(fù)P波和S波速度結(jié)構(gòu)。Guo等（2015）利用由環(huán)境噪聲提取的面波數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)聯(lián)合反演方法獲得了東北地區(qū)地殼和上地幔高分辨率S波速度模型，對興安—蒙古造山帶和長白山山脈中下地殼S波速度變化有了進(jìn)一步認(rèn)識。以往噪聲面波成像的另一個(gè)不足在于大部分研究僅利用基階頻散進(jìn)行結(jié)構(gòu)反演，沒有使用高階頻散信息。高階振型面波雖然受制于能量、振幅變化不易提取（李雪燕等，2020），但在某些頻率可能能量占優(yōu)（羅銀河等，2008），因此，很多研究嘗試加入高階面波頻散，提高反演穩(wěn)定性和精度（Yaoetal，2011;Gaurav et al ，2018）。Wang等（2019）提出了頻率-貝塞爾變換法（F-J法）來提取噪聲數(shù)據(jù)中的高階頻散信息。該方法是一種陣列分析方法，用F-J方法提取的頻散曲線的質(zhì)量取決于該陣列的范圍和相鄰臺(tái)站之間的間隔，范圍越大、結(jié)果分辨率越高，間隔越小、結(jié)果質(zhì)量越好。李雪燕等（2020）采用此方法提取了上海市蘇州河地區(qū)城市微動(dòng)信號高階頻散信息，并對淺地表S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演。將F-J方法與SPAC方法進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)F-J方法提取的高階頻散更清晰，高頻部分（>13Hz）優(yōu)勢更明顯。

2.2體波信號提取與體波成像

一般而言，噪聲源分布與地表活動(dòng)密切相關(guān)而缺乏一定深度，這使得互相關(guān)信號中面波占主導(dǎo)而體波振幅較弱，并且體波信號在臺(tái)站間距較大時(shí)會(huì)更快衰減，因此互相關(guān)提取體波信號存在困難。盡管如此，體波信號包含很多關(guān)于地球深部核幔結(jié)構(gòu)的信息，因此，不斷有研究嘗試?yán)迷肼暬ハ嚓P(guān)方法提取體波信號。Roux等（2005）利用加州Parkfield 密集臺(tái)陣記錄的16個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)提取，得到了P波信號。Zhan等（2010）在短周期頻帶（1～5s）成功恢復(fù)了莫霍面反射體波SmS和SmS2，證實(shí)了噪聲源分布不均可以導(dǎo)致較弱的體波信號被其他波形掩蓋。Poil等（2012）通過芬蘭北部POLEnEt/LAPNEt地震陣列記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)提取出了0.5～2Hz的高頻體波，并與實(shí)際地震記錄和合成地震圖進(jìn)行了對比，結(jié)果證明互相關(guān)可以提取出清晰的SmS和PmP波。Lin等（2013a）利用美國1181個(gè)臺(tái)站垂直分量數(shù)據(jù)互相關(guān)成功提取了地核震相ScS和PKIKP 2，還識別出其它幾個(gè)較弱的體波震相，包括P、S、PeP以及ScP/PeS。提取體波信號為噪聲成像提供了一種新的可能，利用體波成像對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)展起來。Nakata 等（2015）利用兩種不同的濾波器從加州Long Beach 密集臺(tái)陣10天記錄數(shù)據(jù)計(jì)算的日互相關(guān)函數(shù)中提取體波，這兩個(gè)濾波器能增強(qiáng)體波信號，同時(shí)壓制非相干噪聲，因此可以重建清晰的體波，在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了三維體波成像，成像結(jié)果很好地顯示了不同深度P波高低速異常。Wang等（2015）分析了1992—2012年57個(gè)全球?qū)拵У卣鹋_(tái)陣測得的地震尾波的自相關(guān)信號，發(fā)現(xiàn)兩種穿過地核的震相PKIKP 2、PKIIKP 2的走時(shí)殘差在低緯度地區(qū)變化高達(dá)10s，認(rèn)為內(nèi)內(nèi)核和外內(nèi)核的各向異性分布差異導(dǎo)致了這種變化，這種不同取向和形式可能代表了地核演化過程中的一種轉(zhuǎn)變。Feng等（2017）采用背景噪聲互相關(guān)成功恢復(fù)了410km和660km不連續(xù)間斷面反射信號P410P和P60P，揭示出華北克拉通兩條剖面下方不連續(xù)間斷面的分布變化，這種變化可能與熱物質(zhì)上涌和華北克拉通下方太平洋板塊停滯的過渡帶的影響有關(guān)。

