2014, Vol. 29
2. 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室, 长春 130061
2. Key Laboratory of Geo-Exploration and Instrumentation of Education Ministry, Jilin University, Changchun 130061, China
从传统意义上来看，地震成像是通过天然地震或人工地震激发的地震波来实现.然而，天然地震分布不均匀，严重制约了地震成像分辨率的提高；人工地震成本高，且在一些区域难以执行，也影响对地下介质的研究.而地震背景噪声被认为是一种无成本、稳定且持续的天然源，于是研究者开始了用背景噪声信号研究地球内部构造的新探索.
背景噪声成像(Ambient Noise Tomography，ANT)即通过对两个台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算以提取台站间的格林函数，获取面波频散特征，并进一步通过层析成像获得地球内部的速度结构.在密集台阵地区，ANT可以获得高分辨率的地壳横波速度结构及各向异性，进而更好地约束地下介质的形变状态.该技术广泛应用于全球多个地区，其成像结果很好地揭示了地下结构分布特征.此外，利用背景噪声进行互相关计算得到格林函数，对格林函数中提取的面波或尾波信号计算相对波速变化，从而达到检测地下结构的目的.目前，该方法已经应用于地震(Xu and Song， 2009;Chen et al., 2010;刘志坤和黄金莉，2010;赵盼盼等，2012)、火山(Brenguier et al., 2008a)和断层(Wegler and Sens-Schönfelder，2007; Brenguier等，2008b)等方面的监测.研究壳幔的速度结构及介质波速的变化对于了解该区域构造特征及深部动力学机制等具有重要意义.
对背景噪声的研究是一项颇具有经济和社会效益的研究性课题.背景噪声不需要天然或人工震源激发信号，尤其适合人口密集和建筑集中的城市地区，而且台阵分布比较密集，所以可以达到较高的分辨率.背景噪声技术无疑是一种既廉价又环保且精确度较高的方法，从而成为近些年来研究的热门.本文将介绍背景噪声研究地下结构应用方面的新进展，先介绍了地震背景噪声应用的发展历史，进而重点介绍利用背景噪声对地下进行浅层结构成像和对地下结构进行监测的应用研究，此外，本文也分析了目前背景噪声应用面临的问题，并展望了其发展前景. 1 背景噪声应用历史发展概况
地震背景噪声是由多种不同的、空间分布不确定也互不相关的连续源产生的杂乱无章的信号，没有固定的相谱，它的产生是一种平稳随机过程.在以往的地震数据处理研究中，背景噪声常常作为噪声信号被删除、压制.而近些年地震学及其他学科研究表明，背景噪声中包含地下介质的信息.该想法最早可追溯到20世纪50年代，当时地震学家Aki(1957)提出了用地震背景噪声研究地下结构的设想.随后，Claerbout(1968)提出用噪声来构建反射波剖面，并认为传输地震图的尾波中包含着地层中的重要信息.该想法第一次成功地在太阳地震学领域应用，Duval等(1993)对太阳表面的随机振动记录进行互相关计算，提取了太阳表面的时距信息.随着研究思路的扩展，对背景噪声的研究逐渐转移到能否从背景噪声互相关中得到格林函数的思想上来，而对此思想的研究是从超声学开始的，在声学试验中，人们使用检波器能够记录到持续不断的热噪声(Thermal Noise)，Weaver和Lobkis(2001)发现一个铝块上两个点所记录的热噪声的互相关函数与这两点间的格林函数几乎完全相同，而且它清晰地反映出铝块的内部结构.两位学者给出的理论解释是超声波场的离散模式展开以及热噪声在波场中自身具有弥散性.用背景噪声进行互相关计算得到格林函数的思想在声学、海洋水声学等领域研究中得到应用并相继实现.
在地震学领域中，由于地球热噪声信号难以寻迹，于是Campillo和Paul(2003)选择了与热噪声性质相似且具有热噪声的弥散性的地震尾波(Coda Wave)，通过对间隔数十千米的101个台站相同时段记录的地震尾波进行两两互相关计算，提取了台站间的格林函数，其结果与理论模型合成的格林函数相一致，这也证明了散射波场可以提取地震面波，但是地震尾波依赖震源，资料获取受时间和空间的限制，因此该方法的研究难以继续有大的发展.所以研究者便将目光转向了时刻都在发生的“背景噪声”，背景噪声具有尾波无法比拟的优势，具有可重复性和时间上连续稳定的特点，非常适合做互相关处理，因此研究者们希望通过噪声反映出地下特征的信息.Shapiro和Campillo(2004)对100~2000 km台站对之间垂直方向的连续地震噪声数据进行了互相关运算，提取出了台站间的面波格林函数，并测量了瑞雷(Rayleigh)波的群速度频散曲线.频散曲线携带了面波所经过路径的介质信息，利用面波频散对地球介质的性质及结构进行层析成像，也就是传统的面波层析成像.因此在获取频散曲线的基础上，Shapiro等(2005)首次获取了微震频带内Rayleigh波群速度背景噪声层析图像，并从实践上证明这样提取到的信号与两个台站间的格林函数只有幅度上的差别.他们根据California的62个美国台阵(USArray)台站30天记录的地背景噪声数据进行了台站对之间的互相关计算，用时频分析(FTAN)法提取7~18 s的频散曲线，进一步获取7.5 s和15 s周期的面波速度成像图，其水平分辨率为60~100 km，结果反映了该区主要的地质构造特征.背景噪声的应用首次以图像的方式直观清晰地显示地下物质属性.背景噪声应用方法的数值试验也紧随被证明(Nakahara，2006).从此，背景噪声的应用受到极大关注，在世界各地区开展了一系列利用背景噪声研究地下结构的系统应用.
2 利用背景噪声研究壳幔波速度结构的应用
2.1 背景噪声成像
地震背景噪声(Ambient Seismic Noise)可以看做是一种来自于地球内部的特殊波，通过地球介质散射被地震仪器所记录.它也可以看成是一种非地震源产生的波，这种波的源比较复杂，比如海浪拍击海岸、大气压变化、人类活动和火山活动等，且噪声源的分布具有明显的季节变化特性.目前，背景噪声源的位置、传播方向、能量等可以大致确定，但其产生以及传播振动的机理缺乏足够的理论和应用研究基础.
