Wang et al. (2017) Seasonal Crustal Seismic Velocity Changes Throughout Japan

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第1部分：论文信息

• 标题：日本全境的地壳季节性地震速度变化
• 作者：Wang, Brenguier, Campillo, Lecointre, Takeda, Aoki（法国ISTerre + 日本NIED + 东京大学地震研）
• 期刊：JGR: Solid Earth, 2017, 122, 7987–8002
• DOI：10.1002/2017JB014307

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第2部分：摘要与Key Points

• 背景：基于噪声的 $\delta v/v$ 受降雨、气压加载、温度等环境扰动影响，可掩盖构造/火山信号（类似GPS观测）
• 方法：利用日本Hi-net密集台网（718个台站）测量多年连续 $\delta v/v$
• 发现：
  • 九州（南部）和北海道（北部）均观察到强季节性变化（振幅 $10^{-4} $）
  • 九州：夏季速度降低可由降雨引起的孔隙压力增加解释
  • 北海道：需更复杂模型（降水+积雪+海平面），东西部响应不同
• 成果：线性模型校正后检测阈值降至 $10^{-5} $，可识别被季节性信号掩盖的小地震响应

Key Point	内容
1	噪声 $\delta v/v$ 在日本部分地区显示强季节性
2	受特定外部扰动（如降雨）强烈影响
3	季节性校正模型改善了地震响应观测

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第3部分：Introduction（引言）

• 方法背景：噪声互相关方法（Campillo & Paul, 2003）使连续监测 $\delta v/v$ 成为可能，已用于检测震后松弛、火山喷发前兆、地震-火山相互作用
• 问题提出：环境因素（降雨、热弹性应力、气压）可掩盖构造/火山信号
  • Heki (2001) 首次揭示积雪荷载调制GPS应变——本文核心理念与此一致
• 数据：Hi-net 718个台站，北部501站（2008–2012），南部217站（2011–2012）
• 方法来源：Brenguier et al. (2014) doublet方法

量级	数值	含义
同震速度降	$\sim 10^{-3}$	大地震瞬时响应
季节性变化	$\sim 10^{-4}$	年周期波动
校正后阈值	$\sim 10^{-5}$	可检测小地震信号

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第4部分：Data and Methods（数据与方法）

数据

• 718个Hi-net台站，台间距 $\le 30$ km，分南北两时段

预处理

• 1-bit归一化：去除不规则事件，保留相位
• 频谱白化（0.08–2.0 Hz）：降低微震源时间变化影响
• 每小时互相关 → 逐日叠加提高信噪比
• 三分量9个相关组合增强稳定性

速度测量：doublet method（Brenguier et al., 2014）

• 测量窗口： $-60$ s 到 $+60$ s 时间延迟
• 频率范围：0.15–0.90 Hz
• 深度灵敏度：约8 km（上地壳，Obermann et al., 2013, 2016）
• 核心关系：均匀介质变化下， $\delta v/v = -\delta t/t$
• 方法优势：
  • 使用尾波（coda waves）：降低噪声源方向性影响（Colombi et al., 2014）
  • 即使格林函数未完美重建仍可行（Hadziioannou et al., 2011）
  • 频域相位测量：不受噪声频谱季节性变化影响，优于 stretching 方法（Hillers et al., 2015; Zhan et al., 2013）

台站级平均

• 先按信噪比对9个分量加权平均 $\delta t/t$
• 再对30 km内台站对的 $\delta v/v$ 取平均
• 目的：提高精度并降低源方向性效应

四条代表性时间序列（Figure 1b）

• TAJH（本州东部）：2008岩手-宫城地震和2011东北地震的强同震速度降，震后恢复不完全
• MWDH（本州中部）：东北地震同震降 + 强季节性波动（夏低冬高）
• OKBH：2009静冈地震和2011东北地震两次速度降
• MJNH（九州）：强季节性变化，6月开始降、7月最低，恢复较缓慢

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第5部分：Seasonality & Quarterly Maps（第3.1–3.2节）

季节性强度（3.1）

• Pearson相关系数：计算不同年份间年信号的相关性

$$ CC(y_1, y_2) = \frac{\mathrm{cov}(y_1, y_2)}{\sigma_{y_1} \sigma_{y_2}} $$

• 阈值设定： $CC \ge 0.6$ 表示强季节性效应
• 北部选用2008、2009、2010年（无大地震时段），空间插值1 km + 高斯滤波300 km
• 结果（Figure 2a）：季节性效应最强区域——北海道、九州、本州日本海沿岸

季度平均速度变化（3.2）

• 每3个月平均 $\delta v/v $，南北分区处理以避免大地震影响
• 两大概观异常（Figure 3）：
  • 九州：第三季度（7–9月）大幅速度降低
  • 北海道东北角：第一季度速度升高、第二季度开始持续降低

