地科學院陳陽康課題組在Nature Communications刊發天



2019930日,浙江大學地球科學學院陳陽康課題組在Nature Communications在線發表題為Obtaining free USArray data by multi-dimensional seismic reconstruction的研究論文,該研究基于開源的密集地震臺網USArray的數據,提出了一種迭代降秩的方法來同時重建缺失臺站地震數據和抑制噪聲,推動了天然地震陣列成像技術的發展。

USArray是美國國家地球科學項目EarthScope的地震學部分,其在北美地區布置密集的寬帶地震陣列,為科學家提供開源的地震數據。雖然近年來陣列數據量在不斷增長,但由于噪聲的存在以及地震震源和臺站非均勻性而導致的偏置空間采樣,數據質量的提高受到了阻礙。

該研究利用有限差分法求解三維彈性波動方程,合成記錄的波場;通過上地幔平面內多點源同時能量入射,模擬了遠震入射平面波。利用實際地震記錄的疊加P波作為有效的震源時間函數,以保證合成震源的頻譜和能量與實際地震記錄的相似性。

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圖1  區域陣列下平面波入射的Moho約束和彈性參數設置(a, b, c)、波場模擬結果(d)以及觀測系統示意圖(e)

該研究建立了一套有效重建USArray三維地震數據的框架,提出了一種局部降秩的方法以同時重建缺失臺站數據和改善弱幅震相。與常規的全局降秩方法相比,該方法在保持臺站陣列數據的小尺度特征方面有著明顯的優勢,對于高分辨率的圖像處理有重要意義。

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圖2 USArray臺站分布情況以及震源相對方位示意

該方法被應用于2009年1月18日Kermadec群島發生的6.4級地震的USArray地震記錄,通過地震層析成像的實例說明重建波場對地震臺陣成像質量有大幅提高。通過測量原始波場和重建后波場的P波走時殘差,發現得益于高信噪比且相干性更好的重建波場,P波走時的測量結果相較直接利用原始波場有了很大提升。這主要體現在三方面,第一,重建波場不僅很好地填補了缺失的地震數據,并且提高了已有數據空間采樣的規則度;第二,相比原始波場,基于重建波場的測量結果更為準確,測量誤差顯著減??;第三,重建波場的走時殘差空間分布更為連續,其空間特征與現有高分辨率北美大陸上地幔速度構造模型高度一致。重建波場對提升小尺度構造成像效果尤為明顯,小尺度的速度異常體在原始波場中特征并不明顯,受噪聲干擾嚴重,因此其走時分布往往顯得雜亂無章,而重建波場則很好地捕捉到這些微小的空間速度變化,并通過走時殘差體現出來。該研究提出的重建方法能夠有效提升地震臺站數據的質量,對于推動天然地震陣列成像技術的發展,提高對地球內部構造的認知有重要意義。

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圖3 不同時間切片的重建結果比較(ab為t=1200s的實際數據與重建數據,cd為t=2100s的實際數據與重建數據)

浙江大學為該文的第一署名作者和通訊作者單位,陳陽康研究員為該文第一作者以及通訊作者。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12405-0




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