鄂西地區(qū)寬頻地震臺(tái)陣背景噪聲特征

任鳳茹，謝錦赟，楊小舟

（地球內(nèi)部多尺度成像湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

地震記錄中經(jīng)常包含不同頻段的噪聲，在常規(guī)數(shù)據(jù)處理中這些噪聲一般作為干擾被剔除或壓制。按照背景噪聲的來源，可以分為自然噪聲和人為噪聲。自然噪聲主要來源于地震尾波[1-2]、深海海浪活動(dòng)或洋流作用[3-4]、海洋涌浪與海岸的非線性相互作用[5-7]以及火山活動(dòng)、滑坡、泥石流、大氣變化[8]等等。其中，第一微震帶（10～20 s）和第二微震帶（5～10 s）較為突出。一般認(rèn)為，第一微震帶與深海海浪活動(dòng)有關(guān)，其產(chǎn)生機(jī)制可能與在更長周期下提出的次重力波機(jī)制相似；第二微震帶由海洋涌浪與海岸的非線性相互作用產(chǎn)生[3]。此外，從地震臺(tái)站水平和垂直記錄上可觀測到70～300 s被稱為地球嗡鳴（Hum）的小峰值[9]，其存在涉及到地球的自由振蕩。對于周期大于300 s的背景噪聲，人們認(rèn)為與大氣變化有關(guān)，主要是由大氣壓力的局部擾動(dòng)引起的[10]。而高頻背景噪聲(0.1～1.0 s)則主要來源于臺(tái)站附近人類活動(dòng)及交通運(yùn)輸產(chǎn)生的震動(dòng)，具有明顯的周期性變化規(guī)律[11]。

利用背景噪聲互相關(guān)方法提取臺(tái)站間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多種物理學(xué)領(lǐng)域，如日震學(xué)[12-13]、聲學(xué)[14]及海洋學(xué)[15]等。在地震學(xué)方面，Aki在1957年提出通過地震噪聲獲取面波頻散信息[16]。但直到21世紀(jì)初，背景噪聲研究才得以重視，地震學(xué)家先后利用地震尾波[1]和背景噪聲[17]得到面波經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。隨后，Shapiro等人首次在美國加利福尼亞地區(qū)進(jìn)行背景噪聲層析成像[18]。此后，背景噪聲成像方法在歐洲[19-20]、美國[21-22]、新西蘭[23]以及國內(nèi)[24-27]等全球區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用。在周期范圍上也超越了10 s的局限，研究人員在短周期0.5～3 s[28-30]、中長周期5～50 s[18-19]以及長周期100～300 s[31]都開展了研究。隨著理論研究的發(fā)展，利用背景噪聲不僅提取到基階瑞雷波信號，還可以得到勒夫波[32]和高階面波[33]。與面波相比，背景噪聲中體波能量弱，提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)時(shí)震源條件更加苛刻，因此較難得到體波信號，但一直以來也取得了不同的進(jìn)展[34-36]。

在無震、少震及不適合進(jìn)行主動(dòng)源勘探的區(qū)域，背景噪聲層析成像為我們提供了一種通過被動(dòng)源方法來確定地震波傳播特性的可能，可以在區(qū)域尺度得到高分辨率成像結(jié)果。理論上來講，在噪聲源分布均勻的情況下，從背景噪聲中提取的互相關(guān)函數(shù)的正分支（因果部分）和負(fù)分支（非因果部分）在振幅和到時(shí)上幾乎對稱[37]。實(shí)際計(jì)算中，得到的互相關(guān)函數(shù)的正負(fù)分支在振幅上可能存在很大差異，表明臺(tái)站對間相反方向傳播的兩列波的能量強(qiáng)弱不同，即噪聲源空間分布不均勻。噪聲源的不均勻分布使得在測量臺(tái)站對間距小于2～3倍波長的面波頻散不準(zhǔn)確[24]，影響成像結(jié)果。如果能夠確定背景噪聲的空間分布、組成成分以及季節(jié)變化特征，就能以少量背景噪聲數(shù)據(jù)提取到較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，改善成像結(jié)果。同時(shí)，對背景噪聲源的研究能夠幫助人們了解噪聲的激發(fā)機(jī)制，從而更有效地利用瑞雷波、勒夫波進(jìn)行背景噪聲層析成像。此外，研究背景噪聲源的時(shí)空分布、成分組成有助于人們了解氣候變化，對風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。