2.3監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化

通過監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化推斷地球內(nèi)部成分、狀態(tài)以及應(yīng)力場的響應(yīng)，進(jìn)而預(yù)測火山爆發(fā)時(shí)間及其強(qiáng)度、探究斷層深部應(yīng)力變化、認(rèn)識地震活動(dòng)性，一直以來是地球物理學(xué)家們的研究重點(diǎn)。噪聲相關(guān)方法不受地震活動(dòng)性和震源參數(shù)變化影響，具有良好的時(shí)間連續(xù)性和成本優(yōu)勢，適宜于監(jiān)測某時(shí)間段內(nèi)地下介質(zhì)速度變化。利用噪聲相關(guān)研究波速變化，可以通過層析成像得到火山、地震爆發(fā)前后的速度結(jié)構(gòu)圖像，計(jì)算前后時(shí)間段的速度差值獲得其相對擾動(dòng)（嚴(yán)珊等，2016），還可以基于由噪聲互相關(guān)或自相關(guān)提取的面波（Xu，Song，2009）或尾波EGFs信息，利用其計(jì)算介質(zhì)受到擾動(dòng)前后的走時(shí)偏移進(jìn)而得到速度變化，常見方法有：尾波干涉法（CodaWave Interferometry， CWI）（Snieder， Science 2002;Gret et al ，2006）、拉伸法（Wegler，Sens-Schoenfelder， 2007： Hadziioannou et al， 2009）及移動(dòng)窗口互譜法（Moving Window Cross -Spec-tral，MWCS）（Brenguier et al ，2008a，b;劉志坤，黃金莉，2010）。Gret等（2006）在實(shí)驗(yàn)室中利用CWI方法對不同巖石樣品中單軸應(yīng)力、水飽和度以及溫度變化引起的波速變化進(jìn)行了研究，證實(shí)了這種方法對研究板塊邊界及油氣藏應(yīng)力變化、監(jiān)測地下水污染以及火山溫度變化具有重要參考價(jià)值;Wegler和Sens-Schoenfelder（2007）通過Stretching 方法發(fā)現(xiàn)了日本新瀉中部6.6級地震前后地殼內(nèi)部速度的快速下降;Brenguier等（2008a，b）利用MWCS方法對富爾奈斯火山和圣安德烈斯斷層地下介質(zhì)波速變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)及大地震都會(huì)使面波速度明顯降低;劉志坤和黃金莉（2010）與趙盼盼等（2012）分別采用互相關(guān)和自相關(guān)函數(shù)對汶川地震前后地殼速度變化進(jìn)行了研究，與互相關(guān)函數(shù)不同的是自相關(guān)結(jié)果中顯現(xiàn)了鮮水河斷裂和龍門山斷裂交匯區(qū)存在的同震速度增加區(qū)。

測量波速變化的過程中，不同的噪聲相關(guān)方法、走時(shí)偏移測量的準(zhǔn)確性等都會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響。相較于互相關(guān)方法，自相關(guān)函數(shù)的尾波敏感區(qū)更靠近臺(tái)站附近（趙盼盼等，2012），從而避免了儀器時(shí)移和噪聲源分布對測量結(jié)果的影響，能夠得到較淺層介質(zhì)性質(zhì)變化的響應(yīng)。走時(shí)偏移的精準(zhǔn)測量則與很多因素有關(guān)。首先，臺(tái)站數(shù)量、間距會(huì)影響對地下介質(zhì)的響應(yīng)范圍。臺(tái)站數(shù)量多，反映的地下介質(zhì)性質(zhì)變化區(qū)域越大。臺(tái)站間距越大，臺(tái)站對之間EGFs的信噪比越低，測量結(jié)果越不穩(wěn)定;其次，相關(guān)函數(shù)路徑的數(shù)量直接影響測量結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性;最后，互相關(guān)函數(shù)疊加時(shí)長和濾波方法也對結(jié)果有影響，隨著疊加時(shí)長增大，EGFs信噪比會(huì)逐漸提高，處理背景噪聲時(shí)對NCF使用濾波方法，也可提高信噪比，如Hadziioannou（2011）、Stehly等（2015）以及溫?fù)P茂等（2019）分別利用S變換、曲波變換以及小波變換對NCF進(jìn)行了處理，濾波的使用使得結(jié)果精度明顯提高（圖3）。