背景噪声成像(ANT)是通过对两个台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算，提取台站间的经验格林函数(EGF)，然后获取面波频散特征，并进一步通过层析成像获得地球内部的速度结构.该方法应用时应计算各周期全部EGF的信噪比(SNR)，选取SNR大于7的数据，同时去除台站间距小于3倍波长射线路径的数据，以便得到稳定可靠的频散曲线和层析成像结果(房立华，2009).背景噪声成像法是目前地震学层析成像领域的前沿方法，该方法已经广泛应用在地壳和上地幔的面波层析成像上，与传统的面波层析成像方法相比，它含有丰富的短周期频散数据，因此大大提高了对地壳浅层结构的分辨能力;且可以获得较均匀的射线分布，分辨率更高；其横向分辨能力主要取决于台站间距(房立华，2009)，区域尺度一般可达几十公里左右，明显高于传统的面波层析成像方法.只要有数量足够、分布均匀的宽频带地震台，在一些地震活动性较弱的地区也可以展开高精度的成像研究.
2.1.1 壳幔群速度和相速度结构的反演
利用背景噪声进行互相关计算，提取面波格林函数，进而反演不同周期壳幔速度结构，所得的成像结果很好地掲示了地下结构分布特征.近年来该方法广泛用于全球多个地区地壳速度结构的研究.根据此方法，在国外，Yang等(2007)得到了整个欧洲大陆10~50 s周期的Rayleigh波群速度频散.Bensen等(2008)利用布设在美国、加拿大南部和墨西哥北部的包含垂直和水平分量的203台宽频地震仪从2003年3月到2005年2月接近24个月的地震噪声数据来进行美国地区的背景噪声成像，得到的频散图与已知地区的地质结构吻合，获得了美国大部分地区的地壳和上地幔结构新信息.Stehly等(2009)得到了西欧地区周期为5~80 s的Rayleigh波群速度图，并进一步反演了Moho面深度.在数据处理方面，Bensen等(2007)介绍了由背景噪声数据得到宽频面波频散曲线的处理流程：(1)单台数据预处理；(2)相邻台站地震背景噪声互相关计算与叠加；(3)频散曲线的测量；(4)质量控制和误差分析；(5)面波层析成像.该处理方法比较完整灵活且适应性好，此后的噪声层析成像研究多参照了这一套方法.理论和实验研究是相互促进的，Gouédard等(2008)详细阐述背景噪声可以进行层析成像的原因和方法，同时也证实了散射波中的体波也可以层析成像.
在国内，Zheng等(2008)首次在中国利用背景噪声进行大陆范围的层析成像，他们用CNSN台网的47个台站和大陆周边IRIS台网的12个台站记录的18个月的连续波形数据做互相关，并利用FTAN法提取了8~60 s的Rayleigh波群速度频散曲线，成像分辨率可达约1°.实验结果所得的短周期(10~20 s)群速度分布勾勒出主要盆地的形态，30 s周期群速度分布与地壳自东向西增厚的趋势相吻合.该研究也分析了频散曲线的时间和空间稳定性，沿相似路径的频散曲线和不同时间段叠加的频散曲线彼此间形态基本一致，表明用背景噪声可以提取到可靠的面波信号.随后，房立华等(2009，2010)获得了华北地区4.5 s、12 s、20 s、28 s和7 s、12 s、16 s、23 s周期的Rayleigh波群速度分布图像.背景噪声中不仅包含Rayleigh波，还包括能量很强的勒夫波(Love Wave)，通过Rayleigh波和Love波反演频散曲线可获得SV波和SH波的速度结构，再通过比较这两种剪切波的速度差异可研究壳幔介质的各向异性，因此Love波层析成像也受到关注，房立华等(2013)得到了华北地区4~30 s的Love 波群速度分布图像，分析了不同区域的勒夫波频散特征差异和地质含义.以上研究均是用背景噪声数据做互相关计算，然后用FTAN法获得频散曲线，最后反演群速度图像，得到的速度图像均成功显示对应研究地区地壳内部是否存在横向不均匀性，且不同周期的群速度分布反映不同地壳内部形态，同时研究者分析了地壳内部出现速度异常的原因.目前，背景噪声成像的方法进行群速度反演已成功应用于东北地区(高东辉等，2011；潘佳铁等，2014)、福建地区(梁富华等，2012)、大陆中东部(郑现等，2012)、华北地区(唐有彩等，2011；施程成等，2014)和广东省东部地区(黄元敏，2012)等.其中梁富华等和黄元敏等用该方法分别获得了福建地区周期为3~5 s和广东省东部地区周期为5~15 s瑞利面波群速度的分布图像，这两次研究是周期短且周期范围小的研究.近年来中国中东部地区建立起来的数字地震台网台站数量多，水平分辨率以及垂向分辨率都将会有所提高.利用此优势，郑现等(2012)反演了中国大陆中东部地区周期为8~50 s，分辨率可达0.5°的层析成像图.以此研究为例，郑现等(2013)用沿相同路径的格林函数与地震信号对比和空间一致性两种检测方法，证明了此研究得到的经验格林函数和频散曲线是可靠的.此外，也对叠加时长和时间稳定性进行了分析，对使用不同长度时间序列互相关进行叠加后EGF大于10的路径数目进行了统计和讨论，为以后的研究提供了借鉴.
