云南地震台网观测系统由宽频带地震计(频带范围:60 s～50 Hz)及甚宽频带地震计(频带范围:120 s～50 Hz)、数据采集器、GPS授时、数据传输等设备构成,数据采样率为100 Hz。本文主要选取2015—2016年云南地区48个宽频带数字地震台的连续三分量记录,共组成1 128个台站对,台站分布如图1所示。

互相关数据处理使用SEIZMO软件包,软件包设计参考Bensen等(2007)及Lin 等(2008)的

图1 云南地震台网测震台站分布图
Fig.1 Distribution of stations in the Yunnan Seismic Network

数据预处理方法,主要包括以下步骤:①以每个台站每天的连续记录为整体进行5 Hz重采样, 去仪器响应、去均值、去趋势处理,以0.01～2 Hz进行带通滤波; ②将每天的连续记录截取为长度为6 h的数据单元,进行0.5～50 s的带通滤波; ③使用滑动绝对方法进行时域归一化,再进行谱白化处理,提高背景噪声的信噪比,为保持三分量相对振幅比,将EW,SN分量同时进行谱白化处理,即将EW向的频域振幅谱进行滑动平均得到平滑振幅谱,再将EW,SN分量的频谱分别除以该平滑振幅谱(Lin et al,2008); ④通过台站对三分量的互相关函数(EE,NN,EN,NE)与台站对间方位角θ和反方位角φ进行线性组合,得到每个台站对的TT,RR,TR,RT分量的互相关函数为:

(TT

RR

TR

RT)=(-cosθcosφ

-sinθsinφ

-cosθsinφ

-sinθcosφ cosθsinφ

-sinθcosφ

-cosθcosφ

sinθsinφ-sinθsinφ

-cosθcosφ

sinθcosφ

cosθsinφ

sinθcosφ

-cosθsinφ

sinθcosφ

-cosθcosφ)×(EE

EN

NN

NE)(1)

垂向分量ZZ和径向分量RR代表瑞利波互相关函数; 切向分量TT代表勒夫波互相关函数(Lin et al,2008),对于每个分量的互相关函数,保留了延时-5 000～5 000 s的数据。

通过对任意2个时间序列做互相关计算得到的正负2个分支,代表面波在两台站间沿相反方向传播。互相关函数正负支对应于介质经验格林函数的因果关系,如果背景噪声源完全随机分布,则正负支几乎是对称的。但在实际观测中,正负支的振幅存在巨大差异,主要取决于台站对连线两侧的稳相区域,在稳相区域之外的噪声源对提取格林函数的影响较小(Snieder,Roel,2004)。因此可通过对若干台站对间互相关函数的不对称性估算噪声能量流的主要方向从而估计噪声源的空间分布和时间变化(Stehly et al,2006; Yang et al,2008)。图2为利用LOP-TNC台站对2年的连续背景噪声进行互相关叠加得到的经验格林函数,负支表示能量从TNC传播至LOP,正支表示能量从LOP传播至TNC。从图中可以看出,ZZ和RR到时几乎一致,而TT与RR分量到时有明显差异,表示勒夫波比瑞利波传播速度更快,对比正负支的振幅大小可看出,由LOP传播至TNC方向的能量更大。

图2 LOP-TNC台站对10～20 s的经验格林函数
Fig.2 The 10～20 s empirical Green's function of noise by LOP and TNC

信噪比(SNR)是估计噪声源强度的工具,经验格林函数正负2个分支的信噪比分别表示噪声能量沿2个台站大圆弧路径上的相反方向传播,不同方向上信噪比较大的表示沿这个方向传播的噪声能量更强,结合云南地震台网内所有台站对的信噪比和方位角,可估算云南地区噪声能量流的方向(Stehly et al,2006; Yang et al,2008)。信噪比定义为信号窗口内振幅绝对值的最大值和后续噪声窗口内数据的均方根之比,信号窗定义为群速度为2.2～5 km/s的信号到时之间的窗口,噪声窗定义为经验格林函数在1 000～1 500 s的时间序列(房立华等,2009)。

本文分不同周期研究了1 128个台站对路径上的经验格林函数变化,以其中2条台站对路径为例进行了分析。图3是SN向MEL-ZOD台站对2年相同月份分别叠加得到的经验格林函数,蓝色曲线表示2年叠加的经验格林函数,其中正支表示能量由MEL传播至ZOD,负支表示能量由ZOD传播至MEL。三分量(ZZ,RR,TT)正支的振幅明显大于负支的振幅,表明在5～10 s,10～20 s,20～40 s内,能量由MEL传播至ZOD方向强于ZOD至MEL方向,即噪声能量由南向传播至北向。图4中负支表示能量由MIL传播至MAS,正支表示能量由MAS传播至MIL。在5～10 s,10～20 s,20～40 s,能量由MIL传播至MAS方向强于MAS至MIL方向,即噪声能量由东向传播至西向。

为系统对比云南地区三分量噪声源方位,本文主要分5个时段(2015—2016年、2年的1—3月共6个月、2年的4—6月共6个月、2年的7—9月共6个月、2年的10—12月共6个月)分别作出云南地震台网所有台站对5～10 s,10～20 s,20～40 s周期的噪声信噪比方位分布图(图5～9),图中极径指向噪声能量到达的方向,极径大小表示10°范围内信噪比的平均。在没有做信号几何衰减矫正的情况下,为突显噪声能量优势来源方向和减少台站间距对格林函数恢复的影响,剔除信噪比小于10、台站间距为2～15倍波长的台站对。图5是所有台站对2年的经验格林函数正负方向信噪比的方位分布图。从图中可见,5～10 s,三分量噪声源的优势方向为近90°(以正N向为0°),即E向,其中TT分量的噪声源优势方向更显著,RR分量优势方位角范围更大。10～20 s,ZZ,RR

