2. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
2. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Science, Beijing 100037, China
地震台站记录到的长时间背景噪声进行互相关计算得到的互相关函数,可以一定程度上代表两台站间的经验格林函数,从而获取台站间传播的地震波(Lobkis and Weaver, 2001; Wapenaar, 2004; Shapiro and Campillo, 2004).近些年来,利用背景噪声互相关函数(Noise Cross-Correlation Function,NCF)研究地球壳幔结构,极大地丰富了我们对于区域尺度地球岩石圈结构的认识(Shapiro et al., 2005; Yao et al., 2010; Lin et al., 2008; Shen et al., 2016).这些研究大多基于台间距20 km以上的台阵,利用1 Hz采样的数据,提取5~40 s周期范围内的背景噪声面波频散数据,研究地壳至上地幔顶部深度范围内的壳幔结构.随着噪声互相关方法的进一步发展,人们开始尝试布设更加密集的台阵(台间距数十米至数公里),利用噪声中的高频成分,提取高频(5 s以下)面波乃至体波数据,研究局部小尺度浅层地壳乃至近地表的超精细结构(Picozzi et al., 2009; Huang et al., 2010; Lin et al., 2013).而在石油工程方面,使用可控噪声源甚至可以在几十分钟内获得5~40 Hz的噪声面波数据,大大降低地下结构探测的时间及成本(De Ridder et al., 2014; Hanafy et al., 2015).
利用短周期密集台阵记录到的背景噪声数据探测浅层精细结构有如下优点:首先,该方法结果的分辨率由台站间距控制,可根据实际需要灵活设计台阵密度和布局,获取空间上较为密集的采样;再者,相较于小震体波成像等基于地震的成像方法,高频噪声方法不依赖于地震的时空分布,可对地震活动性低的地区开展研究;最后,相比于常规人工震源探测手段,基于背景噪声的方法不需要开展震源激发,其探测成本较低.因此,短周期密集台阵常用于城市浅层结构探测以及一些小区域浅层结构的初步探测.近年来,研究人员通过布设密集短周期台阵对浅部结构进行了大量研究,产出了重要的研究成果(Li et al., 2016; Pan et al., 2016; 王爽等,2018).
噪声源分布均匀,是利用背景噪声互相关方法提取可靠的台站间格林函数的前提条件.相比传统低频的噪声,高频噪声的类型及波场分布较为复杂.首先,低频NCF中以面波为主(Bonnefoy-Claude et al., 2006),而高频NCF中容易出现体波信号.如Zhan等(2010)利用NCF提取了频率为0.5~1 Hz的SmS震相;Nakata等(2015)利用加州Long Beach密集台阵提取了3~10 Hz的P波信号,并用其反演了P波速度结构.再者,在较高频率下,高阶面波也成为NCF中的重要组成部分(Harmon et al., 2007; Nishida et al., 2008; Yao et al., 2011).Liu和Fan等(2012)发现存在高速度差异的沉积盆地模型中容易产生高阶面波信号.Ma等(2016)在洛杉矶盆地地区的研究表明,高阶Rayleigh面波在1~10 s均可发现.第三,相比于低频噪声,高频噪声中可能存在更强的不均匀性.高频噪声信号主要来自于产生于海洋的地球第二微震,局部地区的自然现象以及当地的人类活动(Koper et al., 2010; Frank et al., 2009; Lehujeur et al., 2015;王奡等,2017),从而更容易存在较强的不均匀性.对于不同的区域,风力、河流、公路、城镇、工业等均可能成为局部的较强噪声源而对NCF产生影响.同时,高频信号更容易受到局部结构的影响,同局部结构耦合产生复杂的波场.如Ma等(2016)认为NCF中高阶面波来源于盆地结构的散射和反射作用.因此对背景噪声场的分析,有助于高频NCF的计算以及其在后续结构研究中的应用.
本文对布设在四川盐源盆地的209个短周期台站组成的密集台阵约30天的连续数据进行了分析.首先利用单台数据的功率谱密度,探讨盐源台阵的单台噪声水平时空分布特性及其主要的影响因素,再通过计算台阵间背景噪声互相关函数在不同频段的信噪比及其方向分布规律,讨论盐源台阵相关噪声源的空间分布特性及其对互相关函数的影响.结果表明,对高频噪声而言,噪声本身的时空分布特征和NCF中提取到的波形均比传统5~40 s的噪声更为复杂,在后续应用中需要深入研究.
