利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化

利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地 震波速度变化 利用背景噪声研究汶川地震震源区 及周边地壳介质地震波速度变化 研究生姓名: 指导教师: 学科专业名称: 研究方向: 二二 鎏一 .. 论文提交日期: 窒鱼蛐 论文答辩日期: : :. . :. . :. ,,独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签 ?? 学位论文作者 签字同期:?垆彦.毛 ? : 签字日期:沙,.占?参 导师签名 备友参 矗私 锄孳 姒菅叶 .关于论文使用授权的说明 本人完全了解学校关于保留、使用学位论文的各项规定,同意以下 事项: .研究所有权保留本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文; .授权研究所将本人的学位论文提交至清华大学“中国学术期刊 光盘版电子杂志社进行电子和网络出版,并编入?系列数据 库,传播本学位论文的全部或部分内容,同意按《中国优秀博硕士学 位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。 签字日期:卜., 学位论文作者签名:山忑却 .占. 签字日期: 别磁各嘞爿.. ?..??.?.?.??.?.. ?...?..?..?..?..?.. ..论文的研究意义 ..论文的主要研究内容? 第二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理.. .由背景噪声提取格林函数的原理?.. .无源成像法原理及应用??. .地震背景噪声的性质 .尾波干涉法? .无源成像干涉法 第三章观测资料与数据处理? .观测数据.单台数据预处理..数据预处理的基本步骤??。 ..几种时域归一化方法对比分析.每天经验格林函数和参考经验格林函数的 计算? .相对地震波速度的测量..四种测量方法. ..测量参数选取. ..结果对比分析. .小结?第四章汶川地震震源区及周边地震波速度变化的时空分布特征 .汶川.级地震构造背景及相关研究.汶川地震同震和震后相对波速变化 ..相对波速随时间变化的特征. ..主震后平均相对波速的空间分布特征??. ..震源区内相对波速随时间变化的空间分段性..主震后相对波速的恢复.汶 川震前波速变化的“背景”.小结? 第五章相对地震波速度变化的物理机制? .强地面运动引起的地表破坏. .汶川主震的静态应力变化? .断层区的结构破坏? .小结? 第六章结论及需进一步研究的问题. .主要结论.需进一步研究的问题 参考文献 致 谢. 作者简历摘 要 年月日四川省汶川县发生了.级强烈地震,造成了重大的人 员伤亡和经济损失,这是新中国成立以来破坏性最大的地震,也是自年唐 山地震后发生在中国大陆伤亡最惨重的一次地震。大地震发生在四川盆地与 川西 高原交界的龙门山断裂带上,发震断层向北东方向单侧扩展,全长超过, 沿龙门山中央断裂和前山断裂形成约和的地表破裂带,在以龙门山 断裂带为中心的较大范围内都有显著的同震地表形变;同时,地下介质的属 性和 状态可能也会发生一些变化,研究这些变化对于了解汶川地震机理、断裂带演化 规律及地震危险性分析有着极其重要的意义。本论文利用国际上近两年最新发展 的背景噪声互相关方法并结合尾波干涉的思想研究了汶川地震前后震源区及周 边相对地震波速度的变化。 基于背景噪声的地下介质速度结构及其变化的研究是目前地震学的研究热 点之一。大气、海洋和固体地球相互作用产生了全球的背景噪声场,对两个地震 台站的背景噪声进行互相关运算可提取其问的经验格林函数,进而反演地下介质 的速度结构,而不同时期的经验格林函数波形能保持很高的稳定性和相似性,对 这些波形应用尾波干涉法测量能高精度地检测地下结构随时间的变化。由于背景 噪声数据的连续性,可以实现对波速变化的全时监测。 本研究应用了年年汶川地震震源区周边的四川区域地震台连续波 形资料的垂直分量。数据处理包括三个主要步骤:首先,通过单台数据预处理得 到地震背景噪声;然后,对两个台站的背景噪声进行互相关运算提取台站对 问的 经验格林函数;最后,在.卜.频带下计算不同时段的经验格林函数与参考 经验格林函数的走时偏移,进而得到相对地震波速度随时间的变化。数据预处理 中的关键步骤是时域归一化,研究中对比了已有的几种时域归一化方法,并对滑 动窗绝对值平均方法作了适当的改进,取得了较好效果。通过大量的试算对移动 窗口互相关法、移动窗口互谱法、压缩.拉伸法及移动窗口压缩.拉伸法四种相对 波速测量方法进行对比分析,最终选取了误差较小、可靠性较高的移动窗互谱法 计算相对地震波速度变化。应用上述数据处理方法得到汶川地震震源区及周边上百个台站对的相对波 速变化结果,根据台站对问距及经验格林函数的信噪比和钟差等参数对这些结果 进行筛选,最后深入分析了个台站对的相对波速变化。结果表明,年月 同汶.级地震造成了震源区地震波速度的急剧降低,最大降幅达.%; 从西南至东多公罩的余震带内,波速变化呈现空间分段特征,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卜个月,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瓮地也观测到 了震后波速降低,而川西高原内部则没有出现明显的波速变化。