摘要：背景噪聲是一種連續(xù)穩(wěn)定的自然源，其中包含豐富的地下介質(zhì)信息。利用背景噪聲成像技術(shù)可以獲得對(duì)研究區(qū)域的地下速度結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，為深部構(gòu)造研究提供了新方法。主要論述其發(fā)展歷史、原理及其在地震領(lǐng)域方面的研究現(xiàn)狀，探討該方法在未來需要解決的問題以及發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：背景噪聲;地震成像;互相關(guān);經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)

　　傳統(tǒng)的成像方法通常是以天然地震或人工地震激發(fā)的地震波為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行地震成像，但是由于天然地震多數(shù)發(fā)生在板塊邊緣或斷裂帶附近，受地質(zhì)條件和地理環(huán)境的影響，并沒有合適的臺(tái)站記錄，因此這兩種成像的分辨率均不高，極大地限制了對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。近年來的眾多研究表明，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的地震背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算可以得到一個(gè)正負(fù)軸近似對(duì)稱的波形。

　　對(duì)其進(jìn)行處理后，可以近似得到臺(tái)站對(duì)之間的格林函數(shù)(包含了兩個(gè)臺(tái)站之間地震波在介質(zhì)中傳播的所有信息)。對(duì)其提取頻散曲線，可以得到不同周期的群(相)速度值。通過面波層析成像，可以得到研究區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)圖，為深部構(gòu)造研究提供了新方法。

　　背景噪聲是指在沒有地震發(fā)生的情況下地震儀器上所記錄的隨機(jī)波動(dòng)信號(hào)，是一種連續(xù)穩(wěn)定的自然源，其中包含了豐富的地下介質(zhì)信息。通過背景噪聲信息來研究地球內(nèi)部構(gòu)造，這一思路是由地震學(xué)家Aki于1957年首次提出的[1]。Weaver等(2001)[2]通過對(duì)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中的熱噪聲證明了格林函數(shù)可以從擴(kuò)散場(chǎng)的相關(guān)性質(zhì)中測(cè)量。他通過對(duì)鋁塊上的兩點(diǎn)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到波形近似兩點(diǎn)間的格林函數(shù)，能夠清晰地反映兩點(diǎn)間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　地震學(xué)家Campillo和Paul(2003)[3]首次將這一猜想運(yùn)用到地震學(xué)上，他們通過研究，選擇了地震尾波進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，這是由于尾波的擴(kuò)散特征與熱噪聲的性質(zhì)相似，前人也通過研究模式均分的性質(zhì)解釋了尾波的彌散彈性波特征。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與理論模型合成的格林函數(shù)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。

　　這項(xiàng)試驗(yàn)同時(shí)也表明，這種新型的方法可以幫助生成內(nèi)部地球結(jié)構(gòu)的圖像，而不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)中原始時(shí)間和震源位置的不確定性，類似的方法同樣適用于其他具有時(shí)間序列的漫射波場(chǎng)中。Shapiro等(2005)[4]用30天連續(xù)的地震背景噪聲進(jìn)行了互相關(guān)計(jì)算，得到的互相關(guān)波形與臺(tái)站間的格林函數(shù)僅有幅度上的差異，然后通過提取頻散曲線，進(jìn)一步獲取了不同周期的面波速度成像圖，其水平分辨率為60-100km。該項(xiàng)研究首次將地震背景噪聲以圖像的方式顯示出地下物質(zhì)特征，開啟了地震背景噪聲在地震研究中的先河。

　　1原理

　　通常認(rèn)為，噪聲模糊不清且不包含有用信息，然而，作為物理學(xué)中的一個(gè)新的分支——介觀物理學(xué)，其見解挑戰(zhàn)了這一假設(shè)。理論表明，無論散射如何，線性波均能保留殘余的相干性，在多次散射電子和可見光的情況下，殘余相干性通常表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)性。Shapiro等注意到，均勻波場(chǎng)一定具有相關(guān)函數(shù)，這等同于獲得一個(gè)集中沖擊信號(hào)。

　　因此，這種相關(guān)性被動(dòng)地揭示了關(guān)于通常僅通過主動(dòng)發(fā)射波，并檢測(cè)響應(yīng)而獲得的結(jié)構(gòu)信息。Weaver等(2005)[5]提出其物理原理：作為各向同性漫射場(chǎng)的一部分，且經(jīng)過一個(gè)接收點(diǎn)的射線將稍后再次穿過另一個(gè)接收點(diǎn)，除了傳播時(shí)間，其相位不發(fā)生改變。因此，信號(hào)雖然有噪聲，但卻是相關(guān)的。背景噪聲層析成像方法的主要步驟之一就是通過對(duì)兩個(gè)臺(tái)站之間的地震噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的互相關(guān)計(jì)算和疊加來得到互相關(guān)函數(shù)。

