第 1 章 绪论
1.1 本文研究的目的和意义
背景噪声成像克服了天然地震面波层析成像、爆破方法和人工震源的一些局限性，背景噪声含有丰富的短周期记录，因此大大提高了对地壳浅层结构的分辨能力；且可以获得较均匀的射线分布，横向分辨率更高，其横向分辨能力主要取决于台站间距，区域尺度一般可达几十公里左右，明显高于传统面波层析成像方法；只要宽频带地震台站数量足够且分布合理均匀，在一些地震活动频率低或空间分布及不规则的地区，尤其是在人口稠密和建筑集中的城市也可开展高精度的背景噪声成像研究。地震背景噪声是一种无成本且稳定持续的天然源,因此背景噪声技术无疑是一种既廉价又环保且精确度较高的方法，对背景噪声的研究是一项颇具有经济和社会效益课题，从而成为近些年来研究的热点，于是研究者开始了用背景噪声信号研究地球内部构造的新探索。在密集台阵地区，ANT 可以获得高分辨率的地壳速度结构及各向异性，较好地约束地下介质的形变状态。该技术广泛应用于全球多个地区，其成像结果很好地揭示了地下结构分布特征。此外，利用背景噪声进行互相关计算得到格林函数，对格林函数中提取的面波或尾波信号计算相对波速变化，从而达到检测地下结构的目的。目前，该方法已经应用于地震[1-4]、火山[5]和断层[6-7]等方面的监测。研究壳幔的速度结构及介质波速的变化对于了解该区域构造特征及深部动力学机制等具有重要意义。背景噪声成像方法应用较小区域尺度，如火山区[8]和地热田[9]也获得了成功。本文进行了两次小区域尺度的背景噪声成像的研究，对火山区、地热区、地震多发区及其他特殊地质进行成像研究并进行了剖析。
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1.2 宽频地震仪在地震背景噪声成像中的应用
远场的背景噪声成像方法应用的数据资料均由宽频带地震计和宽频地震采集器等组成的仪器系统所采集（一般宽频带地震计和宽频地震采集器称为宽频地震仪）。其中宽频带地震仪是支持三分量的精度高、频率范围宽、动态范围大的智能化地震信号采集与观测系统[10]，该系统具有噪声低、功耗低且稳定高等优点；主要应用于宽频带地震信号的采集，侧重于地震背景噪声成像和天然地震观测等应用[10]，适用于大道具、长时间观测作业[10]。在各国地震台网其型号为 Refteck 72 系列、Refteck 125 系列、Refteck 130 系列以及 Quanterra 的 Q730与 Q330 系列的地震仪较广泛应用。其地震台站由供电电源、宽频带检波器（地震计）、宽频带地震数据采集器等组成，其组成框图如图 1.1。美国地震监测台网系统（ANSS：Advanced National Seismic System）是由现代地震观测仪、信息交流中心、数据处理中心及训练有素的人员组成，该系统可以提供给科研学者高质量的地震数据记录以更深地探究地震发生过程和地球内部结构。美国国家科学基金会（NSF）、美国地质调查局（USGS）和美国国家航空航天局（NASA）联合创建了地学计划“地球探测”（Earth Scope）。该计划的探测系统是一套分布式、多用途仪器和观测台网组成，采用宽频地震仪组成 USArray，目的是探索北美大陆三维结构、演化及动力学特征。中国地震台网和区域地震台网中也布设的宽频仪器基本为进口仪器。图 1.2 (a)为国家地震台站分布图，其地震台站基本覆盖全国且布局较为均匀。图 1.2 (b)为区域地震台站分布图，其地震台站基本覆盖了我国地震活动频繁地区、经济发达地区及人口稠密地区。我国地区背景噪声成像的研究大部分采用中国地震台网和区域地震台网的数据，当然随着科研项目的开展有些地区台站布设正逐渐加密。
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第 2 章 主要原理和数据处理计算及方法
2.1 基本原理
地震背景噪声层析成像的基本原理是通过对台站对长时间的噪声记录进行互相关计算，提取台站对间的经验格林函数，进而获取面波频散信息，进一步通过地震面波层析成像获得地球内部的速度结构[28]。背景噪声成像的理论、方法和实验已经被详细探讨[17,19-20,63-66]，并成为相关研究及本文的理论基础。研究证明格林函数的形式与波传播所经过介质特性有关，即格林函数形式取决于地下介质特性。在各向同性散射波场中，由于波传播多点后其震相不变，所以噪声信号是互相关的[19]。利用两台站地震背景噪声记录做互相关计算可以得到两台站间的格林函数,即其互相关函数和格林函数之间存在一定的等价关系，对此研究学者给出从基于模式均分理论[67]，时间反转理论[68-69]，稳相似理论[43]和互易定理[70]的角度给出了理论解释。本文简要介绍前两种理论解释。
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2.2 单台数据处理
