利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例
利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例
郑现;赵翠萍;周连庆;郑斯华
【摘 要】We retrieved Rayleigh wave Green functions between all possible station pairs after pre-processing, cross-correlation and stacking the data, which are 21 months' continuous ambient seismic noise recorded by 100 evenly distributed broadband  seismic  stations  mainly  in  the  National  Seismic  Network  in central and eastern Chinese mainland. The quality of the empirical Green functions (EGFs) and the dispersion curves along selected paths were estimated to measure the reliability and stability of the EGFs. Our results display that the EGFs are correlated with the earthquake signals, suggesting the reliability of the EGFs. In addition, we counted the number of dispersion measurements with SNR>10 retrieved from the time-series of different lengths (3-21 months). The result shows that, to obtain enough reliable EGFs for velocity tomography, at least 12 months' data should be used and 12 months' data can make sure that dispersion curves under 30 s 中高收入者明年起年终奖要多交个税
are temporally stable.%利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据,经过单台数据处理和互相关叠加计算后,由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数.为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性,对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估.检测结果表明,自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致,提取的格林函数可靠.此外,统计了使用从3 21个月不同长度数据叠加后,经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目.结果表明,至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大,数目足够多,可用于反演面波速度结构的经验格林函数；12个月的叠加时长,可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.
【期刊名称】《地震学报》
【年(卷),期】2013(035)002
【总页数】11页(P218-228)
【关键词】背景噪声;经验格林函数;频散曲线;中国大陆中东部地区
【作 者】郑现;赵翠萍;周连庆;郑斯华
【作者单位】中国北京100036 中国地震局地震预测研究所;中国北京100036 中国地震局地震预测研究所;中国北京100036 中国地震局地震预测研究所;中国北京100036 中国地震局地震预测研究所
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【正文语种】中 文
【中图分类】P315.3+1
引言
对随机噪声场中两接收点记录的噪声进行互相关计算，可以提取两个接收点间结构体的脉冲响应（格林函数）.这种思想最早在超声波的实验室测试中得到验证（Weaver，Lobkis，2001；Lobkis，Weaver，2001）.之后很快被应用于地震学领域，通过台站对记录到的远震尾波（Campillo，Paul，2003）和背景噪声（Shapiro，Campillo，2004）的互相关计算，证明了散射波场中可以提取地震面波.其中，利用背景噪声提取面波由于不依赖于地震，资料获取不受时间和空间的限制，在层析成像应用方面较有优势.
Shapiro等（2005）成功地将利用背景噪声提取的格林函数展开层析成像的研究，并得到了美国加州地区与已知地质构造吻合较好的7.5s和15s的瑞雷波速度分布图像.随之在世界各地区开展了一系列利用背景噪声进行层析成像的研究.研究尺度从小区域到整个大陆（Kang，Shin，2006；Lin et al，2007；Yang et al，2007；Bensen et al，2008；Lin et al，2008；Zheng et al，2008；Sun et al，2010），研究内容包括瑞雷波和勒夫波的速度和相速度.背景噪声层析成像的周期范围通常在8—40s范围内，但Kang和Shin（2006）得到了2—4s的瑞雷波速度图像；Nishida等（2009）利用台站记录到的“地球哼鸣”（earth’s hum）信号进行互相关分析，也得到全球范围周期在300s以上的层析成像结果.在数据处理方面，Bensen等（2007）提出了一套比较完整灵活、适应性好的处理方法，此后的噪声层析成像研究多参照了这一套方法.另外，根据背景噪声不依赖震源的优势也可以对地下介质进行连续监测.其方法的主要原理是通过背景噪声提取经验格林函数，对波形的尾波进行干涉测量得到地下介质的相对速度变化.目前，该方法已经应用于地震（Xu，Song，2009；Chen et al，2010；刘志坤，黄金莉，2010；赵盼盼，2011）、火山（Brenguier et al，2008a）和断层（Wegler，Sens-Schonfelder，2007；Brenguier et al，2008b）等方面的监测.联行号查询
背景噪声层析成像法克服了地震面波层析成像法的一些局限性，首先它不受地震数量不足、分布不均的制约，只要有数量足够、分布均匀的宽频带地震台，在一些地震活动性较弱的地区也可以展开高精度的成像研究.此外，由于不依赖震源信息，避免了定位不精确带来的误差.该方法在短周期成像结果的分辨率比地震面波层析成像法有着绝对的优势，能够更好地反映地壳浅层的结构特征.
由于面波层析成像方法的优越性，近些年在中国大陆也开展了一系列区域性（Yao et al，2006；Li et al，2009；Fang et al，2010；Zheng et al，2010；李昱等，2010）和大陆范围（Zheng et al，2008；Sun et al，2010）的层析成像工作，取得了一定的成果.本研究利用中国中东部地区100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据，进行互相关和叠加计算，提取瑞雷波经验格林函数（empirical Green function，简写为EGF），利用时频分析法（Levshin，Ritzwoller，2001）提取台站对间的频散曲线，并采用2种检测方法对经验格林函数和频散曲线的可靠性进行评估.此外也对叠加时长和时间稳定性进行了分析，对使用不同长度时间序列互相关进行叠加后EGF大于10的路径数目进行了统计和讨论，以期为今后的研究提供借鉴.
