非传统地震信号探测与震源定位

论文摘要

地震仪除了能记录到普通的构造地震事件产生的地震信号,在没有构造地震事件发生的时间段,还能记录到各种类型的非传统地震事件产生的地震信号。这些非传统地震信号包括地震背景波场信号、火山地震颤信号以及非火山地震颤信号。这些信号携带着有关震源与地球内部结构的重要信息,具有十分重要的研究意义。本论文将从实际地震资料观测与探测定位方法发展两个方面,介绍我们对非传统地震信号探测及其震源定位的研究工作。在观测方面,我们观测了两个微震震源:其一是2012年10月袭击美国东海岸的桑迪飓风产生的微震信号震源,其二是位于北大西洋海域常年持续性存在的微震信号震源。在方法方面,我们提出了一种新的台阵分析方法,用于探测非传统地震信号以及定位其震源位置。本论文的主要研究工作概述如下。利用美国东部485个宽频地震台站的数据,我们发现桑迪飓风产生的一小时长度的微震信号在0.1-0.25 Hz频段内呈现出极其强烈的互相关方向性,即只有相对于飓风中心方位角相近的两个台站之间才存在互相关。在这种互相关性质的基础之上,我们测量出了微震信号从震源到两个互相关台站之间的走时差。这些存在互相关的微震信号,可以被归为两组,分别被两类震源所解释:一组微信信号来自于飓风中心的震源,而另一组微震信号则来自海岸区域附近的震源。位于海岸附近区域的震源弥散分布,并且会随着桑迪飓风北上而沿着海岸线一路向北运动。我们进一步提出了一种飓风中心产生微震震源的模型,来定量描述观风中心区域海面气压扰动、海浪、固体地球三者间的相互耦合作用。并利用地震资料的观测数据,定量给出了飓风中心区域震源强度的变化与压强的扰动。我们还发现了飓风消失以后,依然有一个很强的震源停留在新英格兰附近海域。这一震源可能与该区域在飓风消失后依然存在的后续风暴潮有关。这一研究工作表明地震学方法可以作为飓风监测的另一种手段。对飓风中心震源强度的地震学观测可以作为飓风中心位置气压扰动观测的另一种替代性的间接观测方法。利用北大西洋周边的宽频地震台站2012年全年的地震观测资料,我们以一个小时的时间分辨率对北大西洋海域的微震信号震源进行了观测。我们以等效点源模型来描述这一个震源,并利用频率域极化分析方法定位每一个小时内等效点源的位置。我们发现微震震源的等效点源集中分布在从爱尔兰岛,冰岛至格陵兰岛南部的海域范围内。我们估计出了不同频率下该区域瑞利面波群速度与品质因子乘积的平均值,并进一步估计出了等效点源每一个小时的震源强度。从震源强度随时间变化的跟踪结果中,我们发现北大西洋微震震源不仅存在季节性尺度的变化,在数天时间尺度内也存在着更为精细的强度变化历史。并且这一个微震震源单次活跃时间较短,均在五天以下。即使是在较为活跃的秋季与冬季,仍然存在较长的平静期。我们提出了一种新的台阵分析方法:最大特征向量分析法,用于探测没有明显震相与到时信息的非传统地震信号,并定位其震源位置。这种新方法定义了一个归一化的协方差矩阵,利用这个归一化协方差矩阵的最大特征值对应的特征向量计算台阵输出函数,最终使用台阵输出函数进行信号探测与震源定位。理论测试表明这种新方法与多重信号分类方法相比限制条件更少;与波束成型法相比,这种新方法能定量地识别出代表真实震源的主瓣与代表虚假震源的旁瓣。使用这种新方法,我们观测了2009年6月期间一小时内的日本阿苏火山20秒周期的火山地震颤的活动情况。我们以2分钟的时间分辨率探测了火山地震颤信号在不同时间的存在性,并且对震源位置进行了定位。定位出的震源位置位于阿苏火山的位置,最大定位误差为15千米×15千米。这种台阵分析方法可以作为监测非传统地震信号及其震源定位的新手段,其应用范围包括微震信号、火山地震颤信号、非火山地震颤信号甚至是人类活动产生的信号。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 不同类型的非传统地震信号简介
•     1.2.1 “地嗡”（Earth Hum）
•     1.2.2 微震（地脉动）
•       1.2.2.1 单频微震
•       1.2.2.2 双频微震
•     1.2.3 火山地震颤信号（Volcanic Tremors）
•     1.2.4 非火山地震颤信号（Non-Volcanic Tremors）
•   1.3 非传统地震信号的研究意义
•   1.4 论文结构安排
• 第2章 桑迪飓风产生的微震震源
•   2.1 引言
•   2.2 桑迪飓风及其相关的地震数据
•   2.3 地震信号的互相关方向性
•   2.4 桑迪飓风产生的微震震源
•     2.4.1 飓风中心的微震震源
•     2.4.2 海岸附近区域的微震震源
•     2.4.3 两组地震信号的特征比较
•   2.5 桑迪飓风产生微震震源的物理机制
•     2.5.1 飓风中心处的震源及其时间演化
•       2.5.1.1 飓风中心处震源的垂直单力模型
•       2.5.1.2 垂直单力震源强度的时间演化
•     2.5.2 海岸附近区域的震源及后续自然灾害
•   2.6 讨论与结论
• 第3章 北大西洋微震震源
•   3.1 引言
•   3.2 地震数据与极化分析方法
•   3.3 北大西洋微震震源的地震资料观测
•     3.3.1 等效点源位置的估计
•     3.3.2 等效点源强度的估计以及时间演化
•   3.4 讨论与结论
• 第4章 最大特征向量分析法
•   4.1 引言
•   4.2 最大特征向量分析
•     4.2.1 无噪声情形下单个震源
•     4.2.2 有噪声情形下单个震源
•     4.2.3 无噪声情形下多个震源
•     4.2.4 速度模型不准确情形下单个震源
•   4.3 与其他台阵分析方法的对比
•     4.3.1 与多重信号分类方法的对比
•     4.3.2 与波束成型法的对比
•   4.4 日本阿苏火山20秒周期火山地震颤信号
•   4.5 讨论与结论
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 附录A 地震信号传播速度的确定以及观测走时差周期跳跃的校正
• 附录B 单力的理论地震图
• 附录C 微震信号互相关方向性的数值模拟
•   C1 海洋沉积层
•   C2 大陆沉积层
•   C3 沉积层分布
•   C4 讨论与总结
• 附录D 数据来源与程序来源
• 附录E 第二章补充材料
• 附录F 第三章补充材料
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈箫翰

导师: 温联星

关键词: 非传统地震信号,微震,火山地震颤,飓风,台阵分析,信号探测,震源定位

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P631.4

总页数: 135

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