海底与陆地台站背景噪声差异

王嗣尹 徐 彦 李晓梦 解朝娣

（中国昆明650500 云南大学地球科学学院地球物理系）

0 引言

地震仪被广泛架设于大陆地区，用以记录构造地震事件所产生的地震波信号，研究震源性质与地球内部结构。在无地震事件发生的时间段里，地震仪会记录持续性的、看似随机的噪声扰动信号。这样的信号通常被称为背景噪声。Webb（1998）认为，这种看似是噪声的信号，实际上是由风和海浪的直接压力作用以及与弹性波的非线性耦合而产生的，是一种永久性、持续性的地震背景噪声信号。

地震背景噪声中包含着丰富的信息。架设在陆地上的地震仪所记录的背景噪声已得到较为广泛的研究。根据频率可将背景噪声分为2 部分：①周期小于1 s 的背景噪声被称为微振动（microtremor），通常具有和人类活动密切相关的日或周的周期变化性。这部分背景噪声中，周期0.2—1 s范围内的信号可来自于自然界（区域性的大气活动或者火山岩浆活动）或人类活动（交通、工业生产等），而更高频率的背景噪声基本来源于人类活动；②周期大于1 s的背景噪声被称为地脉动（microseism），主要来源于海浪运动。Longuet-Higgin（s1950）对地脉动进行了分类，将周期10—20 s 由于涌浪拍打海岸线产生的背景噪声称为第一地脉动或单频地脉动（Single-Frequency microseism，SF）；将周期2—10 s 的背景噪声称为第二地脉动或双频地脉动（Double-Frequency microseism）。第二地脉动可进一步划分为短周期第二地脉动信号（short period double-frequency microseism，SPDF）与长周期第二地脉动信号（long period double-frcquency microseism，LPDF）。Bromirski 等（2005）和Sharon 等（2008）对第二地脉动进行研究，发现第二地脉动的短周期部分（SPDF）可能来源于遥远的深海，长周期部分（LPDF）主要来源于海岸。陈栋炉等（2018）研究发现，地脉动信号存在季节特征，夏秋季节（5 月—10 月）地脉动信号较弱，冬春季节（11 月—次年4 月）地脉动信号则相对较强。

背景噪声应用广泛，可被用于获取地壳乃至上地幔速度结构（Shapiro et al，2005）。采用背景噪声方法，既不依赖地震的发生，也不需震源车或人工爆破，只需对连续记录的噪声进行互相关分析，即可获得地下结构信息。该方法相比于传统方法，还可获取地壳中剪切波速度均匀性的信息，提高了速度结构的分辨率。在全球范围内，背景噪声一直存在，Okada（2003）经过长期观测研究，发现通过分析背景噪声可以对地壳以及深层地幔的运动做出一定预测，可在一定程度上预测强地面运动。

占地球表面积近2/3 的海洋是地球物理研究的前沿领域。对于架设于洋底的海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer，OBS）记录的地震背景噪声的频率特征和能量分布特征等的认识还相对不足。文中对架设在太平洋的6 个OBS 和5 个不同区域的陆上地震仪，采用相同的背景噪声处理方法，分析陆地地震仪和OBS 记录的背景噪声的差异。

1 数据

从国际地震数据交换中心（Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS）获取，三分量宽频带地震仪连续数据时间段2010 年2 月1 日—28 日和2012 年2 月1 日—28 日所涉台站为架设于太平洋西北和中东部区域，台网编号分别为Z6 和ZA 的OBS，以及位于欧亚、非洲、北美、南美大陆及南太平洋岛屿的5 个不同区域编号为IU 和II 台网的LSZ、SAML、SLBS、SNZO、AAK 台站，台站位置如图1（a）所示。Z6 台网共布设11台仪器，其中11、15、16 号仪器数据可获取。ZA 台网共布设49 台仪器，仅B01、B02、B04 数据可获取。陆地台站配备Streckeisen STS-2 宽频带地震仪。该地震仪功率较低，频率范围超出传统的短周期和长周期仪器，速度响应为0.1—120 s。OBS 采用Nanometrics Trillium 240 宽频带地震仪，采用低噪声模型，速度响应为0.1—100 s。OBS 和陆地仪器频带范围较宽且相近，能够保证对洋底和大陆不同频带背景噪声的对比研究。

下载数据为三分量1 h 连续数据。对比5 个陆地台和6 个OBS 的数据完整性情况[图1（b）]，可以看出，5 个陆地台的数据完整性在75%以上，其中AAK 台的数据完整性达99.85%。而OBS 的数据完整性普遍较低，最高为75%，最低仅38.1%。由数据完整性可知，由于OBS 架设位置的特殊性，仪器维护比陆地地震台困难，数据完整性普遍偏低。Z6 台网的数据完整性在71%—75%之间，保证了OBS 和陆地台背景噪声的可比性。