2.4地下衰減結(jié)構(gòu)監(jiān)測

地震波在傳播的過程中受到地下巖石、礦物以及介質(zhì)空隙、流體含量等的影響，能量會(huì)產(chǎn)生損耗而振幅發(fā)生衰減（周連慶，2016）。利用噪聲相關(guān)可以恢復(fù)衰減結(jié)構(gòu)，提升對地下介質(zhì)的認(rèn)識。Prieto 等（2009）通過測量作為距離函數(shù)的頻率域相干性來恢復(fù)相速度和衰減系數(shù)a，由此計(jì)算了橫穿南加州主要盆地的路徑和其它路徑的相速度與介質(zhì)衰減的變化，與其它路徑相比，穿過盆地的路徑相速度更低、α更大、衰減更快。Cupillard和Capdeville（2010）采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了噪聲源分布方式與one-bit和whitened 預(yù)處理對噪聲相關(guān)振幅的影響，發(fā)現(xiàn)在噪聲源均勻分布情況下，介質(zhì)的幾何擴(kuò)展和固有衰減可以從相關(guān)信號中得到很好地恢復(fù)而不受預(yù)處理方式影響，但在非均勻分布情況下，幾何擴(kuò)展會(huì)受到影響。Weaver （2011）利用數(shù)值模擬的方法研究了one-bit歸一化對EG-Fs振幅的影響，并提出了“temporal flattening ”的新方法，這種方法相比于one-bit能夠更好地恢復(fù)衰減。周連慶（2016）在此基礎(chǔ)上提出了一種“異步temporal flattening ”方法，該方法避免了對連續(xù)波形一致性和完整性的要求，且不會(huì)改變EG-Fs的相對振幅，因此更適宜于實(shí)際數(shù)據(jù)的處理。提取了相對振幅就可以用于研究地殼和上地幔衰減成像，這對了解地球內(nèi)部溫度和揮發(fā)性含量變化以及預(yù)測地震動(dòng)幅度等現(xiàn)象至關(guān)重要。Lawrence 和Prieto （2011）采用擴(kuò)展一維衰減方法對美國西部地殼和上地幔衰減的橫向變化進(jìn)行了成像。周連慶（2016）提出了背景噪聲提取瑞利波振幅的流程，并對中國大陸進(jìn)行了衰減結(jié)構(gòu)二維成像，10s和20s的成像結(jié)果均表現(xiàn)出顯著的橫向不均勻性，歷史強(qiáng)震活動(dòng)性特征也與衰減結(jié)構(gòu)有很好的對應(yīng)性。

2.5地震定位

傳統(tǒng)的地震定位方法大多依賴體波信息，受地下速度結(jié)構(gòu)、臺(tái)站分布、到時(shí)拾取精度等因素的影響，較少利用同樣包含震源信息且受事件深度影響振幅的面波。噪聲互相關(guān)方法包含面波反映的震源參數(shù)信息，能夠?qū)w波定位方法進(jìn)行彌補(bǔ)，從而為地震預(yù)警、地質(zhì)構(gòu)造研究、地震層析成像、核試驗(yàn)檢測等多方面應(yīng)用提供精確的定位信息。Barmin等（2011）提出了一種基于密集臺(tái)陣EGFs的震中定位方法，計(jì)算了布設(shè)在局部區(qū)域的臨時(shí)臺(tái)陣和遠(yuǎn)距離固定臺(tái)陣一定周期的EGFs，并生成了區(qū)域格網(wǎng)，通過比較格林函數(shù)與固定臺(tái)陣記錄的該區(qū)域發(fā)生的地震的相關(guān)性進(jìn)行定位。他們利用這種方法對發(fā)生在美國西部的一些地震和礦井坍塌事件進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示定位誤差平均不到1km，但可能會(huì)隨著震源機(jī)制和深度而變化。Zhan等（2011）分別計(jì)算了震中附近的臺(tái)站以及合成地震記錄與遠(yuǎn)臺(tái)的互相關(guān)函數(shù)，利用兩者的時(shí)間差來校正2008年南加州Chino Hills 地震定位結(jié)果，這種方法雖然需要事先確定震源機(jī)制和深度，但得出的定位結(jié)果與P波定位具有很好的一致性。Zeng等（2014）利用噪聲互相關(guān)和地震記錄中Rayleigh 波群速度走時(shí)時(shí)差進(jìn)行地震定位。他們利用此方法對西澳大利亞Kalannie地震進(jìn)行測試，精度達(dá)到2km以內(nèi)，并且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)群速度走時(shí)受震源機(jī)制和震源深度的影響很小，因此利用該方法時(shí)未知震源參數(shù)不會(huì)給地震定位結(jié)果帶來實(shí)質(zhì)性偏差。Xie等（2020）利用基于群速度走時(shí)的方法，對2017年格林蘭島Nuugaatsiag滑坡進(jìn)行了重新定位，定位結(jié)果距離衛(wèi)星圖像給出的地點(diǎn)2.5km，優(yōu)于傳統(tǒng)定位方法，證明該算法可以用于滑坡精定位，為次生災(zāi)害預(yù)警提供幫助。

