利用背景噪声进行地震成像简述

　　摘要：背景噪声是一种连续稳定的自然源，其中包含丰富的地下介质信息。利用背景噪声成像技术可以获得对研究区域的地下速度结构认识，为深部构造研究提供了新方法。主要论述其发展历史、原理及其在地震领域方面的研究现状，探讨该方法在未来需要解决的问题以及发展方向。

　　关键词：背景噪声;地震成像;互相关;经验格林函数

　　传统的成像方法通常是以天然地震或人工地震激发的地震波为基础，对研究区域进行地震成像，但是由于天然地震多数发生在板块边缘或断裂带附近，受地质条件和地理环境的影响，并没有合适的台站记录，因此这两种成像的分辨率均不高，极大地限制了对地球内部结构的研究。近年来的众多研究表明，对长时间的地震背景噪声进行互相关计算可以得到一个正负轴近似对称的波形。

　　对其进行处理后，可以近似得到台站对之间的格林函数(包含了两个台站之间地震波在介质中传播的所有信息)。对其提取频散曲线，可以得到不同周期的群(相)速度值。通过面波层析成像，可以得到研究区域的速度结构图，为深部构造研究提供了新方法。

　　背景噪声是指在没有地震发生的情况下地震仪器上所记录的随机波动信号，是一种连续稳定的自然源，其中包含了丰富的地下介质信息。通过背景噪声信息来研究地球内部构造，这一思路是由地震学家Aki于1957年首次提出的[1]。Weaver等(2001)[2]通过对声学实验中的热噪声证明了格林函数可以从扩散场的相关性质中测量。他通过对铝块上的两点进行互相关计算，得到波形近似两点间的格林函数，能够清晰地反映两点间的内部结构。

　　地震学家Campillo和Paul(2003)[3]首次将这一猜想运用到地震学上，他们通过研究，选择了地震尾波进行互相关计算，这是由于尾波的扩散特征与热噪声的性质相似，前人也通过研究模式均分的性质解释了尾波的弥散弹性波特征。对比发现，计算结果与理论模型合成的格林函数相一致，提取的波形具有Rayleigh波和Love波所期望的偏振特性和群速度特征。

　　这项试验同时也表明，这种新型的方法可以帮助生成内部地球结构的图像，而不会出现传统地震数据中原始时间和震源位置的不确定性，类似的方法同样适用于其他具有时间序列的漫射波场中。Shapiro等(2005)[4]用30天连续的地震背景噪声进行了互相关计算，得到的互相关波形与台站间的格林函数仅有幅度上的差异，然后通过提取频散曲线，进一步获取了不同周期的面波速度成像图，其水平分辨率为60-100km。该项研究首次将地震背景噪声以图像的方式显示出地下物质特征，开启了地震背景噪声在地震研究中的先河。

　　1原理

　　通常认为，噪声模糊不清且不包含有用信息，然而，作为物理学中的一个新的分支——介观物理学，其见解挑战了这一假设。理论表明，无论散射如何，线性波均能保留残余的相干性，在多次散射电子和可见光的情况下，残余相干性通常表现为强相关性。Shapiro等注意到，均匀波场一定具有相关函数，这等同于获得一个集中冲击信号。

　　因此，这种相关性被动地揭示了关于通常仅通过主动发射波，并检测响应而获得的结构信息。Weaver等(2005)[5]提出其物理原理：作为各向同性漫射场的一部分，且经过一个接收点的射线将稍后再次穿过另一个接收点，除了传播时间，其相位不发生改变。因此，信号虽然有噪声，但却是相关的。背景噪声层析成像方法的主要步骤之一就是通过对两个台站之间的地震噪声进行长时间的互相关计算和叠加来得到互相关函数。

　　值得注意的是，在对噪声进行互相关计算之前，先要对单台数据进行预处理。预处理是为了去掉天然地震的影响和仪器自带的异常信号，主要是对数据进行去趋势、去均值、去仪器响应和带通滤波等处理。时域归一化是预处理中最重要的一个环节，一般采用“one-bit”正则化法，目的是为了去除地震引起的畸变信号以及附近噪声对台站互相关计算的影响;其次是频谱白化，可以拓宽互相关信号中环境噪声的频谱，降低某一单频固定信号(如海湾噪声)的干扰[6]。

