基于密集台阵的背景噪声聚束分析成像及其在青藏高原东北缘
的应用
地震背景噪声成像是近年来发展的一种被动源成像技术,其通过背景噪声的互相关提取台阵间传播的地震波来进行成像研究。与基于地震事件的层析成像相比,其依赖的背景噪声源广泛、持续的存在于地表,不受时间和空间的限制。噪声互相关可获取在任意两个台站间传播的地震波,其路径数目主要取决于台网密度,从而可大大提高了路径覆盖密度。同时,相比天然地震中的面波,噪声互相关中含有更短周期的面波信号,对地下介质具有更好的分辨。
,该方法可以对地下介质结构,尤其是地壳尺度的精细结构,开展更高分辨率的成像研究。传统基于背景噪声的成像技术,通常只考虑面波的相位信息,在互相关运算获得台站间的互相关函数之后,其反演方法与基于地震事件的面波反演类似,即利用时频分析获取台站间的频散曲线,然后利用纯路径反演方法获得不同周期的二维面波相速度分布图。对于互相关函数幅度信息的利用,主要是将二维弹性情形下,互相关函数的频率域表示（空间相干）正比于第一类零阶贝塞尔函数J0（k0 r）这一结论,通过引入指数衰减系数,直接推广到衰减介质情形,令衰减介质中背景噪声的空间相干函数类比于
J0（k0 r）?e-?（?）r,以此来反演介质的衰减系数?,这种简单的推广并不具备严格的理论基础。另一方面,随着大范围密集台阵的布设,基于密集台阵背景噪声场的聚束分析为研究地下结构提供了另一种思路。
作为一种台阵分析方法,聚束分析成像不需要纯路经反演,可以直接获取面波的二维相速度分布,更大限度地发挥密集台阵的优势。基于此,本文主要研究了以下三个方面的内容:1)研究了衰减介质中空间相干的理论表达式。由于时域中的互相关对应频率域中的相干,衰减介质中的空间相干表示,为利用背景噪声场的幅度信息反演介质的衰减结构奠定了理论基础;2)提出基于密集台阵的背景噪声连续记录,对移动的子台阵进行聚束分析提取面波频散和方位各向异性的成像方法,论证了这种方法的可靠性,并详细讨论了背景噪声源及台阵几何结构对方位各向异性的影响及校正方法;3)基于“中国地震科学探测台阵-南北地震带北段（喜马拉雅二期）”的连续记录,将聚束分析成像方法用于获取青藏高原东北缘面
波的速度和方位各向异性,进而获得了该地区三维S波速度结构,讨论了其构造含义。取得的主要成果和创新认识如下:（1）基于平面波叠加模型,研究了不同的互相关定义及坐标选择下,衰减介质中空间相干的理论表达式。
研究表明,在此模型下,空间相干的表达形式依赖于坐标原点的选择,因而随源的分布的变化而变化,对不同的归一化因子,表达式也不尽相同。利用指数衰减与贝塞尔函数相乘的形式,拟合背景噪声的观测数据得到的衰减比实际值偏小。在衰减介质中,空间相干受源的方位平均的影响,简单使用指数衰减的形式进行拟合,可能无法提取可靠的衰减系数。（2）提出了一种利用密集台阵记录和背景噪声聚束分析直接获取台阵下方二维面波相速度分布的成像方法。
该方法将密集台阵划分为若干个子台阵,将每一个子台阵的背景噪声聚束输出进行方位平均,将聚束能量的最大值对应的速度作为该子台阵下方的方位平均速度,通过移动子台阵,获得整个台阵下方的二维面波相速度分布图。通过中国地震科学探测台阵项目二期的数据,对该方法的分辨率及可靠性进行了论证。研究表明:当子台阵的台站数目大于10时,在周期7s35s范围内可以获得可靠的频散曲线。考虑速度结构横向分辨率及频散测量精确度之间的权衡,选择以2o×2o大小的网格进行子台阵划分,相邻网格存在0.5o的重叠,成像结果较为稳定。
与传统成像方法相比,该方法不需要纯路径的反演,可直接获取台阵下方的二维速度分布,避免了频散曲线的挑选。与程函方法相比,由于对方位进行了平均,该方法受背景噪声源和台阵几何结构的影响较小。（3）定量研究了噪声源和台阵几何结构对聚束分析提取面波方位各向异性的影响,并给出了一种校正方法。由于某个方位的台站对只能对该方位的噪声源进行采样,因此应用聚束分析的台阵方法提取面波方位各向异性时,噪声源的影响和台阵几何结构的影响是一致的。
基于平面波模型,我们从理论上论证了这二者影响的一致性,定量研究了非规则台阵几何结构和非均匀噪声源对面波各向异性测量的影响。针对“喜马拉雅二期”项目的台阵,检测了台阵聚束分析重建面波速度结构的分辨能力,并给出了台阵几何结构影响的量化指标。对于几何形状不规则的台阵,引入的“虚假”各向异性强度可达4.5%。我们提出了一种校正方法,从面波各向异性的测量结果中减去“虚假”的各向异性,消除台阵与噪声源的影响。
（4）基于“中国地震科学探测台阵-南北地震带北段”的610个地震台站记录的噪声数据,利用聚束分析方法,获得了青藏高原东北缘及其邻区7s-35s范围内的基阶Rayleigh面波相速度分布,并反演获得了台阵下方的三维S波速度结构模型。结果表明,青藏高原东北缘及其邻区的速度结构存在显著的横向不均匀性,浅层的速度结构与地表地质和地形具有很好的一致性,下地壳的速度结构更多的反映莫霍面的起伏;青藏高原东北缘在海拔以下1535km的深度范围内存在两个明显的中地壳低速层,分别位于松潘甘孜块体和西北祁连造山带;松潘甘孜块体的中地壳低速层向北跨越了东昆仑断裂,可能与中地壳部分熔融相关;相比于松潘甘孜块体的低速层,西北祁连造山带下方的中地壳低速层特征并不显著,存在部分熔融的可能性很低,低速层可能源于含水流体的作用。
基于密集台阵的背景噪声聚束分析成像及其在青藏高原东北缘的应用
