地震背景噪声功率谱密度及概率密度函数的计算及其Matlab实现

介绍了地震背景噪声功率谱密度及概率密度函数计算方法及涉及的一些概念,以台站实际数据为例,给出了应用Matlab计算噪声功率谱密度及其概率密度函数的程序算法,该方法直接输入文本格式数据,计算台基噪声功率谱概率密度函数;以洛阳地震台24小时的连续波形记录为例,详细叙述了原始数据去仪器响应、计算功率谱密度、倍频程计算和噪声功率谱密度的概率密度函数计算实现的全过程。该方法编程简单,适用于单台噪声水平评估,在野外台站的快速勘选中具有潜在应用价值。

地震背景噪声互相关函数的面波理论表达形式

基于弹性动力学面波激发公式推导出地震背景噪声互相关函数(简称为NCF)的理论表达形式.证明了NCF等价于面波的震源激发公式,其中一个台站为等价震源的位置,另一个台站为接收点.本文提出的最重要的概念是等价震源相位,它直接影响群速度与相速度的测量误差.在噪声源均匀分布的条件下,等价震源相位等于-π/4.一般情况下,等价震源相位与噪声源分布有关,而不是简单的常数.在大信噪比的条件下,等价震源相位的最大可能取值等于信噪比的倒数.本文详细讨论了利用三台法测量相速度的可能性,并且给出了估算等价震源相位以及相速度测量误差的公式.

地震背景噪声成像技术进展

将常规地震勘探视作噪声的信号作为有用信息,从一对地震台站之间地震背景噪声的互相关函数得到这一对台站间的格林函数,利用得到的格林函数对地下结构成像,这是当前跨地震学研究的热点之一.回顾了背景噪声成像的发展历史,阐述了目前的方法特点,展望了将来的发展趋势.

基于平面波模型重访地震背景噪声互相关及空间自相关(SPAC)

自Aki(1957)提出微震的空间自相关(SPatial AutoCorelation,SPAC)技术以来,SPAC技术一直独立发展,并在工程地震领域获得了广泛应用.近20年来,地震干涉(Seisimic Interferometry,SI)在多个领域引起人们的关注,该技术的核心思想是连续地震背景噪声的互相关函数(Noise Crosscorrelation Function,NCF)可以重建系统的格林函数(Green's Function,GF),对该技术的回溯性研究建立了SPAC和NCF的关系:它们是对同一物理现象的不同描述,SPAC在频率域中描述随机平稳噪声的空间相干,NCF在时间域中描述扩散场的互相关.理论上SAPC和NCF技术要求背景噪声源均匀分布,这样的噪声场可以用平面波叠加来模拟.本文基于平面波模型重访地震背景噪声的互相关和空间自相关技术,从单色平面波的互相关表示出发,对地震背景噪声互相关及空间自相关技术进行评述,试图使这些概念更易于理解.与之前众多研究地震干涉技术的理论相比,本文尤其关注以下几点:(1)基于简单的平面波模型,给出不同维度下,源或台站对方位均匀分布时,平面波互相关对入射波的方位平均和台阵对的方位平均结果,并对格林函数GF和时域互相关函数NCF的关系进行总结.(2)给出声源和(或)交叉台站方位分布不均匀时的互相关表示,指出这种非均匀性对方位的依赖关系,与弱各向异性介质中面波速度的方位依赖关系类似,因此,非均匀源的影响在反演时可能会映射到面波方位各向异性结果中.(3)互相关运算中,哪一个台站是虚拟源.NCF包含因果性和非因果性两部分,NCF的非对称性通常用于研究噪声源的方位分布,但由于源和接收的互易关系,及对互相关运算的不同定义和不同的傅里叶变换习惯,哪一个台站是虚拟源在目前的文献中并不明确.(4)方位平均和时间平均的关系.在SPAC处理中,需要对不同方位分布的台站对进行方位平均,本文从理论上说明,单个平面波入射时,交叉台站互相关系数对台站对的方位平均,等价于单个台站对互相关系数对入射波的时间平均.(5)几种特定分布非均匀噪声源的SPAC表示.包括单独的因果性噪声源和非因果性噪声源给出的互相关函数表示,及由此带来的相移问题.(6)利用SPAC、NCF和面波GF之间的关系,给出交叉分量的空间自相关系数表示.(7)衰减介质的空间相干表示.虽然利用地震干涉技术研究介质衰减在理论上仍然存在一些争议,但人们正试图研究从连续背景噪声记录中提取介质衰减的可能性.本文基于平面波模型,给出了不同坐标选择下,衰减介质的空间相干表示,这种表达的不同,指示了由地震干涉技术提取介质衰减的困难.与众多研究地震干涉的理论相比,比如稳相近似理论、互易定理、时间反转声学等,本文主要考虑均匀介质,不涉及非均匀介质的散射,从最简单的平面波模型,理解背景噪声重建系统格林函数这一地震干涉的核心思想和相应的基本概念.

