基于福建地区环境噪声瑞利面波群速度的层析成像分析

黄玲珠，李 军，张红才

（福建省地震局，福建 福州 350003）

基于福建地区环境噪声瑞利面波群速度的层析成像分析

黄玲珠，李 军，张红才

（福建省地震局，福建 福州 350003）

利用福建及其周边3省（浙江、江西、广东）数字地震监测台网的69个宽频带台站一年的噪声记录，采用互相关技术提取两两台站间的瑞利面波格林函数，反演得到了福建及其周边地区3个周期段（T=4s、T=10s、T=15s）的瑞利面波群速度分布图像。所得结果可为研究该地区的地壳构造、地热分布、地震活动等提供重要依据。

噪声；相干叠加；层析成像；瑞利面波

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.004

1674-8565（2017）04-0021-06

国家科技支撑计划项目（2014BAK03B02）

2017-04-18

2017-07-07

黄玲珠（1982-），女，福建省泉州市人，毕业于厦门大学，硕士，工程师，现主要从事地震观测与地震预警等方面的研究工作。E-mail：huanglz@fjea.gov.cn

0 引言

福建省位于欧亚板块的东南部，地处太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲碰撞带的内侧，区内从沿海到内陆活动断裂带贯穿全省，具有构造规模大、延伸长、切割深和活动性强等特点，是我国东南沿海地震活动水平最高的地区，明万历三十二年（公元1604年12月29日）曾发生泉州海外7.5级大地震，福建全境震感强烈[1]。因此，精细探测福建地区的构造结构对加强福建地区的防震减灾工作显得非常重要。

近年来，环境噪声层析成像技术获得了快速发展并成为广泛关注的热点，它摆脱了传统方法需依赖地震信息的限制，具有射线分布更加均匀、可重复观测、可获得较多的短周期成分等优点，使之成为区域地壳速度结构高分辨成像的一种新的技术途径。

在国际上，Shapiro等[2]和Sabra等[3]在20 05年发表了波群速度背景噪声层析成像图像，他们都采用了来自加州南部台站的一到几个月的数据。之后世界各地相继开展了形式多样的应用研究，除了美国之外还包括欧洲[4]、韩国[5]、中国[6]等，时间序列长度也达到2年甚至4年，取得了一系列的成果。Stehly等[7]发表了有关背景噪声方向性的研究成果，认为背景噪声传播的方位角非常广，虽然有时在方位上也会有某些倾向性，但观测结果的偏差相对于其他方法的测量误差而言微不足道。

金星、李军等[8-10]对福建地区的脉动进行了长达两年的跟踪分析，并利用福建地震台网8个宽频带台站记录到的环境噪声，根据相干叠加的原理提取了面波格林函数，反演了福建地区的瑞利面波群速度分布，但受当时宽频带台站稀疏的限制，所得结果比较粗略。随着“十五”建设项目的完成，福建地区宽频带地震台站的密度有了较大提高，在此基础上，根据地震是由于地壳介质受到的应力变化引起的这一理论，他们又利用福建台网25个宽频带台站的噪声记录，尝试性地研究了2007年8月14日—2008年7月1日福建地区瑞利面波群速度分布的相对变化与地震的关系，发现波速变化与地震之间有一定的吻合[11]。但25个台站只能组成300条射线，射线比较稀疏，所得层析成像结果比较粗略，只覆盖了福建中东部地区，对福建西部地区缺少相应分析。为了能够对福建地区有较好的射线覆盖并提高福建地区面波层析成像的精度，本文利用福建及其周边3省（浙江、江西、广东）共69个台站的脉动数据，反演得到了分辨率较高的福建地区瑞利面波群速度分布图像。

1 数据和方法

1.1 数据预处理

本文所利用的福建、广东、江西和浙江四省的台站共69个，全部为速度型，采样率分100 Hz和50 Hz两种，仪器类型包括CTS-1、BBVS-60、KS2000、JCZ-1、BBAS-2等。两两台站间可以构成一条射线，因此，理论上69个台站可构成2346条射线，台站分布如图1所示。

本文选取了1年的噪声记录进行相关分析，由于本文是利用噪声记录提取面波群速度，因此地震、爆破、脉检以及仪器自身的一些长周期成分等对于本文来说都属于干扰，在计算互相关系数之前，需要对噪声记录进行预处理。预处理主要包括基线校正、滑动光滑平均[12]等。数据经预处理后，能够去除零漂、仪器长周期等，并可以大大降低地震、爆破等干扰信号的幅值。