　　值得注意的是，在對(duì)噪聲進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算之前，先要對(duì)單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理是為了去掉天然地震的影響和儀器自帶的異常信號(hào)，主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)、去均值、去儀器響應(yīng)和帶通濾波等處理。時(shí)域歸一化是預(yù)處理中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一般采用“one-bit”正則化法，目的是為了去除地震引起的畸變信號(hào)以及附近噪聲對(duì)臺(tái)站互相關(guān)計(jì)算的影響;其次是頻譜白化，可以拓寬互相關(guān)信號(hào)中環(huán)境噪聲的頻譜，降低某一單頻固定信號(hào)(如海灣噪聲)的干擾[6]。

　　基于時(shí)間反演不變性和彌散場(chǎng)假設(shè)，互相關(guān)函數(shù)可以近似為格林函數(shù)。通過以快速傅里葉變化與數(shù)字濾波技術(shù)為基礎(chǔ)的時(shí)頻分析方法，可以提取地震數(shù)據(jù)中的頻散信息。通過質(zhì)量控制，篩選效果較好的頻散曲線，便于對(duì)其進(jìn)行面波層析成像。

　　2實(shí)際應(yīng)用

　　隨著噪聲成像方法的快速發(fā)展以及地震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)，國內(nèi)外許多學(xué)者通過地震噪聲層析成像技術(shù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行成像研究，探索了該區(qū)域內(nèi)部構(gòu)造，這對(duì)于地震預(yù)測(cè)研究具有極為深遠(yuǎn)的意義。YingjieYang等(2010)[7]通過對(duì)西藏及周邊地區(qū)約600個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行互相關(guān)處理，提取了Rayleigh波相速度，再對(duì)其進(jìn)行成像研究，由此產(chǎn)生的相位速度圖在青藏高原的大部分地區(qū)具有100-200km的分辨率。

　　結(jié)果表明，青藏高原的相速度平均低于周圍地區(qū)的，西藏北部的相速度低于西藏南部的，在短時(shí)間內(nèi)(<20s)，主要盆地(包括塔里木、柴達(dá)木、準(zhǔn)噶爾和四川盆地)以及鄂爾多斯地塊中均會(huì)出現(xiàn)非常低的相速度;在中長(zhǎng)期(>20s)，塔里木盆地鄂爾多斯地塊和四川盆地形成了非常高的相速度。這些相速度色散圖提供了構(gòu)建橫跨青藏高原和周邊地區(qū)的地殼三維剪切速度模型所需的信息。ColtonLynner和RobertW.Porritt(2017)[8]通過部署海上和陸上的地震儀器，對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理，提取了Rayleigh波的相速度和群速度，反演了北美東部邊緣的S波速度圖。

　　反演結(jié)果表明，在連接海洋和大陸地殼有個(gè)地殼厚度轉(zhuǎn)換帶，且與重力正異常(PGA)相關(guān)，東海岸磁異常(ECMA)位于轉(zhuǎn)換帶和洋殼的交匯處。根據(jù)成像結(jié)果提出，沿轉(zhuǎn)換帶底部的致密巖漿沉積是重力異常的原因，并且依據(jù)東海岸指示了最初海洋地殼形成的位置。背景噪聲成像不僅能反映殼幔的速度結(jié)構(gòu)，同樣也能顯示研究區(qū)域的速度變化。該方法本質(zhì)上是通過計(jì)算相同接收器對(duì)的不同周期的互相關(guān)函數(shù)并測(cè)量相關(guān)函數(shù)之間的變化來跟蹤地殼的時(shí)間演變。

　　國外，Brenguier等(2008)[9]使用環(huán)境地震噪聲的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)來研究加利福尼亞州帕克菲爾德附近圣安德烈亞斯斷層(SAF)地殼內(nèi)地震速度的連續(xù)變化。研究結(jié)果表明，SanSimeon和Parkfield地震后，地震速度演變差異明顯，在SanSimeon地震之后，Parkfield沿圣安德烈亞斯斷層(SAF)的地震速度下降了0.04%，地震發(fā)生7個(gè)月后，Parkfield地區(qū)的速度似乎又回到了地震前的水平，這與使用與其他地震相關(guān)的活動(dòng)源的測(cè)量結(jié)果一致。這些觀測(cè)結(jié)果表明，地震速度變化與淺層中的同震破壞以及圣安德烈斯斷層帶內(nèi)的深層同震應(yīng)力變化與震后應(yīng)力松弛有關(guān)。