除了利用面波群速度频散信息进行层析成像外，面波相速度频散资料也被广泛用于层析成像.因为群速度频散依赖于振幅信息，所以其频散信息可能被振幅谱失真所影响，而相速度频散信息与振幅无关，避免了振幅失真所带的影响.在理论上讲，从背景噪声互相关中提取的相速度信息等同于真实的格林函数.Yao等(2006)证实了可以利用经验格林函数来求取Rayleigh面波相速度，改变了之前仅可以求取群速度的历史.在此基础上，Lin等(2008)对美国台阵(USArray)的250个地震台站记录的地震噪声互相关计算得到5~40 s的Rayleigh波与Love波相速度频散曲线，对美国西部地区进行了Rayleigh波与Love波相速度层析成像，并提出用噪声成像来研究方位各向异性的发展趋势.在国内，李昱等(2010)和周龙泉和吉平(2012)分别对川西地区和台湾地区进行相速度成像，成像结果均具有显著差异和各自不同特点，且不同周期的相速度分布均成功揭示了相应的地表特征.Snieder(2004)假设背景噪声源均匀分布，证明了两台背景噪声互相关函数的负导数的相位确实与两台间介质的格林函数相位相同.而实际测量表明，对于群速度信息，基于任何假设都不会影响其测量结果，即在可比较的频率范围内，所作的群速度测量结果与传统依赖震源的方法测量结果基本是一致的，但对于相速度的测量却不同，因为相速度测量需要具体理论相位表达式，不同的假设将会导致不同的测量结果.基于此问题，朱良保和王清东(2011)从弹性动力学面波激发公式出发，推导出了地震背景噪声互相关函数叠加的面波理论表达式，提出了等价震源相位，并且给出了估算等价震源相位以及相速度测量误差的公式.据此可测量更为精确的相速度.以上研究成果以事实颠覆了人们长期以来认为噪声无用的认识，确立了无源成像(Passive Imaging)的概念.为结合天然地震面波反演地壳和上地幔剪切波速度结构奠定了基础.背景噪声的应用提高了地震成像结果的水平分辨率及垂向分辨率，而且对地震活动性较低地区的精细地下结构的研究更为便利、精准.
2.1.2 上地幔三维剪切波(s波)速度结构的反演
从反演结果视觉上看，二维面波速度图像只反映了某一深度以上地质构造的平均特征，在通过速度图像分析地下横向不均匀性时不够直观.为了得到更直观的随深度变化的速度结构，更好的分析地质构造，需要进一步反演地下的三维速度结构.房立华(2009)在获取频散曲线的基础上，利用非线性法反演得到了每个网格下方0~50 km深度范围的横波速度分布，构建了华北地区的三维剪切波速度结构.Nunziata等(2009)在意大利Napoli地区对记录的数据进行了噪声互相关计算，并应用FTAN与非线性反演得到剪切波的深度剖面.以上两次研究均是用非线性法反演三维剪切波速度结构的.由于地球内部的速度结构与面波频散之间是一种高度非线性的关系，非线性反演方法适于求解该类问题，但随着计算能力的提高和数值计算方法的改进，Herrmann线性反演方法在反演三维剪切波速度结构中得到更多的应用，Sun等(2010)基于背景噪声面波用Herrmann线性反演方法反演了中国大陆地壳上地幔剪切波速度结构.他们在Zheng等(2008)研究的基础上增加了20个周边地区全球和区域性宽频带地震台和96个西藏和四川盆地的PASSCAL流动台站，改善了研究区的射线覆盖率，得到中国大陆相对更高分辨率的10~60 s瑞雷波群速度、相速度分布图，并进一步得到了深至地下约100 km的中国大陆地壳上地幔剪切波速度结构.Zheng等(2010)使用了中国数字地震台网的160个省级台站从2007-2009年的数据，提取了6~35 s的Rayleigh波相速度频散曲线，反演得到相速度分布图，并进一步得到深至地下50 km的剪切波速度图.刘丽等(2012)首先对河北及郊区采用多重滤波方法提取了台站对5~50 s的面波群速度频散曲线，然后用Herrmann线性反演方法反演了剪切波速度结构.
以上研究均利用背景噪声进行互相关计算提取出面波频散信号，对研究区进行群速度成像、相速度成像，进而得到该地区的三维剪切波波速度结构图像.研究成果直观显示了三维剪切波波速度结构与地质构造单元及其演化过程的关系，为对应区域深部动力学研究提供科学依据.
2.1.3 背景噪声成像和其他方法联合层析成像
采用ANT方法可以在台站分布较密集地区得到分辨率较高的浅层速度结构，但得不到深层的结构信息；从地震面波中可以提取长周期面波频散资料，进而反演得到深层结构，但由于面波的固有衰减和散射难以获得浅层的结构信息.为了弥补以上两种方法各自在反映深度上的不足，近年来研究者开始采用ANT法和地震面波成像的方法相结合来反演地壳及上地幔顶部的速度结构.例如Yao等(2006)亦采用ANT法和地震波双台分析法(TS)相结合进行了实验.基于布设在青藏高原东南部的四川、云南省的25个临时宽频地震台站和昆明市的一个永久性台站，所用台站记录了2003年9月到2004年10月的地震噪声数据，通过这些噪声数据提取格林函数求得10~50 s的Rayleigh波相速度频散曲线，然后利用传统的TS方法得出20~150 s Rayleigh波相速度曲线，进而得出水平分辨率100 km的地壳结构.随后Yao等(2008)再次使用ANT法和TS法联合反演西藏东南部速度图像.数据为研究区25个分布密集的台站记录到的2004年第二季度的连续波形和自2004年起Mb>3的地震资料.其中，由经验格林函数得到10~30 s Rayleigh波相速度分布图，由TS法得到20~120 s相速度图像.根据10~120 s的相速度图研究了西藏东南部地壳上地幔地质结构，ANT法和TS法相结合很好的弥补了地震层析成像法反演地壳浅部结构分辨率差的缺点.结果表明，利用ANT技术和TS法分别得到的相速度在相同周期下的差值几乎为零，但标准周期随着周期的增大而增大，这证明在短周期下利用背景噪声互相关求取面波相速度频散曲线的方法是稳定可靠.Yan(2008)等结合ANT法和多重平面波层析成像(Multiple Plane Wave Tomography，MPWT)方法得到了美国西部更加精确的地壳和上地幔结构图像.ANT方法和MPWT方法分别给出6~40 s和25~100 s的相速度图，最后得到8~100 s的宽频带Rayleigh波相速度图，达到了当时前所未有的精度.同时根据面波相速度反演出各向同性介质3-DVs速度模型，深度达到150 km左右，得到的结构特征与已知地质结构有着高度的一致性.随着USArray的滚动台站在曼联州的均匀移动，应用这种方法可以获得整个美国地区的地壳和上地幔结构细节.此后Moschetti等(2010)又一次应用了这两种方法结合的方式构建了美国西部地下的3-DVs模型.