为探究汶川地震 前较长时段该区地震波速度变化的“背景”,将所用资料的时间范围向前延伸到 年,发现在汶川地震发生前的几年时间里各台站对的波速变化一直比较平 稳,没有明显的线性或周期性的变化。 本文还对检测到的地震波速度变化的物理机制进行了分析。利用背景噪声互 相关方法得到的波速变化主要反映了台站对间一定的三维空间内地壳介质状态 及属性的变化,尽管还不能确定这种变化的准确空间位置及引起变化的物理机 制,但通过分析计算并结合其它地质与地球物理资料,我们认为强地面运动引起 的地表破坏和地震的静态应力变化都不能很好地解释本文得到的地震波速度变 化,这种变化可能反映了一定深度范围内断层区内部的结构破坏和断层周围的应 力变化。 关键词:地震背景噪声,无源成像干涉法,经验格林函数,波速随时间的变 化,汶川地震 . , , , ,. . , . ,.., .. , , ? , ? . ’ .? . , . . ,. ?.: ;; . . ,, ., ? ,. ?. , ... .. ?, .%. :, ,, ? .,. ,. . . . .: , , 日 球 近 分 间 断面莱曼,被相继确认,最近的研究表明还可能存在最内核 ,:,。一维的地球模型在不断地更新,从早期的?走时表 ,到 , 、,和模型,。上世纪七 十年代中期,等提出地震层析成像的方法,开创了研究地球内部三维 结构的重要途径,随后该领域的研究异常活跃,全球及大区域尺度的三维层 析成像模型相继涌现 .,: .,: .,: .,: .,: .,, ,,由此人们对地球深部大的结构如:板块和地幔柱的形 态有了较好的了解,近期发展的一些新的区域层析成像方法可以对断层区的 细结构进行成像如: .,。 ,: 上述是针对地球内部“静态”结构的研究,而地下结构还存在着多时间尺度 的演化过程,这方面的研究起步略晚,进展较缓。事实上,在不同时问尺度的 地 下介质结构变化中,数秒至数年尺度的变化可以通过适当的地学方法进行直 接观 测,研究地下介质结构随时间的变化,在以下几方面有重要意义。 第一,可以深化对地球内部结构、状态和动力学过程的认识。例如:从空间 对地观测结果中我们能了解刚体板块的相对运动、断层蠕动等, ;利用发生在同样空间位置但不同时间的重复地震“地震对”可以研究 地球内核的超速旋转 ,: .,,这是利用背景噪声研究汶川地震震源区及崩边地壳介质地震波速度变化 对地球内部认识的重要进展;重复地震的地震矩和重复间隔还可以估算地表以下不同深度的断层滑动速率如: ,: .,。 第二,在预防和减轻地震、火山等自然灾害方面发挥重要作用。地震和火山 喷发是人类面对的破坏性最大的自然灾害,近几年地震和火山发生的频度和强度 均有所增加,如:年月同印度尼西亚苏门答腊大地震、年月 日中国汶川大地震、年月日海地地震、年月日智利地震 以及年月同中国青海玉树地震都造成了重大的人员伤亡和财产损失; 年月起冰岛火山的多次喷发造成欧洲空中交通的大面积瘫痪,并对大区 域的生态环境产生较大影响。地震、火山的孕育和发生过程中地下介质的性质会 发生变化,有效地监测这些变化对于防灾减灾有重要作用。早在上世纪六十至七 十年代,地震学家就已经不始研究地震孕育、发生过程中的介质变化如:, .,:,,但到目前为止较可靠的地震前如: :.,和火山喷发前如: .,的介质变 化的观测结果并不多,而同震和震后的地壳介质改变则可以通过一些地球物理和 大地测量手段观测到。下是由于介质变化研究在预防和减轻地震、火山灾害的重 要作用激发了我们的研究兴趣。 第三,指导人类的工程实践活动。随着人类利用和改造自然程度的加深,人 类活动已经可以显著改变地下结构,例如修建大坝和水库蓄水等会引起地下浅层 介质结构和状态的改变,在一些特殊结构和岩性的地区还可能诱发水库地震,而 油气田、地热田的开采和深井注水等也可能产生明显的地下结构变化,研究这些 变化可以有效地指导人类的工程实践活动。 .地下介质结构随时间变化的研究进展 由于地下介质结构随时间变化研究有重要的科学意义,从上世纪中期许多研 究者就致力于这方面研究,其中地震学方面的工作尤为显著,到目前为止地震学 家提出了多种研究方法,包括测量波速比的变化、剪切波分裂的变化、尾波 值的变化及利用重复的人工或天然震源研究波速变化等地震学方法,而近年来发 展的基于背景噪声互相关的方法,为长期连续检测地震波速度变化提供了经 济有 第一章引言 效的手段。 ..研究地下介质结构随时间变化的地震学方法及进展 波速比’,,/方法是最早用来研究与地震相关的地下介质结构变化的方 法。苏联学者报道了地区观测到的一些中等地震前的波 速比异常:震前波速比一般先下降,然后回升,当再次达到或略超过初始值后就 会发生地震,震后还有一个不稳定的变化期。这种前兆现象随后在美国如:.,: .,和中国冯德益,; 也被观测到。通过实验室的结果还提出了一些解释这种变化过程的物理机制,如 膨胀一扩散模式,; .,和裂隙串通 模式 .,。模式用岩石在应力作用下微裂隙张开,继 而充满水以解释地震前波速异常特性,而模式则认为裂隙串通成主断层、外 围裂隙闭合、应力下降是波速回返的主要原因,无需水的作用冯德益,。 上述观测和实验激起了世界范围内研究地震预测的兴趣,当时人们认为只要布设 足够的仪器以发现和测量地震前波速比的变化,系统地进行短临地震预报是可能 的。