1 盐源密集台阵概况川滇块体位于青藏高原东南缘鲜水河断裂与红河断裂之间,是中国大陆地震活动最强烈的地块之一(张培震等,2003).印度板块与欧亚板块的碰撞、青藏高原的东向挤出使得这一区域构造变形强烈,形成了一系列的褶皱带和夹杂其中的大小盆地(图 1).其中,盐源盆地位于木里-盐源构造带前锋带上,是一个较为典型的构造逸出盆地(李勇等,2001).地形地貌上,盐源盆地四周被海拔3000 m以上的高山环绕,显示为“两山夹一盆”构造;中间为晚第三纪盐源盆地;南部以盐源断裂与前缘金河-箐河弧形构造相连,地貌反差大;北部与后缘小金河-锦屏山弧形构造相连.盐源盆地内部地震活动性较弱,且在盆地南部存在盐矿(李金锁等,2001),显示出盐源盆地是川滇块体整体活跃的地质环境中一个相对稳定的小块体.
研究盐源盆地内部及周边的精细结构,可以帮助我们更好的理解盆地的成因,并以此为窗口探讨相对稳定块体在青藏高原侧向挤出过程中的表现.为研究盐源盆地的浅层精细结构、探讨盆地成因,中国科学院地质与地球物理研究所和中国地震局地球物理勘探中心合作,在盐源盆地及其周边山区布设盐源短周期密集台阵,对该地区的浅层结构进行研究(图 1).
盐源台阵共有台站209个,密集布设于盐源盆地及其周边山区约40 km×60 km的菱形区域内.台阵使用的短周期地震仪为EPS-2型三分量短周期地震仪,频带宽度0.2~150 Hz,采样率200 Hz.台站布设间隔约2 km,观测时间自2017年6月4日至2017年7月10日,单台最长观测时间36天,最短18天.利用台阵背景噪声记录及观测期内的地震记录对台阵所有台站进行了时间轴检测(田原等,2019),排除了17个时间轴异常的台站,使用剩余的192个台站进行下述噪声源的分析研究.
2 盐源台阵单台噪声水平分布背景噪声互相关计算利用的是噪声波场的相干性,密集台阵中分布的多个单台实现了对空间位置的密集采样,可在一定程度上对噪声波场进行描述.单个台站的噪声强弱随频率的分布,以及该分布随时间的变化,可描述该点的噪声特征.利用密集台阵,可以基于背景噪声本身对台阵记录到的波场进行描述.
台站连续记录的功率谱密度(Power Spectrum Density,PSD)可以度量台站记录的噪声水平,分析台阵各处背景噪声场的强度和分布特征.我们利用McNamara和Buland(2004)提出的基于概率密度的噪声功率谱计算方法计算了盐源台阵中所有台站垂直分量记录的PSD曲线.台站原始记录被分成1 h的数据段,每个1 h数据段的PSD值由长度15 min、移动步长5 min的移动时窗的PSD值平均得到,并在频率轴以1/8倍频为间隔进行平滑后,在功率谱轴以1 dB为间隔进行量化统计.我们计算了每个台站所有1 h数据段的PSD值及其概率密度,并对噪声功率谱密度的时空分布特性加以分析.
图 2给出了一个盆地北部山区的台站及一个盆地南部低海拔台站的典型PSD分布图(台站位置见图 1).山区台站1213的整体PSD值较低,为-140 dB左右,在0.1~10 Hz范围内均处在高噪声平均水平线(NHNM)以下,且各个频率的PSD分布宽度较窄,展示出较为稳定台站噪声水平.南部台站1329的PSD曲线大部分低于NHNM线,但1~10 Hz部分的PSD值明显高于基岩台站,且1~5 Hz有部分时间段的PSD曲线高于NHNM线,说明该台站在较高频段噪声水平较高.我们计算了两个台站记录不同频带内的PSD值随时间的变化,可以看出,在2~10 Hz频带内,台站1329的PSD值随时间呈现明显的昼夜变化,每日6:00-22:00的平均噪声强度比23:00至次日5:00高出约15 dB左右,说明该台站处的高频噪声源与当地的人类活动高度相关.1~2 Hz的噪声强度同样有一定的昼夜变化,但昼夜差小于10 dB.1 Hz以下,噪声强度相对稳定,说明此频带的主要噪声来源与人类活动关系较弱.而对于北部山区台站1213,噪声强度均保持很低的水平且不存在明显的昼夜变化,噪声水平最低的频段为0.5~5 Hz.