与GRACE对比

• 季度 $\delta v/v$ 与 GRACE 等效水高（EWH）全球相关
  • 北部第一季度正 $\delta v/v$ ↔ 冬季积雪EWH高
  • 南部第三季度负 $\delta v/v$ ↔ 夏季降雨EWH高
• 判断：
  • 九州：季风期强降雨 → 孔隙压力快速增加 → 地震速度降低
  • 北海道：每年大雪，多种环境因素叠加 → 复杂地壳形变

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第6部分：Kyushu（第3.3.1节）

区域特征

• 日本西南部，除高海拔外几乎无降雪，季风期强降水
• 使用74个Hi-net台站（2011–2012）

观测结果（Figure 4b）

• 2011和2012年波形高度相似，7月瞬时速度降低约 $10^{-4} $，随后逐渐恢复
• 关键特征：与日降雨量负相关，恢复比下降更缓慢

主导机制：孔隙压力扩散

• 排除地下水直接荷载效应（该效应会增大 $\delta v/v $）
• 确定孔隙压力扩散为主导机制
  • 原因：雨水入渗在上地壳数公里内产生延迟的孔隙压力变化，7月降雨最大时速度降也最大但有延迟
• 空间分布（Figure 4a）：强变化区与中部和南部火山带吻合
  • 原因：火山区域岩石更多微裂纹，对外部应力变化更敏感（印证 Brenguier et al., 2014）

孔隙弹性模型

一维扩散方程（Talwani et al., 2007; Rivet et al., 2015）

$$ P(r, t) = \sum_{i=1}^{n} \delta p_i \cdot \mathrm{erfc} \left[ \frac{r}{(4c (n-i) \delta t)^{1/2}} \right] $$

• $\delta t $：时间增量， $\delta p_i = \rho g \delta h_i $：降水荷载， $c $：扩散率， $r = 8$ km

合成速度变化（线性传递函数）

$$ (\delta v/v)_{\mathrm{syn}}(t) = \langle \frac{\delta v}{v}(t) \rangle + \frac{\mathrm{cov}(\frac{\delta v}{v}(t), P(t))}{\mathrm{var}(P(t))} (P(t) - \langle P(t) \rangle) $$

扩散率优化（最小二乘）： $\sigma^2(c) = \frac{1}{n} \sum (\frac{\delta v}{v}(i) - (\delta v/v)_{\mathrm{syn}}(i, c))^2$

• 最优扩散率： $c = 1$ m²/s
• 合成曲线与实测高度相关 → 确认降雨孔隙压力控制九州季节性 $\delta v/v $

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第7部分：Hokkaido East（第3.3.2节）

区域特征

• 日本东北部，使用95个Hi-net台站 + 112个气象站
• 东北角（144°E–145°E）季节性效应远强于其他区域

东西部差异（Figure 5b）

• 东部：年初速度增加，2月达最大后下降（夏低冬高）
• 西部及其他：夏高冬低（与东部反相位）
• 2008十勝-冲地震仅在东部台站观察到速度降；2011东北地震北海道两侧均观察到

东部定量特征（Figure 6b）

• 波动振幅 > $10^{-4} $，平均积雪深度约50 cm，日降雨 < 50 mm
• $\delta v/v$ 与降水负相关，与积雪深度正相关

积雪的两种可能效应

• 直接弹性荷载效应（Grapenthin et al., 2006; Heki, 2001）：增加速度
• 阻碍入渗效应（Seiler & Gat, 2007）：减少地下水补给，降低孔隙压力

线性模型

$$ (\delta v/v)_{\mathrm{syn}} = a \cdot P + b \cdot S + C $$

• $P $：孔隙压力变化， $S $：积雪深度
• 最佳拟合： $a = -4.9 \times 10^{-6}$ Pa⁻¹（降水负相关）， $b = 2.1 \times 10^{-6}$ cm⁻¹（积雪正相关）
• 特殊地质：东部覆盖钏路湿地（日本最大湿地）→ 可能增强孔隙压力响应

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第8部分：Western Hokkaido & Honshu（第3.3.3节）

区域划分

• 日本阿尔卑斯（中部本州，约138°E）：夏季速度降低
• 日本海沿岸（北海道西部 + 本州西侧）：夏季升高、冬季降低（与北海道东部反相位）
• 使用92个Hi-net台站（seasonality strength > 0.6）

日本阿尔卑斯：孔隙压力模型成功

• 与九州类似，降雨导致的孔隙压力变化可完美解释（Figure 8）
• 合成 $(\delta v/v)_{\mathrm{syn}}$ 与实际测量高度相关

日本海沿岸：复杂机制（Figure 9）

• 排除孔隙弹性机制：孔隙压力变化与 $\delta v/v$ 不相关
• 排除积雪机制：积雪深度也无明显关联，强降雪期反而速度降低
• 信号振幅 $10^{-4}$ 接近理论检测下限（Colombi et al., 2014）