但随着仪器精度的提高和研究的深入,发现波速比异常并不具有普遍性,对 于很多震例并没有观测到明显的波速比异常如:,: ,: ,,这些异常信号可能只是地下结构 和地震定位的误差 .,。 剪切波分裂的变化也是广泛用来研究地下介质结构随时间变化的一种地震 学方法。剪切波穿过各项异性的介质会分裂为快波和慢波,快波的偏振方向 和慢 波的时间延迟对地壳应力场的变化敏感 ,,因此 剪切波分裂参数可以反映震前的应力积累和临震前的应力释放过程 ,。地震学家观测到了与地震相关的剪切波分裂的变化如: .,:郑秀芬等,,英国爱丁堡大学的教授领导的研究 小组还据此成功地对冰岛的一次级地震进行了应力预测 ., 。另据研究发现,在火山喷发前剪切波分裂参数也会发生变化 ,。不过,国际学术界对与地震相关的剪切波分裂的原因并未达成 一致,和?认为慢剪切波时间延迟的变化主要是地震 射线传播路径不同引起的,即引起慢剪切波时间延迟变化的原因是空间上的 变 利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 化,而不是各向异性介质的性质随时间的变化。 尾波值是另一种监测地下介质变化的途径。尾波值最早由和 在单次散射的假设下提出的,他们发现尾波值在构造活动区与稳定区 有较大差异,而对于特定台站的地方震的尾波值比较稳定。 首次发现美国加州中部地区尾波值呈现年周期的变化,之后的很多工作都表 明 尾波’与地震活动性有一定联系:一些研究发现尾波.在主震发生前卜年内 出现一个峰值如: ,:,,而在我国辽宁王伟 君和刘杰,和云南马宏生等,地区的研究倾向于’在地震前会 降低,由此可见,目前尾波值变化还不能作为一种可靠的地震前兆。 随着观测技术的改善和理论方法的发展,地震学家发现更可靠的研究地下介 质时变性质的方法是应用重复的人工震源或者重复地震研究地壳介质地震波速 度变化。不同于早期用天然地震研究波速比变化的方法,重复人工震源所激发的 地震波时间、位嚣精确、重复性好,而发生在同一位置经过相同路径的重复地震 波形相似度很高,因而二者可获得高精度的地震波速度变化的测量结果。 等最早进行了用人工爆破源探测与应力相关的波速变化的尝试, 随后的一些利用液压振荡器 .,和气枪 ,作为震源的研究,速度变化的观测精度可达一,能识别出固体潮 汐应力的作用。利用近期发展的压电陶瓷震源可以测量更高精度的波速变化,可以发现日潮和半日潮 .,、大气压 ., 的影响。等在圣安德烈斯断层深部观测钻井得到了两次小震前出现的 波速变化,认为这种速度变化与破裂前应力导致的裂纹性质改变有关。人工源方 法穿透范围一般较小,爆破源穿透深度略大,和应用人工爆 炸震源研究了年.级地震及年 .级地震造 成断层浅部的破坏和震后断层的愈合过程。近几年,我国在利用主动源监测 地下 介质变化方面也有了一些进展,等在云南小江断裂附近进行了一 个月的主动源实验,通过电锤激发的重复信号,他们观测了到了到‘的波 速变化,结果与地下水位变化趋势一致,能反映大气压力的变化。汶川地震 后, 王伟涛等在龙门山断裂带北端进行了百米尺度的主动探测,观测到两次 面波波速的异常变化,变化幅度最高达到%,他们们认为面波的波速变化是由 第一章引言 在附近发生的两次地震事件的同震效应引起的。王洪体等利用旋转偏心 质量体作为地震信号源,可以在以上的距离得到有效记录,监视固定路径 的走时变化精度优于。最近,杨微等由该人工震源系统观测到汶川 的 地震余震绵竹.级地震后穿过断裂带的直达波走时发生了时延为 微弱变化。 利用重复地震也可以高精度地探测地下介质波速的变化。等 最早提出利用重复地震研究波速变化的“地震对”技术,观测到美国加州一 个 .级地震后震源区周边存在.%的波速降。最近基于波形互相关和双差算法的 重新定位技术大大改善地震定位精度 ,,由 此识别出的地震丛能更好地刻画断层物理性质的时间变化:和 分析了美国加州年 地震, 地震和年 观测到波和波同震速度降分别达到.%和.%,震后波速呈指数趋势恢复; 和发现 地震造成的波时间延迟的空间 分布形态与强地面运动高度相关,表明强地面运动过程中岩石的破坏、裂隙的发 生发展造成了浅部地壳的速度降低;结合地表地质资料可以看到新的、软弱岩石 台基上的观测结果有更大的时间延迟。类似的结果也出现在年土耳其 .级地震、.级地震 ,和年日 本.级地震的震源区 .,。 和通过对比年美国地震造成地表和井中地震记录 的波走时偏移指出,非线性的波传播及其引起的破坏仅限于非常浅的表层 或者高孔隙流体压力的区域。 ..基于背景噪声的地震波速度随时间变化的研究现状 尽管应用人工震源或者重复地震的方法都可以得到高精度的观测结果,但是 这两种方法又各有其局限性,例如人工震源方法成本比较高,重复地震方法受地 震位置和观测条件的限制,更为关键的是二者都不能得到连续的速度变化结果。 有没有经济的、时间采样性好且有足够精度的方法呢地震背景噪声提供了一个 很好的选择。 利用地震记录中的背景噪声资料研究地壳介质地震波速度变化是近两年国 际上发展很快的一种新方法。该方法最大优势在于其数据的连续性,利用固定台利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 站的资料就可以对波速变化进行全时的监测,比依赖地震发生的上述多种地震学 方法有更高的时间采样率,较人工震源的方法经济得多。 利用基于背景噪声互相关的无源成像干涉测量法 ,地震学家检测到印尼活火山区?,及美国洛杉矶盆地 .,地震波速的季节性变化。