密集布设的台阵可以刻画噪声强度在空间上的分布特征.对于每个台站,我们利用不同频段PSD的平均值代表该台站在某一频段的噪声水平.图 3展示了盐源台阵0.5~2 Hz以及2~10 Hz两个频带噪声强度的空间分布.在两个频带上,噪声强度均呈现了北低南高的特点,其强度分布不均匀(图 3a, b).单台噪声强度较高的地方集中在台阵中部以及台阵南部盐源断裂附近.人为活动形成的噪声往往具有明显的昼夜差异,因此可通过昼夜噪声水平差值的分布来估算单台噪声水平受人为活动影响的程度.图 3e给出了台阵2~10 Hz噪声水平昼夜差值的分布,差值较大的台站位于台阵中央及南部盐源断裂沿线,昼夜差值最大处位于台阵正中央,其值可达到16dB.昼夜差值较大的区域沿盐源断裂及河谷分布,与盐源盆地内人群聚居区范围类似,同时也与盆地的与高噪声区域范围接近,但形态略有区别.这说明人类活动是产生2~10 Hz噪声的重要原因之一.而0.5~2 Hz频带的噪声昼夜差值的高值区形态与2~10 Hz类似,但其值明显小于2~10 Hz(图 3f),说明人类活动对2 Hz以下的噪声也有一定影响,但影响程度较低.图 3c及图 3d给出了台阵2~10 Hz、0.5~2 Hz噪声水平在夜间(22:00至次日6:00)的分布情况.可以看出,在尽量排除了人类活动的影响之后,两个频带的高噪声区形态更为接近,噪声水平较高的区域集中至台阵南部盐源断裂附近,噪声强度最大处位于盐源断裂拐角处.夜晚高噪声区的形态接近盐源盆地内现今松散沉积层存在的区域(四川省地质矿产局,1972),说明盐源台阵的单台噪声强度除与人类活动密切相关外,还可能同时受控于盆地内松散沉积物的分布(Malagnini et al., 1993).综上所述,盐源台阵的单台噪声水平在空间上呈现出北低南高的特点,噪声水平同时受到当地人类活动及台站下方松散沉积分布的影响,人类活动产生的噪声主要集中在2 Hz以上,而松散沉积层在各个频带均可造成噪声水平的升高.
当背景噪声源均匀分布时,噪声信号在两个台站互相关形成的干涉信号可表征在其间传播的地震波信号(Wapenaar,2004; Lobkis and Weaver, 2001).其信号的到时反映了信号类型及其在台站间的传播路径,其强度表征了信号相干性的强弱.当噪声源分布不均匀时,也可能产生多种类型的非收敛信号(Snieder,2004;王伟涛等,2012).因此NCF的信号波形,可显示背景噪声场的复杂程度,其主要能量反映了相干性噪声的强度和分布特征.
采用Bensen等(2007)的方法获取台站间的互相关函数.基于整个台阵的分布情况,仅关注0.2~2 Hz频带内的互相关函数.首先将台站的三分量原始数据剪切为1天长度的数据段并重采样至5 Hz,再对每个数据段进行去均值、去趋势处理并去除仪器响应.接下来,对每个1天长度的数据,取每段长20 min、移动步长10 min的小时窗,在每个时窗中使用剪切阈值法进行时间域归一化,并在0.2~2 Hz频率范围内进行谱白化处理.最后,对台站间所有20 min时窗进行互相关计算,并叠加成为两台站间的噪声互相关函数.
