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翻译

本文利用全球分布的地震台网(GEOSCOPE)7 年连续三分量记录,对背景噪声进行了频率相关的量化与表征。地脉动于海浪相互作用,是地球上最强且普遍存在的背景噪声。作者提出一种适用于时频域的新方法,可检测极化信号并用以刻画地脉动噪声。通过定义“椭圆极化度”(Degree of Polarization, DOP)谱,发现地脉动频段比其他频带具有更强的极化性。基于单台站极化分析,可测量噪声的背方位角(BAZ),并揭示其明显的季节变化。所得 BAZ 与海浪模型计算的理论源区方向一致,表明该测量稳健可靠。


相关研究的重要性

  1. 地脉动虽被视为“干扰”,但已成为新一代地震学信号源:

    • 可用于背景噪声面波层析成像,弥补天然地震空间分布不均;
    • 可实时追踪海洋风暴路径,为气候与海洋预报提供独立数据;
    • 是研究海洋-固体地球能量耦合的重要观测窗口。
  2. 传统源区定位需大规模台阵,通过走时差或相干性实现,布设与维护成本高;若能用单台三分量完成方向估计,将显著降低野外工作量。

  3. 极化分析给出的背方位角可直接指向海浪源区,为验证和改进海浪-海底耦合理论(Longuet-Higgins, 1950)提供定量观测依据。

  4. 极化度指标本身可作为“信噪品质”度量,用于噪声层析中对方向性偏差进行校正,提高地下成像精度。


前人相关研究及不足

  1. Longuet-Higgins (1950) 提出双频压力机制解释二次微地震,奠定了理论基础,但缺乏全球尺度观测验证。

  2. Hasselmann (1963) 采用统计方法描述海浪与海底耦合,未考虑波动方向与极化信息。

  3. Schulte-Pelkum et al. (2004) 利用美国西部密集台阵发现海洋噪声具有强烈方向性,然而依赖台阵且采用时域协方差,频率分辨率有限。

  4. Tanimoto et al. (2006) 分析南加州台站水平/垂直振幅比的季节变化,仅利用振幅比,未直接测量方向。

  5. Gerstoft et al. (2008) 用台阵反演 P 波微地震源区,依然需要密集台站,且未利用极化属性。

  6. Bromirski & Duennebier (2002) 对比近岸与远海地脉动振幅谱,发现频谱差异,但未给出全球单台极化方向。

  7. Stehly et al. (2006) 利用互相关研究噪声源季节变化,需要双台记录,无法给出瞬时方向。

  8. Chevrot et al. (2007) 用欧洲台阵定位第二类地脉动,台阵覆盖有限,且未与海浪模型系统对比。

  9. Aster et al. (2008) 将地脉动功率与多年气候序列关联,仅用功率谱,无方向与极化信息。

总体不足:

  • 多数研究依赖台阵,单台极化研究稀少;
  • 以功率或互相关为主,缺乏定量极化度指标;
  • 时域或窄带分析,难以同时处理非平稳性与多源叠加;
  • 很少与独立海浪模型进行季节对比验证。

本文数据

  • GEOSCOPE 全球 27 个三分量宽频带台站 2001–2007 年连续波形,采样率 1 sps(长周期通道),共 7 年、约 8000 个台日。
  • 使用垂直、北-南、东-西三分量地面速度记录。

本文方法

  1. 预处理:去除仪器响应,得到地面速度时序。
  2. 时频分解:采用 S 变换(Stockwell et al., 1996),窗宽随周期自动缩放(2σ = 3T)。
  3. 极化分析:
    • 对每个时频点构建 3×3 谱矩阵;
    • 特征分解得瞬时椭圆长轴、短轴与面法向量;
    • 定义“椭圆极化度”DOP,并用面法向量与垂向夹角加权,突出垂直面内椭圆运动;
    • 假定基阶瑞利波为逆行进椭圆,消除 180° 模糊,提取背方位角 BAZ。
  4. 对比验证:利用 Ifremer WAVEWATCH III 海浪模式(含岸线反射)计算全球第二类地脉动理论源区,与实测 BAZ 按月平均进行季节对比。

本文结果

  1. 极化谱显示第一类(0.05–0.08 Hz)与第二类(0.09–0.15 Hz)地脉动呈明显双峰,且极化度高于两侧频段。
  2. 单台 BAZ 存在显著季节变化:北半球夏季主要来自南方,冬季主要来自北方,与海浪气候同步。
  3. 在 0.09–0.14 Hz 观察到线性“频散条纹”,频率随时间斜升,斜率与深海重力波群速 ug = gT/4π 一致,为首次在单台极化数据中出现。
  4. 与海浪模型对比:实测 BAZ 指向与理论 SM 源区方向总体吻合,季节变化一致,相关系数视觉高于 0.8。
  5. 内陆站(如 TAM)季节信号最清晰;沿海站受近岸源影响,BAZ 分布带宽约 90°。

本文创新点与贡献

  1. 方法创新:首次将“时频椭圆极化度 + DOP 阈值”用于 7 年全球连续噪声,实现单台站方向测量。
  2. 观测创新:
    • 提出“极化谱”概念,量化地脉动极化强度随频率分布;
    • 首次在单台极化结果中观察到海浪群速引起的线性频散条纹。
  3. 验证创新:将地震极化 BAZ 与完全独立的海浪模型(含海岸线反射)进行系统季节对比,证明 BAZ 稳健。
  4. 应用潜力:为噪声层析提供方向偏差校正;为海洋风暴/气候监测提供新手段;指导海底或岸基临时台站选址。

本文不足与未来展望

  1. 仅使用 1 sps 长周期数据,未分析 0.5–1.4 Hz 高频体波微地震——可提高采样率,联合 P 波微地震研究。
  2. DOP 阈值与指数 n 人为选取,可能影响信号数量——未来可采用自适应或机器学习优化阈值。
  3. 海浪模型为“理论源”,未同步反演源强度与 BAZ——可发展联合反演,实现源区强度-方向同时成像。
  4. 未考虑地壳各向异性或三维结构对 BAZ 的偏折——可引入三维地壳模型进行射线校正。
  5. 目前仅针对瑞利波椭圆极化,未系统研究 Love 波极化——可开发 Love-Rayleigh 分离方法,探讨 Love 波源区特征。