等通过分析印度洋中 火 山附近个月的地震背景噪声资料,指出在火山喷发前几星期内会因火山通道 内膨胀压力增高使地震波速度出现下降。和? 及等应用无源成像干涉测量法研究了年日本新渴县中越 .级后的地震波速度,其结果表明震后地震震源区的波速出现突然降低。 等利用地震背景噪声记录提取的经验格林函数分析了 断层地区地壳介质在年 和年 地震后的速度变化,两次地震震后都产生了明显的波速下降,震后波 速降低持续了三年多的时间,波速的恢复过程与地表观测的结果非常相似, 他们认为这种速度变化反映了断层区浅部地壳的同震破坏和深部的同震应力变 化及震后应力松弛。和应用背景噪声互相关检测到了次苏门 答腊地区地震造成的地壳介质时间变化,发现大地震后面波走时发生显著偏 移且 这种偏移与面波的频带有关。 .论文的研究意义和主要内容 ..论文的研究意义 年月日的汶川.级大地震是继年唐山地震之后发生在我 国的破坏性最大的地震,也是年西藏察隅.级地震后发生在青藏高原 周边的最大震级的地震。大地震起始破裂点在四地和川西高原交界的龙门山 断裂带中段,破裂沿北东方向延伸,长度超过,地震发生后,沿发震断层 的狭长条带又发生了大量的余震。据报道,汶川地震共造成人死亡、 人失踪,四川、甘肃、陕西三省的极重灾区和重灾区面积达到万多平方公里, 造成的直接经济损失达亿元人民币。 第一幸引言 汶川.级大地震引起了国内外地学工作者的极大关注,在地震的发震机理张培震等,; .,: ,,破裂过 程王卫民等,;张勇等,,地壳结构雷建设等,;吴建平等, ; .,及形变国家重大科学工程中国地壳运动观测网络项 目组,;江在森等,等方面都进行了研究,取得了很多有意义的成果。 但对汶川地震引起的地壳介质性质随时间变化的研究很少。丁志峰等研 究了汶川地震序列剪切波分裂的时空变化现象,观测到靠近余震带南端的地震台 站的快慢波到时差在主震后持续减小,而北端台站的到时差比主震前明显增大。 但由于主震前龙门山断裂带的地震活动水平不高,他们的研究只用到了主震前的 一个地震记录。 前文已经提到,应用背景噪声研究地下波速变化是最近国际上发展很快的一 种新方法,但国内相关研究起步较晚,最近李军等试图利用福建区域台 网的背景噪声资料实现对波速的准实时监测,他们利用了由背景噪声重构的短周 期面波信号,事实上,经验格林函数中的尾波部分对波速变化更为敏感,由此得 到的波速变化结果也更为可靠见.节。等计算了汶川地震 周边四区域台站的背景噪声的“二次相关系数”,发现在主震前天,该系数 有明显降低,但该变化是否反映了地下介质的物理变化,作者并没有肯定。 本文应用四川区域台网连续波形资料,利用背景噪声互相关方法并结合尾波 干涉思想,研究了汶川地震前后地震震源区及周边的相对地震波速度变化,详细 分析了波速随时间和空间的变化规律,并探讨了引起这种变化的原因,其结果将 对于认识汶川地震的机理有着重要的意义。 ..论文的主要研究内容 本论文利用背景噪声互相关方法研究汶川地震震源区及周边的地震波相对 速度变化,首先介绍了通过背景噪声提取波速变化信息相关的理论和数据处理方 法,特别是通过大量试算分析了一些影响波速变化结果的重要计算方法和参数; 然后利用四川区域台网“十五”期间的宽频带资料计算了汶川地震震源区及周边 同震和震后的波速变化,为了研究汶川地震前较长时段研究区波速变化的“背 景,将震前波速变化研究时段延伸至年;最后结合本文的结果和其它地 质与地球物理观测资料探讨可能引起地震波速度变化的物理机制。利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 基于上述研究内容本文分为以下六章: 第一章介绍了地下介质结构随时间变化研究的重要意义,综述了地震学方法 研究地下介质结构时间变化的进展和利用背景噪声研究地震波速度变化的现状, 最后阐述了本研究的重要意义。 第二章介绍利用背景噪声互相关研究地下介质波速变化的原理,包括利用背 景噪声对地下结构成像“无源成像法、尾波干涉法及由二者结合的无源成 像干涉法的原理。 第三章详细介绍本研究使用观测资料与数据处理方法。数据处理分为单台数 据预处理、每天经验格林函数和参考经验格林函数的计算以及相对地震波速度的 变化的测量等,重点研究了数据预处理中的时域归一化方法和计算相对波速变化 时的几种方法的效果及参数选取。 第四章为本论文的主要结果及分析,给出了两个时段年月.年 月及年月.年月的汶川震源区及周边的相对地震波速度变化结果, 详细分析这些波速随时间和空间变化的规律。 第五章根据本文的结果和已有的地质与地球物理观测对引起地震波速度变 化的可能机制进行了讨论。 第六章对本文得到的一些主要结论进行了总结,并对今后工作的研究方向进 行了展望。 第一二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理 第二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理 通常认为背景噪声中不包含有用信息,但是近年来多领域的研究表明,对两 个观测点的背景噪声进行互相关运算能提取两点间的格林函数。在地震学中,由 地震背景噪声提取的经验格林函数具有面波频散特征,可进行地下结构的层析成 像研究即“无源成像法”,而不同时期的经验格林函数波形能保持很高的稳 定性和相似性:对这些波形应用尾波干涉法测量可以获得地下介质波速随时间变 化的信息,这正是本研究将要采用的方法,由于这种利用背景噪声研究地震波速 度变化的新方法结合了无源成像和尾波干涉两种方法的思想,故称之为无源成像 干涉法,该方法是近年来地震学最令人瞩目的进展之一。