寧夏及其鄰區(qū)背景噪聲能量來(lái)源方位及強(qiáng)度的季節(jié)性變化分析

謝曉峰 楊 微 李 俊 林建民王偉濤 姚 琳 呂俊強(qiáng)

1)寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001

2)中國(guó)地震局地球物理研究所，地震觀測(cè)與地球物理成像實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3)浙江省地震局，杭州 310013

4)浙江海洋學(xué)院，舟山 316000

5)中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所，大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

0 引言

自從Shapiro等(2005)從背景噪聲互相關(guān)函數(shù)(Noise Cross-correlation Function，NCF)中得到面波頻散信息并用于成像研究之后，噪聲互相關(guān)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。研究者利用NCF進(jìn)行面波群速度、相速度成像，進(jìn)而獲取S波速度乃至各向異性信息(Yang et al.，2007;Yao et al.，2008;Lin et al.，2009;房立華等，2009;李昱等，2010;Zheng et al.，2011;)。同時(shí)，NCF也被用來(lái)監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的波速變化(Brenguier et al.，2008a，b;劉志坤等，2010;趙盼盼等，2012)。近年來(lái)，NCF中信號(hào)的振幅信息也被用來(lái)研究臺(tái)站響應(yīng)及介質(zhì)的衰減特性(Prieto et al.，2009;Lin et al.，2011)。背景噪聲互相關(guān)技術(shù)在地震學(xué)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)背景噪聲源的特征并不滿足在三維介質(zhì)中均勻隨機(jī)分布的假設(shè)。大部分的噪聲源僅分布于地球的表面，同時(shí)噪聲源也具有特定的空間優(yōu)勢(shì)分布，而且其分布和強(qiáng)度還具有明顯的季節(jié)性變化(Stehly et al.，2006;Kedar et al.，2008)。

噪聲源的非均勻分布和季節(jié)性變化使得NCF并不完全收斂于2個(gè)臺(tái)站間的格林函數(shù)。由于大部分面波型噪聲源分布于地球表面，等效于二維的分布，因此在利用NCF中的面波信號(hào)進(jìn)行相速度測(cè)量時(shí)，會(huì)引起π/4的相位差(Yao et al.，2009;Tsai，2009)。即便二維等效的噪聲源也不是隨方位角均勻分布的，這使得在NCF中正負(fù)半軸面波信號(hào)的強(qiáng)度一般有較大差異(Stehly et al.，2006)。而且在測(cè)量頻散曲線時(shí)，這種非均勻性也會(huì)導(dǎo)致微小的誤差，不易消除(朱良保等，2011)。

噪聲源的分布和強(qiáng)度往往具有季節(jié)性的周期變化，這種變化在較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)等效于噪聲源的均勻分布，有助于NCF的收斂。但較短時(shí)間尺度內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致NCF中的波形產(chǎn)生非介質(zhì)原因引起的變化，會(huì)對(duì)波速變化的測(cè)量造成影響(Yang et al.，2008)。這使得基于NCF的波速變化監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)而利用尾波信號(hào)并利用多條路徑平均以提高精度(Brenguier et al.，2008a，b)。

噪聲源的這種季節(jié)性變化導(dǎo)致一個(gè)區(qū)域內(nèi)背景噪聲能量的強(qiáng)度和方位發(fā)生變化，因此可以通過分析噪聲能量的特征來(lái)獲取噪聲源的特定信息。目前利用的方法主要有通過NCF正負(fù)半軸面波信號(hào)強(qiáng)度的不對(duì)稱性及信噪比，通過分析背景噪聲背景能量流以及利用基于臺(tái)陣的互譜慢度分析等(Stehly et al.，2006;Yang et al.，2008;魯來(lái)玉等，2009)。這些研究不僅確認(rèn)了背景噪聲源的季節(jié)性變化，而且發(fā)現(xiàn)這種變化往往同全球的海洋和風(fēng)暴活動(dòng)相關(guān)。