1 数据与处理
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本研究从中国大陆中东部地区国家台网和区域台网（图1）中，挑选出100个分布基本均匀的宽频带台站（平均台间距200km），利用这些台站记录的背景噪声数据，进行面波可靠性研究.所使用的台站包括国家地震台网的61个台站和区域地震台网的39个台站（郑秀芬等，2009）.地震计的主体类型是CTS-1、KS2000、BBVS-120和CMG-3ESPB，绝大部分仪器的频带宽度的低频端为120s，只有少数仪器的可达360s或仅为60s.本文使用这些台站21个月（2009年1月—2010年9月）的垂直分量连续波形数据，经过1Hz重采样后进行研究（郑现等，2012）.
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图1 中国大陆中东部地区主要构造单元及台站分布图灰粗线勾勒出主要块体，蓝细线表示主要断层，白三角为本研究所使用的国家台网台站和区域台网台站.OB：鄂尔多斯盆地；SCB：四川盆地；JB：江汉盆地；NJB：苏北盆地Fig.1 Major geological structures and seismic stations in central and eastern China Gray thick lines mark major blocks，blue thin lines represent major faults and white triangles represent stations of China national and regional networks.OB：Ordos Basin；SCB：Sichuan Basin；JB：Jianghan Basin；NJB：north Jiangsu Basin
数据处理的方法主要分为3个步骤（Bensen et al，2007）：① 单台数据处理；② 互相关和叠加计算；③ 频散曲线提取.
1.1 单台数据处理
单台数据处理的目的主要是消除地震信号、仪器故障等因素对背景噪声的影响.首先把数据分成长度为一天的数据单元，对数据进行去均值、去零漂，并截取成同样长度的记录.然后进行5—150s带通滤波和时域归一化.本研究根据Bensen等（2007）对归一化方法所做的讨论，使用滑动绝对值平均法对所使用的数据进行处理.该方法在固定长度的时间窗中，滑动计算波形的绝对值的平均值，权重的计算公式为
并用原始时间序列乘以权重的倒数，得到新的时间序列d′n＝dn／wn.本研究的归一化时间窗（2L＋1）设定为40s.最后，为了抑制某些信号的干扰，拓宽背景噪声的频带宽度，对数据进行频谱白化处理.
1.2 互相关和叠加计算
对所有台站对的数据进行互相关和叠加计算可得到台站对间的经验格林函数（EGF）.经验
格林函数是沿时间轴双向传播的，由于台站两侧噪声源方位角分布不均匀，波形正负时间坐标轴的分量振幅是不对称的.为了避免这种不均匀性的影响并增加EGF的信噪比（SNR）（Bensen et al，2007；Lin et al，2008），我们对沿正负时间轴的波形取均值，从而得到经验格林函数的“对称”分量，在接下来的计算中只使用该对称分量.图2给出了以内蒙台网NMJIN台站为中心台，与其它台站组成的台站对间的经验格林函数沿时间轴双向和取平均后的结果.在整个研究区，路径达2 000km以上的范围内，瑞雷波的信号都十分清晰.
桌面没有回收站图2 以NMJIN台为中心的互相关波形（经过10—40s滤波）（a）双向传播的互相关波形；（b）互相关波形的对称分量Fig.2 Wave cross-correlations between station NMJIN and other stations（band-pass filtering 10—40s）（a）Positive and negative lags of the cross-correlations；（b）Symmetric component of the cross-correlations
1.3 速度频散曲线提取
本研究使用时频分析法（Levshin，Ritzwoller，2001），采用反频散滤波或相位匹配滤波去除潜在干扰，获得了100个台站两两台站之间的瑞雷波速度频散曲线.图3a中我们给出了3组穿过不同构造块体的大弧路径，即穿过四川盆地和华南造山系的SCSPA－－GDSHD，
穿过秦岭造山带和华南造山系的GSTSS－－FZCM2，以及穿过华北－渤海湾盆地和华南造山系的GDHUJ－－HEZJK.图3b，d表明，这3条路径由经验格林函数提取的频散曲线与由参考的3D剪切波速度模型（Shapiro，Ritzwoller，2002）提取的频散曲线在形态上基本一致.其中，沿GDSHD－－SCSPA路径和GDHUJ－－HEZJK的频散曲线与理论曲线不完全吻合，恰恰反映了这条具体路径介质速度与区域平均值的差异.
图3 瑞雷波经验格林函数及频散曲线示意图（图3d引自郑现等，2012）（a）与（b），（c），（d）对应的射线路径示意图；（b），（c），（d）为沿（a）图射线路径由时频分析法提取的瑞雷波速度频散结果（蓝曲线）和由全球剪切波速度模型（Shapiro，Ritzwoller，2002）计算的理论值（黑曲线）Fig.3 Example of Rayleigh wave EGFs and dispersion measurements（Fig.3bis quoted from Zheng et al，2012）（a）Location map for（b），（c），（d）showing the 3selected ray paths；（b），（c），（d）Rayleigh wave dispersion measurement（blue curve）retrieved by frequency-time analysis and the prediction caculate（black curve）from the 3-D global shear velocity model（Shapiro，Ritzwoller，2002）along ray paths in（a）

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