圖 1 鄂西地區(qū)基本地質(zhì)單元以及寬頻地震臺(tái)站分布圖

鄂西地區(qū)位于大興安嶺—太行山—武陵山南北重力梯度帶的南段，同時(shí)也是梯度帶與華北板塊和揚(yáng)子板塊南北縫合帶交匯的地帶，是一個(gè)地形變化復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造單元多樣的區(qū)域（圖1）。鄂西地區(qū)西部為四川盆地（Sichuan Basin），東部發(fā)育有一系列新生代拉張盆地，如江漢盆地（JH）、南鑲盆地（NX），北部為秦嶺（Qinling Mt）、大巴山（Daba Mt），南部為武陵隆起（Wuling Uplift），中部為黃陵塊體（HL）[38]。此前，有研究人員利用背景噪聲在梯度帶中段的華北板塊地區(qū)[39]和北段的東北地區(qū)[40]進(jìn)行了面波層析成像，但在梯度帶南段的鄂西地區(qū)很少有相關(guān)應(yīng)用。在本文中，我們利用2013年12月1日至2014年6月30日在鄂西地區(qū)布設(shè)的28個(gè)流動(dòng)寬頻地震觀測臺(tái)站以及2017年8月1日至2018年7月31日在同一地區(qū)布設(shè)的19個(gè)三分量寬頻地震臺(tái)站，并從國家測震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心[41-42]收集到的2012年6月至2014年6月時(shí)間段內(nèi)45個(gè)固定地震臺(tái)站研究背景噪聲源的時(shí)空分布特征。

地震臺(tái)陣的優(yōu)勢是壓制干擾、提高信噪比，在背景噪聲源研究方面得到廣泛應(yīng)用。本文基于地震臺(tái)陣方法，利用鄂西地區(qū)三分量寬頻地震臺(tái)站記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，對所有臺(tái)站對進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，進(jìn)而通過聚束分析方法研究鄂西地區(qū)噪聲源的時(shí)空分布特征。

1 計(jì)算原理及方法

實(shí)際觀測中，背景噪聲源隨時(shí)間、頻率和方位角的變化而變化。為了進(jìn)一步了解背景噪聲源的物理性質(zhì)，噪聲源時(shí)空分布和頻率變化需要精確觀測。密集的臺(tái)站分布，為確定主要噪聲源的存在和性質(zhì)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。地震臺(tái)陣通過數(shù)據(jù)處理將其中各臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，從而壓制干擾，提高信噪比，突出有用信號[43]，以獲取震源和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。與單個(gè)地震臺(tái)站相比，地震臺(tái)陣壓制干擾、提高信噪比的能力更強(qiáng)，目前在背景噪聲研究中得到廣泛應(yīng)用。聚束分析作為臺(tái)陣信號基本處理方法之一，在噪聲源分析方面發(fā)揮了重要作用。臺(tái)陣聚束分析可以區(qū)分不同頻率和慢度的波場成分，有利于研究噪聲源的空間分布。在地震波以平面波傳播的前提下，臺(tái)陣中不同臺(tái)站對應(yīng)的慢度值和方位角不同導(dǎo)致平面波波前傳播到各個(gè)臺(tái)站的走時(shí)有差異，所有臺(tái)站記錄根據(jù)給定的慢度值和方位角隨時(shí)間偏移，與給定值匹配的記錄進(jìn)行疊加從而提高信噪比。魯來玉等分別用不同周期信噪比大于10的互相關(guān)函數(shù)的方位分布和臺(tái)陣聚束分析研究了華北地區(qū)背景噪聲源的空間分布[7]。本文采用臺(tái)陣聚束分析方法，研究鄂西地區(qū)背景噪聲源的時(shí)間和空間分布?；贕erstoft等提出的頻率域聚束分析，把地震信號看作不同頻率和慢度的平面波的疊加，臺(tái)陣的平面波響應(yīng)為[44]式中：ω為頻率；s為慢度；θ為方位角；→-e=(sinθ,cosθ)T為方向余弦；→ -r 為相對參考點(diǎn)的臺(tái)站坐標(biāo)，參考點(diǎn)為臺(tái)陣中各子臺(tái)坐標(biāo)的平均值。聚束輸出由式（2）得到式中：→r′為臺(tái)站對間其中一個(gè)臺(tái)站相對參考點(diǎn)的臺(tái)站坐標(biāo)，用于區(qū)分→r ；*表示復(fù)數(shù)共軛； C(ω)為復(fù)值互有所不同， C(ω)由臺(tái)站對間背景噪聲互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換后直接得到，暗含了信號頻率為 ω時(shí)譜密度矩陣。式（2）與Gerstoft等[44]所提出的方法的相位信息[7]。式（2）根據(jù)給定的方位角和慢度，將利用背景噪聲互相關(guān)得到的不同頻率的信號做相位校正，然后與該組方位角和慢度匹配的信號進(jìn)行疊加，分離出一致性和非一致性信號，獲得不同頻率的面波信號強(qiáng)度的空間分布特征[33,44]。

