中国海陆水平地震背景噪音的观测和机理研究

Background seismic noises are caused by natural events other than earthquakes and human activities. Such noises can be used to monitor weather, study the Earth’s structure, as well as the coupling mechanisms among Earth’s spheres. The mostly studied noises are generally globally observed, i.e., Earth’s background free oscillations and microseisms. Though there is little doubt that their excitation sources lie in the atmosphere or oceans or both, the detailed causal mechanism is still under debate. One important reason is almost all observations and theories are based on data from the vertical component of seismometers due to the much higher noise level on horizontal components, and therefore are focusing on Earth’s background spheroidal free oscillations and Rayleigh waves of microseisms. We have already deployed a very broadband seismometer and a weather station on the shore of South China Sea. We will deploy a very broad band seismometer with an extremely low self-noise level and a weather station in Xinjiang, where the noise level is low because of the sparse population. We will also use data from domestic very broadband seismometers deployed by China Earthquake Administration. We first extract the Earth’s background toroidal oscillations and loves waves of microseisms, compare the results from inland with those on shore, to analyze their characteristics. Then we aim to understand the mechanism of generating horizontal noises by combining seismic data with meteorological data and physical oceanography data, as well as comparing with global results. By utilizing data from all three components of seismometers, the ultimate goal is to build a unifying physical model which can generate both vertical and horizontal background seismic noises.

除天然地震外的自然事件和人类活动形成了地震记录上的背景噪音，可以用于研究地球浅层构造、监测气象以及研究地球不同圈层的耦合机制。研究最多的背景地震噪音是具有全球性的地球背景自由振荡和微地震，大都认可它们源于大气或/和海洋的扰动，但产生的具体机理仍然存有争议。其中一个重要原因是由于地震仪的水平分量信噪比远低于竖直分量，观测和理论大都基于竖直分量的数据，因而只能是针对地球背景球型自由振荡和微地震瑞雷波得出的。本项目计划利用我们在人烟稀少的边疆和南海近岸布设的最新一代自噪音水平极低的甚宽频地震仪和同站点气象站数据，结合国家台网的国产甚宽频地震仪数据，在水平分量上提取地球背景环型自由振荡和微地震勒夫波，进行海陆对比，综合气象数据和物理海洋学数据进行分析，并与全球的观测结果进行比较，研究水平地震背景噪音的机理，最终基于完整三分量地震观测建立一个能同时激发中长周期水平和竖直地震背景噪音的统一的物理模型。

除天然地震外的自然事件和人类活动形成了地震记录上的背景噪音，可以用于研究地球浅层构造、监测气象以及研究地球不同圈层的耦合机制。研究最多的背景地震噪音是具有全球性的地球背景自由振荡和微地动，大都认可它们源于大气或/和海洋的扰动，但产生的具体机理仍然存有争议。其中一个重要原因是由于地震仪的水平分量信噪比远低于竖直分量，观测和理论大都基于竖直分量的数据，因而只能是针对地球背景球型自由振荡和微地动瑞雷波得出的。我们以中国边缘海为抓手，以三分量宽频带海底和陆上地震仪数据为基础，结合物理海洋学和气象数据，采用时频分析、极化分析、互相关分析和聚束分析方法，首先对南海和南中国的微地动背景噪音的源区和成分进行了更为深入的研究，检测到代表水平背景噪音的勒夫波，以下是取得的一些重要发现：1）南海微地动中包含瑞雷波和勒夫波，中央海盆、近岸和内陆台站观测到微地动中瑞雷波和勒夫波所占比率不同：南海东部次海盆的微地动主要被勒夫波主导，而沿南中国近岸的微地动主要被瑞雷波主导，而再往内陆勒夫波的方位角展布比瑞雷波更广，可能是由于瑞雷波在沉积层或倾斜的断层面上转换为勒夫波了；2）南海的长周期双频微地动的主导源区在中央海盆附近、台湾海峡和吕宋海峡，而短周期双频微地动的主导源区在台站附近；3）台风不仅影响微地动的强度而且影响微地动的源区位置，尤其是对短周期双频微地动的源区位置影响最大。然后，针对传统微地动的定源方法缺乏定量的缺点，我们采用定量的确定背景噪音源位置的方法，即利用相关函数的时间不对称性对微地动进行量化的定位，并对其做了四点重大改进：1）采用频率依赖的3D速度模型和Q值模型；2）增加了微地动传播过程中的频率依赖的衰减的约束条件；3）增加了微地动谱和海浪谱的相关性约束条件；和4）对水深对换瑞利波的转换效率的影响进行了校正。然后将这种方法成功应用于紧邻大西洋的北美东海岸，对单频和双频微地动进行定量定位。最后利用甚宽频地震数据识别地震激发的长周期地球球型自由振荡。