本章将对上述方法原理 进行详细阐述。 .由背景噪声提取格林函数的原理 利用背景噪声提取地下结构信息的思想可追溯到上世纪五六十年代, 认为可以用背景噪声提取地下结构中的面波频散性质, 提出可以用背景噪声恢复一维层状介质的反射响应。通过对噪声进行互相关计算 提取有用信息的最早的成功案例来自太阳地震学如: .,, 其方法是对太阳表面上一点的噪声进行连续测量,然后将各点噪声进行互相关来 近似由太阳表面的一系列脉冲源得到的时间一距离地震图,进而获得太阳外层的 三维流速度结构。随后,噪声互相关思想在超声学领域获得重大进展 ,: ,,物理学家认识到弹性波的热起伏的 相关函数和系统的超声格林函数是一致的,只相差一个幅度因子,所以常规的通 过主动发射再接收获得的波形可以用超声探测器上的热噪声直接得到。之后,该 方法在海洋声学 ,和地震学如: , : .,: .,等领域得到了迅速的发展。 背景噪声在多个领域的成功应用促使研究人员对其物理机制从理论上给出 解释,他们在不同射场模型下证明了噪声互相关函数与格林函数之问的等价 关 系,并对格林函数的收敛条件进行了讨论。 利用背景噪声研究汶川地震震源区及刷边地壳介质地震波速度变化 和用模式均分解释了他们的实验结果,在一个无耗的 有限体中,漫射场的简正波幅值互不相关,但是具有相同的能量,他们从能量 谱 密度的表达式出发推导出互相关函数和格林函数的等价关系。这种推导还可 以扩 展到由一组不相关的源产生的漫射波场 ,。 对于三维不均匀弹性体,基于相关型的互易定理 推导了格林函数与互相关函数之间的关系。 在频率域,仅考虑不均匀体表面的两点。和%的垂直波场的互相关 ,,有 善彩一彳占彩二功扭彩 . 其中,缈一。甜曰,和“分别为和两点波场的垂直分量,一苫 表示二者的互相关,是三维空间所有噪声源共同作用的结果;一曰和分别表 一点的脉冲源对点作用和点的脉冲源对%点作用;缈代表噪声源的 能量谱。利用稳态相位近似计算了碧的空间总体平均,发现如 果.式右侧乘以上,积分就简化为沿连接两个接受点之间的大圆路径的积 国 分: . 彩:一爿曰彩二缈彩 此式在时间域的含义为:两个波场互相关函数的时间导数和两个接受点之间的格 林函数呈线性关系,比例因子是噪声源的能量谱在空间的总体平均 ., 。从中可以看出,如果要从互相关函数中提取精确的格林函数,需要 噪声源的能量谱为常数,即需要所有噪声源总和的时间函数在时域的自相关为 函数,这在实际情况是不可能的,但是可以通过以下几方面的工作使上述方程得 到很好的近似结果:一是叠加尽量长时间的噪声记录;二是在数据中避免有较大 的地震信号的干扰;三是使用较窄的带通滤波器对原始数据进行滤波 ,。因为通过背景噪声相关得到的格林函数是真实格林函数的一 定程度的近似,所以本文称这种格林函数为经验格林函数。 第二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理 .无源成像法原理及应用 在地震学中用以重构格林函数的随机波场包含两种信号:尾波和背景噪声。 等首先由地方震的尾波中稳定的波与波能量比证明了地震波的 能量均分,并指出尾波是多次散射的结果。两年后,矛等 对个远震事件的相同时间段的尾波做两两互相关计算得到地震漫射波场低频 的相干部分,并发现提取的脉冲存在瑞雷波和勒夫波的极化特征。矛 通过背景噪声获得了宽频带瑞雷波,这揭开了地震背景噪声研 究地下结构及其变化的序幕,他们计算了相距从约至的台站对上地震 记录垂直分量的背景噪声互相关函数,可以看到明显的宽频带瑞雷波频散特征, 且群速度与传统方法得到的全球瑞雷波图像的结果一致。由背景噪声互相关获得 面波信号后,人们自然想到利用这些信号通过传统的层析成像方法反演地下结 构,这就是无源成像法 。用无源成像法对背景噪声的资料处理 进而获得速度结构主要包括单台数据预处理、互相关计算与叠加、频散测量、质 量控制和层析成像等几方面的内容 .,。 .单台数据预处理 单台数据预处理的目的是消除天然地震和仪器本身异常信号获得背景噪声, 基本步骤包括重采样、去除仪器响应、去均值、去线性趋势、带通滤波、时域归 一化、频谱白噪化等,其中时域归一化方法的选择是关键步骤。 .互相关计算与叠加 尽管可能因为一些台站间距过大而不能获得可靠的波速测量结果,但一般对 所有可能的台站对数据进行互相关计算然后从中筛选。在频率域将每天的背景噪 声做互相关计算,然后返回时间域进行叠加,因为随叠加时间长度增加信号的信 噪比也会增加,故应使用尽量长时间的互相关函数进行叠加。 .频散曲线的测量 对于满足一定信噪比条件的台站对利用频时分析技术 ,,’, ,测量各周期下的群速度和 相速度。包含两个主要步骤,第一步是传统的方法:以解析信号包络线 平方的对数彳,。其中,和‰分别为时间和滤波中心频率制作频率一利用背景噪声研究汶川地震震源区及刷边地壳介质地震波速度变化 时间图像,一般以群速度替代时间、周期替代滤波中心频率制作二维图像, 然后追踪频散脊作为周期的函数获得原始的群速度曲线;第二步是在选定周期范 围内应用所谓的反频散或相匹配滤波:根据所选频带定义相匹配滤波器,将滤波 器应用于上一步产生的波形得到反频散信号,识别多次波、地震尾波及体波等“噪 声”并从反频散信号中移除,再把经过上述处理后的信号重新进行。 