地震背景噪声中Lg波的提取

以鄂、湘、粤地区27个宽频带测震台站2 a的连续波形数据为例,对单台每日的连续波形数据进行去除仪器响应、去趋势、去均值、剔除地震事件和干扰及滤波(2.5~8 s)处理后,在互相关叠加数据中识别出了清晰的Lg波。另外,尝试通过叠加时间长度校正及用双台双震源法对几何扩散、噪声源强度的方位角变化和场地效应进行校正,并计算Q值。研究结果表明,对传统的地震背景噪声数据处理方法作适当修改后,噪声互相关叠加数据中可以提取出Lg波。

西北太平洋海岛地区地震背景噪声特征及海洋学解释

地震背景噪声特性及噪声源的分布研究逐渐成为深化背景噪声层析成像的关键问题.海岛地区由于特殊的地理位置,其背景噪声具有相对独特的特征.地脉动(约0.003~1 Hz)是地震背景噪声中能量最强的分量,其激发与特性被认为与海浪运动和固体地球之间的相互作用有关,但海岛地区地脉动特征与海洋波浪场之间的关系尚未被充分研究.本文利用西北太平洋海岛地震台站的连续记录数据、波浪浮标的实测数据以及WAVEWATCH-III海浪模式的数值模拟结果,通过地震学和海洋学的交叉,分析海岛地区地脉动信号的时频特性及其与海洋波浪场之间的相关性,从海洋学角度对地脉动信号的特征及激发进行探讨与解释.结果表明,海岛地区地脉动信号相对于内陆地区更强,并具有明显且稳定的季节性变化特征:高频地脉动信号(0.12~0.32 Hz)在夏秋季节(5月—10月)相对较弱,而在冬春季节(11月—次年4月)相对较强,与北半球海洋活动季节性变化相一致.此外,海岛地区地脉动主要受周边海域波浪场影响,与周边海域波浪能功率密度及实测和数值模拟所得的有效波高均具有很好的互相关性.该研究结果同时表明可进一步发展利用地脉动观测数据反演海表波浪场的可能,为海洋科学研究中海表波浪场连续观测数据的获取提供地震学上的支持.

基于地震背景噪声监测山东临沂地区地下水位变化

选取山东省临沂地区的JUN与JUX台站数据资料,运用背景噪声互相关技术计算了2009年1月1日—2011年1月1日台站对间的互相关函数,利用移动窗互谱法计算相对速度变化,并分析其与莒县气象观测站记录的降水和莒南鲁14号井记录的地下水水位变化的关联性。研究结果表明,区域降水呈季节性变化,夏季降水量大,冬季降水量小;地下水水位呈季节性变化,初夏季水位较低,随后水位值逐渐增加,初冬季水位较高,随后水位值逐渐减少;地下介质速度变化亦具有季节性特征,变化幅度约为±0.2%,与水位变化呈一定的负相关趋势,即夏季水位增加、相对速度变化降低,冬季水位减少、相对速度变化升高。

2011年日本MW9.0地震引发的海啸对地震背景噪声的影响

基于北美沿岸和内陆地震台站的连续地震波形记录,并结合沿岸台站附近布设的DART系统记录的海底压力数据以及预测潮汐数据,利用时频分析和极化分析方法对2011年3月11日日本东北部海域M_(W)9.0大地震所激发的海啸对地震背景噪声所产生的影响予以深入分析。结果显示:海啸对高频噪声(1.3—1.5 Hz)以及短周期双频微地动噪声(0.18—0.4 Hz)的影响较小,但海啸显著增强了长周期双频微地动(0.1—0.15 Hz)、单频微地动(0.05—0.08 Hz)以及地球背景自由振荡(0.004—0.007 Hz)的振幅,且随着噪声频率的降低,这种振幅增强的影响更明显,影响的持续时间也更长;海啸到达近岸时,对附近台站的各频段噪声均有影响,成为各频段噪声的主控能量来源,且其位置在后续过程中会随时间变化。这表明海啸对噪声特征的影响与海啸传播特性有关,即海啸在传播过程中因受水深、海底地形以及近岸地形的反射、衍射等的影响,能量聚集区域随时间而变化,并非均匀地传播到海岸,从而导致了不同频带噪声主极化方向随时间的变化。