图 4给出了盐源台阵内部台站间互相关函数的整体情况.我们将盐源台阵所有台站对的互相关函数正负分支叠加,以提高信噪比.叠加后的信号按照台间距进行排列,并将台间距差别1 km以内的互相关函数进行叠加平均,进一步对信号进行增强.这种叠加方式压制了互相关函数中随方位角变化的信号的强度,因此更容易观察到整个区域面波传播的情况.我们在单台噪声强度的分析中已经看到,盐源台阵南部和北部的噪声强度以及日变特征均有所差异,因此我们在互相关函数叠加时,将台阵分为南北两个分区(台阵分区见图 1),图 4(a-c)及(d-f)分别给出了北部及南部台站不同频段互相关函数的叠加结果.
0.3~0.5 Hz频段中,台阵南部和北部均能看到明显的面波信号,该信号传播视速度在1.8~3.5 km·s-1之间,应为基阶Rayleigh波,Rayleigh波最清晰的台间距范围是20~50 km.北部台站NCF中的Rayleigh波信号强度高且一致性强,说明北部台站的噪声波场中相干性成分较多,有利于NCF中信号的提取.相反的,南部台站的Rayleigh波信噪比略低,不同台间距的面波速度和波形都存在较大差异,表征了较为复杂的噪声波场.台阵南部存在沉积盆地与山区交错的复杂地形,在沉积层和山区的交界区,面波的散射、反射和转换也会加强噪声波场的复杂性,使得相干成分弱化,不利于高信噪比信号的提取.
0.5~1 Hz的情况与0.3~0.5 Hz类似,北部台站可在10~40 km台间距范围内观测到清晰的Rayleigh波,而南部台站未见明显的Rayleigh波.在这一频段内,Rayleigh波信号到达之前的窗口内出现了一些较强的前驱波信号.在高频条件下,一些局部的噪声源(如稳定的人文噪声、散射体)会加剧波场的不均匀性,从而使得NCF中的波形趋于复杂.同时,高频的信号传播受到浅层结构的不均匀性影响较大,进一步增强噪声波场的不均匀性,从而产生一些非收敛信号.该频段内NCF信号的复杂性可能是由这两个因素共同作用的结果.
1 Hz以上的互相关函数主要反映了地球表层百米深度内的结构信息,因此面波速度较低、波长较短.为确保叠加时保留了面波信号的信息,将台间距500 m范围内的互相关函数进行叠加,且只关注台间距10 km以内的叠加结果.由图 4c及图 4f中可以看出,北部台站可以看到传播速度在1.2~3.5 km·s-1之间的高频面波,南部台站互相关函数形态复杂,由多个疑似面波信号的波形存在,难以确认真正的基阶面波.
4 盐源台阵背景噪声源的方位分布特性NCF中信号的强弱是相干噪声强度的表征.在NCF中一般含有以0时刻对称的两个半轴的波形,分别表示一个台站对上的因果和非因果信号.由波场的稳相近似理论,对台站间NCF信号提取贡献最大的是台站对连线上在台站后方的稳相区域内的噪声源(Snieder,2004).利用此性质,可对相干噪声强度的方位分布进行分析.
利用盐源台阵背景噪声互相关函数在不同方向上的信噪比(SNR)来估计噪声源的方位角分布特性(Tian and Ritzwoller, 2015).互相关函数在某一中心频率上的信噪比定义如图 5所示.台站间的互相关函数在进行窄带滤波后,选取合适的信号窗和噪声窗,信噪比定义为信号窗内最大振幅与噪声窗内振幅方均根的比值,即
(1) |
根据图 4的结果,认为盐源台阵中Rayleigh波在1 Hz以下的传播速度介于1.5~3.5 km·s-1之间,而1 Hz以上受松散沉积影响,传播速度介于0.5~3.5 km·s-1之间.因此我们取互相关函数的信号窗为1.2倍最大速度到时至0.8倍最小速度到时之间,即
(2) |
噪声窗则取信号窗后20 s,长度40 s.
对于每个台站,我们利用扇形图来表达各个方向传播至台站的背景噪声的强度.绘制每个台站的扇形图时,首先计算以此台站为接收台站、其余台站为源台站的单侧互相关函数的信噪比.其次,为保证信噪比计算的准确性,剔除干扰信号,根据图 4的结果,只选择特定台间距范围内的台站所计算的信噪比,不同频率所选择的台间距范围见表 1所示.最后,对所有选择的信噪比进行几何扩散效应校正,并将每20°方位角范围内的信噪比进行平均.扇形图中,每个小扇形所指方向为噪声源所在方向,扇形条带的颜色表示该方位角范围内满足条件的信噪比的平均值,代表了由扇形条带所指方向传播至台站的噪声源的强度.