　　基于时间反演不变性和弥散场假设，互相关函数可以近似为格林函数。通过以快速傅里叶变化与数字滤波技术为基础的时频分析方法，可以提取地震数据中的频散信息。通过质量控制，筛选效果较好的频散曲线，便于对其进行面波层析成像。

　　2实际应用

　　随着噪声成像方法的快速发展以及地震台网的建设，国内外许多学者通过地震噪声层析成像技术对研究区域进行成像研究，探索了该区域内部构造，这对于地震预测研究具有极为深远的意义。YingjieYang等(2010)[7]通过对西藏及周边地区约600个站点进行互相关处理，提取了Rayleigh波相速度，再对其进行成像研究，由此产生的相位速度图在青藏高原的大部分地区具有100-200km的分辨率。

　　结果表明，青藏高原的相速度平均低于周围地区的，西藏北部的相速度低于西藏南部的，在短时间内(<20s)，主要盆地(包括塔里木、柴达木、准噶尔和四川盆地)以及鄂尔多斯地块中均会出现非常低的相速度;在中长期(>20s)，塔里木盆地鄂尔多斯地块和四川盆地形成了非常高的相速度。这些相速度色散图提供了构建横跨青藏高原和周边地区的地壳三维剪切速度模型所需的信息。ColtonLynner和RobertW.Porritt(2017)[8]通过部署海上和陆上的地震仪器，对噪声数据进行互相关处理，提取了Rayleigh波的相速度和群速度，反演了北美东部边缘的S波速度图。

　　反演结果表明，在连接海洋和大陆地壳有个地壳厚度转换带，且与重力正异常(PGA)相关，东海岸磁异常(ECMA)位于转换带和洋壳的交汇处。根据成像结果提出，沿转换带底部的致密岩浆沉积是重力异常的原因，并且依据东海岸指示了最初海洋地壳形成的位置。背景噪声成像不仅能反映壳幔的速度结构，同样也能显示研究区域的速度变化。该方法本质上是通过计算相同接收器对的不同周期的互相关函数并测量相关函数之间的变化来跟踪地壳的时间演变。

　　国外，Brenguier等(2008)[9]使用环境地震噪声的连续观测数据来研究加利福尼亚州帕克菲尔德附近圣安德烈亚斯断层(SAF)地壳内地震速度的连续变化。研究结果表明，SanSimeon和Parkfield地震后，地震速度演变差异明显，在SanSimeon地震之后，Parkfield沿圣安德烈亚斯断层(SAF)的地震速度下降了0.04%，地震发生7个月后，Parkfield地区的速度似乎又回到了地震前的水平，这与使用与其他地震相关的活动源的测量结果一致。这些观测结果表明，地震速度变化与浅层中的同震破坏以及圣安德烈斯断层带内的深层同震应力变化与震后应力松弛有关。

　　国内，刘志坤和黄金莉(2010)[10]也利用该项技术，研究了汶川地震震源区的速度变化。结果表明，跨过汶川余震带的台站波速降较为明显，四川盆地内各台站对间的波速相对于没有波速变化的盆地边缘和川西高原，波速降较明显。余震带内的波速变化呈现空间分段特征，这与强余震的发生呈现较强的同步性。

　　地壳中的地震各向异性方向是持续地震或已发地震在地壳中的变形特征，由于其与应力、应变关系密切，地震各向异性研究已被广泛应用于与地球动力学过程相关的岩石圈变形。在有限应变的情况下，地壳和地幔物质可以更好地指示地震各向异性的方向，因此，观测地震各向异性可以深入了解岩石圈岩石的形变分布特征。

