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噪声引发的地震学突破

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不瞒大家,近20年来,地震学领域最大的进展和噪声有关。



通常而言,噪声在大家的印象中都是杂乱无章的(如下图),因而在数据处理中,是需要去除的。例如,对于找油找气的地震勘探,如何去噪,如何提高地震波形的信噪比是一个非常值得研究的课题。



既然如此,为什么通常需要去除的噪声,摇身一变,成为有用的信号了呢?

这就得简单论述一下其背后的基本原理。

笔者在前面的科普短文中已经说明:地震学研究两大主题,震源研究与结构研究。

而噪声(背景噪声),对于揭示地下速度结构具有重要作用。

换言之,背景噪声可以用来成像。

这是为什么呢?

因为有一个神奇的现象:通过两台站记录的噪声信号,进行互相关计算,就可以构建一种波场,非常巧的是,这个波场就是这两台站之间介质的格林函数。


改自(Richard L.Weaver, 2005)

为什么这个特性非常重要,这就需要解释什么是格林函数。

格林函数就点源所产生的场,若我们知道了一个点源的场,就可以用叠加的方法算出任意源的场。

地球物理反演都是建立在格林函数基础上的,无论是震源破裂过程反演,还是地下速度结构反演。

既然如此,任何能快速且准确地得到格林函数的方法都将大受欢迎。比如在震源研究中,有一类方法就需要选择一个和主震位置、深度与发震机制非常接近的小地震作为经验格林函数,来探究主震破裂特征。

总之,格林函数就是地球介质的某种响应,是地球物理反演工作者眼中的宝贝。

因此,若仅利用两个台站间,以前认为毫无用处的背景噪声,通过简单的数学操作—“互相关”,就能得到格林函数,这简直是天大的好事,妙哉。

其实,这个想法在上世纪50年代就出现了,但直到1995年,才在太阳地震学研究中获得成功。

本世纪初,在声学实验中,通过对弥散场(diffuse field)的互相关,得到了格林函数。


据(Oleg I. Lobkis, Richard L, 2001)

所谓弥散场,简单理解就是噪声源分布均一,或者波形杂乱无章的路径要比较均匀。

在地震学领域,直到2003年,人们才利用地震尾波(coda waves)提取得到了两个台站间的格林函数。



为什么研究者会首先想到地震尾波呢?这是因为尾波经过多次散射,已经非常均匀了,这符合弥散场的特点。如下图所示,事实证明,通过尾波,的确能取得非常漂亮的结果。


改自(Campillo & Paul, 2003)

又过了一年,人们才在背景噪声中成功提取到了格林函数,并进一步提取到了频散曲线(如下图)。利用此频散曲线,我们就可以进行地下速度结构成像。


据(Shapiro & Campill, 2004)

这意义是巨大的。因为在此之前,要对地下结构进行成像,都需要震源的参与。

什么东西能作为震源,产生弹性波呢?

(1)如油气勘探中的“引爆炸药、震源车、锤击”等(人工震源)。(2)自然界发生的地震(天然震源)。

人工震源费时费力,成本太高。

而天然震源,由于全球地震的分布是不均匀的,对于那些地震非常少的区域,若想利用接收到的地震波来进行成像是困难的。



因此,背景噪声成像技术的出现,从根本上解决了这一问题。这可能是其能成为地震学近20年来最大进展的重要原因之一吧。

最后,展示一下利用背景噪声对南加州地区的成像结果,发在Science上的哦!由于该成像结果与该地区大体构造背景一致,这引起了地震学同行的极大关注。


据(Shapiro et al., 2005)

从此,背景噪声成像的文章越来越多,成为了地震学近20年来最大的突破。

参考文献

Oleg I. Lobkis,Richard L. Weaver; On the emergence of the Green’s function in the correlations of a diffuse field.J. Acoust. Soc. Am.1 December 2001; 110 (6): 3011–3017.

Campillo, M., & Paul, A. (2003). Long-range correlations in the diffuse seismic coda.

Shapiro, N. M., & Campillo, M. (2004). Emergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the ambient seismic noise.Geophysical Research Letters,31(7).

Weaver, R. L. (2005). Information from seismic noise.Science,307(5715), 1568-1569.

Shapiro, N. M., Campillo, M., Stehly, L., & Ritzwoller, M. H. (2005). High-resolution surface-wave tomography from ambient seismic noise.Science,307(5715), 1615-1618.

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