周 晨

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引言

強震的孕育伴隨著地下介質(zhì)的變化,地震波的傳播速度會隨著穿過孕震區(qū)介質(zhì)變化而變化。因此，利用背景噪聲研究地下介質(zhì)性質(zhì)變化，進而提取可能出現(xiàn)的強震前兆信息，逐漸成為現(xiàn)今地震學(xué)研究的一個新興的重要方向[1]。

直接監(jiān)測地震波速度和波速比是最初地震學(xué)者研究介質(zhì)性質(zhì)變化的方法。Semenov[2]在1969年時就對Garm地區(qū)的地震波波速比（Vp/Vs）進行了研究，結(jié)果表明：在地震前，波速比呈“下降—上升”的變化形態(tài)。1970年Aki[3]嘗試用人工爆破來探測波速的變化，隨后1973年De Fazio[4]用液壓振蕩器、1974年Reasenberg[5]利用氣槍作為震源,研究得到的速度變化精度可達到10-3s。雖然利用人工爆破、氣槍震源等人工震源監(jiān)測地震波速度變化不存在定位誤差，也不受震源性質(zhì)的影響，而且還具有可重復(fù)性的特點，但是其費用高，并且有不能連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的缺點。1984年P(guān)oupinet[6]最早提出了利用“地震對”監(jiān)測地下介質(zhì)的速度變化，研究結(jié)果顯示震后的地震波速有0.2%的下降現(xiàn)象。

在地震波速度變化的研究中，如果直接使用直達地震波的方式來計算地震波速度變化，由于地震直達波的傳播路徑短、衰減快,所以容易導(dǎo)致較大的測量誤差。地震尾波相較于直達波來說就會包含更多的信息，不僅傳播路徑長，而且可對相同位置進行重復(fù)采樣。相比地震直達波來說，地震尾波可以更大幅度提高監(jiān)測波速變化的精度。當(dāng)介質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化時，在同一點接受的尾波到時就會存在一個時間延遲,通過計算這個時間延遲就可以得到介質(zhì)速度的變化。基于這一原理，Snieder等人[7-8]發(fā)現(xiàn)了尾波干涉理論。這個理論適用于天然地震尾波的同時，也適用于人工地震的尾波。2002年，Snieder等[9]就基于尾波干涉理論進行了實驗，發(fā)現(xiàn)溫度每變化5℃，波在花崗巖中的傳播速度就相對變化0.1%。

監(jiān)測地下介質(zhì)性質(zhì)變化的方法通常有兩種，分別是天然地震和人工震源。但是二者有各自的優(yōu)缺點：對于天然地震而言不僅會受到地震定位精度的影響,而且還會受到地震發(fā)生的無規(guī)律性的影響，而那些少震或者無震區(qū)則無法監(jiān)測，更不能連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測；而對于人工震源來說，不僅成本高，還對生態(tài)環(huán)境有所影響。所以研究者們開始嘗試?yán)帽尘霸肼晛硌芯康叵陆Y(jié)構(gòu)。

地震研究者們發(fā)現(xiàn)地震計除了記錄到地震、爆破、塌陷等事件的波形外，在無干擾時也不是一條直線，而是有波動的。這些波動就是記錄到的背景噪聲。它是海陸、氣陸作用、人類活動等產(chǎn)生的隨機波動，又通過地殼中的不均勻體的多次散射而形成。早在1957年Aki[10]就提出過若臺站布置合理，利用空間自相關(guān)的方法就可以通過利用背景噪聲來研究地下的淺層介質(zhì)。2001年，Weaver[11]發(fā)現(xiàn)對噪聲做互相關(guān)得到的結(jié)果可作為兩點間的經(jīng)驗格林函數(shù)。Lobkis和Weaver提出了互相關(guān)疊加的數(shù)學(xué)模型[11-13]，并用于監(jiān)測背景噪聲。2003年，Campillo[14]等利用同背景噪聲相似的尾波進行實驗，對其進行相關(guān)計算并做疊加、歸一化等處理，發(fā)現(xiàn)得到的結(jié)果同合成格林函數(shù)的理論模型有很好的一致性。2005年，Weaver[15]提出了不需要爆破和震源車,也不需要利用天然地震，而是通過背景噪聲互相關(guān)的方法分析地下結(jié)構(gòu)。其理論主要有4種解釋，分別是基于時間翻轉(zhuǎn)不變性理論解釋、基于彌散場假設(shè)下的理論解釋、基于穩(wěn)相近似理論解釋、基于反射響應(yīng)同傳輸響應(yīng)的關(guān)系[16-17]。由于背景噪聲大多是由地表產(chǎn)生的，所以可以通過計算互相關(guān)函數(shù)得到以面波為主要成分的波形。相隔較遠的兩個接收點，其傳播的相干噪聲信號就不能被衰減等因素影響較大，而Rayleigh面波就符合這個條件[18]。