　　使用地震背景噪声或地震数据的方法已被广泛运用于区域上因地壳或上地幔变形引起的方位各向异性(Fry等，2010;Gallego等，2011;Pawlak等，2012;Polat等，2012;Yao等，2010)以及全球尺度上的方位各向异性的研究中(Debayle等，2005;Marone和Romanowicz，2007;Montagner和Tanimoto，1991)。ZhiGuo等(2017)[11]通过环境噪声成像技术研究了天山山脉下5-35s周期中Rayleigh波相速度方位各向异性的反演。

　　成像结果表明，随着深度变化，方位各向异性也发生了显著变化。在上地壳深度，位于天山山脉区域观察到了近平行于造山带的方向各向异性，这可能是地壳矿物受到压力造成的;在天山山脉南部和北部山麓观察到了近垂直于造山带的方位各向异性，这与持续的南北缩短引起的裂缝应力相对应。

　　在中、下地壳和上地幔深度，伊塞克湖(LakeIssyk-Kul)的北部和南部下方观察到与明显低速相关的近似垂直于造山带的快速面波。空间各向异性和较低速度之间的相关性表明该地存在熔融物质，它可能来自软流圈的地幔上涌。结果表明，塔里木盆地的俯冲和上地幔上涌可能在第三纪以来天山山脉的地球动力学演化中起重要作用。

　　3讨论与展望

　　相对于传统的地震成像，背景噪声成像技术为获取地壳内部的精细速度结构提供了新的工具。经过多年的成功应用，该技术已被证实可以得到较为可靠的成像结果，但相较于其他成像方法仍是一种发展中的新方法，如对于怎样获得更高分辨率的地面波速度图，还有待进一步的改进。

　　现今，由于数据的不稳定性及反演方法的局限性等多方面因素，开始探索两种或多种方法相结合，以期望得到更为可靠的结果。对于环境噪声成像方法的综合分析方面，采用了将噪声成像和多重平面波成像结合成像、接收函数和面波频散联合反演成像以及最近一项研究(即尝试将面波与体波的不同反演技术联合起来讨论壳幔的各向异性)等等，这将为探索地震孕育规律和深部构造研究带来新的启示。

　　背景噪声成像技术的发展不仅会在地震领域带来变化，而且在工业角度和城市发展方面也会带来一些变革。运用该方法，将不再通过人工激发震源等方法来获取地下储存情况，这将大大降低成本，同时对信号进行连续观测，也可以获得地下连续的油藏监测。城市地球物理的发展核心问题是建立地下三维地图[12]，运用该方法，只是简单地布设仪器对背景噪声进行长时间的记录，并不会因实施爆破等行为造成扰民，这对于城市发展有着极其便利的优势。

　　另一方面，通过设立得到的信号也能够实时处理噪声，获得城市地下结构的连续监测，避免城市地质灾害的发生，如因施工造成的城市地陷等[13]。随着区域台网的建设发展，观测仪器的数字化，计算方法的改进创新等，相信在不久的将来，科学家们终将一一解决目前存在的各种问题，并在地震预测及工业角度和城市发展方面取得较为可行的成果。

　　参考文献：

　　[1]AkiK.Spaceandtimespectraofstationarystochasticwaves,withspecialreferencetomicrotremors[J].BulletinoftheEarthquakeResearchInstitute,1957,35(3):415-456.

　　[2]WeaverRL,LobkisOI.Ultrasonicswithoutasource:ThermalfluctuationcorrelationsatMHzfrequencies[J].PhysicalReviewLetters,2001,87(13).

　　[3]CampilloM,PaulA.Long-rangecorrelationsinthediffuseseismiccode[J].Science,2003,299(5606):547-549.

　　[4]ShapiroNM,CampilloM,StehlyL,etal.High-resolutionsurface-wavetomographyfromambientseismicnoise[J].Science,2005,307(5715):1615-1618.

　　[5]WeaverRL.Informationfromseismicnoise[J].Science,2005,307:1568-1569.

　　[6]王琼，高原.噪声层析成像在壳幔结构研究中的现状与展望[J].地震，2012，32(1)：70-80.

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