1.2 环境噪声提取面波格林函数

环境噪声提取面波格林函数的基本原理是：假设波场均匀分布，则两个台站记录的相关系数和两个台站之间的理论格林函数波形相同，但幅值不同，在相位上也有π/ 2的相移。由于地震台站主要分布在地表，格林函数主要受面波控制，且地脉动主要因表面的源（如海洋波动和大气干扰等）而产生，因此可通过此方法从环境噪声中提取面波格林函数[13]。

图1 台站分布图Fig.1 Distribution of seismic stations used in this study

理论上格林函数的两个分支应该是对称的，但在实际观察中，由于噪声源分布不均，有时两个分支可能会不完全对称。本文将负的分支反序后叠加到正的分支上，可以明显的提高结果的稳定性和信噪比。本文定义的信噪比计算方法为：设置瑞利面波群速度窗为2～5 km/s，计算群速度窗中波形的最大值与整个波形的均方差，两者的比值即为信噪比。之所以设定群速度窗，主要是为了剔除互相关结果中其他干扰的影响，如在时移0时刻附近，有些台站对互相关结果表现出很好的相关性（关于其中原因目前尚不明确）。

对叠加后的结果进行滤波，即可得到不同周期的瑞利面波群速度，即频散曲线。求出滤波后波形绝对值的最大值所对应的时间,即瑞利面波在两个台站之间传播所需要的时间。

本文所利用的噪声记录台站有69个，两两台站间可以构成一条射线，因此，理论上69个台站共可构成2346条射线，但由于台站记录以及台站周边干扰等因素的影响，导致并不是所有的台站都能提取出信噪比较高的结果，为了提高层析成像结果的可靠度，对于信噪比较低的结果需要剔除，这样反演得到的瑞利面波群速度分布图才更为可靠。

2 层析成像

本文借鉴Ottemoller[14-15]对Lg波层析成像的方法反演得到了T=4s、T=10s、T=15s等3个周期的瑞利面波群速度分布图像，该方法具体过程如下：

对于走时方程，

其中，d为所有射线的走时矢量，G为穿过各网格的射线长度矩阵；m为各网格的慢度矢量。

为了求解这个方程组并保证解的稳定性，需要将下面的函数最小化：

其中，

式中，F为矩阵控制空间平滑度，H为矩阵调节网格的初始信息。F和H分别为：

其中，

式中，Rij为i网格和j网格之间的距离，N为网格总数。

其中，Lij是穿过（i，j）网格单元的所有路径长度总和。

A矩阵依赖四个阻尼常数，α,σ,β,λ，通过检测板测试和分辨率测试的结果来调整α,σ,β,λ的大小以得到合适的检测板测试结果。其中α,σ控制空间平滑度，增大α或减少σ都可以使网格变得更平滑；而β,λ控制网格的反演信息，增大β或减少λ都可以增加射线覆盖较差网格的反演信息。

估计的模型矢量可以通过下式获得：

其中，

网格的选择依赖于数据的质量和可用射线的数量，以及所研究区域的横向不均匀尺度等因素。网格选择太稀疏，得到的横向不均匀分布精度就会太低，而网格选择太密集会导致用于反演的数据量不够，导致反演时出现欠定的问题。通过对比不同的阻尼参数和网格划分所得到的检测板测试结果，本文最终用于反演的网格大小为0.5o×0.5o，反演得到了福建及其周边地区3个周期段（T=4s、T=10s、T=15s）的瑞利面波群速度分布图像（图2）。

图2 （a）研究区域内地形图；（b）T=4 s时的瑞利面波群速度分布图像；（c）T=10 s时的瑞利面波群速度图像；（d）T=15 s时的瑞利面波群速度分布图像Fig.2 （a）Topography map of study region; （b-d）Rayleigh wave group velocity maps at different periods（T=4 s、T=10 s、T=15 s）

3 结果与讨论

瑞利面波某一周期的群速度对波长三分之一深度的介质最为敏感[16]，不同周期的群速度分布图像分别表征了不同深度范围内的构造差异。群速度分布所呈现的速度结构的横向不均匀性，对研究大的构造块体以及整体构造特征等都有十分重要的参考价值[17]。本文对反演得到的3个周期段的群速度图像分别进行讨论。

3.1 T=4s时的瑞利面波群速度图像

T=4s群速度图像主要反映了地壳浅部（约2～5 km）的速度结构特征。从图2（b）中可以看出，沉积层的分布、地形地貌等对波速分布有明显的触控作用，几乎所有的盆地都呈现出较低的群速度，而且低速的分布和强度与盆地的分布和沉积层的厚度能够很好的对应。在福建地区，瑞利面波波速分布基本呈现出北高南低的态势。在漳州盆地（福建东南部）等地势低洼地区波速较低，胡家富等[18]利用中长周期的面波记录也证明华夏块体（主要包括福建和广东）南部沉积层厚度为4km，北部沉积层仅为2km厚，这和本文得出的面波波速北高南低的结论相一致。

