基于地震背景噪声的宽频地震仪器性能监测方法研究

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1、４－：Ｈ７Ｈ单杈代热；Ｉｍｍｍ■—————————————————————基于地震背景噪声的宽频地震仪器性能监测方法研究—————————————————————ResearchonMethodsforMonitoringthePerformanceofBroadbandSeismicInstrumentsBasedonSeismicAmbientNoise————————————作者姓名：叶放专业名称：测试计量技术及仪器研究方向：地球探测信息技术及仪器指导教师：林君教授学位类

2、别：工学博士培养单位：仪器科学与电气工程学院论文答辩日期：2018年5月31日授予学位日期：年月日答辩委员会组成：姓名职称工作单位主席金胜教授中国地质大学(北京)委员张国玉教授长春理工大学陈祖斌教授吉林大学林婷婷教授吉林大学王言章教授吉林大学摘要基于地震背景噪声的宽频地震仪器性能监测方法研究摘要近年来，有关地震背景噪声的研究无论在理论还是实践上都有了长足的发展并取得了丰硕的研究成果。由于背景噪声互相关方法摆脱了地震学研究长久以来受地震时空分布的限制以及随着全球范围内对地球内部构造研究的广泛深入发展，

3、促使在全世界范围内不断建立宽频地震台网并推动了宽频地震仪器的研发。虽然通常认为现代宽频地震仪器系统具有非常稳定的仪器响应参数，但是一些研究表明仪器响应可能存在随时间逐渐变化的细微问题，这些误差通常很难从常规的波形检查中识别出来。因此，在宽频地震台站长时间采集背景噪声数据的过程中，特别是在新的地震台网与地震仪器不断出现的背景下，对仪器性能进行系统的监测将有助于加强地震台网的运行及提高观测数据的质量。为监测随时间变化的仪器响应误差，促使了常规地震仪器校准过程的实施，但是其输入的校准信号会干扰地面运动的数

4、据正常记录。目前，利用地震、地球潮汐和远震等手段现场评估仪器性能的方法主要集中在仪器响应的长周期波段并受限于事件的发生与地球模型的建立。采用单个台站地震背景噪声功率谱密度数据的中周期波段方法，易受到仪器自身噪声水平的影响而且测量精度较低。针对现有仪器性能监测方法的局限，本文在国家公益性行业科研项目“深部探测技术与实验研究专项”——项目九“深部探测关键仪器装备研制与实验”—课题四“无缆自定位地震勘探系统研制”的支持下，基于中周期波段的背景噪声数据及其互相关方法，围绕监测宽频地震仪器性能随时间变化的主要

5、方法进行研究。具体研究内容为以下几方面：(1)由背景噪声互相关函数的理论研究明确其振幅信息主要与噪声源的能量分布以及介质的衰减密切相关。因此，为了分析互相关函数振幅受噪声源的影响，首先建立模拟噪声源与台站分布的合成数据，在介质结构相同的情况下分析不同噪声源分布对互相关函数面波以及尾波幅值的影响。此外，在宽频地震台网记录的背景噪声数据实验中，选取不同位置的台阵，分析互相关函数面波、尾波以及尾随波幅值在不同台站间距、台站方位角以及噪声源频率下的变化。结合两个实验的互相关函数结果分析，认为互相关函数的尾波

6、具有更好的稳定性和更高的对称性，适用于长时间的监测应用。此外，由全波互相关函数的振幅研究获取了更多有关噪声源的信息。(2)在理解宽频地震台站配置，仪器响应计算，元数据中仪器响应参数的描述以及I吉林大学博士学位论文仪器响应校正的基础上，指出了在仪器响应记录及仪器响应校正过程中产生仪器响应相位误差的来源，包括零极点变化，仪器响应校正方法的因果性差异以及滤波器传递函数系数记录的偏差。利用宽频地震台站的仪器响应信息统计了由相位误差导致的数据时间偏移范围为一个采样点至几秒。针对不同延迟时间的背景噪声数据，采用

7、相位差线性拟合法计算了两个微震波段内噪声互相关函数的时间偏移，由所有台站对的互相关函数结果分析其时间偏移范围达到74%-99%的数据延迟时间，明确了监测仪器性能的必要性。(3)本文提出了利用噪声互相关函数监测仪器响应随时间变化的方法，分别利用背景噪声互相关函数提取的尾波振幅信息和面波传播时间实现幅值和相位的监测。通过观测三个台站构建的成对互相关函数计算的幅值和相位参数在两年观测期内每天的变化，不仅可实时识别存在仪器响应误差的台站还为误差估计提供了相互参考与约束。由幅值监测方法受噪声源影响的分析表明噪

8、声互相关函数的尾波有助于减轻非各向同性场的影响，并认为幅值监测的精度可达0.01%数量级的仪器响应幅值变化。此外，在背景噪声数据处理中使用初始仪器响应取代可用仪器响应来模拟仪器响应误差，可用于验证监测结果的准确性。(4)在构建稳定的参考互相关函数与每日互相关函数的基础上，利用移动窗互谱法计算两个互相关函数之间的时间偏差，该方法克服了噪声互相关函数关于时间轴不对称的限制。由长时间的监测结果表明每个台站对的时间偏差平均值不超过0.01s数量级，并且满足三台站时间偏差闭合关