2.6噪聲源分析

噪聲互相關(guān)應(yīng)用的前提是噪聲源近似均勻分布，而實(shí)際噪聲源分布是不均的，甚至存在一些局部信號使得格林函數(shù)的可靠性和頻散曲線的提取質(zhì)量明顯降低，對實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生干擾，因此需要對噪聲源實(shí)際分布進(jìn)行探究。一些學(xué)者研究了全球不同區(qū)域的噪聲源分布，Stehly等（2006）采用歸一化噪聲背景能量流（Normalized Background Energy Flux ，NBEF）方法，研究了北美、西歐和坦桑尼亞的幾個(gè)臺(tái)站噪聲能量的季節(jié)性平均方位分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5～10s信號是由海洋涌浪與海岸的非線性相互作用產(chǎn)生的，10～20s信號的產(chǎn)生則與深海中的海浪活動(dòng)有關(guān);Yang和ritzwoller 2008）通過分析歐洲、南非和西藏以及北美洲地區(qū)互相關(guān)函數(shù)信噪比，對第一類地脈動(dòng)（10～20s）和第二類地脈動(dòng)（5～10s）的噪聲源分布進(jìn)行了探究，認(rèn)為觀察到的噪聲方向性差異是傳播和衰減的結(jié)果。另一些學(xué)者則針對某研究區(qū)范圍的噪聲源進(jìn)行了探究，Gerstoft和Tanimoto（2007）采用聚束分析方法觀測了南加州臺(tái)站記錄的噪聲源空間分布季節(jié)性變化，結(jié)果顯示冬季和夏季第一類地脈動(dòng)噪聲源分別來自于西北方向北太平洋和210°方位角處的南加州海岸;魯來玉等（2009）采用同樣方法對華北科學(xué)探測臺(tái)陣地震噪聲方位變化和季節(jié)性變化進(jìn)行了研究（圖4），聚束結(jié)果顯示一般情況下夏季噪聲源強(qiáng)度在每個(gè)周期大于冬季;王偉濤等（2011）采用NBEF方法對云南地區(qū)地震噪聲的性質(zhì)進(jìn)行了分析，認(rèn)為第二類地脈動(dòng)噪聲在夏季和冬季分別來源于印度洋和北太平洋;田原等（2020）通過計(jì)算臺(tái)站記錄的功率譜密度度量了四川鹽源盆地內(nèi)布設(shè)的短周期密集臺(tái)陣的噪聲水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)和淺部松散沉積層對臺(tái)站記錄的高頻噪聲強(qiáng)弱有很大的影響。Wang等（2018）、王芳等（2020）利用基于NCF的慢度和位置聚束分析方法對ChinArray一、二期臺(tái)陣接收到的P波類型噪聲源進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些信號由P、PP、PKPbe波干涉產(chǎn)生，主要來自于北大西洋、北太平洋和南大洋凱爾蓋朗深海高原。不同區(qū)域噪聲源的成分和時(shí)空分布是不同的，因而需要研究人員在實(shí)際應(yīng)用中對本區(qū)域的噪聲分布有充分的認(rèn)識以保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