图 6-8展示了三个不同的频带(0.3~0.5 Hz,0.5~1 Hz,1~1.5 Hz)上盐源台阵所有台站的信噪比扇形图,每个频带的信噪比值由该频带内所有单频信噪比值平均得到.所有频带中,南部台站在不同方向的整体信噪比均低于北部台站.结合图 3的单台噪声强度结果及图 4的互相关波形结果,南部台站单台噪声较大、互相关波形复杂且信噪比较低,而北部则单台噪声低、互相关波形简单且信噪比高.这说明盐源台阵的高频噪声互相关函数受局部噪声场的影响较大.信噪比显示了背景噪声场中相干性信号的强弱.台阵南部的人为活动较为剧烈,其局部的噪声来源更为复杂.台阵南部的松散沉积层也对局部的噪声存在放大作用.同时,盆地边缘结构所引起的信号的反射、折射作用也进一步加剧了噪声场的复杂性,从而降低了互相关函数中面波信号的整体信噪比.
我们计算了整个台阵在每个频段上信噪比随方位角分布的统计结果.图 9a给出了每个方向上NCF的平均信噪比,图 9b则给出了每个方向上信噪比大于10的NCF占该方向全部NCF的比例.0.3~0.5 Hz频带上,信噪比较大的方向集中在160°~200°附近,120°~240°的范围内信噪比大于10的NCF比例占到50%以上,说明该频段内,来自台阵南侧的噪声强度最大.0.5~1 Hz频带整体的信噪比较低,各个方向的平均信噪比均在10以下.噪声较强的方向有两个,一个在160°~200°附近,与0.3~0.5 Hz一致,另有一个较弱的峰值在0°~40°,说明在0.5~1 Hz频带内,最强的噪声源分别来自于台阵南侧以及台阵北偏东方向.而在1~1.5 Hz频带,噪声强度呈现明显的多极化,出现了四个较弱的峰值(0°~20°,100°~120°,180°~220°,280°~300°),且台阵不同的子区域内,信噪比最大的方位角各不相同.这说明在这一频段内,相干噪声的方位分布较为复杂,可能是由多个分散分布的局部高频噪声源引起的.我们将不同频带的相干噪声源优势方向与观测期内台阵周边的微小地震震中(图 1a)进行了对比.观测期内台阵周边发生的地震较少,较近的地震主要发生在台阵北侧,较远的两个地震集中方向为台阵西北方及东南方.然而,三个不同频带的相干噪声源的优势方向主要为南向及东北方向,与微小震震中分布没有很强相关性.
NCF中波形的变化可以清晰的显示对应的相干噪声源的特性和随时间的变化.我们选取了两个均处在台阵北部基岩上的台站(1285,1501,位置见图 1),观察两台站间的互相关函数是否随时间变化.图 10给出了两台站间每日的互相关函数及所有观测时间叠加的互相关函数.我们可以清楚地看到,在0.3~0.5 Hz频带,每天的互相关函数相似度很高,非因果分支(台站1501为源)Rayleigh波能量强于因果分支(1285为源),与该频段噪声源方向分布特性的研究结果相吻合.零点附近的稳定强能量可能对应着远场体波噪声源在互相关函数中产生的视速度极高的近垂直入射信号(Wang et al., 2018).在0.5~1 Hz频带,每天的互相关函数变化较大,其中Rayleigh波在每天的互相关函数中有较明显连续性,非因果分支信号振幅大于因果分支,但仍有振幅明显的干扰信号存在与互相关函数中.0.5~1 Hz的互相关函数叠加结果中,Rayleigh波信号变的更加清晰,但干扰信号并未完全消除,说明在这一频带内,噪声互相关函数的长时间叠加虽能改善噪声分布的不均匀性,提升Rayleigh波的信噪比,但仍不能使得噪声源完全分布均匀.结合噪声源方向性的研究结果认为,0.3~0.5 Hz及0.5~1 Hz中的稳定噪声源主要来自于台阵的南侧,很可能是来自于印度洋的地球第二微震.由于盐源台阵远离海岸线,第二微震的能量较弱,因此在0.5 Hz以上的高频信号中,不均匀的局部噪声源强度在某些特定方位可能高过地球第二微震,造成互相关函数中较明显的前驱波和尾波信号.
