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线性台阵背景噪声与体波波形伴随成像：方法解析与应用拓展

一、引言

1.1研究背景与意义

地球内部结构的探测与研究是地球物理学领域的核心任务之一，对于深入理解地球的演化历程、动力学过程以及各类地质现象的发生机制具有不可替代的重要作用。线性台阵背景噪声与体波波形伴随成像作为地球物理勘探中极具潜力的前沿技术手段，正日益受到学术界和工业界的广泛关注，其在多个关键领域的应用价值和重要意义愈发凸显。

在地球物理勘探领域，传统的勘探方法在面对复杂地质条件和深部结构探测时，往往面临诸多挑战。例如，常规的地震勘探方法在探测深部地质构造时，由于地震波传播过程中的能量衰减和散射，导致信号分辨率降低，难以准确获取深部地质体的详细信息。而线性台阵背景噪声成像技术的出现，为解决这些问题提供了新的途径。该技术基于背景噪声的互相关分析，能够提取台站间的经验格林函数，进而获取面波频散曲线，实现对地下结构的有效反演。这种方法不依赖于特定的地震事件，能够对地震活动性低的地区开展研究，弥补了传统地震勘探方法的不足。例如，在城市活断层调查中，通过在横跨安徽省明光市郯庐断裂带东界两条主干断裂位置布设由133个短周期地震仪组成的被动源密集测线，利用线性台阵背景噪声成像方法提取宽频的基阶Rayleigh波相速度频散曲线，成功反演了近地表1.3km以浅的高分辨率S波速度结构，并与主动源S波反射剖面以及地质资料对比，验证了反演结果的可靠性，为城市活断层探测提供了重要依据。

在矿产资源勘探方面，准确探测地下矿产资源的分布和赋存状态是实现高效开采和利用的前提。体波波形伴随成像技术通过对体波波形的精确模拟和反演，能够提供地下介质的高分辨率速度结构信息，有助于识别潜在的矿产富集区域。例如，在湖南沃溪金钨锑矿勘探中，利用密集线性台阵进行地震背景噪声数据采集，并采用拓距相移法提取瑞利面波宽频带相速度频散曲线，反演获得了该矿区深度2.5km以浅的地震横波速度结构。经与已知地质资料比对，地震横波速度反演结果与断层、岩性分界面及矿脉有着较好的对应关系，为该区中—深部找矿提供了重要依据。

此外，这两种成像技术在地震学研究中也发挥着关键作用。通过对地球内部速度结构的精细刻画，可以深入研究地震的孕育、发生和传播机制，为地震预测和灾害评估提供坚实的理论基础和数据支持。在研究长白山火山壳幔岩浆系统时，运用背景噪声波形伴随成像方法，汇集多个密集流动地震台阵和区域固定台网的观测数据，获得了研究区高精度的三维剪切波速度结构模型。成像结果表明，长白山火山下地壳存在椭球状的显著低波速异常体，可能代表壳内深部岩浆聚集体，同时揭示了上地幔顶部岩浆上涌输运的通道，为深入理解板内火山作用的动力学成因及其喷发机制提供了重要的地震学约束。

1.2国内外研究现状

线性台阵背景噪声与体波波形伴随成像技术在国内外都经历了从理论探索到实际应用的发展历程，取得了一系列显著成果，同时也面临一些有待突破的挑战。

在背景噪声成像方面，国外起步较早，Shapiro和Campillo于2004年通过理论和实验验证了利用环境噪声互相关获取经验格林函数的可行性，为背景噪声成像奠定了重要理论基础，此后，该技术在全球范围内得到广泛应用。例如，在加利福尼亚地区，研究人员利用区域地震台网的背景噪声数据，成功反演了该地区的地壳S波速度结构，揭示了圣安德烈斯断层附近的速度异常特征，为研究断层的活动性和地震危险性提供了重要依据；在日本，通过密集台阵背景噪声成像研究了俯冲带地区的地壳结构，发现了俯冲板块与上覆板块之间的低速异常带，对理解板块相互作用和地震发生机制具有重要意义。

国内相关研究也取得了长足进展。随着短周期密集台阵技术的发展，众多学者将背景噪声成像应用于不同地质构造区域的研究。在青藏高原，科研团队利用密集台阵背景噪声成像方法，对该地区的地壳上地幔结构进行了详细探测，发现了下地壳低速层的存在及其与深部动力学过程的关联，为揭示青藏高原的隆升机制提供了新的地震学证据；在华北地区，通过背景噪声成像研究了断裂带附近的浅层速度结构，识别出了断裂带的位置和几何形态，对城市活断层探测和地震灾害评估具有重要指导作用。

在体波波形伴随成像领域，国外的研究主要集中在算法的改进和应用拓展。例如，美国的研究团队提出了基于快速行进法的体波走时计算方法，并应用于复杂地质模型的体波波形伴随成像中，提高了成像的精度和效率；欧洲的科研人员将体波波形伴随成像技术应用于深部矿产资源勘探，通过对体波波形的精确模拟和反演，成功识别出了深部潜在的矿产富集区域。

国内在体波波形伴随成像方面也取得了一系列成果。研究人员针对复杂地质条件下的体波传播问题，发展了高效的数值模拟算法，如有限差分法、有限元法等，并将其应用于体波波形伴随成像中。在新疆地区的深部构造研究