等的研究表明:相位匹配滤波对频带较宽的面波信号更为有效,如果频 带较窄,应用此方法前后所测得的频散曲线基本相同。 .质量控制 频散曲线的质量决定速度结构反演的可靠性,而对于背景噪声层析成像中大 量的观测数据,设定可自动执行的、严格的评估频散曲线的至关重要,这些 标准有三方面:一是所用数据的观测时间长度及信噪比;二是最大可信周期,前 人经验表明,可靠的群速度测量需要台站问距离至少三倍波长以上,所以截断周 期一~/以为单位。若周期长于截断周期,即台站间距小于三倍波 长,则测量可能变得非常不可靠;三是测量的可重复性,对不同时期的噪声提取 的信号进行统计分析可以得到结果的不确定性,这是利用背景噪声的一个优点, 而依赖于地震的观测的不确定性不可测量。 .层析成像 对于上述从地震背景噪声中提取的频散测量结果,可以用传统的面波层析成 像方法如: .,反演地壳上地幔的速度结构。 等得到了第一幅由地震背景噪声反演的高分辨率面波速度 图像。他们根据利福尼亚地区一个月的地震背景噪声记录的互相关计 算,获得了周期为.的群速度结果个、周期为的群速度结果个。用 这两组数据以为网格节点距,对整个加州地区的速度结构进行反演,获得的 速度图像的分辨率约为平均台站间距?。结果反映了加利福尼亚地区 主要的结构及岩性特征,低速异常对应主要的沉积盆地,而高速异常则勾画出主 要山系的火成岩分布。随后,利用地震背景噪声的面波层析成像方法研究地壳上地幔结构在新西兰 .,、青藏 .,、欧洲 高原东南缘.,:、北美东部 ,、北美西部 .,及北美大陆全球 .,许多 第二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理 地区得到了广泛的应用。 背景噪声成像在火山学上也取得了很多成果,等用火山附近个地震台站上个月的背景噪声资料重构了火山的 三维结构,结果与先前应用天然地震和主动源方法得到的结果非常一致。利用背 景噪声就可以得到近地表结构的有用信息,这显示了背景噪声成像方法的巨大优 势。 国内学者在背景噪声成像方面也进行了许多工作,等应用中 国数字地震台网以及周边全球台网的宽频带台资料对中国大陆进行了噪声面波 成像,获得了周期?的瑞雷面波群速度分布,其群速度分布图显示了与地质 构造相关的重要特征,短周期资料获得的群速度图上低速分布勾画出主要的沉积 的群速度分布图上有很好的反 盆地;地壳厚度由东到西增厚的特征在周期为 映。房立华等利用华北地震科学台阵的背景噪声数据得到了研究区域、 、和的瑞雷面波群速度图像。等用背景噪声反演了藏南和 喜马拉雅中段中上地壳的面波和剪切波速度结构,发现了雅鲁藏布江缝合带两侧 中地壳的低速层。等用四川区域台网个月背景噪声资料进行了面波 成像。李昱等利用川西高密度流动观测台阵反演了该区?周期的瑞 雷波相速度结构,结果表明短周期相速度分布与地表构造特征一致;从长中期的 相速度分布结果可以看至滇地块中下地壳广泛的低速异常;以汶川地震震中为 界,龙门山断裂带的地壳结构显示了北段为高速异常,南段为低速异常的分段特 征。 .地震背景噪声的性质 地震学家在运用背景噪声进行成像的同时也对背景噪声源和背景噪声场的 性质进行了研究。等与和分析了北美、 西非、欧洲及亚洲等许多台站的地震记录,认为第一微震带周期为一 和第二微震带周期为的噪声来源不同,第一微震带噪声源白海洋深部 水流与海底的相互作用,第二微震带噪声源自海水与海岸的相互作用,但是二者 都存在比较明显的季节变化,而中长期周期噪声信号的强度和方向都没利用 背景噪声研究汶川地震震源区及用边地壳介质地震波速度变化 有特别明显的季节性,故对于较短周期的噪声信号应注意消除其季节影响。 在?的微震频带,背景噪声主要包含基阶的瑞雷波和勒夫波,而高频的 背景噪声可能包含体波和高阶面波成分。等用台站聚束技术分析 了加州地区. 的高频背景噪声场,发现该频带的噪声功率谱与近海岸风速 有高度的相关性,表明含有高频波成分的背景噪声是由海风激发的。等 分析了全球个小孔径台阵.?.的垂直分量数据,这些台阵孔径 约为?,使用频率一波数分析技术,他们得到了每个台站的视速度,然后按 地震波传播模式进行了分类,发现在此频带内的主导成分是波,约占%,其 次为波成分,约占%,其余%是波成分。 由于不同时期背景噪声得到的经验格林函数的波形能保持很高的稳定性和 相似性,因此等考察了用背景噪声提取的格林函数检测地壳介质 时间变化的可行性,他们利用加州三个台站年连续记录得到面波速度,去除仪 器误差和季节性变化后得到约的台站对之间的走时结果精度为十分之一秒 的量级,这一数值小于台站间走时的.%、小于面波周期的%的走时误差,这保 证了速度成像有非常高的分辨率,而且经过较短路径“传播”的噪声信号对介质的 局部变化敏感,他们认为若用活动构造附近的相距几十到一百公里的台站对上的 噪声信号则可能探测到由构造活动引起的地壳物理性质的变化。这为后来用背景 噪声探测地下介质状态随时间的变化打下了基础。 .尾波干涉法 因为地下介质的速度变化一般较小,早期采用直达体波或者直达面波信号研 究波速变化的方法难以取得可靠的结果 .,,等 尝试用背景噪声检测地壳介质时间变化的研究也直接应用了重构的面波信号,事 实上,充分利用尾波信号才可能检测到高精度的波速变化 ., 。近年来,美国地震学家等,,在前人研究 的基础上创立了尾波干涉理论。其基本思想是:在多次散射系统中,尾波的传播 路径比初至波的路径更长,可以对介质中同一空间位置进行重复采样,因此对系 统的微小变化非常敏感。