近几年，也有研究者将ANT法与其他地震成像方法结合进行研究.Zhou等(2012)利用ANT法和程函成像法联合反演华南地区地壳上地慢结构.他们使用华南地区354个地震台站2年的背景噪声数据和地震数据分别反演了6~40 s和25~70 s Rayleigh群速度、相速度分布图，并反演华南地区深至地下150 km的地壳上地幔剪切波速度结构.李姣姣(2012)分别应用背景噪声及地震面波提取的5~30 s和25~70 s瑞利面波群速度频散曲线，采用层析成像方法反演获取东北地区 8~70 s瑞利面波群速度分布，进而得到研究区从浅到深直至100 km的岩石圈速度结构.接收函数对外界敏感，而面波频散对S波的平均速度结构敏感，因此，联合接收函数和面波频散反演壳幔S波速度结构，可以降低反演结果的非唯一性，使反演结果更加可靠(王琼和高原，2012).刘启元等(2010)根据川西台阵记录的背景噪声和远震波形数据，利用ANT法和接收函数法相结合，反演了川西地区(29°~32°N，100°~105°E)壳幔100 km深度范围内的三维剪切波波速度结构.Zheng等(2013)也将ANT法和接收函数法相结合反演了龙门山和周围地区的三维剪切波速度结构.
多种技术的综合能够弥补单一技术的不足，提高对研究对象的综合认识，获取更多的有效信息.联合使用无源信号和有源信号是克服单纯ANT法局限性的一种有效方法.以上研究都充分发挥背景噪声和地震面波层析成像方法各自在反映深度上的优势.噪声信号和地震信号的有效结合才刚刚开始应用，还需要更深一层的发展与研究.
2.2 对地下介质的监测
由于从背景噪声中提取的不同时段的格林函数可以保持较高的一致性，其过程具有可重复性，且台站位置是固定的，根据这些特点背景噪声互相关还发展了另外一个分支，即应用背景噪声研究波速度随时间的变化来分析地壳介质物性随时间的变化.其原理为对从格林函数中提取的面波或尾波信号计算相对波速变化.与利用重复地震和主动源研究地球内部速度相对变化相比，背景噪声方法具有明显的优势，成本低采样率高且数据连续又较容易获得，而重复地震的发生则具有不可控制的随机性；在背景噪声方法中，将某一台站视为表面虚拟震源，它不随时间变化，而重复地震的位置和震源机制都只是近似为一致.
目前，该方法已实现对地震、火山和断层的检测.Stehly等(2007)对背景噪声互相关计算得到的格林函数监测地壳属性时间变化的可行性进行了测试，认为当地震台站更密集时，观测时间较长可以用来监测地壳介质速度的变化.Xu和Song(2009)通过对印尼苏门答腊地区的3次地震(2004年12月26日，MW=9.0；2005年3月28日，MW=8.6；2007年9月12日，MW=8.5)后背景噪声互相关计算得到面波速度的时间变化.他们发现，在2004-2005年Rayleigh面波在10~20 s周期有很大的走时异常，且异常出现的时间和地点与3次地震事件相吻合，可以看出，Rayleigh波走时异常的发生来自地震后介质速度的变化，这为我们了解地震发生和地震预报提供了新的思路.在国内，刘志坤和黄金莉(2010)首次利用背景噪声研究强震前后的波速变化，根据2007年3月至2009年3月四川数字地震台网的宽频带连续波形资料，通过分析经验格林函数得到走时偏移，进而计算相对地震波速度变化并探讨了引起这种变化的原因.通过背景噪声互相关方法得到地震波速度变化反映了台站范围内的地壳介质状态及属性的变化，这有助于对地震发生规律的认识.杨润海等(2012)利用云南测震台网46个台站共31个月的连续测震记录，采用ANT法得到不同周期Rayleigh波的相速度图像，用滑动时窗得到当前不同时段Rayleigh波相速度图像，将当前速度图像减去背景速度图像，得到当前扰动图像，发现在该区域中强地震发生前，在10~25 s周期的相速度图像中，川滇菱形块体中段Rayleigh面波波速都有明显升高现象.Brenguier等(2008a)利用超过18个月记录的背景噪声来提取格林函数，并计算出相对的地震速度扰动，用来研究火山的波速变，具体结果显示：在法国Piton火山喷发前几周，面波波速有0.05%的降低.此项观测提高了预报火山喷发以及估计火山喷发的强度和对环境影响的能力.Wegler等(2007)用背景噪声做自相关来检测断层区在地震前后的速度变化，并研究了相应的应力变化.用背景噪声做自相关的方法也被用于监测震后断层的愈合过程(Brenguier et al., 2008b).
Sens-Schönfelder和Wegler(2006)提出将背景噪声方法与传统的由重复地震测量地球内部速度相对变化的尾波干涉测量法相结合.格林函数尾波包含了站台间不同散射路径的信息，相较于直达波对介质性质变化更加敏感，因此更适合用来监测介质的微弱变化，所以可以通过背景噪声提取经验格林函数，对波形的尾波进行干涉测量得到地下介质的相对速度变化.由此，Wegler和Sens-Schönfelder(2007)利用自相关函数尾波，Brenguier等(2008a)、Chen等(2010)和刘志坤和黄金莉(2010)利用互相关函数尾波来研究地下介质波速变化.其中刘志坤和黄金莉同时应用了面波和尾波信号，由尾波得到的相对走时变化的线性趋势和由面波得到的结果基本一致，这表明二者反映大体相同的空间位置的介质属性变化.