在地形图2（a）中，福建中南部地区波速也明显较低，构成了一个波速异常区。世界各地区如苏联的贝尔加胡、美国的黄石公园、红海大裂谷等地，在有低速异常的地方都会出现高热流值异常，地表往往出露大量的高温热泉[19]。福建地区属于东南沿海褶皱系，该区具有大陆地壳向海洋地壳过渡边缘地区的构造特征，位于滨太平洋断裂体系中，壳内深断裂发育，为强震活动区，幔内热物质容易通过深断裂上涌，使壳内热流值增高[20]。事实也证明，福建省是我国三大地热田之一，该区岩浆活动剧烈，许多地区都有玄武岩喷溢，福建境内现有温泉175处，绝大多数分布在闽南地区（图3a），如在漳州盆地及其附近地区就有大量温泉出露地表[21]，因此，进一步探明该区低速区分布规律，对地震预报以及福建省地热田远景预测、圈定、开发等有很大意义。

3.2 T=10 s时的瑞利面波群速度图像

T=10 s时的群速度分布图像主要反映了上地壳（约6～15 km）的结构特征。瑞利面波波速分布仍然受到地表地形的影响，但与地表地形相关程度已经明显降低，横向变化率也较小。由于福建省内发生的地震震源深度多数在10 km左右（据福建省地震局地震编目资料），为了探讨地震活动与速度结构之间的关系，本文给出了历史上福建地区所发生的M＞2.5级地震的震中分布（图3b），发现地震一般都分布在高群速度与低群速度的过渡地带，而且更偏重于低群速度一侧。一般而言，速度变化比较强烈的地区即是应力集中的地区，又是介质相对脆弱的地区，这样的地区更容易发生破裂从而产生地震。

图3 （a）福建地区地热分布图；（b）福建地区历史地震（M＞2.5）震中分布图Fig.3 （a）Geothermal distribution in study region;（b）Earthquake epocenters with M ＞2.5

3.3 T =15s时的瑞利面波群速度图像

T=15s群速度图像主要反映了下地壳（约13～30 km）的速度结构特征。瑞利面波波速似乎反而有些降低，横向变化率也有所增大，根据华南模型正演得到的瑞利面波频散曲线显示，该地区瑞利面波埃里相约出现在周期15秒处，因此分析认为，可能是由于瑞利面波埃里相的出现导致了该频率范围的瑞利面波波速下降，而不同地区埃里相的不同又导致了面波波速横向变化率有所增大。总体而言，瑞利面波波速分布显示该地区不同深度处横向变化率较小，横向变化率随深度增加呈减小的趋势。不同深度存在横向不均匀性，然而除东南沿海断裂系为构造活动区、地震较多之外，该地区仍属于较稳定的大陆块体构造[20]。

4 结论

本文利用近年发展起来的噪声层析成像技术反演得到了福建及其周边地区在T=4s、T=10s、T=15s的瑞利面波群速度分布图像，所得结果为研究该地区的地壳构造、地热分布、地震活动等提供了重要依据。与以往面波层析成像结果相比，本文射线密度大，高频信息丰富，对浅部结构的分辨率较好，所得结果较好的揭示了浅部地壳结构的横向变化率。这些结果的取得对指导福建地区的地热开发、探讨该地区地震发生的机制以及危险区的划分等都有非常重要的意义。

噪声层析成像技术不再依赖于天然地震，而且能够得到更多的短周期成分，这为精确反演浅部地壳结构提供了很好的方法，随着更多地震台站的布设以及该研究的进一步深入，该方法将会得到更加广泛的应用。

本文反演了瑞利面波在不同周期的群速度分布情况，并未反演剪切波速度结构，由于瑞利面波的频散特性，因此本文并不能对该地区地壳是否存在低速层做出判断，以后需要进一步反演得到剪切波速度结构，从而能够对该地区的地壳速度结构有更深入的了解。

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Tomography Analysis of Rayleigh Wave Group Velocity based on Environmental Noise in Fujian Area

HUANG Ling-zhu，LI Jun，ZHANG Hong-cai

（Earthquake Administration of Fujian Province，Fujian Fuzhou 350003，China）

The Green-function of Rayleigh wave between two stations was extracted by cross correlating a year velocity seismic noise records of 69 broad-band stations, which from four Digital Seismic Monitoring Networks of Fujian, Guangdong, Jiangxi and Zhejiang Provinces. And the group velocity distribution images of Rayleigh wave were inversed in three periods（T=4s、T=10s、T=15s） in Fujian and the surrounding. The results can provide important basis for the study of crustal structure, geothermal distribution and seismic activity in this area.

noise recording；coherent stacking；tomography；rayleigh wave