摘要：背景噪聲是一種連續穩定的自然源，其中包含豐富的地下介質信息。利用背景噪聲成像技術可以獲得對研究區域的地下速度結構認識，為深部構造研究提供了新方法。主要論述其發展歷史、原理及其在地震領域方面的研究現狀，探討該方法在未來需要解決的問題以及發展方向。

　　關鍵詞：背景噪聲;地震成像;互相關;經驗格林函數

　　傳統的成像方法通常是以天然地震或人工地震激發的地震波為基礎，對研究區域進行地震成像，但是由于天然地震多數發生在板塊邊緣或斷裂帶附近，受地質條件和地理環境的影響，并沒有合適的臺站記錄，因此這兩種成像的分辨率均不高，極大地限制了對地球內部結構的研究。近年來的眾多研究表明，對長時間的地震背景噪聲進行互相關計算可以得到一個正負軸近似對稱的波形。

　　對其進行處理后，可以近似得到臺站對之間的格林函數(包含了兩個臺站之間地震波在介質中傳播的所有信息)。對其提取頻散曲線，可以得到不同周期的群(相)速度值。通過面波層析成像，可以得到研究區域的速度結構圖，為深部構造研究提供了新方法。

　　背景噪聲是指在沒有地震發生的情況下地震儀器上所記錄的隨機波動信號，是一種連續穩定的自然源，其中包含了豐富的地下介質信息。通過背景噪聲信息來研究地球內部構造，這一思路是由地震學家Aki于1957年首次提出的[1]。Weaver等(2001)[2]通過對聲學實驗中的熱噪聲證明了格林函數可以從擴散場的相關性質中測量。他通過對鋁塊上的兩點進行互相關計算，得到波形近似兩點間的格林函數，能夠清晰地反映兩點間的內部結構。

　　地震學家Campillo和Paul(2003)[3]首次將這一猜想運用到地震學上，他們通過研究，選擇了地震尾波進行互相關計算，這是由于尾波的擴散特征與熱噪聲的性質相似，前人也通過研究模式均分的性質解釋了尾波的彌散彈性波特征。對比發現，計算結果與理論模型合成的格林函數相一致，提取的波形具有Rayleigh波和Love波所期望的偏振特性和群速度特征。

　　這項試驗同時也表明，這種新型的方法可以幫助生成內部地球結構的圖像，而不會出現傳統地震數據中原始時間和震源位置的不確定性，類似的方法同樣適用于其他具有時間序列的漫射波場中。Shapiro等(2005)[4]用30天連續的地震背景噪聲進行了互相關計算，得到的互相關波形與臺站間的格林函數僅有幅度上的差異，然后通過提取頻散曲線，進一步獲取了不同周期的面波速度成像圖，其水平分辨率為60-100km。該項研究首次將地震背景噪聲以圖像的方式顯示出地下物質特征，開啟了地震背景噪聲在地震研究中的先河。

　　1原理

　　通常認為，噪聲模糊不清且不包含有用信息，然而，作為物理學中的一個新的分支——介觀物理學，其見解挑戰了這一假設。理論表明，無論散射如何，線性波均能保留殘余的相干性，在多次散射電子和可見光的情況下，殘余相干性通常表現為強相關性。Shapiro等注意到，均勻波場一定具有相關函數，這等同于獲得一個集中沖擊信號。

　　因此，這種相關性被動地揭示了關于通常僅通過主動發射波，并檢測響應而獲得的結構信息。Weaver等(2005)[5]提出其物理原理：作為各向同性漫射場的一部分，且經過一個接收點的射線將稍后再次穿過另一個接收點，除了傳播時間，其相位不發生改變。因此，信號雖然有噪聲，但卻是相關的。背景噪聲層析成像方法的主要步驟之一就是通過對兩個臺站之間的地震噪聲進行長時間的互相關計算和疊加來得到互相關函數。