利用背景噪声检测地下介质波速变化是近几年发展很快的一种新方法.以上研究成果显示，地震发生、火山爆发前后地震波的速度均发生变化.随着研究分辨率的提高，可以分辨出板块内部更小尺度的速度异常，这也为利用观测地震波速度变化来监测地下应力的变化，进而对自然灾害进行预测提供了新思路.
3 面临问题和发展趋势
尽管国内外学者利用噪声对地下结构波速度成像和介质波速变化进行了大量的研究和系统应用，但与地球物理学中的其它方法相比，利用噪声研究地下结构的方法仍是一种尚未成熟的新方法.以下几点细节问题需要进一步处理和完善：
(1)怎样提高信号的信噪比以获得更高精度的图像，如何探测更深的地下结构以及如何提高噪声源定位精度等问题，有待更深入的研究.
(2)在噪声数据处理流程中，如何提高计算能力，如何解决计算数据量过大而耗时问题，如何使数据处理流程的更大部分进行自动化方式处理，是目前需要解决的问题.因为随着台站密集分布，数据处理流程逐渐显示出数据海量和密集计算的特点，所以提高计算能力和优化数据处理流程显得尤为重要.
(3)在数据处理中，通过反褶积算法得到格林函数的方法是否可以取代通过互相关得到格林函数的方法，是否可将反褶积算法整理成为数据处理流程的另一套方案，数据处理方法需要进一步改进，数据处理流程需要进一步完善.互相关计算得到的格林函数丢失部分幅值信息，而幅值信息是反映地下介质的重要参数，而研究表明多窗谱反褶积计算方法可获得保留相对幅值信息的格林函数(庞卫东等，2012)，而且运用反褶积算法所得的纵向分辨率高于运用互相关算法所得到的纵向分辨率(王德利等，2012).通过反褶积算法得到格林函数的方法将需要继续被验证和使用，同时反褶积算法和互相关法的运用需进一步比较其优缺点，便于合理运用.
目前，背景噪声已广泛用于地下速度结构和地下介质速度变化的研究，尤其是在介质非破坏性检测的工程中会发挥重要作用.地震背景噪声广泛研究和应用，显示了地球物理学科的创新性发展.现代的地震观测技术可以使固定台站以及流动台站进行长时间连续的采样记录.随着日益增多的区域地震台网布设和越来越多的地震台阵探测研究工作的开展，该方法还在以下几个方面得到应用：
(1)随着地震台站密度的增加，利用背景噪声互相关获得面波格林函数库，进而对中强地震震源参数精确测定，这将成为背景噪声研究的重要应用.由于背景噪声互相关得到的是真实介质的格林函数，因此可用来修正简单的波速模型，从而对地震事件进行准确的震中距定位研究，但研究者通过数字模拟实验表明当震源深度少于1 km或大于5 km，震源机制接近走滑断层、逆断层、标准常态时，用背景噪声定位震中距才最有效(Barmin et al., 2011).
(2)如何有效地从噪声中提取体波信息并用于研究地球深部构造，是否能从背景噪声中提取更多信息，对拓展背景噪声的应用有重要意义.研究发现，背景噪声中有相当一部分能量以体波的形式存在(Koper et al., 2010)，例如海洋风暴引起的噪声中含有强烈的P波信号(Zhang et al., 2009)；沙漠的噪声记录中含有折射P波并可以进行成像研究(Draganov et al., 2007).也有研究发现从噪声格林函数中可以提取P波和SmS等波体波成分(Roux et al., 2005;Zhan et al., 2010)，这些新发现为从背景噪声中或从噪声格林函数中得到体波进而研究地球深部构造的可行性提供了依据.
(3)是否能在地震前发现震源区地下介质波速变化进而对地震发生进行预测，是研究者的挑战性课题.同时地震前后震源区波速变化的准确位置及物理机制目前还不确定，需要更多的研究者去探索.
(4)将ANT方法和有源信号长周期面波成像方法相结合研究地下结构，是目前的研究方向.由于两种方法的结合弥补噪声在长周期的不可靠性，取得各个周期可靠的面波和剪切波，所以能更加准确地反演地下结构.各种地球物理反演方法存在程度不同的非唯一性，且各方法均存在不足，对同一区域用不同数据源和多种地球物理反演技术研究其地下结构是解决此问题的有效途径.
背景噪声的应用为人们认识地球内部构造，探测地下介质结构变化提供了新的思路.随着地震台站研究的深入，观测仪器的数字化及全球地震台网根据噪声源多目标更合理的布设，观测质量的提高，研究思路的不断扩展以及计算方法的改进，将会进一步提高对地球内部构造和活动构造的观测能力，将获得从地表到深部的更详细图像，揭示地球内部是怎么拼合的，深部由什么物质组成，当前是如何运动的，从而加深对地球内部结构、演化和动力学特征的理解，同时也将广泛应用于地球动力学、能源勘探开发、工程和灾害地质、金属矿勘探等领域.背景噪声的应用会有更广阔的发展空间.