利用背景噪聲來研究地下結(jié)構(gòu)首先被應(yīng)用到速度層析成像上。2005年Shapiro等[19]利用背景噪聲成功提取出臺站間格林函數(shù)，得到面波頻散圖像。隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展,其所研究的區(qū)域范圍也在不斷擴大，分辨率不斷提高，不僅在歐洲、美國、日本等地取得了一些初步的研究成果[20-22]，在中國也取得了一定的進展[23-26]。

近年來，研究者們開始嘗試?yán)糜膳_站對間提取的經(jīng)驗格林函數(shù)計算出的走時偏移來得到相對速度的變化，進而分析地殼介質(zhì)的變化。這項技術(shù)最先試用于火山的研究中[27]，繼而在地震研究中也有了一些新發(fā)現(xiàn)[28-29]。

1 利用背景噪聲研究地下介質(zhì)速度變化的方法與原理

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

提取互相關(guān)函數(shù)首先要去除天然地震、儀器本身等因素的影響，這就需要對單臺記錄到的觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：對數(shù)據(jù)重采樣、濾波、去零漂、歸一化、譜白化等等。通常歸一化方法一般有以下五種[30]：

（1）one-bit法：就是把振幅大于0的信號用1表示，小于0的信號用-1表示；

（2）閾值截斷法：截掉超過規(guī)定閾值的數(shù)據(jù)；

（3）自動檢測刪除法：如果這個振幅的波形超過臨界閾值，之后的30分鐘的波形被設(shè)置為零；

（4）滑動絕對平

的絕對振幅平均值，以此作為這個時間窗中心點的權(quán)重，再通過公式進行歸一化；

（5）加權(quán)歸一化法：任何一個振幅超過一個規(guī)定的日振幅均方根倍數(shù)都會減權(quán)重，這個過程一直重復(fù)運行直到全部的波形振幅降到規(guī)定的水平以下。

以上五種方法最常用的是one-bit歸一化法和滑動絕對平均法，其中滑動絕對平均法由于其靈活性和適用性而更受研究者的歡迎。

1.2 提取經(jīng)驗格林函數(shù)

兩個臺站垂直向記錄做相關(guān)后疊加可獲得Rayleigh波格林函數(shù)[31]。在相同時段內(nèi)，利用垂直分量數(shù)據(jù)做互相關(guān)計算。若頻率域中，僅考慮一個不均勻體的表面兩點xA和xB的垂直波場互相關(guān)[32],則

uA和uB分別表示xA和xB波場垂直分量，表示噪聲源能量譜，表示兩點互相關(guān)函數(shù)。

實際經(jīng)驗格林函數(shù)一般是把研究當(dāng)天的數(shù)據(jù)與其前后一段時間數(shù)據(jù)疊加，這樣可以提高信噪比（圖1）。為消除噪聲源影響，需疊加最低一年以上互相關(guān)波形數(shù)據(jù)作為參考經(jīng)驗格林函數(shù)[33]。計算得到的互相關(guān)信號有正、負(fù)兩支信號，表示了不同的傳播方向。若正、負(fù)兩支信號對稱，說明源是均勻的；若不對稱，那么其源也是不均勻的[34]。

