丁文秀 廖武林 李 媛

1 中國(guó)地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2 地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市洪山側(cè)路48號(hào)，430071

地震背景噪聲技術(shù)改變了傳統(tǒng)的地球物理學(xué)研究對(duì)地震事件的依賴，被認(rèn)為是地球物理學(xué)的重大突破。2007年，Bensen等[1]系統(tǒng)總結(jié)了由背景噪聲數(shù)據(jù)提取面波頻散曲線的處理方法，之后基于地震背景噪聲的Rayleigh波和Love波層析成像技術(shù)在研究殼幔結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。雖然Koper等[2]對(duì)0.25～2.5 s周期的地震背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后認(rèn)為，Lg波成分約占 49.4%，但眾多學(xué)者的背景噪聲互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)中并未出現(xiàn)Lg波。丁文秀等[3]利用傳統(tǒng)的背景噪聲數(shù)據(jù)處理方法，在Rayleigh波之前發(fā)現(xiàn)了2組不太清晰的Lg1和Lg2波震相。

部分學(xué)者認(rèn)為，在傳統(tǒng)的背景噪聲數(shù)據(jù)處理中，振幅信息歸一化僅保留了波形數(shù)據(jù)的相位信息，后續(xù)的互相關(guān)疊加不能恢復(fù)出正確的振幅信息[4-6]。而Lg波的振幅譜是計(jì)算Q值的重要數(shù)據(jù)，如果能從背景噪聲數(shù)據(jù)中恢復(fù)出Lg波的振幅信息，就可以擺脫傳統(tǒng)Lg波Q值計(jì)算對(duì)地震事件的依賴，有助于獲得更好路徑覆蓋率和更高分辨率的Q值分布。

目前，背景噪聲的研究主要以相位信息為主，對(duì)于背景噪聲振幅信息恢復(fù)的相關(guān)研究較少。在傳統(tǒng)的背景噪聲處理中，為削弱地震事件對(duì)背景噪聲數(shù)據(jù)的干擾，對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行時(shí)域歸一化處理(如one-bit方法、時(shí)間窗歸一化方法等)后僅保留了波形的相位信息，其振幅信息被歸一化，而是否能從背景噪聲中重建經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的振幅信息存在爭(zhēng)議[4-10]。因此，如何從背景噪聲數(shù)據(jù)中提取清晰的Lg波及如何恢復(fù)出Lg波的振幅信息是本文主要探討的科學(xué)問題。

1 數(shù)據(jù)選取

由于背景噪聲中Lg波震相出現(xiàn)在臺(tái)間距約450 km以外的區(qū)域[3]，本文選取鄂、湘、粵地區(qū)部分地震臺(tái)站2 a(2013～2014年)的連續(xù)波形數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，臺(tái)站間最大跨度約1 300 km，以保證臺(tái)間距≥450 km的需求。連續(xù)波形數(shù)據(jù)來源于中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心，采樣率為1 Hz，由于天然地震中的Lg波在垂直分量和水平分量都能較好地顯示，僅選取垂直分量作為本文的研究對(duì)象。

2 背景噪聲數(shù)據(jù)處理

由于采用傳統(tǒng)背景噪聲數(shù)據(jù)處理方式識(shí)別出的Lg波震相不太清晰[3]，且振幅歸一化處理后不能恢復(fù)出Lg波的振幅信息，本文在參照傳統(tǒng)背景噪聲數(shù)據(jù)處理方法[1]和Rayleigh波振幅信息提取研究[6，9-10]的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)處理劃分為以下幾步：

1)單臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)處理。提取單臺(tái)以d為單位的垂直(Z)分量連續(xù)波形，進(jìn)行去除儀器響應(yīng)、去均值、去趨勢(shì)和濾波處理。由于5～20 s微震頻帶中背景噪聲以基階面波(Rayleigh波和Love波)為主[11]，傳統(tǒng)的背景噪聲數(shù)據(jù)處理通常去除周期≤5 s的高頻成分。而Lg波屬于短周期面波，普遍認(rèn)為其周期為0.5～6 s，考慮到Lg波的周期特征和本文所用數(shù)據(jù)的采樣率，本文選取的濾波參數(shù)為2.5～8 s。