此外，局部噪聲源也引起了研究人員的興趣。Shapiro 等（2006）對全球不同觀測臺(tái)站噪聲互相關(guān)記錄中觀測到的非常強(qiáng)的、窄帶26s信號進(jìn)行了定位研究，在假設(shè)面波沿海洋大弧路徑傳播的條件下，這種微震信號起源于幾內(nèi)亞灣，并在斐濟(jì)盆地存在鏡像點(diǎn)。與他們不同的是，Zeng和Ni（2014）認(rèn)為面波沿大陸小弧路徑傳播更有效，在此條件下，西太平洋中26s信號源不再為鏡像點(diǎn)而為獨(dú)立源，該源靠近Vanuatu 島火山，可能由巖漿過程所激發(fā)。Zeng和Ni（2010）還對東亞地區(qū)臺(tái)站對NCF中0.07～0.12Hz頻段內(nèi)存在的視速度高于Rayleigh 波的持續(xù)局部強(qiáng)信號進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其振幅表現(xiàn)出年際變化而非季節(jié)變化，定位結(jié)果表明該信號可能發(fā)源于日本九州阿蘇山。Ma等（2013）同樣對秘魯南部互相關(guān)記錄中快于面波的連續(xù)信號進(jìn)行了定位研究，確定了位于火山區(qū)的5～10s強(qiáng)地震能量散射體。

2.7時(shí)移校正

準(zhǔn)確的到時(shí)信息對于地震走時(shí)成像、波速變化等應(yīng)用研究以及地震定位、地震預(yù)警等現(xiàn)實(shí)需求具有重要意義。但是，受制于GPS、場地和儀器軟硬件狀態(tài)等多種因素的影響，地震儀內(nèi)部時(shí)間可能無法及時(shí)與外界進(jìn)行同步，特別是海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer ，OBS），受電磁波傳播能力的影響，記錄的數(shù)據(jù)往往存在線性和非線性的時(shí)間漂移。很多學(xué)者試圖通過NCF校正時(shí)移，Stehly等（2007）提出了基于NCF的時(shí)間對稱性分析（Time Symmetry Analysis ，TSA）方法，利用美國加利福尼亞州3個(gè)地震臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算的格林函數(shù)與參考格林函數(shù)之間的相位差來測定5～10s和10～20s周期的面波走時(shí)變化，以此為基礎(chǔ)對儀器時(shí)移進(jìn)行校正，這種方法隨后得到了廣泛應(yīng)用，特別是對OBS記錄包括水聽器分量在內(nèi)的不同分量線性漂移的校正（Hannemann et al ，2014;Liu et al ，2018;鄭宏等，2020），提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。TSA方法要求NCF能夠代表真實(shí)地下介質(zhì)的格林函數(shù)，即需要各向同性的噪聲源產(chǎn)生具有穩(wěn)定峰值且波形相似的互相關(guān)函數(shù)正負(fù)因果分支。針對這種局限性，Gouedard等（2014）提出了Virtual Doublet Analysis 方法，通過尋找不同數(shù)據(jù)下計(jì)算的當(dāng)前NCF和參考NCF之間的相對拉伸來監(jiān)測介質(zhì)中的時(shí)間速度變化，這種方法不需要NCF收斂到格林函數(shù)，只要其在研究期內(nèi)是穩(wěn)定的就是有效的，但是，當(dāng)滿足各向同性的條件下（即長時(shí)間尺度下），TSA方法仍具有更好的分辨率。洲際地震臺(tái)間的短周期（<20s）背景噪聲互相關(guān)結(jié)果是十分微弱的，對地震儀走時(shí)同步不太有效，因此，Xia等（2015）嘗試?yán)弥揠H臺(tái)站能夠清晰記錄的幾內(nèi)亞灣26s局部持續(xù)微震信號同步非洲、北美和歐洲臺(tái)站的到時(shí)。通過與遠(yuǎn)震P波到時(shí)殘差和TSA方法進(jìn)行比較，證實(shí)了在滿足一定信噪比和假設(shè)（26s信號空間位置固定）的情況下，該信號用于檢測洲際和地區(qū)臺(tái)站對的時(shí)鐘漂移的可能性。時(shí)移校正對于地震學(xué)應(yīng)用意義非凡，利用噪聲互相關(guān)來校正時(shí)移為我們提供了一條嶄新的路徑，有待進(jìn)一步深入研究。