高密度地震背景噪声方法探测在城市轨道交通勘察中的应用及效果——以广州地铁十二号线为例

地铁不仅有利于拉近城市的空间距离,还将极大改善市民的出行生活,城市轨道交通还是城市公共交通的骨干,是城市综合交通体系的重要组成部分。在目前城市轨道交通勘察的实施过程中,遇到场地狭小、地面和地下空间分布、特殊用地区域等复杂工况,如何提高和完善勘察成果,为工程施工提供指导和依据,成为一项新课题,其中高密度地震背景噪声方法探测是一项抗干扰能力强,适用于城市复杂工况环境的新型地球物理探测技术。通过对其在工程应用过程的研究,此项探测方法作为一项辅助城市轨道交通勘察的物探技术,有较为明朗的应用前景和市场。

利用背景噪声进行地震成像的新方法

利用背景地震噪声提取格林函数,即通过一对台站记录的地震噪声进行互相关计算,来近似台站间的格林函数,并进一步通过地震成像获取地下结构的认识,成为最近跨学科研究的热点问题之一.本文首先叙述了其发展背景及过程,然后分别从四个角度,简要介绍了目前对其物理原理的解释.如果该方法能得到进一步的发展,将不再依赖于天然地震以及人工地震,而仅仅利用地震台站记录的地震噪声便可获取高分辨率的地下成像.该方法将会大大促进地震学的发展.

利用背景噪声互相关研究汶川地震震源区地震波速度变化

利用2007年3月至2009年3月四川数字地震台网的宽频带连续波形资料,通过计算地震背景噪声互相关提取台站对间的经验格林函数,在0.1～0.5 Hz频带下测量每天经验格林函数与参考经验格林函数的走时偏移,进而得到各台站对在该时段内的相对地震波速度变化.结果表明,2008年5月12日汶川M_s8.0级地震造成了震源区地震波速度的急剧降低,最大降幅达0.4%;大致以安县为界,余震带西南部地区在汶川主震后波速降即达到最大值,而东北部地区的最大波速降一般出现在主震后的1～4个月,相对地震波速度变化的这种分段特性与地震序列的时空分布特征有较好的对应关系;在震源区外围的四川盆地也观测到了震后波速降低,而川西高原内部则没有出现显著的波速变化.进一步的分析和计算结果表明主震的静态应力变化和强地面运动引起的地表破坏都不能很好地解释震后波速的急剧降低,地震导致的断层区内部结构破坏和周边介质应力状态改变可能是波速变化的主要原因.

新冠疫情防控前后湖北恩施地震台背景噪声变化分析

利用2018年1月至2020年3月恩施地震台站观测的垂直分量连续波形数据,通过计算噪声功率谱密度和概率密度函数,统计其不同频段功率谱密度分布情况,对比分析疫情前后恩施地区噪声水平变化特征。同时,将2018年、2019年和2020年垂直向地震噪声的加速度幅值进行对比,发现春节前几日的加速度幅值变化曲线高度一致,表明这三年间恩施地震台周边高频噪声源和地震仪运行情况非常稳定。研究发现,恩施地区在新冠疫情防控期间,由人类活动引起的地震高频噪声迅速降低,显示出较强的政策执行力度;恩施地区高频段(~10 Hz)噪声水平下降了1~20 dB;日间幅值显著下降,夜间噪声低值略有降低。因此基于地震背景噪声的测算和分析可为人类活动监测和城市公共管理提供有力手段。

震前重力扰动与背景噪声时空变化特征——以玛多M_(S)7.4与漾濞M_(S)6.4地震为例

2021年5月21—22日,云南漾濞、青海玛多先后发生了M_(S)6.4和M_(S)7.4地震。为检测震前是否存在重力扰动与重力仪背景噪声异常信号,文中基于中国连续重力台网中15台重力仪的秒采样数据,成功提取了震前重力扰动信号,并计算了排列熵(PE)及重力仪在地震频段(200~600s)的背景噪声等级(SNM)。结果表明:1)大地震发生前多数台站在2021年5月15—18日存在1组重力扰动信号,其中沿海台站同时还存在其他2组扰动信号,扰动幅度为±(10~100)μGal,扰动频率集中在0.15~0.25Hz。沿海台站的扰动幅度普遍大于内陆台站,震中距与扰动幅度无明显相关性,沿海台站扰动幅度较大及产生其他2组扰动的原因可能与海浪脉动或局部降雨有关;2)不需要对原始重力序列作任何预处理,PE能够快速检测到数据中的突变信号,PE时间序列中持续显著下降的信号对应震前扰动信号,PE瞬时向下的脉冲信号对应地震波引起的颤动信号;3)多个台站的SNM时变曲线显示,震前2个月(2021年3月初)直至主震发生时背景噪声水平显著升高,SNM的空间分布表明,震前1~2个月,位于青藏高原北缘、巴颜喀拉地块附近台站的背景噪声有明显增大的趋势,震后噪声水平显著降低。综上,我们初步推测:震前的重力扰动可能是由发震断裂慢滑移产生的低频颤动信号,震前背景噪声的增大可能与发震地块的活动性增强有关。