图1 台站位置及数据完整性示意（a）地震台站位置，红色五角星代表陆地台站，黄色五角星代表ZA 台网的OBS、绿色五角星代表Z6 台网的OBS，插入图为Z6 和ZA 台网的台站分布以及位于加利福尼亚半岛的SLBS 台站的放大图；（b）各台站数据完整性，红色为陆地台站，黄色为ZA 台网，绿色为Z6 台网Fig.1 Station location and data integrity diagram

2 原理

采用Park 等（1987）和Koper 等（2010）提及的偏振分析法处理地震数据。偏振分析是一种多通道算法，可以从三分量地震数据中得到质点随频率变化的偏振信息。该算法基于给定频率下特征谱矩阵的奇异值分解。

假设三分量地震记录具有如下离散时间序列的形式：

其中，t=nτ，n=0，1，…，N-1，τ是采样间隔，数据长度为Nτ；x(1)(t)为垂直分量，x(2)(t)为径向分量，x(3)(t)为切向分量。

利用多窗谱分析法对x(t)进行快速傅里叶变换（FFT），则

其中，ωt(k)(N,W) 为k阶窗函数，k=0,1 …K-1,K取决于2W值，2W代表所选的频带宽度。

进而得出多窗口谱密度矩阵，有

其中，M*(ω)为M(ω)的共轭转置，M(ω)为K×3 阶矩阵，有

由此，可以得到垂直方向和水平方向运动的相位差：ФVH=ΘH-Ф1，ФVH的变化范围为（-90°，90°），2 个水平方向之间的相位差ФHH=Ф3-Ф2，ФHH的变化范围为（-180°，180°）。质点运动的极化度β可表示为

其中，符号tr 代表矩阵的迹，S为谱密度矩阵。β2取值范围[0，1]。本研究中的高值并不意味着直线粒子运动，椭圆运动也可以导致高值。

3 数据处理方法

对从IRIS 下载的OBS 和陆地台1 h 长度的三分量连续地面位移数据，首先去除仪器响应，并通过2 次微分得到地面运动加速度值。之后将数据划分成27 个滑动子窗口，2个子窗口间的数据重叠率为62.21%，每个子窗口的长度为122.6 s（8 192 个采样点）。之后，对每一个子窗口，进行去趋势、加Hanning 滤波窗处理，然后进行快速傅里叶变换（FFT），进而得到每一子窗口对应的3×3 谱密度矩阵。通过对27 个子窗的谱密度矩阵求平均值，得到1 h 噪声样本整体的谱密度矩阵，计算该谱密度矩阵的特征值和特征向量。通过特征值和特征向量得出极化属性，对陆地台站和OBS 的极化属性进行对比。

4 结果分析

4.1 OBS 和陆地台频谱特征差异

将OBS 和陆地台的偏振分析结果中垂直、东西、南北三分量和主特征值分别按照McNamara 等（2004）的方法来处理，得到各台的垂向、南北向、东西向及特征值的加速度功率谱密度，如图2 所示。

图2 陆地台站和OBS 垂直、东西、南北三分量和主特征值加速度功率谱密度2 条黑线代表全球背景噪声模型，上方黑线为高噪声模型(NHNM)，下方黑线为低噪声模型（NLNM）Fig.2 Acceleration power spectral density results of Z,E,N,and EIG components of land stations and OBS stations

图2 中OBS 三分量概率密度曲线显示，垂直分量能够对第一地脉动和第二地脉动信号进行良好记录，而水平分量长周期部分则未记录到第一地脉动信号峰值，且OBS 仪器水平分量在长周期（10—100 s）频段噪声较高。Montagner 等（1994）、Romanowicz 等（1998）、Webb（1998）等对其所采用的OBS 台站进行了广泛研究，认为造成这一现象的主要原因，是传感器垂直分量的机械设计不同于2 个相同水平分量的机械设计。这种差异导致传感器具有不同的冲击脆弱性。当传感器受到振动时，其组件会失效。本研究中OBS 台站并不完全位于沉积层之下，海底界面湍流会引起压力波动，该压力波动使得周围介质发生变化，引起传感器存在振动或者倾斜，从而对OBS 水平分量的长周期观测造成影响。

