[论文解读] Global characterization of seismic noise with broadband seismometers

Michael William Coughlin, J. Harms|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2012

Seismic Waves and Analysis参考文献 12被引用 3

一句话总结

本研究利用2007–2011年间来自IRIS、F-net和Orfeus网络的超过3,500个宽频带地震仪的每3小时一次的功率谱密度数据，对全球地震背景噪声进行了分析。结果表明，非洲、澳大利亚和南极洲的台站记录的噪声水平在1 Hz以上显著低于全球低噪声模型，且在0.1 Hz以上与风速存在显著相关性，在1 Hz以上与城市接近程度相关，约80 mHz附近与地震活动存在强相关性。

ABSTRACT

In this paper, we present an analysis of seismic spectra that were calculated from all broadband channels (BH?) made available through IRIS, NIED F-net and Orfeus servers covering the past five years and beyond. A general characterization of the data is given in terms of spectral histograms and data-availability plots. We show that the spectral information can easily be categorized in time and regions. Spectral histograms indicate that seismic stations exist in Africa, Australia and Antarctica that measure spectra significantly below the global low-noise models above 1 Hz. We investigate world-wide coherence between the seismic spectra and other data sets like proximity to cities, station elevation, earthquake frequency, and wind speeds. Elevation of seismic stations in the US is strongly anti-correlated with seismic noise near 0.2 Hz and again above 1.5 Hz. Urban settlements are shown to produce excess noise above 1 Hz, but correlation curves look very different depending on the region. It is shown that wind speeds can be strongly correlated with seismic noise above 0.1 Hz, whereas earthquakes produce seismic noise that shows most clearly in correlation around 80 mHz.

研究动机与目标

• 利用公开的宽频带网络长期、高时间分辨率的谱数据，系统表征全球地震背景噪声。
• 识别地震背景噪声与风速、人口密度、地形和地震活动等辅助地球物理数据之间的空间与时间相关性。
• 增进对不同频带和区域中主导噪声源的理解，特别是在偏远和低噪声区域。
• 为未来研究地震背景变化与气候-地震活动关联性提供公开可访问的长期谱数据集。

提出的方法

• 通过IRIS、F-net和Orfeus数据服务器获取来自宽频带地震仪BH?通道的连续3小时功率谱密度（PSD）数据。
• 处理来自全球各大洲超过3,500个台站的数据，包括增益因子归一化和将时间序列划分为3小时间隔。
• 生成谱直方图和数据可用性图，以评估全球台站分布及随时间的数据覆盖情况。
• 对地震背景噪声谱与外部数据集（人口密度、风速、台站高程和地震震级）进行空间与时间上的互相关分析。
• 采用百分位分组和区域划分（如按大陆）方法，分析不同地球物理环境下的谱行为。
• 利用交互式Google Earth文件和基于MATLAB的制图工具，可视化显示微地震振幅的昼夜和季节性变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些区域的地震噪声水平显著低于全球低噪声模型，特别是在1 Hz以上？
• RQ2 风速与地震噪声在不同频带中的相关性如何？相关性在何处最强？
• RQ3 城市接近程度在多大程度上是1 Hz以上地震噪声升高的驱动因素？这种影响在不同区域有何差异？
• RQ4 在美国，台站高程与0.2 Hz及1.5 Hz以上地震噪声水平的相关性如何？
• RQ5 地震噪声与地震活动在时间上是否存在相关性，特别是在80 mHz附近？

主要发现

• 非洲、澳大利亚和南极洲的地震台站在1 Hz以上记录的噪声水平显著低于全球低噪声模型，表明存在异常安静的地震环境。
• 风速与1 Hz以上地震噪声存在强相关性，其中10%的台站在1 Hz和10 Hz处的相干值高于0.5，尤其在沿海地区更为显著。
• 城市聚居地在1 Hz以上产生额外的地震噪声，但相关性模式在不同区域间存在显著差异，表明人为噪声源具有区域性特征。
• 在美国，台站高程与0.2 Hz及1.5 Hz以上地震噪声水平呈强烈负相关，表明地形屏蔽或场地效应的存在。
• 地震活动在约80 mHz附近与地震噪声表现出最清晰的相关性，表明地震活动在该频带中起主导作用。
• 沿海地区风速与地震噪声的谱相干性尤为显著，部分台站显示风驱动噪声在0.1 Hz以上的宽频带范围内均较强。