噪聲源及其能量的季節(jié)性變化具有全球尺度的規(guī)律，但在不同的地區(qū)具有不同的表現(xiàn)方式。對(duì)一個(gè)地區(qū)背景噪聲能量季節(jié)性變化的研究，將有助于了解影響該地區(qū)的噪聲起源及對(duì)NCF信號(hào)的影響。

寧夏地區(qū)位于中國(guó)西北內(nèi)陸，距離海岸線較遠(yuǎn)。在寧夏這種內(nèi)陸地區(qū)的噪聲能量是如何分布和演化的，是否同海洋活動(dòng)密切相關(guān)?為回答以上問題，我們選用了寧夏及其鄰區(qū)33個(gè)寬頻帶臺(tái)站近5年的數(shù)據(jù)，利用Stehly等(2006)提出的背景能量流的方法對(duì)該地區(qū)的背景噪聲源的季節(jié)性變化進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)研究了5～10s及10～20s兩個(gè)周期范圍噪聲能量的變化特征。

1 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

1.1 臺(tái)站選取和噪聲互相關(guān)函數(shù)的提取

使用寧夏及其鄰區(qū)33個(gè)寬頻帶臺(tái)站的垂直向記錄來(lái)進(jìn)行噪聲互相關(guān)函數(shù)的計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)涵蓋2008年1月至2012年11月共計(jì)58個(gè)月的連續(xù)數(shù)據(jù)。所使用的臺(tái)站及路徑分布如圖1a所示。2個(gè)臺(tái)站進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到NCF，其正負(fù)半軸上得到的波形分別反映了臺(tái)站連線延長(zhǎng)線相干區(qū)域內(nèi)噪聲源的信息(Snieder，2004;Stehly et al.，2006)。因此，2個(gè)臺(tái)站A和B可以形成2個(gè)矢量路徑，。對(duì)于每個(gè)矢量路徑，分別計(jì)算其方位角，最終方位角取值為0°～360°范圍。所用的33個(gè)臺(tái)站共形成1056條矢量路徑，對(duì)這些路徑的方位分布和臺(tái)站間距進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖1b，c所示。

在圖1b中可以看出，研究區(qū)域內(nèi)路徑的方位角分布較為均勻，對(duì)各個(gè)方向覆蓋較好，這有利于后續(xù)獲得較為可靠的背景噪聲源能量在各個(gè)方向上的分布。

圖1 研究所用臺(tái)站及路徑分布(a);路徑的方位角分布情況(b);所有路徑的臺(tái)站間距分布情況(c)Fig.1 Station location and path coverage in Ningxia and its adjacent region(a)，azimuth distribution of all inter-station paths(b)，and distance distribution of all inter-station paths(c).

每個(gè)臺(tái)站單天的數(shù)據(jù)在去除儀器響應(yīng)、去除均值和趨勢(shì)之后，抽樣至1Hz采樣率用于進(jìn)行后續(xù)的互相關(guān)計(jì)算。使用ONEBIT方法(將正振幅設(shè)置為+1.0，負(fù)振幅設(shè)置為－1.0)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域歸一化處理，并進(jìn)一步在頻域內(nèi)進(jìn)行頻域白化處理(Benson)。對(duì)任意2個(gè)臺(tái)站上單天的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算以得到每條路徑上單天的NCF波形。對(duì)每條路徑上的NCF按照月尺度進(jìn)行疊加處理以提高信號(hào)的信噪比和穩(wěn)定性。按月疊加的NCF波形將用于后續(xù)背景噪聲能量時(shí)間演化規(guī)律的分析。同時(shí)將所有58個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理以獲得該條路徑上NCF的疊加信號(hào)。

圖2顯示了經(jīng)過58個(gè)月疊加之后的NCF波形，其中橫軸為時(shí)間，正負(fù)半軸分別表示同一路徑上沿著不同方向傳播的信號(hào)走時(shí)，縱軸為每條路徑對(duì)應(yīng)的臺(tái)站間距。將獲得的NCF疊加信號(hào)分別進(jìn)行5～10s和10～20s的帶通濾波以觀察其信號(hào)的特征，分別如圖2a，b所示。圖中虛線表示視速度為4.5km/s的走時(shí)曲線，對(duì)應(yīng)實(shí)線為視速度2km/s的走時(shí)曲線。從圖2中可以看出，在2個(gè)頻段上都存在較為明顯的面波信號(hào)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在5～10s的NCF波形的面波信號(hào)之前，也存在能量較強(qiáng)的信號(hào)。在后續(xù)研究中，主要使用實(shí)線和虛線之間的沿大圓路徑傳播的面波信號(hào)進(jìn)行分析。

