环境噪声层析成像

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1、总结环境噪声层析成像是一门近年来快速发展的新技术。环境噪声又称为微地震，是由人类活动，大气压变化以及海洋波浪与海岸或海底相互作用等因素产生的。环境噪声层析成像是通过对两个台站间长时间的地震环境噪声记录进行互相关计算，由此得出台站间的经验格林函数，利用传统的时频分析方法获得群速度相速度频散测量，并进一步通过层析成像获得地球内部的速度结构。相对于传统的面波方法，环境噪声层析成像有如下优点：1.传统的地震学方法建立在天然地震或人工地震激发产生地震波的基础上。然而，世界上的绝大多数地震分布在时间上和空间上都具有不均匀性，从而限制了层析成像的应用。而环境噪声是无源

2、的，摆脱了对震源信号的依赖，对于地震较少的地区仍然能够进行地下结构反演。2.一般情况下，天然地震震源都距离台站比较远，因此分辨率受到了限制。噪声成像可以根据实际需要选择布设台站，明显提高分辨率。3.地震波的长距离传播由于衰减和散射会丢失大量地震波信息，尤其是高频面波。噪声成像方法由于台站间距较短，可以有效的减少衰减和频散，保留短周期面波信息，大大提高了对地壳浅层结构的分辨能力。环境噪声数据处理步骤大致分为五步：单台数据预处理、互相关和时间叠加、频散曲线测量、质量控制以及面波层析成像。⑴单台数据预处理去除噪声中的地震信号和仪器不规则响应等干扰。最重要的是时

3、域归一化。较有效常用的方法是"one-bit"正则化、水准量迭代归一化和滑动绝对平均法。然后进行频谱白化。噪声信号在频率域是不平坦的，频谱白化能够拓宽互相关中环境噪声信号的频谱，降低某些单频固定信号。频谱白化还可以拓宽宽频信号，有利于提取更连续的频散曲线。⑵对任一台站对的环境噪声数据进行互相关计算，将每天的互相关结果叠加，形成最终的互相关函数。进而由公式计算台站间介质的经验格林函数。CAB(t)=0tcuAτuB(t+τ)dτdCABtdt=-GAB^t+GBA^-t≈-GABt+GBA(-t)⑶利用经验格林函数通过时频分析(FTAN)方法求出群速度函数

4、时间信号s(t)的傅里叶变换为Sω=-∞∞s(t)exp⁡(iωt)dt通过考虑解析信号获得频散曲线测量，简单地在频率域定义为上式的傅里叶逆变换在时间域表示为：其中H(t)是s(t)的希尔伯特变换。为了建立时频函数，解析信号经过一系列中心频率为ω0的窄带带通高斯滤波器：把每个带通函数反变换为时间域函数会产生平滑的二维包络函数A(t,ω0)和相速度函数ϕ(t,ω0)。α是调和参数，它定义了频率域和时间域的补充分辨率并且通常与距离有关。群速度用A(t,ω0)测量，相速度用ϕ(t,ω0)测量。群速度到时τ(ω0)作为高斯滤波器中心频率的函数，取决于包络函数的波

5、峰，因此群速度为Uω0=r/τ(ω0)，其中r是台站间距。通过分析包络函数A(t,ω)，群速度曲线U(ω)可以测量出来。相速度不能直接由群速度导出，但是可以由相速度计算出群速度。⑷可信的频散测量的周期与台站间距的关系依实际情况而定。测量的可重复性和群簇分析也可用于进行质量控制。⑸面波层析成像可先将反演区域网格划分，反演得到群速度或相速度二维分布，得到每个网格节点的纯路径频散曲线。然后利用线性或非线性方法反演每个网格的纯路径频散，得到每个网格下方的S波速度的垂向分布。进而得到地下三维速度结构。环境噪声层析成像的应用：1.地壳速度结构反演。由于噪声成像保留了

6、较多的短周期面波信息，因此大大提高了对地壳浅层结构的分辨能力。由于不需要天然地震或人工地震激发，对于地震活动性较弱以及人口密集的都市来说，能够有效的利用环境噪声层析成像反演地下浅层速度结构，进而提高地震减灾能力。2.求出地壳径向各向异性分布。方位各向异性描述了浅部地壳波沿不同方向传播的波速变化，这可能是由微裂隙的排列造成的，而微裂隙主要由应力引起。所以地壳浅部方位各向异性很有可能能够确定区域应力场。3.监测地下介质变化情况。利用噪声互相关获得经验格林函数，由于过程可重复性，可以进一步分析地壳介质物性的时间变化。如果震前可以观测出相应变化，将会推进地震预测

7、的研究和应用。4.环境噪声层析成像与其他方法进行联合反演，可以获得地下更大范围更精细准确的速度结构，为研究地下深部构造和动力特征提供了重要手段。