海南琼北火山区上地壳岩浆囊的地震背景噪声成像研究

本文利用位于海南、广西、广东等地区32个固定地震台站的背景噪声连续波形数据,基于波形互相关提取得到了Rayleigh波5~22 s的群速度频散曲线和6~11 s的相速度频散曲线,采用0.25°×0.25°的网格划分完成了面波层析成像.利用群速度和相速度频散曲线联合反演获得了海南岛及周边区域至25 km深度的三维S波速度结构.基于反演获得的三维S波速度结构模型,正演计算得到了不同周期的Rayleigh波群速度、相速度异常分布,并与面波层析成像的结果进行对比.结果表明:不同周期面波成像结果比较一致,大部分地区的差值小于0.04 km/s(约1%),表明本文反演得到的三维S波速度结构模型可以解释观测数据.本文研究发现:海南琼北地区地表至15 km深度存在显著的低速异常;5 km以上深度的低速异常可能是火山喷发后的裂隙内流体填充造成的;至于5~15 km深度,存在更加显著的低速异常,低值异常幅度低于-10%甚至更低,推测可能存在部分熔融的上地壳岩浆囊.基于S波速度低值异常与岩浆囊熔融百分比定量关系的研究结果,使用6~16 km深度的S波低速异常模型,本文计算得到的最大熔融百分比约为25%,岩浆囊熔融部分的体积约为340 km^(3).限于本文缺乏更长周期的面波数据,尚无法对更大深度的S波速度结构进行良好约束,因此对于海南琼北火山区20 km以下深度是否存在更大尺度岩浆囊尚需进一步研究。

2013年芦山M_(S)7.0地震震源区背景噪声源特征分析

应用背景噪声互相关信息研究强震前后地下介质波速变化时,噪声源的方位性特征会影响互相关函数形态,从而对波速变化有效估计造成影响。本文使用2013年芦山M_(S)7.0地震震源区附近的天全台(TQU) 2013年全年的连续波形记录,计算其垂直分量的噪声功率谱概率密度函数,分析背景噪声源能量强度特征;并通过频域极化法计算噪声源极化率以及极化方位角的概率密度函数,研究噪声源的极性特征。结果表明,研究区小于0.05Hz的长周期噪声源种类较多,且具有噪声能量强度和极化程度较高、极化方位性明显的特点;第一类地脉动(0.05~0.1Hz)极化方位角为30°和210°,噪声能量较低;第二类地脉动(0.1~0.5Hz)极化方位角分布在150°~210°,噪声能量较高,且其能量强度具有季节性变化特征;大于1Hz的高频噪声主要来自人类活动,噪声能量水平受人类活动强弱影响明显。因此,即使在远离海洋的大陆地区,在利用背景噪声监测局部波速变化时,应注意噪声强度以及噪声源方向性变化的影响。

基于背景噪声的龙门山断裂带10年地震波速变化研究

本研究利用龙门山断裂带附近20个宽频带地震台站2007~2017年10年期间的连续波形资料,通过三分量地震背景噪声干涉测量技术,得到了4个不同周期的相对地震波速变化,重点研究了2008年汶川M W7.9地震和2013年芦山M W6.6地震对波速变化的影响。结果显示,在1~3s和3~8s周期,汶川地震均造成了断层区附近急剧的同震波速降低,降幅在0.04%~0.06%之间;在地震发生后的9年,波速的恢复幅度仅为同震波速降低值的1/4,即约3/4的波速降低未得到恢复。对于6~15s周期,我们观测到在汶川主震后约100天时出现了微小的波速下降,降幅约为0.0066%。本研究还发现芦山地震造成了1~3s周期的微小但较为可靠的波速降低,幅度约为0.01%。我们推断波速变化的物理机制可能包括:地震导致的浅层地壳(小于3km)破坏、断层区深部(约10km)的介质破坏,以及断裂带深部(约20km)的震后余滑。汶川地震后龙门山断裂区域波速恢复非常缓慢,这可能是由于区域应力加载速率较慢使得龙门山断裂带在汶川震后的缓慢愈合导致的。