1.2 背景噪聲能量來(lái)源方向和強(qiáng)度的計(jì)算

背景噪聲的能量來(lái)源方向和強(qiáng)度可以使用密集的臺(tái)陣數(shù)據(jù)或者方位分布均勻的臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲得(Gerstoft et al.，2006)。由于寧夏地區(qū)的臺(tái)站分布并不十分密集，但路徑方位分布較好，因此使用Stehly提出的背景能量流的方法對(duì)背景噪聲能量進(jìn)行估計(jì)。

圖2 經(jīng)過58個(gè)月疊加之后的NCF波形，虛線和實(shí)線之間為沿大圓路徑傳播的面波信號(hào)Fig.2 The waveform of NCFs with respect to inter-station distance，and the surface waves traveling along the great circle indicated between line and solid lines.

背景能量流方法的主要原理為:由于計(jì)算NCF使用了頻譜歸一化處理，因此得到的NCF波形強(qiáng)度表征的是2個(gè)臺(tái)站記錄到信號(hào)的相干性。而這種相干性同影響該條路徑上相干的噪聲源的位置和強(qiáng)度相聯(lián)系。Snieder(2004)的研究表明，其相干性主要由路徑延長(zhǎng)線兩側(cè)的相干區(qū)域內(nèi)的噪聲源的性質(zhì)決定。將單條路徑上的NCF兩側(cè)的波形強(qiáng)度進(jìn)行面波傳播的幾何矯正之后，再進(jìn)行所有路徑上的平均化處理。在路徑的方位分布較為均勻時(shí)，其結(jié)果可以較好地反映背景噪聲能量及相應(yīng)的背景噪聲源的強(qiáng)度在不同方位角上的分布特點(diǎn)。通過對(duì)不同時(shí)期疊加得到的能量分布進(jìn)行對(duì)比分析，可以獲得背景噪聲能量的優(yōu)勢(shì)方向及強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。對(duì)該方法的詳細(xì)推導(dǎo)可參考相關(guān)文獻(xiàn)(Stehly et al.，2006;王偉濤等，2011)。

對(duì)寧夏地區(qū)使用的1056條路徑，首先計(jì)算圖2中實(shí)線和虛線之間面波信號(hào)的包絡(luò)，并利用臺(tái)站間距的平方根作為權(quán)重對(duì)其進(jìn)行面波幾何傳播衰減的矯正。將所有路徑進(jìn)行求和計(jì)算以獲得寧夏地區(qū)背景噪聲能量在不同方位角上的分布。分別對(duì)5～10s及10～20s周期范圍內(nèi)按照月尺度疊加的NCF波形進(jìn)行上述計(jì)算處理，以獲得不同周期范圍內(nèi)噪聲能量強(qiáng)度和優(yōu)勢(shì)方位隨時(shí)間的變化。

圖3顯示了背景噪聲能量的來(lái)源方向和強(qiáng)度隨時(shí)間的演化規(guī)律。其中橫坐標(biāo)表示自2008年1月起算的月數(shù)，縱坐標(biāo)表示噪聲能量的來(lái)源方向。色標(biāo)表示以58個(gè)月內(nèi)最大單月能量值歸一化后的相對(duì)能量強(qiáng)度。其中圖3a，b分別表示5～10s與10～20s的噪聲能量演化規(guī)律。