致 谢 感谢吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室的各位老师提出的宝贵意见和建议.| [1] | Aki K. 1957. Space and time spectra of stationary stochastic waves, with special reference to microtremors[J]. Bulletin of the Earthquake Research Institute, 35: 415-456. |
| [2] | Barmin M P, Levshin A L, Yang Y, et al. 2011. Epicentral location based on Rayleigh wave empirical Green's functions from ambient seismic noise[J]. Geophysical Journal International, 184(2): 869-884. doi: 10.1111/j.1365-246X.2010.04879.x. |
| [3] | Bensen G D, Ritzwoller M H, Shapiro N M. 2008. Broadband ambient noise surface wave tomography across the United States[J]. Journal of Geophysical Research, 113(B5): B05306. |
| [4] | Bensen G D, Ritzwoller M H, Barmin M P. 2007. Processing seismic ambient noise data to obtain reliable broad band surface wave dispersion measurements[J]. Geophysical Journal International, 169(3): 1239-1260. |
| [5] | Brenguier F N, Shapiro N M, Campillo M, et al. 2008a. Towards forecasting volcanic eruptions using seismic noise[J]. Nat. Geosci., 1(2): 126-130. |
| [6] | Brenguier F N, Campillo M, Hadziioannou C, et al. 2008b. Postseismic relaxation along the San Andreas Fault at Parkfield from continuous seismological observations[J]. Science, 321(5895): 1478-1481. |
| [7] | Campillo M, Paul A. 2003. Long-range correlations in the diffuse seismic coda[J]. Science, 299(5606): 547-549. |
| [8] | Chen J H, Froment B, Liu Q Y, et al. 2010. Distribution of seismic wave speed changes associated with the 12 May 2008 MW 7. 9 Wenchuan earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 37(18): L18302. doi: 10.1029/2010GL044582. |
| [9] | Claerbout J F. 1968. Synthesis of a layered medium from its acoustic transmission response[J]. Geophysics, 33(2): 264-269. |
| [10] | Draganov D, Wapenaar K, Mulder W, et al. 2007. Retrieval of reflections from seismic background-noise measurements [J]. Geophysical Research Letters, 34(4): doi: 10.1029/2006GL028735. |
| [11] | Duvall T L Jr, Jefferies S M, Harvey J W, et al. 1993. Time-distance helioseismology[J]. Nature, 362(6419): 430-432. |
| [12] | Fang L H. 2009, Rayleigh wave tomography in North-China from ambient seismic noise (in Chinese) [Ph. D. thesis]. Beijing: Institute of Geophysics China Earthquake Administration. |
| [13] | Fang L H, Wu J P, Ding Z F, et al. 2010. High resolution Rayleigh wave group velocity tomography in North China from ambient seismic noise[J]. Geophysical Journal International, 181(2): 1171-1182. doi: 10.111/j.1365-246x/2010.04571.x. |
| [14] | Fang L H, Wu J P, Wang W L, et al. 2013. Love wave tomography from ambient seismic noise in North-China[J]. Geophysical Journal International (in Chinese), 56(7): 2268-2279, doi: 10.6038/cjg20130714. |
| [15] | Gao D H, Chen Y J, Meng X S, et al. 2011. Crustal and uppermost mantle structure of the Heilongjiang region from ambient noise tomography[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(4): 1043-1051. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.04.019. |
| [16] | Ge H K, Chen H C, Ouyang B, et al. 2013. Transportable seismometer response to seismic noise in vault[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(3): 857-868. doi: 10.6038/cjg20130315. |
| [17] | Gouédard P, Stehly L, Brenguier F, et al. 2008. Cross-correlation of random fields: mathematical approach and applications[J]. Geophysical Prospecting, 56(3): 375-393. |
| [18] | Huang Y M, Shen Y S, Yang M L. 2012. Surface wave group velocity tomography from ambient seismic noise in east region of Guangdong Province[J]. Earthquake Research in China (in Chinese), 28(4): 360-369. |
| [19] | Koper K D, Seats K, Benz H. 2010. On the composition of Earth's short-period seismic noise field[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(2): 606-617. doi: 10.1785/0120090120. |
| [20] | Li J J. 2012. Lithospheric velocity structure of Northeast China from ambient noise and surface wave tomography (in Chinese)[D]. Beijing: Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration. |
| [21] | Li Y, Yao H J, Liu Q Y, et al. 2010. Phase velocity array tomography of Rayleigh waves in western Sichuan from ambient seismic noise[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53(4): 842-852. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.009. |
| [22] | Liang F H, Jin X, Li J, et al. 2012. Surface wave tomography of ambient seismic noise correlation in Fujian Province[J]. Earthquake Research in China (in Chinese), 28(1): 22-32. |
| [23] | Lin F C, Moschetti M P, Ritzwoller M H. 2008. Surface wave tomography of the western United States from ambient seismic noise: Rayleigh and Love wave phase velocity maps[J]. Geophysical Journal International, 173(1): 281-298. |
| [24] | Liu L, Gong M, Hu B, et al. 2012. Preliminary study of shear wave velocity structure of Hebei and surrounding areas from ambient seismic noise[J]. Earthquake (in Chinese), 32(4): 103-112. |
| [25] | Liu Q Y, Li Y, Chen J H, et al. 2010. Three-dimensional S-wave velocity structure of the crust and upper mantle beneath the Wenchuan earthquake region[J]. Recent Developments in Word seismology (in Chinese), (6): 14-15. |
| [26] | Liu Z K, Huang J L. 2010. Temporal changes of seismic velocity around the Wenchuan earthquake fault zone from ambient seismic noise correlation[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 53(4): 853-863. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.010. |
| [27] | Lu L Y, He Z Q, Ding Z F, et al. 2009. Investigation of ambient noise source in North China array[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52(10): 2566-2572. |