2 數(shù)據(jù)處理

利用鄂西地區(qū)三分量寬頻地震臺(tái)站記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，按照Bensen等提出的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：將三分量連續(xù)波形數(shù)據(jù)重采樣至1 Hz后，截成長度為1天的數(shù)據(jù)段，對這些數(shù)據(jù)段依次進(jìn)行去均值、去趨勢、去儀器響應(yīng)，之后進(jìn)行4～100 s的帶通濾波；為了壓制地震信號和儀器故障造成的異常信號，采用滑動(dòng)絕對平均方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域歸一化[45]。處理過程中，選擇滑動(dòng)窗口長度為最大預(yù)濾波周期的一半；同時(shí)，對數(shù)據(jù)段進(jìn)行頻譜白化來壓制單頻信號的干擾，拓寬頻譜范圍。數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，利用波形互相關(guān)方法計(jì)算各臺(tái)站對間的互相關(guān)函數(shù)，最后將研究時(shí)間段內(nèi)每天互相關(guān)做線性疊加，便可得到垂向-垂向（Z-Z）和切向-切向（TT）的疊加互相關(guān)函數(shù)。其中，切向-切向（T-T）分量由水平分量互相關(guān)函數(shù)經(jīng)旋轉(zhuǎn)后得到[32]。

為了判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要計(jì)算信噪比。信噪比定義為對稱分量經(jīng)窄帶濾波后信號窗口中的峰值信號與噪聲窗口信號的均方根比值，其中，對稱分量由互相關(guān)函數(shù)正負(fù)分支反序疊加后得到，信號窗口由2～5 km/s的群速度范圍和臺(tái)站間距計(jì)算的時(shí)間窗口確定，噪聲窗口定義為信號窗口之后500～1 000 s的范圍（圖2）。為了提高聚束分析結(jié)果的可靠性，選取垂向-垂向（Z-Z）、切向-切向（T-T）分量互相關(guān)函數(shù)在不同周期（5～10 s、10～20 s、20～40 s）信噪比大于10的互相關(guān)結(jié)果（圖3）。

從圖3中可以看到，不同濾波頻段都存在清晰的基階瑞雷波（Z-Z）和勒夫波信號（T-T），圖3中，紅色虛線處為面波包絡(luò)信號位置。相同周期下，瑞雷波信號包絡(luò)的速度小于勒夫波信號包絡(luò)的速度。其中，Z-Z分量5～10 s帶通濾波后的互相關(guān)結(jié)果顯示在靠近0時(shí)刻附近也有一組能量較強(qiáng)的信號，該信號的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瑞雷波的速度，有研究表明該信號源自遠(yuǎn)距離源激發(fā)的近垂直方向入射的縱波[46]。

3 鄂西地區(qū)背景噪聲特征分析

首先，利用長時(shí)間段記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算得到所有信噪比大于10的Z-Z分量互相關(guān)和T-T分量互相關(guān)分析背景噪聲源在各個(gè)方向的分布，通過聚束分析，得到不同濾波范圍（5～10 s、10～20 s、20～40 s）瑞雷波和勒夫波的慢度譜（圖4）。按照地震學(xué)慣例，方位角定義正北方向?yàn)?度，沿順時(shí)針方向方位角增大。能量環(huán)半徑代表慢度的大小，瑞雷波信號和勒夫波信號的噪聲源能量集中在慢度0.3 s/km左右，勒夫波信號能量環(huán)半徑略小于瑞雷波信號能量環(huán)半徑，這與瑞雷波相速度小于勒夫波相速度相符合。