從圖3中可以看出，噪聲的能量強(qiáng)度在2個(gè)周期范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)性變化。其中5～10s的噪聲能量主要來(lái)自于90°～150°，在120°～150°范圍內(nèi)能量最強(qiáng)。在該方位區(qū)間上，能量強(qiáng)度在北半球的冬季較強(qiáng)，夏季較弱，呈現(xiàn)季節(jié)性交替變化。10～20s周期噪聲能量方向則較為復(fù)雜，主要可以分為 3個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)區(qū)域:Ⅰ)300°～350°;Ⅱ)120°～150°;Ⅲ)170°～215°。其能量的優(yōu)勢(shì)來(lái)源方向隨著季節(jié)發(fā)生變化，且在不同的優(yōu)勢(shì)方向范圍內(nèi)，其能量強(qiáng)度的變化規(guī)律也不相同。區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的強(qiáng)度在冬季較強(qiáng)，區(qū)域Ⅲ的強(qiáng)度在夏季比較強(qiáng)。這表明寧夏地區(qū)10～20s的背景噪聲存在較為復(fù)雜的起源位置。

圖3 背景噪聲優(yōu)勢(shì)能量的方位和強(qiáng)度隨時(shí)間的演化規(guī)律Fig.3 Variation of the strength and dominant direction of ambient noise energy.a 5～10s的噪聲能量的季節(jié)性變化;b 10～20s噪聲的時(shí)間變化

3 結(jié)論和討論

依據(jù)功率譜密度，背景噪聲在10～20s及5～10s之間存在2個(gè)明顯的峰值，地震學(xué)家將此范圍內(nèi)的背景噪聲稱為地脈動(dòng)(Microseism)，并將周期10～20s的地脈動(dòng)稱為第1類地脈動(dòng)(Primary Microseism)，5～10s的地脈動(dòng)稱為第2類地脈動(dòng)(Secondary Microseism)(Cessaro，1994)。第1類地脈動(dòng)的周期同全球海浪的周期接近，一般認(rèn)為是海岸在海浪壓力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的。第2類的脈動(dòng)被認(rèn)為是兩列周期相同、方向相反的第1類地脈動(dòng)干涉形成的。它可能由近海岸反射與入射波耦合產(chǎn)生，也有可能在深海的特定區(qū)域產(chǎn)生(Hasselmann，1963;Friedrich et al.，1998;Kedar et al.，2008)。

為研究寧夏地區(qū)2類地脈動(dòng)噪聲的可能起源區(qū)域，利用圖3中得到的噪聲能量的來(lái)源方向?qū)υ肼曉吹目赡芪恢眠M(jìn)行了反向投影分析。其結(jié)果如圖4所示，其中圖4a，b分別表示5～10s和10～20s的噪聲源可能分布區(qū)域。

從圖4a中可以看出，5～10s噪聲源投影方位同中國(guó)東南沿海的海岸線分布較為一致，在該方位范圍內(nèi)，噪聲能量的強(qiáng)度在冬季較強(qiáng)，夏季較弱。研究表明，噪聲強(qiáng)度的季節(jié)性變化往往同海浪的高度相關(guān)。而海洋的海浪高度在南北半球具有不同的變化規(guī)律，一般來(lái)說(shuō)海浪的高度在該大洋所在半球的冬季較高(Stutzmann et al.，2009)。受中國(guó)東南部漫長(zhǎng)的大陸架的影響，該區(qū)域內(nèi)水深較淺，易與同頻反向的海浪相互耦合。由于寧夏地區(qū)地處中國(guó)西北內(nèi)陸，而5～10s的噪聲衰減較快，因此其優(yōu)勢(shì)方向主要反映噪聲能量很強(qiáng)的區(qū)域，其方位為120°～150°。該范圍同臺(tái)灣海峽所在方位較為吻合，這可能是由于臺(tái)灣海峽區(qū)域的海底地形構(gòu)造易于產(chǎn)生較強(qiáng)的第2類地脈動(dòng)噪聲(Chen et al.，2011)。同時(shí)，中國(guó)東臨太平洋，其激發(fā)能量主要表現(xiàn)出北半球大洋的特征，冬季較強(qiáng)，夏季較弱。這同寧夏地區(qū)5～10s的面波強(qiáng)度的變化是相符的。

圖4 利用反向投影方法獲得的各個(gè)優(yōu)勢(shì)方位上噪聲能量的主要區(qū)域Fig.4 Possible region of dominant ambient noise energy obtained by back-projection.