| [28] | Moschetti M P, Ritzwoller M H, Lin F C, et al. 2010. Crustal shear wave velocity structure of the western United States inferred from ambient seismic noise and earthquake data[J]. Journal of Geophysical Research, 115(B10): B10306. doi: 10.1029/2010JB007448. |
| [29] | Nakahara H. 2006. A systematic study of theoretical relations between spatial correlation and Green's function in one-, two-and three-dimensional random scalar wavefields[J]. Geophysical Journal International, 167(3): 1097-1105. |
| [30] | Nunziata C, de Nisco G, Panza G F. 2009. S-waves profiles from noise cross correlation at small scale[J]. Engineering Geology, 105(3-4): 161-170. |
| [31] | Pan J T, Wu Q J, Li Y H, et al. 2014. Ambient noise tomography in northeast China[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 57(3): 812-821, doi: 10.6038/cjg20140311. |
| [32] | Pang W D, Yang R H, Zheng D C, et al. 2012. Deconvolution method research on extracting green's function from the ambient noise in the Frequent Earthquake Region[J]. Journal of Seismological Research (in Chinese), 35(1): 29-35. |
| [33] | Pei X, Yin J Y, Yang T C. 2012. Shanghai telemetry station network analysis of the various types of background noise pedestal[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 27(5): 1897-1903. |
| [34] | Roux P, Sabra K G, Kuperman W A, et al. 2005. Ambient noise cross correlation in free space: Theoretical approach[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 117(1): 79-84. |
| [35] | Sens-Schönfelder C, Wegler U. 2006. Passive image interferometry and seasonal variations of seismic velocities at Merapi volcano, Indonesia [J]. Geophysical Research Letters, 33(21): L21302. |
| [36] | Shapiro N M, Campillo M, 2004. Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise[J]. Geophysical Research Letters, 31(7): L07614. |
| [37] | Shapiro N M, Campillo M, Stehly L, et al. 2005. High-resolution surface-wave tomography from ambient seismic noise[J]. Science, 307(5717): 1615-1618. |
| [38] | Shi C C, Lu L Y, Wang C Y, et al. 2014. Rayleigh-wave tomography based on ambient seismic noise in the Central and Western Blocks of the North China Craton[J]. C T Theory and Applications (in Chinese), 23(1): 53-64. |
| [39] | Snieder R. 2004. Extracting the Green's function from the correlation of coda waves: a derivation based on stationary phase [J]. Phys. Rev. E, 69(4): 046610.1-046610.8. |
| [40] | Stehly L, Campillo M, Shapiro N M. 2007. Traveltime measurements from noise correlation: stability and detection of instrumental time-shifts[J]. Geophysical Journal International, 171(1): 223-230. |
| [41] | Stehly L, Fry B, Campillo M, et al. 2009. Tomography of the Alpine region from observations of seismic ambient noise[J]. Geophysical Journal International, 178(1): 338-350. |
| [42] | Sun X L, Song X D, Zheng S H, et al. 2010. Three dimensional shear wave velocity structure of the crust and upper mantle beneath China from ambient noise surface wave tomography[J]. Earthquake Science, 23(5): 449-463. doi: 10.1007/s11589-010-0744-4. |
| [43] | Tang Y C, Chen Y S, Yang Y J, et al. 2011. Ambient noise tomography in north China craton[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 54(8): 2011-2022. doi: 10.3969/j.issn.0001.08.008. |
| [44] | Wang D L, Cheng H, Zhu H, et al. 2012. Deconvolution-based seismic interferometry passive source imaging[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition) (in Chinese), 42(6): 1920-1926. |
| [45] | Wang Q, Gao Y. 2012. Present state and prospect of ambient noise tomography in the study of crustmantle structure[J]. Earthquake (in Chinese), 32(1): 70-81. |
| [46] | Weaver R L, Lobkis O I. 2011. Ultrasonics without a source: thermal fluctuation correlations at MHz frequencies[J]. Physical Review Letters, 87(13): 134301. doi: 10.1103/PhysRevlett.112.068103. |
| [47] | Wegler U, Sens-Schönfelder C. 2007. Fault zone monitoring with passive image interferometry[J]. Geophysical Journal International, 168(3): 1029-1033. |
| [48] | Xu Z J, Song X D. 2009. Temporal changes of surface wave velocity associated with major Sumatra earthquakes from ambient noise correlation[J]. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 106(34): 14207-14212. |
| [49] | Yang R H, Wang B, Zheng D C, et al. 2012. Variation of Wave Velocity and Strong Earthquake Preparation in Yunnan Region[J]. Journal of Seismological Research (in Chinese), 34(4): 420-427. |
| [50] | Yang Y J, Ritzwoller M H, Lin F C, et al. 2008. Structure of the crust and uppermost mantle beneath the western United States revealed by ambient noise and earthquake tomography[J]. Journal of Geophysical Research, 113: B12310. |
| [51] | Yang Y J, Ritzwoller M H, Levshin A L, et al. 2007. Ambient noise Rayleigh wave tomography across Europe[J]. Geophy. J. Int., 168(1): 259-274. |
| [52] | Yao H J, Van Der Hilst R D, de Hoop M V. 2006. Surface-wave array tomography in SE Tibet from ambient seismic noise and two-station analysis-I. Phase velocity maps[J]. Geophysical Journal International, 166(2): 732-744. |
| [53] | Yao H J, Beghein C, Van Der Hilst R D. 2008. Surface wave array tomography in SE Tibet from ambient seismic noise and two-station analysis-Ⅱ. Crustal and upper-mantle structure[J]. Geophysical Journal International, 173(1): 205-219. |
| [54] | Zeng X F, Ni S D, Xia Y J. 2012. Estimated Green's Function extracted from long time continuous seismic records[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 27(5): 1881-1889. doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.05.007. |