本文的数据处理主要依据Yao等[39,71-74]发展的背景噪声数据测量、面波频散提取及层析成像的方法。数据处理主要步骤有如下五部分组成：（1）单台数据预处理，（2）长时间波形记录的互相关计算和叠加，（3）频散曲线的测量，（4）频散曲线的质量控制，（5）面波层析成像。本节主要介绍单台数据处理。本研究采样的数据处理方法与Bensen等[25]基本相同。单台波形数据的包含：（a）重采样：原始记录采样率为100Hz，通过重采样降为1Hz；降低了数据存占空间，减少了后续运算所消耗的时间。（b）去仪器响应、去均值、去倾斜分量：不同地震台站所应用地震计的型号不同，不同型号地震计的幅频和相频特性均亦有差异，为了消除仪器自身所引起的信号差别，所以需要对原始数据记录进行仪器响应的校正；地震计在记录过程中会产生零漂，致使数据均值不为零或致使数据产生倾斜，因此对原始数据记录再进行去均值和去倾斜的处理。（c）带通滤波：根据面波主要集中的频率范围和要提取的面波频散曲线的周期，我们对原始数据进行了2.25-60s的带通滤波。（d）时间域归一化-绝对滑动平均方法：该处理减弱地震信号、仪器异常即台站附近的非静态噪声的影响。（f）频谱白化处理：该处理扩宽背景噪声在互相关计算中的频带宽度，使不同频率上的信号的能量更加平均，以消减微震信号对其结果的干扰；频谱白化还可使单台数据记录的频谱更宽更平坦，利于获取更加连续的频散信息。
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第 3 章 宽频地震台站野外实验与数据分析....35
3.1 引言.......... 35
3.2 仪器设备和野外实验...... 36
3.3 实际信号一致性对比检测...... 42
3.4 地震背景噪声互相关计算及分析.......... 44
3.5 噪声功率谱密度的计算及分析...... 47
3.6 本章小结.......... 51
第 4 章 吉林省和辽宁省及附近区域瑞雷波层析成像....53
4.1 引言.......... 53
4.2 观测数据和时域分析...... 55
4.3 检测板测试...... 57
4.4 瑞雷波相速度层析成像.......... 58
4.5 横向剖面 SV 波速度结构....... 60
4.6 纵向剖面 SV 波速度结构........ 61
4.7 本章小结.......... 65
第 5 章 辽宁省和渤海及附近区域瑞雷波及勒夫波层析成像........67
5.1 引言........... 67
5.2 观测数据和时域分析....... 69
5.3 检测板测试....... 72
5.4 瑞雷波和勒夫波相速度层析成像.......... 74
5.5 横向剖面 S 波速度结构..........76
第 5 章 辽宁省和渤海及附近区域瑞雷波及勒夫波层析成像
5.1 引言
郯卢断裂带是中国东部一条规模巨大的构造带，它由南向北经过安徽、江苏、山东穿过渤海进入辽宁，长度超过 3000km。该断裂带形成于印支期华北和华南大陆块体的碰撞，自中生代以来经历了走滑、伸展、挤压等构造变形和岩浆活动，被认为是穿透地壳进入上地幔的深断裂[142]。渤海坐落于华北克拉通的东部，是探测克拉通破坏的重要窗口[143,144]。在渤海南部，郯卢断裂带和北西走向的张家口-蓬莱断裂带相交，不同方向的分支断裂相互交错组成复杂的构造体系[145,146]。这一地区小震活动十分密集，中强地震时有发生。相比之下，渤海北部辽东湾一带地震活动较少，几乎没有中强地震。河北省唐山区和辽宁省海城区也是地震多发区[147]。前人研究表明地震的发生与地壳和地幔的结构和特性密切相关[148-157]，因此，研究地震带的速度结构对探测地震的活动规律很有必要。图 5.1 为研究区台站分布和地质背景图及构造略图，（a）红色三角形代表宽频地震台站；XLH:下辽河盆地；BH: 渤海（渤海湾盆地）；NCB:华北盆地；NCP:华北平原；LDB:辽东湾；LDP:辽东半岛；蓝色线代表的是图 5.13 中垂直剖面(A-A’, B-B’和 C-C’)的位置。（b）研究区地震的分布及断裂带系统的分布：黑色空心圆代表 2010-2015 年的地震，地震的震源深度小于 46 km，且其震级 ML 大于 1.0 小于 4.5。黑心圆的大小与代表的震级是成正比的，在图的右下角显示; 蓝色的框架 I 和 II 分别代表海城区和唐山区，下文图 5.11 和图 5.12分别显示了他们的横向速度剖面图，黑色线代表省界线。
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总结
本文首先对吉林大学-仪器科学与电气工程学院研制的宽频地震仪布设在华南地区的数据记录进行了基于背景噪声的互相关计算和功率谱密度计算并进行了相应的分析，这为自制宽频地震仪器的数据记录应用于深部探测算法研究中奠定了基础。接着本文利用国家地震台网和区域地震台网的宽频地震数据，对吉林省和辽宁省两地及辽宁省和渤海区两地分别进行基本背景噪声成像的研究。根据宽频地震台站分布特征，并考虑到射线分布的均匀性，因此两次背景噪声成像研究区域均覆盖了辽宁省地区。我们对火山区，地热区、地震多发区及特殊地质的成像结果进行了分析和解释及推断。与上述研究区相近区域的相关研究均在大构造背景下，只着眼于整个地区全境，仅勾绘出了主体构造格局，但对于深入研究局部地区的地下结构仍存在一定的不足；而小尺度的成像研究易于发现较小地质单元之间细微速度变化。本文通过对华南地区布置吉林大学自制的宽频带地震仪的数据记录进行了背景噪声互相关计算和功率谱密度计算并对结果进行分析，其分析结果如下：通过台站间互相关极其不对称结果分析得到噪声源主要来源于台站分布的东北方向；各台站间的背景噪声优势频率各有独特特征，其噪声功率谱密度高频成分有很强的日夜变化特征，该现象符合人类日夜活动规律，分析其原因为人为活动干扰所引起；各台站噪声功率谱密度低频成分特征基本一致，其低频成分可能是由海浪的作用所引起的。
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参考文献（略）