海平面变化（SL）的主导作用

• Figure 9b： $\delta v/v$ 与海平面变化呈良好正相关，无明显相位偏移
• 原因：海平面高 → 海洋荷载增加 → 地壳压缩 → 地震速度升高（瞬时弹性响应）
• Munekane (2010) 在GPS观测中也考虑了类似效应

温度与热弹性应力

• 大气温度与 $\delta v/v$ 之间存在约35天的时间延迟（Figure B1c）
• 原因：上覆未固结层传导热量但不传递应力，深部应变来自未固结层底界温度变化
• 东北地震后延迟增至约64天
• 判断：温度与SL均与 $\delta v/v$ 高度相关且互相关联，无法完全分离；但温度在岛两侧无差异，选用SL重建季节性信号

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第9部分：Linear Model Correction（第4节）

校正模型

$$ (\delta v/v)_{\mathrm{syn}} = a \cdot P + b \cdot S + d \cdot SL + C $$

• $P $：孔隙压力变化， $S $：积雪深度， $SL $：海平面变化
• $a, b, d $：权重系数， $C $：常数偏移
• 对每个Hi-net台站，取最近的气象站和验潮站数据独立拟合

校正效果

台站	校正前标准差	校正后标准差
TREH	$1.21 \times 10^{-4}$	$5.48 \times 10^{-5}$
ARKH	$6.23 \times 10^{-5}$	$3.99 \times 10^{-5}$
UWEH	$4.91 \times 10^{-5}$	$1.94 \times 10^{-5}$

• 随机波动降低约 1.5–2.5倍，校正后降至 ** $10^{-5}$ 量级**
• Figure 11：北海道东北角和九州的季节性异常几乎完全消失
• 本州东北部残留异常 → 2008岩手-宫城地震的同震与震后效应

局限性

• 空间均匀扩散率 $c = 1$ m²/s 可能非最优近似
• 部分台站校正不佳 → 可能存在非线性关系或地震前后地壳特征系数变化

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第10部分：Discussion & Conclusion（第5节）

各区域机制总表

区域	主导机制	振幅	备注
九州	季风雨 → 孔隙压力扩散	$\sim 10^{-4}$	火山区更敏感
北海道东部	降水（负）+ 积雪（正）	$> 10^{-4}$	钏路湿地增强
北海道西部	海平面荷载（主）	$\sim 10^{-4}$	机制最复杂
日本阿尔卑斯	降雨 → 孔隙压力	较强	与九州同
本州日本海侧	海平面荷载	较弱	与北海道西部同

积雪的未解问题

• 北海道东部：积雪与 $\delta v/v$ 正相关
• 可能机制：荷载效应压缩孔隙 + 湿地排水增强
• 问题：两种机制在积雪更厚的北海道西部无效，机理仍不清晰

校正模型意义

• 简单线性模型使用邻近气象/海洋数据，校正后标准差降至 $10^{-5}$
• 未来方向：与GPS形变测量结合验证，优化校正模型

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第11部分：Appendix A — GRACE对比

• GRACE数据：CNES/GRGS RL03-v3月度解，1°分辨率，等效水高（EWH, cm）
• 季度对比（Figure A1）：
  • 九州：第三季度EWH高（强降雨）↔ $\delta v/v$ 降低
  • 北海道东北：第一季度EWH高（积雪）↔ $\delta v/v$ 升高
  • 中部日本：更复杂，可能受两侧海洋影响
• 单点时间序列（Figure A2）：不同区域呈现正或负相关，敏感度量级相当

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第12部分：Appendix B — 时间偏移

• 相关矩阵（Figure B1b）：
  • $\delta v/v$ 与温度：0.77
  • $\delta v/v$ 与SL：0.78
  • 温度与SL互相关：0.66（存在混淆）
• 时间延迟（Figure B1c）：
  • $\delta v/v$ 滞后温度约35天（与Richter et al. 2014智利结果一致）
  • $\delta v/v$ 与SL延迟仅约8天（近瞬时响应）
  • 东北地震后温度延迟增至约64天
• 物理解释：上覆未固结层传导热量但不传递应力，深部应变来自底部界面的温度变化

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整体论文贡献

1. 首次系统刻画日本全境 $\delta v/v$ 季节性的空间分布特征
2. 区域差异化机制：九州=孔隙压力、北海道东=降水+积雪、日本海沿岸=海平面荷载
3. 实用校正方法：简单线性模型将检测阈值从 $10^{-4}$ 降至 $10^{-5}$
4. 科学意义：为从环境噪声中提取微弱构造信号提供了有效路径，可推广至其他地区

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