寧夏地區(qū)10～20s的噪聲能量構(gòu)成則較為復(fù)雜。首先該周期范圍內(nèi)噪聲能量的優(yōu)勢(shì)方向隨著季節(jié)具有比較大的變化，再者，在同一個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)度隨季節(jié)的變化規(guī)律也不同。在圖4b中分別以黑、紅、藍(lán)線表征了區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。觀察3個(gè)區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，其分別對(duì)應(yīng)著北大西洋，太平洋和印度洋。區(qū)域Ⅰ和Ⅱ內(nèi)噪聲能量的強(qiáng)度在冬季較強(qiáng)，夏季較弱。這可能是由于北大西洋和太平洋都主要表現(xiàn)為北半球大洋的特征。區(qū)域Ⅲ內(nèi)噪聲能量隨季節(jié)的變化則正好相反，夏季較強(qiáng)，冬季較弱。這一區(qū)域主要對(duì)應(yīng)印度洋，而印度洋屬于南半球，同北半球大洋的能量強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反。除去能量強(qiáng)度的變化，其優(yōu)勢(shì)能量的來(lái)源方向也隨著季節(jié)在這3個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化。這表明寧夏地區(qū)的第1類地脈動(dòng)應(yīng)該同時(shí)受到3個(gè)大洋的影響，且在不同的季節(jié)由不同的大洋起主導(dǎo)作用。

隨著背景噪聲研究的深入，對(duì)背景噪聲源能量的分布和演化的分析顯得越來(lái)越重要。由于背景噪聲能量的分布并不是完全的均勻和隨機(jī)的，因此得到的NCF也不完全收斂于理論格林函數(shù)。當(dāng)利用NCF來(lái)進(jìn)行波速結(jié)構(gòu)的成像研究時(shí)，往往對(duì)單天的NCF進(jìn)行年尺度的疊加，并對(duì)NCF的正負(fù)半軸的波形進(jìn)行反轉(zhuǎn)疊加處理以等效于噪聲源的均勻分布。由于波速結(jié)構(gòu)的測(cè)量對(duì)噪聲源的分布并不是十分敏感，所以由此得到的結(jié)果是可靠的。而在另外一些基于NCF的應(yīng)用中，則需考慮噪聲源的分布和演化的影響。例如，利用NCF進(jìn)行介質(zhì)衰減特征估計(jì)時(shí)，利用一個(gè)臺(tái)站的射入(Incoming)和溢出(Outgoing)能量將會(huì)得到不同的結(jié)果(Tsai，2011)。在利用NCF進(jìn)行波速變化測(cè)量時(shí)，往往通過比較月尺度或周尺度疊加的NCF同年尺度疊加的NCF的波形來(lái)獲得走時(shí)或波速隨時(shí)間的演化情況。而往往期望測(cè)量的波速變化較小，此時(shí)噪聲源的變化可能會(huì)引起路徑上非介質(zhì)變化引起的系統(tǒng)走時(shí)變化(Zhan et al.，2013)。此時(shí)，往往需要對(duì)多條路徑上的結(jié)果進(jìn)行平均處理，或者利用后續(xù)散射形成的尾波部分來(lái)進(jìn)行計(jì)算，以獲得更為穩(wěn)定的結(jié)果(Brenguier et al.，2008a，b)。而獲得更加穩(wěn)定、精確的結(jié)果，則需要對(duì)噪聲源能量的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行全面深入的研究。

我們的研究表明，寧夏地區(qū)的地脈動(dòng)噪聲能量具有明顯的季節(jié)性變化，尤其是第1類地脈動(dòng)噪聲同時(shí)受到多個(gè)大洋的共同作用，具有復(fù)雜的演化規(guī)律。因此，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行基于NCF的波速變化監(jiān)測(cè)以及進(jìn)行衰減估計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)噪聲能量的時(shí)空演化進(jìn)行充分的考慮，設(shè)法消除其可能的影響以獲得穩(wěn)定可靠的結(jié)果。

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