在5 个陆地台中，除了位于新西兰的SNZO 台外，其他台站三分量和主特征值的概率密度曲线呈现相同变化。LSZ、SAML、SLBS、AAK 四个陆地台站的3 个分量及特征值均能清晰记录到周期在2—10 s 的第二地脉动和10—20 s 范围的第一地脉动信号。而SNZO 台只有垂直分量能清晰记录到第一和第二地脉动信号，2 个水平分量和特征值对第一地脉动记录较差。并且SNZO 台背景噪声整体偏高，靠近Peterson（1993）所提出的全球高噪音模型（New High Noise Model，NHNM）曲线。Hasselmann（1963）通过研究认为，第一地脉动信号是由涌浪撞击海岸线产生的，在地壳内以瑞利波传播。位于欧亚大陆内部的AAK 台远离海岸线，但3 个分量在周期12 s 处仍能清晰地记录到第一地脉动信号峰值。SNZO 台与海岸线距离远比AAK 台近。但其水平分量和特征值从10 s 开始呈现出信号能量随频率降低而增高的特征。因此，第一地脉动信号随传播距离衰减并不是SNZO 台水平分量对第一地脉动记录较差的原因。而且SNZO 台的垂直分量在第一地脉动频带范围有局域峰值存在，只是水平分量对第一地脉动信号的响应较差。在图1 所示台站分布图可以明显看出，SLBS 和SNZO 均为海岛台站，由图2 可知2 个台站10—100 s 长周期部分具有2 种变化特征：三分量均能记录到第一地脉动信号，垂直向能记录到第一地脉动信号。把2 个台水平分量能记录第一地脉动的时段和水平分量不能记录到第一地脉动的时段拆分，绘制概率密度曲线，如图3 所示。

SLBS 台和SNZO 台分别有514 h 和472 h 的数据。SLBS 台三分量数据均能清楚，记录到第一地脉动峰值的时间为228 h，近全部时段的一半，只有垂直分量能记录到第一地脉动的时间为286 h。SNZO 台三分量均记录到第一地脉动峰值的时间段较短，只有26 h，而水平分量不能记录到第一地脉动峰值的时间长达446 h，占全部时段的94%。由图2 和图3 可知，SLBS 台站对第一地脉动信号的记录效果比SNZO 台站好。这主要是因为，2 个海岛台站地理环境具有较大差异。SNZO 台位于新西兰，地处太平洋西南部。而SLBS台位于墨西哥境内的加利福尼亚半岛，一侧为太平洋，一侧为加利福尼亚湾。SNZO 和SLBS 台水平分量对第一类地脉动观测不佳原因可能类似于OBS 台站：由于距海岸线近，在海浪压力作用的影响下，使得第一地脉动观测效果发生变化。当海浪压力相对较小时，这2 个海岛台的水平分量能记录到第一地脉动，而当海浪压力较大时第一地脉动信号就无法被记录到。SNZO 台相比SLBS 台，周围海域面积更为宽阔并且陆地面积更小，因此其水平分量受到较大影响。

图3 SLBS 与SNZO 台站长周期加速度功率谱密度结果Fig.3 Long-period Acceleration power spectral density results of SLBS and SNZO stations

4.2 OBS 和陆地台背景噪声频率特征差异

OBS 的第二地脉动信号能量较陆地台高，靠近甚至高于全球高背景噪声模型（NHNM）曲线（图2）。这可能是由于OBS 比陆地台距第二地脉动信号源近，从而能观测到更强的信号。在第二地脉动频率区间内，陆地台的概率密度曲线较为平滑，而OBS 则表现出多个峰值。这同样可能因为OBS 距第二地脉动信号源较近，所以能记录到不同波长的地震波能量。而陆地台距第二地脉动信号源较远。在第二地脉动信号由海洋地壳传播到大陆地壳的过程中，短周期能量在传播过程中快速衰减，从而使得概率密度曲线相对平滑，只体现出较长周期的信号能量。

背景噪声中的短周期部分（周期短于1 s），对于陆地台站而言主要来自于人类活动。当台站周边环境较为安静时，短周期背景噪声相对较低。由图2 可见，OBS 水平分量高频部分（3—10 Hz）出现多个峰值，垂直分量能量值较低且较为平滑，在周期0.1—1 s 范围内，能量随着周期增大而升高。陆地台站垂直分量与水平分量变化类似，无特别峰值，较为平滑。图4 为OBS 和陆地台三分量及主特征值高频部分（周期0.1—0.3 s）均值，无论垂直向还是水平方向，OBS 背景噪声明显低于陆地台站，原因可能是OBS 记录噪声大致与湍流平均流速和周期的乘积（即波长）成正比。高频段波长短，受湍流影响较小，表现出较低噪声水平。而出现的多个峰值可能来源于水流振动。随着周期增加，湍流波长变大导致能量升高（Webb，1988）。

图4 2010 年2 月陆地台站和OBS 三分量及特征值高频部分（周期0.1—0.3 s）均值Fig.4 Mean energy of the three components and eigenvalues of the high-frequency part(0.1—0.3 s) of the land and OBS stations in February 2010

