要点
- 列出了若干最先进的监测方法：MWCS、stretching、DTW、小波互谱、贝叶斯反演、贝叶斯MCMC
- 总结了不同尺度和不同机制的噪声监测应用：地震同震/震后、火山喷发预报、环境强迫、小尺度水库/滑坡
- 噪声监测技术可追踪多种物理参数的变化，适用于地球及地外行星地震学
1. 引言
- 研究动机：研究地壳应力状态对理解地球的构造和非构造过程至关重要
- 理论基础：监测地震波速度变化是探测地壳应力状态变化的有效工具——已在理论和实验两方面得到验证（Birch, 1961; Nur & Simmons, 1969; O'Connell & Budiansky, 1974; Schoenberg, 1980; Yamamura et al., 2003）
- 可行性：持续且广泛分布的地震噪声使我们可以通过连续互相关或自相关重建格林函数（Aki, 1957; Claerbout, 1968; Lobkis & Weaver, 2001; Campillo & Paul, 2003; Shapiro & Campillo, 2004; Larose et al., 2005a; Campillo, 2006, 2011）
- 能力：通过测量 $\delta v/v$，可以研究深部地壳应力状态，且时间上连续——为地壳动力过程（地震、火山及其他活动）提供关键约束
- 环境监测：还可用于监测各种环境变化引起的浅部速度变化
- 小尺度应用：可应用于滑坡、水库等小尺度场景，用于灾害预测与早期预警
- 论文结构：简要综述方法及主要应用领域；讨论亟需的研究方向和未来发展可能
2. 方法论
2.1 尾波干涉测量
- 起源：Poupinet et al.（1984）从地震双重波中提取相位偏移；Snieder et al.（2002）推广到不同流逝时间的滑动窗口 + 线性回归
- 基本假设：波场变化是均匀的
核心公式：
$$ \delta t / t = -\delta v / v $$
- 走时相对变化与波速相对变化呈反比
2.2 四种测量方法
移动窗互谱分析（MWCS）
- 域：频率域
- 原理：在滑动窗口内测量相位偏移，通过两次线性回归得到 $\delta v/v$
- 参数：滑动窗口宽度、流逝时间范围、质量控制阈值等
- 文献：Brenguier et al.（2008a, b）; Clarke et al.（2011）
- 优势：经典方法，成熟稳定，频率域可分选噪声
- 劣势：需仔细定义多项参数
Stretching 方法
- 域：时间域
- 原理：对当前互相关函数施加拉伸系数 $\varepsilon$，优化其与参考函数的相关系数；$\delta v/v = -\varepsilon$
- 文献：Lobkis & Weaver（2003）; Sens-Schönfelder & Wegler（2006）
- 优势：直观简单，单参数
- 劣势：可能被噪声源频谱变化污染（Zhan et al., 2013）
动态时间规整（DTW）
- 域：时间域
- 原理：利用全部信息——尾波走时偏移、振幅和去相干信息
- 文献：Mikesell et al.（2015）
- 优势：更灵活，允许非均匀走时偏移
- 劣势：计算量大，对噪声敏感
小波互谱分析
- 域：时频域
- 原理：连续小波变换，提供最优时频联合分辨率，实现全流逝时间测量
- 文献：Mao et al.（2020）
- 优势：对多频段和深度分析有强大的计算优势
- 劣势：较新方法
2.3 反演增强
线性反演（Brenguier et al., 2014）：
$$ \delta v_j - \delta v_i \approx \delta v_{ij} $$
- 有助于避免选择任意参考互相关函数
- 贝叶斯最小二乘反演可获取精确连续的速度变化
- 正则化可分别聚焦于快速或长期变化
贝叶斯 MCMC（Taylor & Hillers, 2020）：
- 构建 $\delta v/v$ 的全后验概率分布
- 有效处理大数据量问题
- 纳入测量不确定性信息
2.4 弹道波监测
- 动机：尾波监测空间分辨率不足、深度定位困难
- 方法：使用从噪声互相关中恢复的弹道波（体波 + 面波：基阶 + 一阶高阶）进行监测
- 要求：小尺度目标化密集台阵
- 优势：更好的深度定位
- 劣势：对噪声源属性高敏感，需密集台阵降低偏差
2.5 尾波 vs 弹道波对比
| 属性 | 尾波 | 弹道波 |
|---|---|---|
| 噪声源敏感性 | 低（散射增强信噪比） | 高 |
| 格林函数要求 | 无需完美重建也可用 | 需要更高质量 |
| 空间分辨率 | 有限（散射路径复杂） | 更好（直达路径） |
| 深度定位 | 困难 | 可能 |
2.6 主动源 vs 被动源
- 被动源：基于噪声，连续、低成本、覆盖范围广
- 主动源：地震双重波或人工源；高信噪比、时间可重复可控
- 主动源优势：可捕捉瞬时同震变化，被动源监测因时间分辨率与收敛时间的权衡而可能低估
- 联合使用：显著提高检测精度
3. 应用
3.1 地震同震与震后速度变化
一般模式：
- 快速同震速度降低 → 缓慢震后指数恢复
机制：
- 浅层动态震动（非线性弹性行为、慢动力学）
- 深层地震引起的应力变化
Parkfield（Brenguier et al., 2008a）：
- $\delta v/v \sim 0.08%$
- 浅层同震损伤 + 深层同震应力变化 + 震后应力松弛
2011 Mw 9.0 东北-冲地震（Wang et al., 2019）：
- 首次观测到深度（频率）依赖的速度变化
- 1–7 s 周期频段（~0.07%）：浅层降低，与动态应力（PGV）相关——机械弱化
- 8–30 s 周期频段（~0.04%）：深层降低，由静态应变主导
- 日本中部火山区对同震动态应力扰动高度敏感（Brenguier et al., 2014）
3.2 火山区域速度变化
Piton de la Fournaise（Brenguier et al., 2008b）：
- 喷发前出现系统性 $\delta v/v$ 降低（~0.05%）作为前兆
- 速度变化与火山系统膨胀或压缩密切相关