尾波干涉法 是将介质作为 第二章利用背景噪声研究地震波速度变化的原理 一个“干涉仪”,对介质变化前后得到的尾波信号用类似光学干涉测量的方法进 行处理,从而获得介质随时间变化的信息。 中阐述了用尾波干涉研究波速变化的一般理论。在介质没 有波速扰动时,其走时可以表示为 咖 . 表示积分路径。假如介质中存在均匀的波速扰动,则速度的一阶扰动引起的 走时变化可表示为 而幽睁争 汜 将.式代人上式,有 一工吉孚凼一詈,工吉出一詈, 。., 从.式可以看出,走时扰动只取决于波的走时,而与其传播的路径无 关。因此,若在流逝时间上取一小时问窗口,其中的平均走时扰动就等于相关 系 数达到最大值处的走时偏移,由下式即可求得波速变化 , 争一 、 汜 这种测量可以在尾波上取一系列窗口多次进行,多次测量结果均值即为波速 变化,还可对结果误差进行估计。 弹性波有波和波两种速度,基于波和波均衡模型推导 了波速变化中不同类型波所占比重,认为波速变化对波更为敏感,在泊松介 质 中: 堡.丝.望 仅 . 其中,口为波速度,‖为波速度。 利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 .无源成像干涉法 .和首次将无源成像与尾波干涉两种方法结合, 新的方法称为“无源成像干涉法” 。这种方法充分 利用了无源成像法能实时获取地下结构信息,和尾波干涉法测量波速变化精度高 的优点,一经提出,就在研究火山喷发和地震等方面得到了广泛应用 ?; .,; .,; ., 。 无源成像干涉法是无源成像与尾波干涉的结合,但不是两种方法简单的叠 加,有其本身的特点。例如,在噪声数据处理上,无源成像法一般应用互相关产 生的面波信号,所以注重提高面波信号的信噪比;而无源成像干涉法更多的是利 用尾波信号,所以在相关的数据处理中,保证不同时期信号有较高相关度是关键, 信噪比和相关度有一定联系,但并不是显示为正相关性。另外,无源成像干涉法 中需要考虑背景噪声源的季节性变化、不同时期经验格林函数的“钟差”的影响, 而在传统的应用重复地震或人工源的尾波干涉法中则不存在这个问题。 第三章观测资料与数据处理方法 第三章观测资料与数据处理方法 本章将系统介绍论文中所使用的观测资料与数据处理方法。从地震台站记录 的连续波形资料中提取地震波速度结构变化的信息其数据处理分为三步:对 单台数据进行预处理得到地震背景噪声;通过计算台站对间背景噪声的互相 关函数来提取经验格林函数;计算不同时段的经验格林函数与参考经验格林 函数的走时偏移,由此得到相对地震波速度的时间变化。本研究在操作系 统下主要基于语言自主编写了资料处理的全部程序代码,并结合脚本 实现了在高性能服务器上对大量连续波形资料的自动处理。本章将对资料处理中 采用的方法和参数,特别是单台数据预处理中的时域归一化方法和测量波速变化 的多种方法进行详细介绍,并对不同方法的计算结果进行分析讨论。 .观测数据 。 。 ‘ ?。 ‘ ‘ 。 ‘ 图.所用数字地震台站分布 图中背景为研究区地形,蓝色三角形代表地震台站,旁边标山该台站代码,绿色倒三角 形代表强震台站,五角星代表汶川主震,红点表示重新定位的余震,黑色虚线为实测地表破 裂位置,黑色实线为断层,其中,茂县一汶川断裂,二一映秀断裂,灌县一江油 断 利用背景噪声研究汶地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 裂,青川断裂,新津一成都一德刚断裂,龙泉山断裂,鲜水河断裂,马尔康断 裂,岷江断裂,虎牙断裂。 本论文所用观测数据来自四川区域地震台网,该台网在汶川地震余震带周边 有多个台站图.,我们收集了这些台站年月到年月的连 续波形资料,以及其中、、、、、、、、 等台站年以来的连续波形资料,本研究只应用了这些连续波形的垂直分量。 在年之后,所有波形均为宽频带数字波形,但在年前各台站记录的波 形频带差别较大,研究中我们考虑了这些因素。 本论文主要研究与汶川地震相关的地震波速度变化,但汶川地震的发生对主 震周边的地震台站正常观测带来了一定的影响,离主震较近的汶川台 在地震中被损坏造成三个多月没有观测资料,错过了地震波速度变化的主要 时 段,故本次研究没有用该台站的资料;茂县台和青川台 年月日到年月同缺测,也给研究结果带来一定影响。 .单台数据预处理 ..数据预处理的基本步骤 我们将各台站的连续波形整理为每天一个数据文件,然后进行单台数据的预 . 处理,其目的是消除天然地震和仪器本身异常信号获得背景噪声 。数据预处理的基本步骤包括:重采样、去除仪器响应、去均值、去线性 趋势、带通滤波、时域归一化、频谱白噪化等。 .重采样 对原始数据进行重采样的目的是在满足计算要求的前提下尽量减小数据的 存储量和计算量,在应用噪声进行面波层析成像中一般将原始采样率降低至 重采样就可以满足要求;本文研究地壳浅层速度结构变化,需要关注背景噪 声中 相对高频的信息,因此对原始数据一般进行或的重采样。 .去除仪器响应、去均值、去线性趋势 去除仪器响应是通过对地震记录和系统传递函数进行反卷积运算,得到地动 第三章观测资科与数据处理方法 位移。去除仪器响应、去均值和线性趋势等是数字地震波形处理的基本程序, 可 直接借助通用地震分析软件进行。 .带通滤波 带通滤波参数选取与研究中感兴趣的频带范围有关。我们对原始数据用不同 频带范围的带通滤波后计算了波速变化,但主要讨论了...