在不同的濾波范圍內(nèi)，瑞雷波和勒夫波的噪聲源能量方位角分布基本相同，表明瑞雷波和勒夫波的噪聲來源可能相同。5～10 s周期的慢度譜上顯示瑞雷波和勒夫波的噪聲源能量極大值在方位角105°～150°，即指向中國東南海岸線方向；10～20 s周期內(nèi)，瑞雷波和勒夫波的噪聲源能量分布在多個(gè)方位，其能量極大值在方位角45°～90°（東北方向）、320°～335°（西北方向）、180°～225°（西南方向）以及105°～150°（東南方向）；20～40 s周期內(nèi)，瑞雷波和勒夫波的噪聲源能量極大值在方位角45°～75°（東北方向）以及105°～150°之間（東南方向），但在西南偏西方向240°～270°之間，勒夫波噪聲源能量強(qiáng)于瑞雷波。

圖 2 信噪比計(jì)算方法示意圖

圖 3 不同周期的Z-Z分量和T-T分量互相關(guān)結(jié)果

圖 4 所有臺(tái)站記錄經(jīng)聚束分析得到的不同周期范圍的瑞雷波和勒夫波慢度譜

綜上，在不同的周期范圍內(nèi)，噪聲源分布方位及能量的強(qiáng)弱都有所不同。但在周期10～40 s范圍內(nèi)，噪聲源在各個(gè)方位都顯示明顯的能量環(huán)，表明在此周期范圍噪聲源分布均勻。因此，長時(shí)間段連續(xù)噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算互相關(guān)在周期10～40 s范圍滿足背景噪聲面波層析成像的理論前提。不同周期范圍的噪聲源主要方向都涵蓋方位角105°～150°（東南方向），該方位指向中國東南海岸線，其噪聲來源于南太平洋。除此，周期10～20 s、20～40 s范圍內(nèi)能量環(huán)上顯示噪聲源來源的西南方向、東北方向和西北方向，分別源自印度洋、太平洋和北大西洋。其中，來自北大西洋的噪聲源能量主要集中在冬季，該特征會(huì)在下文中進(jìn)行詳細(xì)分析。

為了進(jìn)一步研究噪聲源的季節(jié)變化特征，本文對2017年8月1日至2018年7月31日期間19個(gè)流動(dòng)寬頻地震臺(tái)站的三分量背景噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算互相關(guān)，按15天的移動(dòng)窗口疊加，對疊加后的Z-Z分量互相關(guān)進(jìn)行聚束分析，分別得到不同周期范圍噪聲源能量隨時(shí)間和方位角變化的歸一化影像圖（圖5）。結(jié)果顯示，5～10 s周期隨著時(shí)間變化能量穩(wěn)定分布在方位角105°～160°范圍，這一時(shí)期的噪聲主要源自中國東南海岸，Stehly等認(rèn)為在這個(gè)周期帶內(nèi)大部分背景噪聲是由沿海岸線的海浪局部產(chǎn)生的次級微震引起的[3]。10～20 s周期范圍內(nèi)，噪聲分布特征和5～10 s周期不同，但源自方位角105°～160°范圍的背景噪聲能量仍然是穩(wěn)定的，沒有表現(xiàn)出季節(jié)變化特征；而在方位角320°～360°范圍背景噪聲能量分布表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)變化，主要集中在冬季分布，在3月和10月迅速出現(xiàn)。

指向西北方向320°～360°范圍的北大西洋噪聲源區(qū)域只在10～20 s周期范圍的歸一化影像圖（圖5b）中顯示，這可能是短周期地震波迅速衰減造成5～10 s周期范圍內(nèi)臺(tái)站接收到的中遠(yuǎn)源激發(fā)的噪聲能量較弱?？傮w上看，圖5a中方位角105°～160°和圖5b中方位角105°～160°以及方位角320°～360°范圍能量隨時(shí)間呈現(xiàn)條帶狀分布。

周期20～40 s內(nèi)，由于長周期瑞雷波散射程度較小，背景噪聲場不彌散，不適合用較短時(shí)間移動(dòng)窗口疊加互相關(guān)，而且于2017年8月1日至2018年7月31日時(shí)間段布設(shè)的流動(dòng)寬頻地震臺(tái)站間距較小，周期20～40 s信噪比較低，難以識(shí)別出基階瑞雷波信號。但長周期噪聲被認(rèn)為是由從海岸傳播的次重力海浪激發(fā)的[47]，這類波的頻譜可以擴(kuò)展到相對較短的周期（20 s）[48]。