3結(jié)論與討論

背景噪聲互相關(guān)方法被認(rèn)為是21世紀(jì)地震學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展之一，為研究人員提供了一種全新的視角來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著固定臺(tái)站以及流動(dòng)臺(tái)站的布設(shè)和加密，背景噪聲互相關(guān)方法將推動(dòng)人們對淺層地表和地殼的認(rèn)識，為進(jìn)一步了解地幔及更深的內(nèi)部結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。這種方法已經(jīng)被運(yùn)用于面波、體波速度結(jié)構(gòu)成像，地下介質(zhì)波速變化和衰減結(jié)構(gòu)檢測、地震定位、噪聲源分析以及時(shí)移校正等多個(gè)方面。盡管國內(nèi)外學(xué)者利用背景噪聲進(jìn)行了一系列有益的研究，但是仍存在一些問題需要進(jìn)一步解決和完善：

（1）如何更好地提取高階頻散和體波信息，進(jìn)行噪聲成像。目前的研究工作中，提取高階頻散和體波信息受到臺(tái)站間距、數(shù)據(jù)處理方法等多種因素的限制，應(yīng)用較少，不易推廣，有待更深入的研究。

（2）隨著密集臺(tái)陣的布設(shè)，龐大的數(shù)據(jù)量已經(jīng)對數(shù)據(jù)處理方法提出了新的要求，如何在提高結(jié)果精度的同時(shí)自動(dòng)化處理，并加快計(jì)算速度也是未來噪聲應(yīng)用必須要考慮的問題之一。

（3）聯(lián)合反演能夠有效地彌補(bǔ)面波成像方法的不足，但是目前面波成像局限于和地震學(xué)方法或數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，缺少同電磁、重力等多學(xué)科數(shù)據(jù)交叉反演，這是聯(lián)合反演進(jìn)一步發(fā)展的方向之一

（4）互相關(guān)函數(shù)振幅信息對于了解地下結(jié)構(gòu)性質(zhì)至關(guān)重要，但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式，特別是涉及振幅信息的one-bit等歸一化操作能多大程度地保留振幅信息、如何更高效保留振幅信息仍需要進(jìn)一步研究。

（5）噪聲互相關(guān)方法用于研究地下介質(zhì)波速變化、衰減結(jié)構(gòu)以及地震定位，能夠?yàn)楸O(jiān)測地下結(jié)構(gòu)、流體、溫度變化等提供約束，為災(zāi)害預(yù)警提供參考。但這需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和足夠高的精度，目前仍無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用程度，需要進(jìn)一步努力。

（6）背景噪聲的來源及分布是保證提取出的格林函數(shù)是否可靠的基礎(chǔ)，對研究成果影響很大，目前對于背景噪聲來源的研究還很粗淺，限制于局部，對于某個(gè)地方具體噪聲信號來源的分析還未有充分的研究策略。

背景噪聲互相關(guān)使得人們可以從原本雜亂無章的噪聲中獲取有關(guān)地下介質(zhì)的重要信息，為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)演變提供約束。未來隨著研究思路、方法的進(jìn)步，在更密集的臺(tái)站布設(shè)、更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和更優(yōu)的處理方法的支持下，背景噪聲互相關(guān)將擁有更廣闊的應(yīng)用空間，在現(xiàn)有應(yīng)用研究深化的同時(shí)，擴(kuò)展出新的研究領(lǐng)域，為人們更加深刻地認(rèn)識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造演化提供更多值得關(guān)注的研究成果。

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Review of the Application of Seismic Ambient NoiseCross-correlation Method

CHEN Yuxin'，TANG Mingshuai3

（1.Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，Gansu，China）

（2.Xinjiang Pamir Intracontinental Subduction National Field Observation and Research Station，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

（3.Urumqi Institute of Central Asia Earthquake，China Earthquake Administration，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract

Obtaining Green's function，which can reflect the information about the underground media by cross correla- ting the ambient noise data recorded by seismic stations， is the frontier and hot spot of theoretical research and practical application in the field of seismology. This paper firstly introduces the evolution of the noise cross-correla- tion application， and then expounds its application to surface-wave tomography，body-wave signal extraction and body-wave imaging，monitoring of variation and attenuation of the wave-velocity of underground media， earthquake location，analysis of noise source， and time-shifting correction. Finally，theprospeet of the applica- tion of ambient noise cross-correlation is discussed.

Keywords： ambient noise;Green's function; dispersion curves; tomography imaging;medium change