图3 MEL-ZOD 台站对2015—2016年每月叠加的三分量经验格林函数
Fig.3 The empirical Green's function of three-component recorded on MEL and ZOD of two years(2015—2016)and stacked month per month

图4 MAS-MIL台站对2015—2016年每月叠加的三分量经验格林函数
Fig.4 The empirical Green's function of three-component recorded on MAS and MIL of two years(2015—2016)and stacked month per month

图5 2015—2016年不同周期三分量信噪比方位图
Fig.5 Azimuthal distribution of SNR of three-components in the different periods from 2015 to 2016

分量较明显的优势方位角为170°～210°,即WS向,而TT分量优势方位角为70°～110°,即E向。20～40 s,ZZ,RR分量噪声源优势方位为90°～140°,180°～220°,其中ES向更为显著,而TT分量噪声源优势方向不明显,广泛分布在20°～120°,160°～220°(表1)。

从图6～9及表1可看出,5～10 s三分量噪声能量优势方位角在1—6月,10—12月显著指向E向,RR分量优势方位角分布范围较大,7—9月ZZ,RR分量指向WS向,TT分量指向E向和WS向。10～20 s三分量噪声能量有2个优势方位角,且优势能量区的强度随时间变化明显,其中ZZ,RR分量的优势方位角分布在20°～120°,170°～220°,7—12月指向170°～210°更显著; TT分量在1—6月仍然指向70°～120°,在7—9月优势方位角指向170°～210°。20～40 s三分量的噪声能量优势方位角随时间变化稳定。在4个时段中,ZZ,RR分量的噪声能量优势方位角基本一致,TT分量较其它两个分量随时间变化更稳定。3个周期内三分量的噪声源主要来自于E向、ES向、WS向,分别指向印度洋、太平洋和南海方向。

在5～10 s,10～20 s,勒夫波的信噪比值高于瑞利波的,尤其在5～10 s显示勒夫波的能量更强,这可能与2种波形的震源机制或波形传播辐射模式相关(Juretzek,2016),也可能是由于在该周期内受到非相干局部噪声的干扰较小(Lin et al,2008)。

图6 2年的1—3月不同周期三分量信噪比方位图
Fig.6 Azimuthal distribution of SNR of three-components.in the different periods on Jan.-Mar in two years

图7 2年的4—6月不同周期三分量信噪比方位图
Fig.7 Azimuthal distribution of SNR of three-components in the different periods on Apr.-Jun.in two years

图8 2年的7—9月不同周期三分量信噪比方位图
Fig.8 Azimuthal distribution of SNR of three-components in the different periods on Jul.-Sep.in two years

图9 2年的10—12月不同周期三分量信噪比方位图
Fig.9 Azimuthal distribution of SNR of three-components in the different periods on Oct.-Dec.in two years

表1 5～10 s,10～20 s,20～40 s周期三分量的噪声信噪比优势方位角
Tab.1 The principal azimuthal of SNR of three-component in the periods of 5～10 s,10～20 s,20～40 s

很多研究者认为全球各地持续观察到的微震现象与海浪和固体地球的耦合作用相关,尽管受到周期、地形、衰减等多种因素的影响,但从平均效应来看,噪声能量正相关于海浪的压力(Ardhuin et al,2011; Gualtieri et al,2013)。英国海洋学家Longuet Higgins(1950)提出海浪波动非线性干涉理论,用海浪驻波解释海洋引起的地脉动现象,该理论模型不断被进一步确认和完善(Hasselmann,1963; Tanimoto,2006,2007; Kedar et al,2008)。海浪波高与微震时空特征有因果关系(Gerstoft,Tanimoto,2007; Koper,de Foy

2008; Euler et al,2014)。Wang等(2018)利用中国西南台阵连续垂直分量研究P波和PP波的源位置,在海浪平均有效波高和海面压力这两类数据中观察到了相似的特征,即在存在波高高的地方,表面压力也很强。本文使用2015—2016年海洋波浪高度的数据作为获得噪声源位置的附加约束,数据来源于The National Oceanic and Atmospheric Administration ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/ww3/HINDCAST/SISMO/.。由于2015年与2016年海洋活动相似,仅以2016年的海洋海浪每月的有效平均波高数据为例(图 10)。从图 10可看出,全球海洋的有效波高分布具有明显的季节变化,北半球的有效波高秋冬季比春夏季大,南半球的有效

图 10 2016年每月海浪平均波高
Fig.10 Averaged significant wave heights from ocean wave of 2016

波高春夏季比秋冬季大。中国东南部毗邻西北太平洋,西南方向为北印度洋,距离大西洋和北冰洋较远,云南位于中国的西南地区(图 10中红色实心三角形表示云南地震台网)。

结合上述三分量噪声能量优势方位角随时间变化的分析,7—9月印度洋活动明显增强时,5～10 s,10～20 s三分量优势方位指向孟加拉湾—安达曼海—北印度洋。当印度洋活动稍有减弱,北太平洋活动开始增强时,5～10 s三分量优势方位主要指向北太平洋方向,10～20 s三分量则主要指向北太平洋和孟加拉湾—安达曼海—北印度洋,而ZZ,RR分量以孟加拉湾—安达曼海—北印度洋方向更明显。因此可看出ZZ,RR分量更容易受到海洋活动的影响,特别是在海洋活动明显增强的时候,噪声源优势方向明显指向海洋活动增强的方向。