圖 5 兩種周期范圍背景噪聲能量的優(yōu)勢方位及強(qiáng)度隨時(shí)間的演化圖

4 結(jié)論與討論

利用噪聲互相關(guān)進(jìn)行面波層析成像需要滿足噪聲源在各個(gè)方向上均勻分布的條件，噪聲源分布不均勻會(huì)使得臺(tái)站間距小于2～3倍波長時(shí)得到的面波頻散不準(zhǔn)確，影響成像結(jié)果[24]。為了分析背景噪聲源的分布特征，對長時(shí)間序列的三分量地震記錄進(jìn)行處理，獲得了Z-Z分量和T-T分量互相關(guān)函數(shù)，在不同濾波頻段都可觀測到明顯的基階瑞雷波和勒夫波信號。其中，在5～10 s周期Z-Z分量互相關(guān)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，接近0時(shí)刻附近有一組能量較強(qiáng)的信號，而T-T分量互相關(guān)結(jié)果中沒有觀察到這個(gè)現(xiàn)象，推斷該信號源自遠(yuǎn)距離噪聲源激發(fā)的近垂直方向入射的縱波。之后，利用互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行聚束分析，結(jié)果顯示瑞雷波和勒夫波的噪聲源能量方位角分布基本相同，表明瑞雷波和勒夫波可能具有相同的噪聲來源。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在5～10 s周期范圍內(nèi)，噪聲源主要來自中國東南海岸，隨時(shí)間變化分布穩(wěn)定，其產(chǎn)生主要受水深測量和海岸線幾何結(jié)構(gòu)的控制，由于短周期面波吸收衰減限制了遠(yuǎn)源區(qū)，同時(shí)鄂西地區(qū)距離南太平洋更近，所以遠(yuǎn)距離噪聲源（北大西洋、北太平洋、印度洋）在該周期范圍的慢度譜上分布不明顯；在10～20 s周期范圍內(nèi)，噪聲源在多個(gè)方向均有分布，慢度譜上顯示有明顯的能量環(huán)，來自方位角105°～160°處的噪聲源與5～10 s周期范圍相同，指向南太平洋，隨時(shí)間變化分布穩(wěn)定，同時(shí)也存在與5～10 s周期不同的噪聲來源，分別指向北太平洋、北大西洋和印度洋，歸一化影像圖結(jié)果顯示，源自北大西洋的噪聲源集中在冬季分布，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，在該周期范圍面波衰減效應(yīng)減弱，可接收到由全球范圍內(nèi)的震源激發(fā)的噪聲；20～40 s周期的慢度譜上也觀察到明顯的能量環(huán)分布，受到全球范圍內(nèi)多個(gè)噪聲源影響，該周期范圍噪聲通常被認(rèn)為是由從海岸傳播的次重力海浪激發(fā)的，可能與第一微震帶來自相同的區(qū)域。

聚束分析結(jié)果能夠反映背景噪聲源的方位角分布，同時(shí)也受到臺(tái)陣幾何分布的影響。只利用2017年8月1日至2018年7月31日時(shí)間段記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)與利用長時(shí)間段的背景噪聲數(shù)據(jù)得到的聚束分析結(jié)果有所不同，前者在10～20 s周期的歸一化影像圖上沒有觀測到來自北太平洋和印度洋的噪聲源，并且表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向性；而后者在10～20 s周期的慢度譜上顯示明顯的能量環(huán)，說明噪聲源在空間各方向幾乎都有分布，二者差異可能是臺(tái)陣幾何分布的影響。除此，利用長時(shí)間段背景噪聲數(shù)據(jù)得到的周期范圍10～40 s的聚束分析結(jié)果顯示，噪聲源近乎均勻分布，說明了利用長時(shí)間段的背景噪聲數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)較為對稱，從而消除背景噪聲源時(shí)空變化特征對面波層析成像造成的影響[6,45]。

致謝：中國地震局地球物理研究所國家測震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心（doi:10.11998 /SeisDmc/SN）為本研究提供了固定臺(tái)站地震波形數(shù)據(jù)。本文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41622403）資助，部分圖件使用GMT（Wessel and Smith, 1995）繪制[49]。