2019年9月30日，浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院陳陽康課題組在Nature Communications在線發(fā)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(wǎng)USArray的數(shù)據(jù)，提出了一種迭代降秩的方法來同時重建缺失臺站地震數(shù)據(jù)和抑制噪聲，推動了天然地震陣列成像技術(shù)的發(fā)展。
USArray是美國國家地球科學(xué)項目EarthScope的地震學(xué)部分，其在北美地區(qū)布置密集的寬帶地震陣列，為科學(xué)家提供開源的地震數(shù)據(jù)。雖然近年來陣列數(shù)據(jù)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(dǎo)致的偏置空間采樣，數(shù)據(jù)質(zhì)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(nèi)多點源同時能量入射，模擬了遠(yuǎn)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(shù)，以保證合成震源的頻譜和能量與實際地震記錄的相似性。
圖1 區(qū)域陣列下平面波入射的Moho約束和彈性參數(shù)設(shè)置(a, b, c)、波場模擬結(jié)果(d)以及觀測系統(tǒng)示意圖(e)
該研究建立了一套有效重建USArray三維地震數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和改善弱幅震相。與常規(guī)的全局降秩方法相比，該方法在保持臺站陣列數(shù)據(jù)的小尺度特征方面有著明顯的優(yōu)勢，對于高分辨率的圖像處理有重要意義。
圖2 USArray臺站分布情況以及震源相對方位示意
該方法被應(yīng)用于2009年1月18日Kermadec群島發(fā)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(jié)果相較直接利用原始波場有了很大提升。這主要體現(xiàn)在三方面，第一，重建波場不僅很好地填補(bǔ)了缺失的地震數(shù)據(jù)，并且提高了已有數(shù)據(jù)空間采樣的規(guī)則度；第二，相比原始波場，基于重建波場的測量結(jié)果更為準(zhǔn)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(xù)，其空間特征與現(xiàn)有高分辨率北美大陸上地幔速度構(gòu)造模型高度一致。重建波場對提升小尺度構(gòu)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(yán)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(xiàn)出來。該研究提出的重建方法能夠有效提升地震臺站數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對于推動天然地震陣列成像技術(shù)的發(fā)展，提高對地球內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)知有重要意義。
圖3 不同時間切片的重建結(jié)果比較（ab為t=1200s的實際數(shù)據(jù)與重建數(shù)據(jù)，cd為t=2100s的實際數(shù)據(jù)與重建數(shù)據(jù)）
浙江大學(xué)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。