圖1 疊加時間對比Fig.1 Stacking time comparison

1.3 計算介質(zhì)速度變化

參考經(jīng)驗格林函數(shù)通常是較長時間范圍內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)疊加而成的穩(wěn)定互相關(guān)函數(shù)；而實際經(jīng)驗格林函數(shù)通常是把單天的互相關(guān)函數(shù)及其前后一段時間的互相關(guān)函數(shù)疊加而成。再計算相同時間段內(nèi)二者的走時偏移，即可得到相對速度變化。提取走時偏移的方法通常有五種，分別是直接測量走時偏移[28]、移動窗互相關(guān)法[9，35]移動窗互相關(guān)譜法[36]、移動窗口壓縮-拉伸法[37]和壓縮-拉伸法[39]。其中互譜法[36]最為常用，Brenguier等[39-40]就利用互譜法計算出了面波的走時偏移。

利用臺站記錄的垂直分量數(shù)據(jù)計算速度變化的理論公式為：

其中tδ表示相對走時偏移。

移動窗口互相關(guān)譜法的具體做法是：將實際的經(jīng)驗格林函數(shù)分成若干個窗口，把每個窗口進行傅里葉變換到頻率域。

要得到時間延遲，兩個函數(shù)的互相關(guān)譜在時間上需要一致，而且兩個時間窗需要是相似的，這種相似性的判斷可以通過計算互相關(guān)系數(shù)得到。

互相關(guān)系數(shù)的變化在0到1之間，值越大兩個波形越相似。時間延遲可以從互相關(guān)譜中的相位中得到，與頻率成線性關(guān)系。

時間延遲δti（i表示第i個窗口）可以從斜率m做線性回歸得到，j表示所研究的頻率。

權(quán)重wj是由互相關(guān)系數(shù)和互相關(guān)譜的振幅共同決定的：

用最小二乘法可以計算得到斜率m ：

而相關(guān)誤差em為：

若先將一實驗信號S1（圖2a）作為參考經(jīng)驗格林函數(shù)，人為延遲1s的S2實驗信號（圖2a）作為實際經(jīng)驗格林函數(shù)；再將信號分為若干個窗口（圖2b），并對其進行傅里葉變換后計算其互相關(guān)譜，則相位與頻率成線性關(guān)系（圖2c）；從而可計算出實驗信號的走時偏移（圖2d），進而可以求得其速度變化。

2 利用背景噪聲研究地下介質(zhì)速度變化的進展

利用背景噪聲研究波速變化成功應(yīng)用于監(jiān)測火山、水庫、震源區(qū)和地震帶等地區(qū)的研究。Sens-Sch?nfelder 和Wegler[27]利用基于背景噪聲互相關(guān)的無源成像干涉測量法監(jiān)測到印尼Merapi 活火山區(qū)地震波速度隨季節(jié)性的變化。研究者把每天記錄數(shù)據(jù)進行濾波處理，并將互相關(guān)函數(shù)的正負(fù)兩支的因果信號進行了求均處理。其結(jié)果表明應(yīng)力變化對于火山內(nèi)部速度變化的影響是次要的，而季節(jié)性的水文條件變化是可以改變地震波的速度,并且影響很大，在數(shù)十米的深度范圍內(nèi)可達到10%。2008年，Brenguier等[40]使用18個月的21個短周期記錄儀記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，采用互相關(guān)的方法,觀測到富爾奈斯火山在噴發(fā)前20天地震波速度降低0.05%。分析時扣除了相對低質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并且區(qū)分短期變化和長期變化，發(fā)現(xiàn)短期變化更能表現(xiàn)火山噴發(fā)的前兆現(xiàn)象。