圖1 ZUX臺(tái)Z分量波形數(shù)據(jù)Fig.1 Z-component waveform data of ZUX station

3)互相關(guān)疊加。互相關(guān)疊加處理方法與傳統(tǒng)的背景噪聲數(shù)據(jù)處理策略一致，考慮到每個(gè)臺(tái)站對(duì)的互相關(guān)疊加結(jié)果可能是由不同長(zhǎng)度、不同天數(shù)的數(shù)據(jù)疊加得到，添加了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的互相關(guān)疊加。標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)互相關(guān)疊加后，在時(shí)間域?qū)?yīng)的振幅大小就是疊加時(shí)所使用的實(shí)際波形數(shù)據(jù)，這一步是為后續(xù)的背景噪聲疊加時(shí)間長(zhǎng)度校正作準(zhǔn)備。圖2為HUD-LCH臺(tái)對(duì)6、9、12、18、24個(gè)月的互相關(guān)疊加結(jié)果，由圖可知，對(duì)于HUD-LCH臺(tái)對(duì)而言，6個(gè)月的互相關(guān)疊加結(jié)果就可以展現(xiàn)出Lg波。圖3為L(zhǎng)g波和噪聲的振幅譜，可以看出，6～24個(gè)月Lg波的振幅譜均大于噪聲振幅譜，證明了Lg波疊加信號(hào)的可靠性。

圖2 HUD-LCH臺(tái)站對(duì)6、9、12、18、24個(gè)月互相關(guān)疊加結(jié)果Fig.2 Cross-correlation and stack results of HUD-LCH station of 6, 9, 12, 18, 24 months

圖3 Lg波和噪聲的振幅譜Fig.3 Lg-wave and noise spectra

圖4為L(zhǎng)CH臺(tái)與部分臺(tái)對(duì)24個(gè)月的波形互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)，結(jié)合圖2～4可以看出，24個(gè)月的互相關(guān)疊加結(jié)果中正、負(fù)分支的Rayleigh波和Lg波并沒有對(duì)稱分布，這可能與噪聲源的不對(duì)稱分布有關(guān)[6,12]。

圖4 LCH臺(tái)與部分臺(tái)對(duì)24個(gè)月互相關(guān)疊加結(jié)果Fig.4 24 months cross-correlation and stack results of LCH station and other stations

3 Lg波振幅信息校正

目前，背景噪聲振幅信息的恢復(fù)主要是針對(duì)Rayleigh波振幅的[6,9,13-14]，普遍認(rèn)為，背景噪聲源分布非常不均勻，背景噪聲互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)的振幅不能直接用于計(jì)算，因此振幅校正是非常有必要的[6,14-15]。Lin等[9]通過將Rayleigh波的衰減測(cè)量數(shù)據(jù)與內(nèi)華達(dá)州地震及懷俄明州煤礦爆炸后觀測(cè)到的振幅衰減進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為，只要對(duì)背景噪聲相互關(guān)疊加時(shí)間長(zhǎng)度及幾何擴(kuò)散、噪聲源強(qiáng)度的方位角變化和場(chǎng)地效應(yīng)進(jìn)行校正，便可在背景噪聲中提取出振幅信息。

3.1 互相關(guān)疊加時(shí)間長(zhǎng)度校正

由于剔除地震信息后有可能造成同一天不同臺(tái)站參與互相關(guān)的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不同，而不同的臺(tái)對(duì)最終參與疊加的天數(shù)也有可能不同，且數(shù)據(jù)互相關(guān)疊加的實(shí)際波形數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)和天數(shù)對(duì)振幅信息的影響非常顯著。因此建立標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)互相關(guān)疊加結(jié)果的大小對(duì)應(yīng)了背景噪聲波形互相關(guān)疊加時(shí)使用的實(shí)際波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和疊加天數(shù)。參照Rayleigh波振幅的校正處理方法[10]，將背景噪聲互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)除以對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)互相關(guān)疊加結(jié)果，得到經(jīng)過校正后的波形數(shù)據(jù)，圖5為HUD-LCH臺(tái)對(duì)互相關(guān)疊加波形、標(biāo)識(shí)互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)和互相關(guān)疊加時(shí)間長(zhǎng)度校正后的波形數(shù)據(jù)。