下的波速变化。 .时域归一化 时域归一化是数据预处理中的重点,下一节将重点讨论其数据处理方法。 .频谱白噪化 因为背景噪声的频谱并不是平坦的,存在第一和第二微震带,还可能存在单 .,,通过频谱白噪处理能使信号在不同频率上 频信号的干扰 的能量更为均衡。 ..几种时域归一化方法对比分析 时域归一化的目的是为了减小地震信号、仪器异常信号和台站附近非稳定噪 声源的影响,目前采用的方法有.方法、阈值截断法和滑动窗绝对值平均法 等,等介绍了几种时域归一化方法的计算过程和优缺点。在本研 究中,因为汶川地震后的强余震较活跃,使连续波形中包含大量的地震信号, 有 效去除这些信号,得到较“纯净”的噪声,是整个研究的一个基础。我们采用 上 述几种归一化方法进行了试算,并对滑动窗绝对值平均法略作改进,下面以 台年月日一个小时的连续波形为例介绍归一化方法的具体计算过程图 .,从原始波形中可以看出在这时时间里,至少有四次明显的地震事件。 ..方法 ,; 早期尾波和背景噪声的研究多采用此方法如: .,,该方法只需简单 ,; .,; 将波形中所有正振幅设为,所有负振幅设为.即可。 .阈值截断法 该方法是通过计算波形振幅的均方根来确定一个阈值,将所有振幅超过该阈 值的数据段截掉如: .,; .,。通过试算我们将阈 值设为倍均方根振幅,将超过该阈值及其后的数据段的振幅置零。从图. 中可以看出,这种方法不能有效去除一些小地震事件。事实上,由于各台 利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化 站每天记录的地震事件各不相同,很难选择一个对所有数据段都适合的阈 值。 .滑动窗绝对值平均法 这是等推荐的时域归一化方法,他们认为是一种很好的数据 自适应.方法,其做法是以一个固定归一化时间窗口连续计算波 形绝对值的平均值,以平均值的倒数做为窗口中心波形的权重系数。给定离 散时 间序列,点刀处的归一化系数是, 。.’ %赢,銎, 归一化后的数据变成。。/.。归一化时间窗口长度?的选取与研究 中感兴趣的频带范围有关,但并没有严格限制,在本次研究中一般将该窗口 长度 设置为略大于感兴趣的周期范围的最大值,例如研究.周期的波速变化时, 将窗口长度设为。 图.不同时域归一化方法计算结果 图中为原始波形,一分别为方法、阂值截断法、滑动窗绝对值 平均和改进的滑动窗绝对值平均方法得到的波形。第三章观测资料’数据处 理方法 .改进的滑动窗绝对值平均法 滑动窗绝对值平均法也有一定缺陷,当地震记录中存在一些尖锐信号,其宽 度小于归一化时间窗口长度,则去除效果较差,在汶川地震后各台站记录的近震、 小震均属于这种信号。因此我们对这种方法略作改进,在对连续波形应用滑动窗 绝对值平均法的同时进行阈值截断处理,如图.所示。 为了比较四种时域归一化方法的效果,我们分别用原始波形和上述四种方法 提取的背景噪声计算台站对间的每天互相关函数,再将个月的每天互相关函 数进行叠加,图.和.给出两个台站对的结果,其中图.中的?台 站对位于四川瓮地,间距为;图.中的.台站对跨过龙门山断裂 带,间距为参见图.。我们计算了不同方法得到的互相关函数的信噪 比,信噪比定义为信号窗口内的振幅最大值与噪声窗口内的振幅均方根之比.,,这里信号窗口为有明显面波信号的部分,噪声窗口取流 逝时问中的.。 二 删协朋 一舢\/\姗陬 / 多岫 惭 岩?/:柝瓜?、// / .胁。鼍 叫?抓讪、/ /吣一 一删。 .一 ?儿./\啼 . . . . 图.应用不同时域归一化方法提取背景噪声得到的互相关函数台站对 磐一 图中为应用原始波形,一分别为应用方法、阈值截断法、滑动 窗绝对值平均和改进的滑动窗绝对值平均方法提取背景噪声得到的互相关 函数。 利用景噪声研究汶川地震震源区及.爿边地壳介质地震波速度变化 从图.和.可以看出,直接应用原始波形的互相关函数信噪比较低,因 为原始波形中有多种干扰信号的影响;.和阈值截断两种方法能使信噪比有 所提高,对于.台站对,后者效果好于前者,而对于.台站对则 恰好相反,因此不能判断这两种方法的相对优劣;滑动窗绝对值平均方法使 信噪 比有显著提高,?台站对的信噪比由应用原始波形时的增加到,而 .台站对则由增加到;而对滑动窗绝对值平均法的改进能使结果进 一步改善,因此本次研究中我们采用改进的滑动窗绝对值平均法。 一旷??州‖?卜~’价.‖州、四 ,? ?、“、,‖叫 州叫 /‖ 认翻狮?嬲是 \ 妒两讣州? ??吣 州嗍 ?两枷砧糍 \ ’ 图.应用不同时域归一化方法提取背景噪声得到的互相关函数.州台站对 拳一 图中为应用原始波形,一分别为应用方法、阈值截断法、滑动 窗绝对值平均和改进的滑动窗绝对值平均方法提取背景噪声得到的互相关 函数。 .每天经验格林函数和参考经验格林函数的计算 单台数据预处理后,对研究区内各台站对每天的背景噪声在相同时间内作互 相关运算,其结果为台站对间的经验格林函数。为了提高信噪比,需将各台站 对 当天及其前后一段时间的互相关函数叠加来代表该天经验格林函数,在本研 究中 我们试算了多种叠加时问长度,.节将以天、天和天叠加为例介绍在不第三章 观测资料与数据处理方法 同叠加时间长度情况下的计算效果。在迸行互相关函数叠加时我们还设置了叠加 时问长度下限以保证经验格林函数的质量,例如,对于天叠加,我们将当天及 其前、后的互相关函数叠加来代表该天经验格林函数,如果可用来叠加的互相 关函数少于天,则该天经验格林函数不予计