　　值得注意的是，在對噪聲進行互相關計算之前，先要對單臺數據進行預處理。預處理是為了去掉天然地震的影響和儀器自帶的異常信號，主要是對數據進行去趨勢、去均值、去儀器響應和帶通濾波等處理。時域歸一化是預處理中最重要的一個環節，一般采用“one-bit”正則化法，目的是為了去除地震引起的畸變信號以及附近噪聲對臺站互相關計算的影響;其次是頻譜白化，可以拓寬互相關信號中環境噪聲的頻譜，降低某一單頻固定信號(如海灣噪聲)的干擾[6]。

　　基于時間反演不變性和彌散場假設，互相關函數可以近似為格林函數。通過以快速傅里葉變化與數字濾波技術為基礎的時頻分析方法，可以提取地震數據中的頻散信息。通過質量控制，篩選效果較好的頻散曲線，便于對其進行面波層析成像。

　　2實際應用

　　隨著噪聲成像方法的快速發展以及地震臺網的建設，國內外許多學者通過地震噪聲層析成像技術對研究區域進行成像研究，探索了該區域內部構造，這對于地震預測研究具有極為深遠的意義。YingjieYang等(2010)[7]通過對西藏及周邊地區約600個站點進行互相關處理，提取了Rayleigh波相速度，再對其進行成像研究，由此產生的相位速度圖在青藏高原的大部分地區具有100-200km的分辨率。

　　結果表明，青藏高原的相速度平均低于周圍地區的，西藏北部的相速度低于西藏南部的，在短時間內(<20s)，主要盆地(包括塔里木、柴達木、準噶爾和四川盆地)以及鄂爾多斯地塊中均會出現非常低的相速度;在中長期(>20s)，塔里木盆地鄂爾多斯地塊和四川盆地形成了非常高的相速度。這些相速度色散圖提供了構建橫跨青藏高原和周邊地區的地殼三維剪切速度模型所需的信息。ColtonLynner和RobertW.Porritt(2017)[8]通過部署海上和陸上的地震儀器，對噪聲數據進行互相關處理，提取了Rayleigh波的相速度和群速度，反演了北美東部邊緣的S波速度圖。

　　反演結果表明，在連接海洋和大陸地殼有個地殼厚度轉換帶，且與重力正異常(PGA)相關，東海岸磁異常(ECMA)位于轉換帶和洋殼的交匯處。根據成像結果提出，沿轉換帶底部的致密巖漿沉積是重力異常的原因，并且依據東海岸指示了最初海洋地殼形成的位置。背景噪聲成像不僅能反映殼幔的速度結構，同樣也能顯示研究區域的速度變化。該方法本質上是通過計算相同接收器對的不同周期的互相關函數并測量相關函數之間的變化來跟蹤地殼的時間演變。

　　國外，Brenguier等(2008)[9]使用環境地震噪聲的連續觀測數據來研究加利福尼亞州帕克菲爾德附近圣安德烈亞斯斷層(SAF)地殼內地震速度的連續變化。研究結果表明，SanSimeon和Parkfield地震后，地震速度演變差異明顯，在SanSimeon地震之后，Parkfield沿圣安德烈亞斯斷層(SAF)的地震速度下降了0.04%，地震發生7個月后，Parkfield地區的速度似乎又回到了地震前的水平，這與使用與其他地震相關的活動源的測量結果一致。這些觀測結果表明，地震速度變化與淺層中的同震破壞以及圣安德烈斯斷層帶內的深層同震應力變化與震后應力松弛有關。

　　國內，劉志坤和黃金莉(2010)[10]也利用該項技術，研究了汶川地震震源區的速度變化。結果表明，跨過汶川余震帶的臺站波速降較為明顯，四川盆地內各臺站對間的波速相對于沒有波速變化的盆地邊緣和川西高原，波速降較明顯。余震帶內的波速變化呈現空間分段特征，這與強余震的發生呈現較強的同步性。

　　地殼中的地震各向異性方向是持續地震或已發地震在地殼中的變形特征，由于其與應力、應變關系密切，地震各向異性研究已被廣泛應用于與地球動力學過程相關的巖石圈變形。在有限應變的情況下，地殼和地幔物質可以更好地指示地震各向異性的方向，因此，觀測地震各向異性可以深入了解巖石圈巖石的形變分布特征。