利用短周期背景噪声数据互相关的方法研究浅层精细结构是背景噪声方法的最新发展方向之一,使低成本、大规模、高分辨率的浅层结构探测成为了可能.然而,相对于低频背景噪声主要为来自海洋的稳定能量,高频背景噪声的噪声源成分更为复杂,其在NCF中产生的信号也较为复杂.对高频的噪声源进行分析,是获取可靠的后续结果的基础.
本文利用直接基于噪声的噪声水平评估以及基于NCF的相干噪声分析两种方法,对布设于川滇地区盐源盆地的短周期密集台阵记录到的噪声波场进行了分析.结果表明,盐源台阵的噪声水平空间分布不均,整体呈现北低南高的特点,南部高噪声区主要分布于盐源断裂周边.台阵噪声水平可能同时受控于台站下方松散沉积层的分布以及当地的人类活动,其中沉积环境对各个频段的噪声水平均有影响,而人类活动导致的噪声升高主要发生在2 Hz以上.各台站NCF的整体信噪比与台站噪声水平存在一定相关性,噪声水平较高的台站处,NCF信噪比较低.而基于NCF信噪比的相干噪声源分析结果表明,台阵中传播的背景噪声面波信号主要为Rayleigh波,产生Rayleigh波的相干噪声源的方位分布特性在不同频带有较大区别:0.3~0.5 Hz的噪声源强度较为稳定且几乎不随时间变化,最强噪声源来自于台阵的南侧,可能是来自于印度洋的地球第二微震噪声源;0.5~1 Hz的相干噪声源强度较低,有两个优势方向,其中较强的一个来自于台阵南侧,可能与0.3~0.5 Hz的噪声同源,较弱的一个来自于台阵北偏东方向;1~1.5 Hz的背景噪声有四个较弱的优势方向,在台阵的不同区域有不同的优势方向,可能受到不同的局部噪声源的控制.
对于一个台阵来说,相干噪声场的强度决定着NCF信号的强弱,只有当相干噪声场较强且分布较为均匀时,我们才能从NCF中获得稳定清晰的经验格林函数,进而获得准确的结构信息.盐源台阵的高频背景噪声波场复杂,NCF信噪比相对较低,其可能原因主要有两方面:一是盐源盆地周边的主要高频噪声源较复杂,这其中可能既包含了来自海洋的稳定相干噪声源,也包含了强度不容忽视的局部噪声源;二是盐源盆地的整体速度结构复杂多变,南部松散沉积放大了本地噪声,降低了NCF的信噪比,同时南部盐源断裂附近的沉积层及盆山边缘结构可能产生较强的散射、折射波场,进一步提升了该处NCF中信号的复杂度,产生干扰Rayleigh波的信号拾取的不稳定震相.复杂的背景噪声波场导致盐源台阵的NCF中除了相对稳定的Rayleigh波信号外,还可能存在较强的前驱波与尾波信号,这些均可能对Rayleigh波的信号拾取产生一定的干扰作用.分析复杂的高频噪声波场对NCF信号收敛性以及频散曲线提取的影响,仍需要开展进一步深入细致的工作.
利用短周期密集台阵资料开展浅层结构成像工作是一种研究浅层结构的全新尝试,然而在具体区域应用实施中仍存在需要解决的问题.本文的研究发现,局部人类活动噪声、稳定相干噪声源强度及局部地形和速度结构均能够影响高频背景噪声互相关函数中基阶Rayleigh波信号的信噪比,从而影响后续成像工作的准确性.为提高信噪比,可考虑延长观测时间并使用夜晚时段的观测资料以避免局部人为高频噪声干扰,同时通过非线性加权方式对相干信号进行强化(Li et al., 2018).对于远离海洋噪声源的内陆区域,相干噪声源较弱,此时需格外关注局部不均匀噪声源对台站互相关函数产生的可能影响.同时,对于松散沉积结构及地形变化剧烈区域,避免单独使用高频噪声互相关方法研究浅层速度结构,应考虑多种数据的联合应用.
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