圖2 以實驗信號為例Fig .2 An example of the experiment signal

研究表明利用背景噪聲的方法研究介質(zhì)速度變化可以預(yù)測火山噴發(fā)，所以研究者們嘗試將此方法用于地震預(yù)測的研究上，試圖找到強震發(fā)生前地下介質(zhì)的變化情況。2010年，Chen等[41]用兩年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，計算出2008年汶川8級地震發(fā)生前后地震波速度變化?？紤]了間距小于200km的每一個臺站對，用5s周期進行重新采樣，將30天的移動窗來計算噪聲互相關(guān)函數(shù)作為近似的實際經(jīng)驗格林函數(shù)，兩年的互相換函數(shù)疊加作為參考經(jīng)驗格林函數(shù)。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，地震后地震波速度下降了0.08%。而劉志坤、黃金莉[42]利用兩年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，將提取的經(jīng)驗格林函數(shù)通過0.5～1Hz濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理,計算出走時偏移，同樣得到了2008年汶川8.0級地震的地震波速度變化——最大變化可達0.4%。2011年，Zaccarelli等人[43]分析拉奎拉地區(qū)近兩年的連續(xù)地震記錄，運用互相關(guān)的方法,得到了該地區(qū)地殼的地震波速度在2009年4月6日的拉奎拉6.1級地震時減小了0.3%。研究者疊加了超過50天的互相關(guān)函數(shù)，分別試算了0.5～1Hz、0.1～1Hz、0.1～0.6Hz共 3 個 不 同 寬度的頻帶，推斷出速度變化在0.5～1Hz變化最快，表明很可能與同震震動所導(dǎo)致的淺表軟弱層的破壞有關(guān)。同年，Hadziioannou[29]等利用帕克菲爾德地區(qū)臺網(wǎng)三年多的連續(xù)背景噪聲數(shù)據(jù)，在0.1～0.9Hz頻帶寬中進行互相關(guān)計算，選擇30天數(shù)據(jù)進行疊加,得到地震波同震波速下降了0.1%。

這一方法同樣適用于斷層帶速度變化的日常監(jiān)測。2008年，Brenguier等[39]利用從2002年1月到2007年10月超過五年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，期間包含的兩次地震分別是2003年12月22日的6.5級San Simeon地震和2004年9月28日的6.0級Parkfield地震。選用0.1～0.9Hz的帶通濾波，把30天的互相關(guān)函數(shù)疊加起來視為實際經(jīng)驗格林函數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩次地震震后的地震波速度分別下降了0.04%和0.08%。

3 結(jié)論

早期多用人工地震的方法探測地球內(nèi)部活動，常用折射波、反射波、透射波、斷面波等信號，同時為提高信噪比而抑制背景噪聲。對于背景噪聲，研究者通常采用壓制去除的手段，對其并不加以研究。但是隨著地震學(xué)的不斷發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)背景噪聲中攜帶了大量有價值的信息。從背景噪聲中成功提取出面波信息，這無疑是地球物理學(xué)科的一個重大轉(zhuǎn)折。利用背景噪聲不僅可以進行實時觀測，而且還減少了利用人工震源的巨大成本，更是保護了周圍的生態(tài)環(huán)境。再者，研究所用的背景噪聲是不受天然地震的空間分布影響，更不受發(fā)震時刻的限制，只要地震臺有連續(xù)的記錄即可。而由其再通過互相關(guān)計算得到的地震波速變化可以反映地下介質(zhì)的變化，更進一步還能反映區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其周邊的應(yīng)力變化。通過背景噪聲做互相關(guān)從而提取出面波信息，近年來在地震學(xué)中得到了廣泛使用，并獲得了一系列重要研究成果。目前，利用背景噪聲來研究介質(zhì)速度變化的方法已經(jīng)能夠探測到火山噴發(fā)前火山區(qū)的速度變化，而在近年來的不斷深入研究中，正在開展強震前的異常探索，期望在構(gòu)造地震的預(yù)測中也發(fā)揮重要作用。在水庫庫區(qū)，由于庫水滲透、擴散等效應(yīng),可能會導(dǎo)致水庫庫區(qū)介質(zhì)速度的變化。因此，通過使用背景噪聲互相關(guān)的方法進行水庫庫區(qū)介質(zhì)速度變化的監(jiān)測和研究，還可能為預(yù)報水庫誘發(fā)的地震提供重要依據(jù)。

雖然現(xiàn)在的研究成果只表明在地震發(fā)生后或者同震時可以觀測到地下介質(zhì)速度的變化，而且大部分研究結(jié)果精度只達到千分之一甚至萬分之一，然而這對于地震預(yù)測研究來說也是一個重大發(fā)現(xiàn)和新的研究思路。但是這種現(xiàn)象在強震前是否出現(xiàn)，以及其表現(xiàn)特征如何？預(yù)測的準(zhǔn)確性和普適性怎樣?在計算過程中需要選擇多長時間的數(shù)據(jù)疊加為好?而臺站對的選取具體條件又如何?這些問題都值得研究者們不斷深入研究。