圖5 HUD-LCH臺(tái)對(duì)波形數(shù)據(jù)Fig.5 Waveform data of HUD-LCH stations

3.2 幾何擴(kuò)散、環(huán)境噪聲源強(qiáng)度的方位角變化和場(chǎng)地效應(yīng)校正

噪聲源分布的不均勻及噪聲源強(qiáng)度的變化和不確定性是影響振幅恢復(fù)的關(guān)鍵因素[6]，而雙臺(tái)法[16-18]為減弱噪聲源和幾何擴(kuò)散的影響提供了途徑，在雙臺(tái)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雙臺(tái)雙震源法[19]還可以消除場(chǎng)地效應(yīng)的影響。Lg波的振幅可以表示為[18]：

A(f,Δ)=S(f)G(Δ)Γ(f,Δ)P(f)r(f)

(1)

(2)

(3)

式中，S(f)為震源函數(shù)，G(Δ)為幾何擴(kuò)散因子，P(f)為臺(tái)基響應(yīng)函數(shù)，r(f)為隨機(jī)效應(yīng)，Г(f,Δ)為衰減函數(shù)，Q(x,y,f)為L(zhǎng)g波的Q值，V為L(zhǎng)g波的群速度。對(duì)于同一個(gè)天然地震事件a而言，如果2個(gè)臺(tái)站i和j的方位角偏差小于一定的角度θ，即可近似認(rèn)為該地震事件與這2個(gè)臺(tái)站在一條直線上[16,18]。通過提取2個(gè)臺(tái)站間同一震源的Lg波振幅比(式(4))，并校正震中距比率的平方根，即可消除震源和幾何擴(kuò)散效應(yīng)[16-18]：

(4)

式中，Δai、Δaj分別為地震事件a到臺(tái)站i、j的震中距。

對(duì)于2個(gè)天然地震事件a和b，如果2個(gè)臺(tái)站i和j的方位角偏差小于一定的角度θ，即可近似認(rèn)為這2個(gè)天然地震事件與2個(gè)臺(tái)站在一條直線上[19]。雙臺(tái)雙震源法(式(5))可消除震源、幾何擴(kuò)散和場(chǎng)地效應(yīng)的影響：

(5)

圖6(a)～6(d)為互相關(guān)疊加時(shí)間長(zhǎng)度校正后4個(gè)臺(tái)對(duì)的波形數(shù)據(jù)，如果將HUD臺(tái)和WCA臺(tái)當(dāng)作震源，JIS臺(tái)和ZJJ臺(tái)當(dāng)作接收臺(tái)站，采用雙臺(tái)雙震源法即可消除震源、幾何擴(kuò)散和場(chǎng)地效應(yīng)的影響，估算的Q值見圖6(i)。

圖6 臺(tái)對(duì)互相關(guān)疊加時(shí)間長(zhǎng)度校正后的波形數(shù)據(jù)、Lg波和噪聲振幅譜及估算Q值Fig.6 Waveform data corrected by cross correlation stack time length and Lg-wave, noise amplitude spectrum by stations and estimate Q

4 結(jié) 語

本文研究表明，對(duì)地震背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可在互相關(guān)疊加數(shù)據(jù)中識(shí)別出Lg波，噪聲源的分布不均勻及噪聲源強(qiáng)度的變化和不確定性是影響Lg波振幅恢復(fù)的主要因素。本文通過雙臺(tái)雙震源法消除震源、幾何擴(kuò)散和場(chǎng)地效應(yīng)的影響，并估算了Q值。背景噪聲數(shù)據(jù)中Lg波的識(shí)別及振幅信息的校正與提取，有助于科研工作者擺脫目前Lg波Q值研究對(duì)地震事件的依賴。

致謝:感謝中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供連續(xù)波形數(shù)據(jù)。