长白山火山区地壳S波速度结构的背景噪声成像

利用探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids的60个流动台与固定地震台2010年7月至2014年12月的垂向连续波形数据,采用地震背景噪声成像方法获得了研究区6~40 s周期的瑞雷波相速度分布,并通过相速度频散反演得到了研究区下方0~50 km的三维S波速度结构.结果表明:研究区下方地壳S波速度结构存在明显的横向和纵向不均匀性,浅部速度结构与浅表地质构造单元有较好的对应,深部速度结构较好地反映了区域火山活动及深部热物质作用的结构特征;在长白山火山下方9~30 km深度范围内存在明显低速区并有向下延伸的趋势,推测可能为长白山火山地壳岩浆囊;在龙岗火山下方12~30 km深度范围内发现较弱的低速区,可能代表火山喷发后的残留物,而在镜泊湖火山下方没有明显的低速异常,说明镜泊湖火山地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质.

广东省东部地区背景噪声面波群速度层析成像

选取广东省东部及福建和江西测震台网的26个固定台站2011年3～9月的地震背景噪声的垂直分量数据,用互相关方法获得瑞利面波的格林函数,再用频时分析方法提取瑞利面波的群速度频散曲线,最后用面波层析成像方法反演得到研究区周期为5～15s的瑞利面波群速度图像。反演结果揭示了广东省东部地区浅部地壳群速度结构存在明显横向不均匀性。短周期群速度异常与研究区内山脉、盆地的分布有较好的对应关系,沉积厚度较大的盆地地区表现为低速异常,而基底埋深较浅的山脉则显示了高速异常;地热分布对面波群速度产生重要影响,地热值较高的区域面波群速度一般表现为低速异常;粤东地区特别是粤东沿海地区地壳中部可能存在低速层。

我国东部地区非随机持续性微震背景噪声场源的特性及定位研究

我国东部地区陆海相连的独特区位是探究微震(2~20 s)背景噪声机理的天然场所.本文发展了一种基于噪声互相关非对称性能量走时差的场源定位技术,并结合频域偏振等方法,利用335个宽频带固定地震台站2015—2017年期间三分量的连续记录数据,着重研究了我国东部陆地及近海地区微震背景噪声的非随机固有特性与场源位置,并对及其激发响应机制进行了分析.获得的主要认识:(1)近海岸的涌浪作用是致使近岸台站DF(Double Frequency)微震谱峰出现双峰或多峰现象的主导因素,其DF谱峰的频率和幅值明显强于陆地型台站.进一步获得的LPDFMs与SPDFMs偏振特性表明,LPDFMs主特征偏振功率的强弱与观测台站所处的地质构造环境密切相关,而SPDFMs的强弱则取决于与海岸线的距离;从极化程度、径向与垂向分量相位差结果看,两者在0.25 Hz附近的分段特征非常清晰,它们的产生机理并不完全一致,可能来源于不同的场源;在垂向和切向上的运动学特征差异不明显,表明SF微震并不是纯态瑞利波;(2)研究区非随机持续性SF微震噪声源的方位主要指向印度洋方向,很可能位于南半球印度洋南部至南极洲之间的深海区,是由海浪驻波作用于远海海底所激发;而DF微震噪声源的方位则主要指向东南向的太平洋方向,其中LPDFMs很可能产生于开阔近海海域海浪与海底的相互作用,SPDFMs则可能源自于我国近海区域内稳定波-波相互作用形成的另一场源.(3)周期约10 s的主要持续性噪声源位置位于日本九州岛上的ASO火山附近区域;另一个位于北太平洋的深海区,但其所激发的信号强度相对较弱.

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ:背景噪声成像

随着城市化的发展,城市地球物理日益成为地球物理研究的重要方向,地震成像是构建城市地下空间三维/四维图像的重要手段,但面临观测成本高的困难.近年来国际上新发展的分布式光纤声波传感器作为高密度地震观测系统已经在地震层析成像方面得到了应用,在提高成像分辨率的同时,又降低了观测成本.本研究使用国产分布式光纤声波传感器开展了观测实验,利用480m埋地光缆记录了13h背景噪声,计算得到噪声互相关函数,获得了高频Rayleigh面波信号.采用多道面波分析方法提取相速度频散曲线,其结果与传统检波器记录和主动源结果较为一致.采用遗传算法反演得到了研究区内二维S波速度剖面,获得了下方沉积物横向变化特征.通过本次实验,初步验证了国产设备开展地震背景噪声成像研究、构建地下浅层结构模型的可行性.