4.3 极化度、角度四分量概率密度函数结果

利用偏振分析方法不仅可以得到三分量背景噪声能量随频率变化特征，还可以获取背景噪声的方向信息，即极化信息。极化度β2，4 个角量ΘH、ΘV、ФVH、ФHH的结果如图5 所示。

通过分析图5 中陆地台站和OBS 的极化度和四分量概率密度结果，发现对于长周期（大于10 s）信号，由于OBS 的水平分量存在问题，所以第一地脉动的极化信息不具有探讨意义。陆地台除SNZO 外，其余4 个台的三分量观测正常。对4 个陆地台的长周期信号进行极化分析后，发现在主特征值概率密度曲线上，周期10—20 s 的部分存在明显峰值。LSZ 台的ΘV值集中于40°附近，其余陆地台ΘV值靠近0°，表明几个陆地台的垂直分量比水平分量的第一地脉动信号强。陆地台中的SAML、SLBS、AAK 台记录的第一地脉动信号均具有瑞利波质点运动特征，即水平方向为线性运动（ΦHH=0°或±180°），而垂直平面则为椭圆运动（ΦVH=±90°）。LSZ 台记录的第一地脉动信号不具备基阶瑞利波质点运动特征，主要表现为水平方向的椭圆运动（ΦHH≈-90°），ΘH值显示能量主要来自于台站NE60°方向。

图5 陆地台站和OBS 极化度（β2 ），角度四分量ΘH、ΘV、ФVH、ФHH 的概率密度函数结果Fig.5 Figure of probability density function results for the polarizability (β2) and four angular components (ΘH,ΘV,ФVH,ФHH) of land stations and OBS stations

对于第二地脉动信号，陆地台观测数据得到的质点偏振运动轨迹和第一地脉动一致。LSZ 台表现为水平方向的椭圆运动。SAML、SLBS、SNZO 台表现出瑞利波质点运动特征。AAK 台第二地脉动信号也具有瑞利波质点运动特征，但可能由于台站位于欧亚大陆内部，信号能量是5 个陆地台中最弱的，因而其ΦVH和ΦHH的数值相对其他陆地台较为分散。

反观OBS 台站，ZA 台网的第二地脉动信号偏振分析的结果无明显的质点偏振平面或瑞利波质点运动特征，其ΦVH和ΦHH值变化范围较为分散。可能是因为ZA 台网的数据完整性较低。Z6 台网相较ZA 台网有更为明显的瑞利波质点椭圆运动特征，15 和16 号台站的ΦHH=±180°，ΦVH=±90°。11 号台站ΦVH和ΦHH的数值较分散，不具备清晰的偏振平面信息。

在短周期部分（小于1 s），对于陆地台，这部分信号主要来源于人类活动，在不同区域、不同环境条件下，信号源不同。LSZ 和SAML 台在周期0.2—1 s 间的信号同样具有瑞利波质点运动特征。SLBS 和SNZO 台在水平和垂直向则表现出线性运动的特征，且ΦHH=0°或±180°且ΦVH=0°。AAK 台位于国家公园内部，环境噪声较为复杂，因而其偏振角度在高频部分较为波动。OBS 中Z6 台网的11 号和16 号台站ΦVH和ΦHH均趋于0°，反映了高频信号在水平和垂直平面具有线性运动特征，而其他台站的高频信号偏振角度不具备偏振特征，角度分散。

5 结论

从IRIS 下载全球不同区域5 个陆地台和位于太平洋西北和中东区域2 个OBS 台网的6 个台站数据。在数据完整性上，OBS 台站维护不便，其数据完整性整体较低。且由于洋底湍流的影响，OBS 台站对第一地脉动信号的记录效果明显不如陆地台站。陆地台站间也存在差异，海岛台站水平分量对第一地脉动的记录效果明显不如内陆台站。在第二地脉动频率区间内，陆地台的概率密度曲线较为平滑，而OBS 台则表现出多个峰值。产生这一差异的主要原因是，台站所处环境不同，OBS 距第二地脉动信号源较近，能记录到不同波长的海浪压力变化在洋底地壳中转化的地震波能量，而陆地台距第二地脉动信号源较远，短周期能量的衰减使得加速度功率谱密度曲线逐渐平滑。

高频部分陆地台站受周围环境影响，OBS 台站受湍流影响。高频段波长短，OBS 受到湍流的影响较小，因而OBS 三分量信号能量较陆地台低。偏振分析结果显示，无论是第一地脉动频段（10—20 s）还是第二地脉动频段（2—10 s）或周期小于1 s 的频段，陆地台信号均有相对清晰的质点偏振运动特征，表现为瑞利波运动特征以及水平或垂直平面的线性运动特征。而OBS 台站，除个别台站的高频信号在水平和垂直平面显示线性运动特征，其他台站均不具备偏振特征指向性，极化角度较分散。