　　使用地震背景噪聲或地震數據的方法已被廣泛運用于區域上因地殼或上地幔變形引起的方位各向異性(Fry等，2010;Gallego等，2011;Pawlak等，2012;Polat等，2012;Yao等，2010)以及全球尺度上的方位各向異性的研究中(Debayle等，2005;Marone和Romanowicz，2007;Montagner和Tanimoto，1991)。ZhiGuo等(2017)[11]通過環境噪聲成像技術研究了天山山脈下5-35s周期中Rayleigh波相速度方位各向異性的反演。

　　成像結果表明，隨著深度變化，方位各向異性也發生了顯著變化。在上地殼深度，位于天山山脈區域觀察到了近平行于造山帶的方向各向異性，這可能是地殼礦物受到壓力造成的;在天山山脈南部和北部山麓觀察到了近垂直于造山帶的方位各向異性，這與持續的南北縮短引起的裂縫應力相對應。

　　在中、下地殼和上地幔深度，伊塞克湖(LakeIssyk-Kul)的北部和南部下方觀察到與明顯低速相關的近似垂直于造山帶的快速面波。空間各向異性和較低速度之間的相關性表明該地存在熔融物質，它可能來自軟流圈的地幔上涌。結果表明，塔里木盆地的俯沖和上地幔上涌可能在第三紀以來天山山脈的地球動力學演化中起重要作用。

　　3討論與展望

　　相對于傳統的地震成像，背景噪聲成像技術為獲取地殼內部的精細速度結構提供了新的工具。經過多年的成功應用，該技術已被證實可以得到較為可靠的成像結果，但相較于其他成像方法仍是一種發展中的新方法，如對于怎樣獲得更高分辨率的地面波速度圖，還有待進一步的改進。

　　現今，由于數據的不穩定性及反演方法的局限性等多方面因素，開始探索兩種或多種方法相結合，以期望得到更為可靠的結果。對于環境噪聲成像方法的綜合分析方面，采用了將噪聲成像和多重平面波成像結合成像、接收函數和面波頻散聯合反演成像以及最近一項研究(即嘗試將面波與體波的不同反演技術聯合起來討論殼幔的各向異性)等等，這將為探索地震孕育規律和深部構造研究帶來新的啟示。

　　背景噪聲成像技術的發展不僅會在地震領域帶來變化，而且在工業角度和城市發展方面也會帶來一些變革。運用該方法，將不再通過人工激發震源等方法來獲取地下儲存情況，這將大大降低成本，同時對信號進行連續觀測，也可以獲得地下連續的油藏監測。城市地球物理的發展核心問題是建立地下三維地圖[12]，運用該方法，只是簡單地布設儀器對背景噪聲進行長時間的記錄，并不會因實施爆破等行為造成擾民，這對于城市發展有著極其便利的優勢。

　　另一方面，通過設立得到的信號也能夠實時處理噪聲，獲得城市地下結構的連續監測，避免城市地質災害的發生，如因施工造成的城市地陷等[13]。隨著區域臺網的建設發展，觀測儀器的數字化，計算方法的改進創新等，相信在不久的將來，科學家們終將一一解決目前存在的各種問題，并在地震預測及工業角度和城市發展方面取得較為可行的成果。

　　參考文獻：

　　[1]AkiK.Spaceandtimespectraofstationarystochasticwaves,withspecialreferencetomicrotremors[J].BulletinoftheEarthquakeResearchInstitute,1957,35(3):415-456.

　　[2]WeaverRL,LobkisOI.Ultrasonicswithoutasource:ThermalfluctuationcorrelationsatMHzfrequencies[J].PhysicalReviewLetters,2001,87(13).

　　[3]CampilloM,PaulA.Long-rangecorrelationsinthediffuseseismiccode[J].Science,2003,299(5606):547-549.

　　[4]ShapiroNM,CampilloM,StehlyL,etal.High-resolutionsurface-wavetomographyfromambientseismicnoise[J].Science,2005,307(5715):1615-1618.

　　[5]WeaverRL.Informationfromseismicnoise[J].Science,2005,307:1568-1569.

　　[6]王瓊，高原.噪聲層析成像在殼幔結構研究中的現狀與展望[J].地震，2012，32(1)：70-80.

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