[论文解读] Crustal Structure Imaging of Ghana from Single-Station Ambient Noise Autocorrelations and Earthquake Arrival Time Inversion

Hamzeh Mohammadigheymasi, Courage K. Letsa+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2026

Seismic Waves and Analysis被引用 0

一句话总结

该论文使用单站环境噪声自相关法成像南哥斯达黎加地壳？（注意原文为南部加纳，翻译时保持地名准确）并结合本地地震速度模型将行进时间转换为深度，得到新的基底深度约束和更新的地震活动目录。

ABSTRACT

The crustal architecture of southern Ghana remains inadequately resolved despite its tectonic significance and resource potential. Existing geological and geophysical studies provide only broad constraints on crustal composition, lacking the resolution to accurately define sediment-basement interfaces or intra-crustal stratigraphy. To address these limitations, we employ single-station ambient noise autocorrelation (SSANA) on continuous waveform data from the Ghana Digital Seismic Network (GHDSN). We extract P-wave reflectivity responses using a processing sequence that involves data pre-processing, Phase Cross-Correlation (PCC) for robust noise correlation, and phase-weighted stacking (PWS) of the derived autocorrelograms. This procedure yields a two-way travel-time (TWT) function representing the zero-offset P-wave reflection response beneath each station, enabling high-resolution imaging of the stratified crustal column. To facilitate depth conversion, we develop an enhanced one-dimensional crustal velocity model for the region. Using a compiled dataset of local earthquake P- and S-wave arrival times from the GHDSN and an additional station in Cote d'Ivoire, we perform a joint inversion via a grid-search algorithm to derive a regional 1D velocity structure. Our results provide new constraints on the depth and configuration of the Paleozoic basement beneath the Voltaian Basin, demonstrating the efficacy of ambient noise autocorrelation for crustal imaging in sparsely instrumented regions. We also present an updated seismicity catalog, relocated using the new velocity model, and analyze the spatial clustering of seismicity in southern Ghana. This study highlights the utility of passive seismic methods for elucidating crustal structure and evaluating resources in intraplate West Africa and analogous Precambrian terrains.

研究动机与目标

• 解决南部加纳地壳结构约束不足的问题。
• 通过单站观测提取P波反射率来成像地壳柱体。
• 开发区域代表性的1-D地壳速度模型以实现准确深度转换。
• 使用新速度模型重新定位地震并讨论构造意义。

提出的方法

• 用六个GHDSN宽带站记录（及一个科特迪瓦站）通过单站环境噪声自相关获取P波反射率，作为双程行进时间的函数。
• 使用Phase Cross-Correlation (PCC)从逐小时自相关图中提取鲁棒的相位一致反射。
• 应用Phase Weighted Stacking (PWS)对每日PCCs进行叠加，以增强相干到达并获得每日的TWT反射序列。
• 通过局部地震到达时间反演，结合本地 HDD 数据并添加一个西部观测站以改善方位覆盖，开发1-D区域速度模型。
• 使用新速度模型将TWT反射分段转换为深度，以成像沉积物–基底界面。
• 使用新速度模型重新定位并更新南部加纳地震性目录。

实验结果

研究问题

• RQ1 SSANA（单站环境噪声自相关）在南部加纳稀疏网络下是否能可靠成像地壳反射？
• RQ2 本地受限的1-D速度模型对该区域P波反射的深度转换有何含义？
• RQ3 在南部加纳下方主要的地壳界面（沉积物–基底）在哪里，与已知地质单元有何关系？
• RQ4 更新的速度模型如何影响地震重新定位及区域地震模式？

主要发现

• 在两组频率带（浅层特征3–13 Hz；较深结构1–6 Hz）下，配合PCC与PWS的SSANA在每个站点下均可获得可解释的P波反射响应。
• 通过局部地震层析得到的新区域代表性的1-D地壳速度模型，提升了SSANA结果的深度转换。
• 研究为Voltaian盆地下古生代基底的深度与构型提供了新的约束。
• 给出南部加纳更新的地震性目录，重新定位结果基于新速度模型。
• 结果显示被动地震学方法在陆内西非稀疏观测区域的地壳成像中具有实用性。