- 异质性应力分布可导致对同一火山活动产生相反的速度响应
Kilauea（Liu et al., 2019）：
- 两阶段速度变化：岩浆上升引起的压缩 + 岩浆注入裂隙
Takano et al.（2020）：
- 将弹道波监测应用于 Piton de la Fournaise
- 浅层岩浆房微小增压引起的应变复杂性导致速度变化
3.3 环境速度变化
目的：研究环境相关的瞬态速度变化有助于分离构造相关的变形
地下水与降雨：
- $\delta v/v$ 降低可达 $10^{-2}%$ 至 $10^{-1}%$
- 降雨入渗 → 延迟的孔隙压力增强（地壳顶部数km）→ 剪切模量降低 → $\delta v/v$ 降低
- 速度变化相对于降水峰值有延迟（水力扩散所致）
案例：日本九州：
- 2011年7月和2012年7月出现显著速度降低
- 火山区下方降低更显著——证实了火山区域的高敏感性
其他环境因素：
| 因素 | 效应 | 时间尺度 |
|---|---|---|
| 热弹性应力 | 年周期变化 | 季节 |
| 大气压 | 微小调制 | 天~季节 |
| 潮汐效应 | 微小调制 | 半日~月 |
| 永久冻土冻融 | 显著调制 | 季节 |
| 积雪 | 弹性荷载（压缩）+ 融化后孔隙压力变化 | 季节 |
| 海面高度 | 直接弹性荷载 | 变化 |
复杂性：同一环境因素对不同深度、距离、断层走向的介质可产生相反的 $\delta v/v$ 响应。积雪最为复杂——既有直接弹性荷载，融化后又改变孔隙压力。
3.4 其他应用
滑坡：
- 破坏前瑞雷波速度降低达 7%，由黏土力学刚度衰减引起（Mainsant et al., 2012）
- 表明噪声监测可用于局部尺度破坏预测
实验室与断层区实验：
- 破坏前的短时速度变化可指示地震成核（Niu et al., 2008; Scuderi et al., 2016）
- 为地震和地质灾害早期预警提供重要参考
矿山活动（Olivier et al., 2015）：
- 速度和波形去相干变化可追踪工业活动
地热注水（Hillers et al., 2015c; Obermann et al., 2015）：
- 速度和去相干可追踪注水过程
水库与大坝（Planès et al., 2016; Olivier et al., 2017）：
- 地下水位和孔隙度变化引起的应力场变化 → $\delta v/v$ 变化
- 验证了在小尺度场景（水库/大坝）中追踪内部变形和压力状态的潜力
4. 展望
空间分辨率
- 当前尾波监测的2D/3D成像基于线性插值或反演
- 灵敏度核基于扩散理论或辐射传输理论，假设各向同性散射
- 发展方向：体波与面波灵敏度核的线性组合可约束3D多重散射介质中的变化深度（Obermann et al., 2019）
- 弹道波监测空间定位简单，但时间分辨率和稳定性低于尾波
时间分辨率
- 当前被动源最小可检测时间分辨率：1天或1小时（取决于不同频率的格林函数收敛速率）
- 主动源的可重复性可控，时间分辨率可选
- 人工源和重复地震扩展了联合使用的可能性
- 目标：捕捉瞬时变化以更好理解破裂机制
实时监测
- 可在永久台网中边记录边测量连续的 $\delta v/v$ 时间序列
- 必须同时分析当地环境因素，以区分和校正非构造引起的瞬态速度变化
- 目的：检测速度异常以预警潜在灾害
-
统计分析方法（Nakahara et al., 2020）：
- 量化并检测与火山喷发或地震相关的速度异常
- 数学分布规律 → 为实时监测系统添加自动判别标准
地外应用
- 噪声互相关技术已成功应用于月球（Larose et al., 2005b; Sens-Schönfelder & Larose, 2010）
- 从月球噪声中提取瑞雷波 → 揭示与地下温度相关的月球动态过程
- 为未来行星探测任务（内部结构探测 + 时变形变追踪）提供方案
多参数监测
- 除 $\delta v/v$ 外，还可追踪散射特性、本征吸收参数、偏振变化
- 多参数独立测量可相互约束，更好解释变化本质
跨学科合作
- 大地测量等其他地球物理工具也可监测地下物性变化
- 跨学科研究将为地下应力场及其物理过程提供更全面的视角
论文结构总图
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ §1 引言 │
│ 应力状态→波速变化→噪声监测→小尺度应用可行性 │
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│ §2 方法论 │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ MWCS │ │Stretching│ │ DTW │ │
│ │ (频域) │ │ (时域) │ │(时域,全信)│ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ Wavelet │ │反演+MCMC│ │弹道波 │ │
│ │(时频域) │ │(增强/大数)│ │(密集台阵) │ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│ §3 应用 │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ 地震同震 │ │ 火山前兆 │ │ 环境因素 │ │
│ │ 0.08% │ │ 0.05% │ │ 0.01-0.1%│ │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │
│ ┌──────────┐ │
│ │ 滑坡/矿山│ │
│ │ 7%/工业 │ │
│ └──────────┘ │
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│ §4 展望 │
│ 时空分辨率↑ 实时监测 多参数 地外 跨学科 │
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