　　國內(nèi)，劉志坤和黃金莉(2010)[10]也利用該項(xiàng)技術(shù)，研究了汶川地震震源區(qū)的速度變化。結(jié)果表明，跨過汶川余震帶的臺(tái)站波速降較為明顯，四川盆地內(nèi)各臺(tái)站對(duì)間的波速相對(duì)于沒有波速變化的盆地邊緣和川西高原，波速降較明顯。余震帶內(nèi)的波速變化呈現(xiàn)空間分段特征，這與強(qiáng)余震的發(fā)生呈現(xiàn)較強(qiáng)的同步性。

　　地殼中的地震各向異性方向是持續(xù)地震或已發(fā)地震在地殼中的變形特征，由于其與應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系密切，地震各向異性研究已被廣泛應(yīng)用于與地球動(dòng)力學(xué)過程相關(guān)的巖石圈變形。在有限應(yīng)變的情況下，地殼和地幔物質(zhì)可以更好地指示地震各向異性的方向，因此，觀測(cè)地震各向異性可以深入了解巖石圈巖石的形變分布特征。

　　使用地震背景噪聲或地震數(shù)據(jù)的方法已被廣泛運(yùn)用于區(qū)域上因地殼或上地幔變形引起的方位各向異性(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異性的研究中(Debayle等，2005;Marone和Romanowicz，2007;Montagner和Tanimoto，1991)。ZhiGuo等(2017)[11]通過環(huán)境噪聲成像技術(shù)研究了天山山脈下5-35s周期中Rayleigh波相速度方位各向異性的反演。

　　成像結(jié)果表明，隨著深度變化，方位各向異性也發(fā)生了顯著變化。在上地殼深度，位于天山山脈區(qū)域觀察到了近平行于造山帶的方向各向異性，這可能是地殼礦物受到壓力造成的;在天山山脈南部和北部山麓觀察到了近垂直于造山帶的方位各向異性，這與持續(xù)的南北縮短引起的裂縫應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。

　　在中、下地殼和上地幔深度，伊塞克湖(LakeIssyk-Kul)的北部和南部下方觀察到與明顯低速相關(guān)的近似垂直于造山帶的快速面波。空間各向異性和較低速度之間的相關(guān)性表明該地存在熔融物質(zhì)，它可能來自軟流圈的地幔上涌。結(jié)果表明，塔里木盆地的俯沖和上地幔上涌可能在第三紀(jì)以來天山山脈的地球動(dòng)力學(xué)演化中起重要作用。

　　3討論與展望

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的地震成像，背景噪聲成像技術(shù)為獲取地殼內(nèi)部的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)提供了新的工具。經(jīng)過多年的成功應(yīng)用，該技術(shù)已被證實(shí)可以得到較為可靠的成像結(jié)果，但相較于其他成像方法仍是一種發(fā)展中的新方法，如對(duì)于怎樣獲得更高分辨率的地面波速度圖，還有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

　　現(xiàn)今，由于數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性及反演方法的局限性等多方面因素，開始探索兩種或多種方法相結(jié)合，以期望得到更為可靠的結(jié)果。對(duì)于環(huán)境噪聲成像方法的綜合分析方面，采用了將噪聲成像和多重平面波成像結(jié)合成像、接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演成像以及最近一項(xiàng)研究(即嘗試將面波與體波的不同反演技術(shù)聯(lián)合起來討論殼幔的各向異性)等等，這將為探索地震孕育規(guī)律和深部構(gòu)造研究帶來新的啟示。

　　背景噪聲成像技術(shù)的發(fā)展不僅會(huì)在地震領(lǐng)域帶來變化，而且在工業(yè)角度和城市發(fā)展方面也會(huì)帶來一些變革。運(yùn)用該方法，將不再通過人工激發(fā)震源等方法來獲取地下儲(chǔ)存情況，這將大大降低成本，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，也可以獲得地下連續(xù)的油藏監(jiān)測(cè)。城市地球物理的發(fā)展核心問題是建立地下三維地圖[12]，運(yùn)用該方法，只是簡(jiǎn)單地布設(shè)儀器對(duì)背景噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的記錄，并不會(huì)因?qū)嵤┍�破等行為造成擾民，這對(duì)于城市發(fā)展有著極其便利的優(yōu)勢(shì)。

　　另一方面，通過設(shè)立得到的信號(hào)也能夠?qū)崟r(shí)處理噪聲，獲得城市地下結(jié)構(gòu)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，避免城市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，如因施工造成的城市地陷等[13]。隨著區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，觀測(cè)儀器的數(shù)字化，計(jì)算方法的改進(jìn)創(chuàng)新等，相信在不久的將來，科學(xué)家們終將一一解決目前存在的各種問題，并在地震預(yù)測(cè)及工業(yè)角度和城市發(fā)展方面取得較為可行的成果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[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]王瓊，高原.噪聲層析成像在殼幔結(jié)構(gòu)研究中的現(xiàn)狀與展望[J].地震，2012，32(1)：70-80.

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