| [55] | Zhan Z W, Ni S D, Helmberger D V, et al. 2010. Retrieval of Moho-reflected shear wave arrivals from ambient seismic noise[J]. Geophysical Journal International, 182(1): 408-420. doi: 10.111/j.1365-246X.2010.04625.x. |
| [56] | Zhang J, Gerstoft P, Shearer P M. 2009. High-frequency P-wave seismic noise driven by ocean winds[J]. Geophysical Research Letters, 36(9): L09302. |
| [57] | Zhao P P, Chen J H, Liu Q Y, et al. 2012. Crustal velocity changes associated with the Wenchuan M8.0 earthquake by auto-correlation function analysis of seismic ambient noise[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 55(1): 137-145. doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.01.013. |
| [58] | Zheng S H, Sun X L, Song X D, et al. 2008. Surface wave tomography of China from ambient seismic noise correlation[J]. Geoche mistry, Geophsics, Geosystem, 9(5): Q05020. |
| [59] | Zheng X, Zhao C P, Zhou L Q, et al. 2012. Rayleigh wave tomography from ambient noise in central and eastern Chinese mainland[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 55(6): 1919-1928. doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.06.013. |
| [60] | Zheng X, Zhao C P, Zhou L Q, et al. 2013. Reliability analysis of retrieving surface waves from ambient noise data between seismic station pairs: An example of application at broadband stations in central and eastern China[J]. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 35(2): 218-228. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2013.02.008. |
| [61] | Zheng Y, Yang Y J, Ritzwoller M H, et al. 2010. Crustal structure of the northeastern Tibetan plateau, the Ordos block and the Sichuan basin from ambient noise tomography[J]. Earthq. Sci., 23(5): 465-476. doi: 10.1007/s11589-010-0745-3. |
| [62] | Zheng Y, Ge C, Xie Z J, et al. 2013. Crustal and upper mantle structure and the deep seismogenic environment in the source regions of the Lushan earthquake and the Wenchuan earthquake[J]. Science China Earth Sciences, 56(7): 1158-1168. doi: 10.1007/s11430-013-4641-2. |
| [63] | Zhou L Q, Xie J Y, Shen W S, et al. 2012. The structure of the crust and uppermost mantle beneath South China from ambient noise and earthquake tomography[J]. Geophysical Journal International, 189(3): 1565-1583. doi: 10.1111/j.1365-246X.2012.05423.x. |
| [64] | Zhou L Q, Ji P. 2012. Ambient noise Rayleigh wave tomography across Taiwan[J]. Progress in Geophys. (in Chinese), 27(4): 1350-1358. doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.04.008. |
| [65] | Zhu L B, Wang Q D. 2011. An expression of the cross-correlation of ambient Seismic Noise: a derivation based on the surface-wave theory[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 54(7): 1835-1841. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.017. |
| [66] | 房立华. 2009. 华北地区瑞利面波噪声层析成像研究[D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所. |
| [67] | 房立华, 吴建平, 王未来,等. 2013. 华北地区勒夫波噪声层析成像研究[J]. 地球物理学报, 56(7): 2268-2279, doi: 10.6038/cjg20130714. |
| [68] | 高东辉, 陈永顺, 孟宪森,等. 2011. 黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像[J]. 地球物理学报, 54(4): 1043-1051. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.04.019. |
| [69] | 葛洪魁, 陈海潮, 欧阳飚,等. 2013. 流动地震观测背景噪声的台基响应[J]. 地球物理学报, 56(3): 857-868. doi: 10.6038/cjg20130315. |
| [70] | 黄元敏, 沈玉松, 杨马陵. 2012. 广东省东部地区背景噪声面波群速度层析成像[J]. 中国地震, 28(4): 360-369. |
| [71] | 李皎皎. 2012. 背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构[D]. 北京: 中国地震局地震预测研究所. |
| [72] | 李昱, 姚华健, 刘启元,等. 2010. 川西地区台阵环境噪声瑞利波相速度层析成像[J]. 地球物理学报, 53(4): 842-852. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.009. |
| [73] | 梁富华, 金星, 李军,等. 2012. 福建地区环境噪声瑞利波群速度层析成像[J]. 中国地震, 28(1): 22-32. |
| [74] | 刘丽, 宫猛, 胡斌,等. 2012. 基于背景噪声初步研究河北及邻区的剪切波速度结构[J]. 地震, 32(4): 103-112. |
| [75] | 刘启元, 李昱, 陈九辉, 等. 2010. 汶川地震区地壳上地幔三维S波速度结构初步研究[J]. 国际地震动态, (6): 14-15. |
| [76] | 刘志坤, 黄金莉. 2010. 利用背景噪声互相关研究汶川地震震源区地震波速度变化[J]. 地球物理学报, 5(4): 853-863. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.010. |
| [77] | 鲁来正, 何正勤, 丁志峰,等. 2009. 华北科学探测台阵背景噪声特征分析[J]. 地球物理学报, 52(10): 2566-2572. |
| [78] | 潘佳铁, 吴庆举, 李永华,等. 2014. 中国东北地区噪声层析成像[J]. 地球物理学报, 57(3): 812-821, doi: 10.6038/cjg20140311. |
| [79] | 庞卫东, 杨润海, 郑定昌,等. 2012. 地震频发区域背景噪声提取格林函数的反褶积方法研究[J]. 地震研究, 35(1): 29-35. |
| [80] | 裴晓, 尹继尧, 杨庭春. 2012. 上海遥测台网各类型台基背景噪声分析[J]. 地球物理学进展, 27(5): 1897-1903. |
| [81] | 施程成, 鲁来玉, 王椿镛,等. 2014. 华北克拉通中西部地区瑞利面波噪声层析成像[J]. CT理论与应用研究, 23(1): 53-64. |
| [82] | 唐有彩, 陈永顺, 杨英杰,等. 2011. 华北克拉通中部地区背景噪声成像[J]. 地球物理学报, 54(8): 2011-2022. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.08008. |
| [83] | 王德利, 程浩, 朱恒,等. 2012. 基于反褶积算法的地震干涉技术被动源成像[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 42(6): 1920-1926. |
| [84] | 王琼, 高原. 2012. 噪声层析成像在壳幔结构研究中的现状与展望[J]. 地震, 32(1): 70-81. |
| [85] | 杨润海, 王彬. 郑定昌,等. 2012. 云南地区波速变化与强震孕育[J]. 地震研究, 34(4): 420-427. |
| [86] | 曾祥方, 倪四道, 夏英杰. 2012. 由长时间连续记录不压制地震信号提取近似格林函数的可行性研究[J]. 地球物理学进展, 27(5): 1881-1889. doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.05.007. |
| [87] | 赵盼盼, 陈九辉, 刘启元,等. 2012. 汶川地震区地壳速度相对变化的环境噪声自相关研究[J]. 地球物理学报, 55(1): 137-145. doi: 10. 6038/j.issn.0001-5733.2012.01.013. |
| [88] | 郑现, 赵翠萍, 周连庆,等. 2012. 中国大陆中东部地区基于背景噪声的瑞利波层析成像[J]. 地球物理学报, 55(6): 1919-1928. doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.06.013. |
| [89] | 郑现, 赵翠萍, 周连庆,等. 2013. 利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析-以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例[J]. 地震学报, 35(2): 218-228. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2013.02.008. |
| [90] | 周龙泉, 吉平. 2012. 台湾地区的随机噪音瑞利波层析成像研究[J]. 地球物理学进展, 27(4): 1350-1358. doi: 10.6038/j.issn.1004-2903.2012.04.008. |
| [91] | 朱良保, 王清东. 2011. 地震背景噪声互相关函数的面波理论表达形式[J]. 地球物理学报, 54(7): 1835-1841. doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2011.07.017. |