台风引发的海洋波浪噪声作为被动大地声波（MASW）的自然信号源：来自数字地面探测（DAS）观测的见解

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Typhoon-Induced Ocean Wave Noise as a Natural Source for Passive MASW: Insights from DAS Observations

台风引发的环境噪声对被动多通道面波分析的影响研究。通过部署1公里分布式声学传感阵列，分析 typhoon Gaemi 过程中环境噪声干涉重构的虚拟震源数据，发现台风显著增强低频（0.7-2 Hz）能量，使最大可提取面波波长从140米增至923米，成像深度提升至461米。但该增强效应仅在海浪方向与阵列对齐时出现，验证了波场方向性的重要性。本研究为沿海地区被动面波分析提供新方法。

　　

刘家伟|陈荣辉|杨雅梅|黄忠|白廷宇

绿色能源与环境研究实验室，工业技术研究院，新竹31040，台湾

摘要

环境地震噪声已成为被动式地下成像的重要工具，无需主动震源即可提取表面波信息。然而，噪声源的频率成分和空间分布显著影响成像的分辨率和可靠性。本研究探讨了台风引起的环境噪声对提取的表面波特性的影响及其对被动多通道表面波分析（MASW）的启示。在本研究中，我们在台湾西海岸部署了一个1公里的分布式声学传感（DAS）阵列，用于记录台风“Gaemi”过境前、中、后的连续地震数据。通过环境噪声干涉测量技术，重建了虚拟炮集，并在小时和日尺度上提取了频散谱。

结果表明，在台风最接近时，低频能量（低于2 Hz）显著增强，最小可观测频率从2 Hz降至0.7 Hz，这使得可提取的最大表面波波长从140±2 m增加到923±39 m。相应地，潜在的成像深度也从70±1 m增加到461±20 m。然而，这种增强仅在海洋波方向与DAS阵列对齐时观察到，这突显了环境噪声干涉测量中波场方向性的重要性。本案例研究的结果表明，像台风“Gaemi”产生的强烈波动活动有可能提供低频地震能量的自然来源，从而提高沿海环境中被动MASW的深度穿透能力。

引言

环境地震噪声已成为一种强大的地下成像工具，无需主动地震源即可提供有价值的地球物理信息。通过利用自然产生的和人为产生的噪声，环境噪声干涉测量技术——该技术利用记录的环境地震噪声提取两个站点之间的格林函数——使研究人员能够在不依赖地震活动的情况下分析表面波传播并推断剪切波速度结构（Shapiro和Campillo，2004；Shapiro等人，2005；Yao等人，2006；Wapenaar等人，2010）。

表面波已被广泛用于大规模层析成像，特别是由0.05–0.3 Hz频率范围内的低频海洋微地震噪声产生的瑞利波。这些波可以穿透超过10公里的深度，并实现几公里级的空间分辨率（Sabra等人，2005；Bensen等人，2008；Clayton，2020；Jiang和Denolle，2022）。相比之下，在城市环境中，表面波通常由人类活动产生的环境地震噪声主导。这种噪声通常位于较高频率范围内——通常高于1 Hz——非常适合浅层地下的高分辨率成像，其深度灵敏度通常在几十到几百米之间（Nakata等人，2011；Cheng等人，2016；Liu等人，2025）。环境噪声的宽频谱使其能够进行多尺度成像，低频能量对深层地质结构敏感，而高频信号对近地表特征敏感。

高分辨率地震调查需要密集的接收器阵列，这一需求越来越多地通过分布式声学传感（DAS）来满足。DAS是一种新兴技术，它将标准的光纤电缆（最初用于数据传输）转换为密集的地震传感器阵列（Jousset等人，2018；Lindsey等人，2020）。该方法使用 interrogator单元将激光脉冲注入光纤的一端，并测量沿其长度反射回来的光。利用光学干涉测量技术，DAS可以用来估计光纤小段内的应变率（称为测量长度；Dean等人，2016）。在许多最近的研究中，环境噪声已成功与DAS结合使用（Dou等人，2017；Yang等人，2022；Yang和Shragge，2023）。此外，许多其他研究还将环境噪声干涉测量与表面波的多通道分析（MASW）结合起来，以成像浅层地下结构（例如，Ajo-Franklin等人，2019；Cheng等人，2021；Song等人，2021；Zhou等人，2022）。环境噪声干涉测量技术能够创建虚拟炮集（VSGs），从干涉测量过程中提取的格林函数可以再现波场，就好像阵列中的一个传感器作为震源，另一个作为接收器一样。这些VSGs为MASW提供了输入，在MASW中计算表面波的频散曲线。由于输入信号来源于环境噪声而非受控震源，这种方法通常被称为被动MASW。DAS通过提供高空间分辨率和长距离覆盖范围，以及提高采集效率，增强了环境噪声在MASW中的应用。此外，与传统基于地震检波器的采集方法相比，DAS提供了更大的数据处理灵活性，允许在数据收集后调整处理参数（例如，子阵列长度、传感器间距和虚拟炮位置），这是传统基于地震检波器的方法无法实现的。Yust等人（2024）的案例研究强调了DAS在提高MASW处理灵活性方面的优势。特别是与传统基于地震检波器的采集方法相比，DAS在配置子阵列长度和偏移量方面的灵活性在复杂噪声环境中具有明显优势（例如，具有多个和混合噪声源的区域）。这种能力允许捕获具有不同最大波长的表面波，从而更全面地理解波的传播。

因此，本研究使用DAS来探讨台风引起的环境噪声变化如何影响通过环境噪声干涉测量提取的表面波特性，以及这对被动MASW的相关影响。我们在台湾西海岸台中电厂北部边界部署了一个1公里的DAS阵列，该地区经常受到台风的影响。使用环境噪声干涉测量技术构建VSGs，并检查台风“Gaemi”过境前、中、后提取的表面波场的变化。然后使用MASW技术分析表面波特性。还结合了海上浮标数据，以评估波高和方向的变化与观测到的地震响应之间的对应关系。这些发现提供了新的见解，说明极端气象事件（例如台风“Gaemi”）如何增强或改变环境噪声场，以及如何利用这些变化来提高沿海环境中被动MASW的性能。

研究地点和数据

以下部分提供了研究地点和测量设置的详细信息，包括DAS系统的配置以及记录的DAS数据的特性概述。

数据处理

使用交叉相关算法进行地震干涉测量，利用DAS阵列记录的环境地震噪声来估计通道对之间的格林函数。交叉相关函数（CCFs）用于重建光纤沿线的虚拟震源-接收器对之间的表面波。得到的波场用于评估台风“Gaemi”过境期间表面波特性的时间变化。

结果

本节展示了台风期间收集的DAS数据的主要观测结果。为了评估台风“Gaemi”对环境地震信号和表面波特性的影响，分析了台风最接近台湾之前、期间和之后VSGs不同频率段的频散谱和信噪比（SNR）的时间变化。

讨论

了解极端事件期间环境噪声的变化对于改进被动地震应用至关重要。以下部分探讨了台风“Gaemi”期间的主要噪声源，并讨论了这些信号如何提高被动MASW的性能和深度灵敏度。

结论

本研究展示了台风引起的地震噪声对重建表面波特性的显著影响及其对沿海环境中被动MASW应用的影响。我们使用1公里长的DAS阵列和环境噪声干涉测量技术，研究了台风“Gaemi”过境期间交叉相关函数的时间变化。

结果显示，在台风期间，低频地震能量（0.7–2 Hz）显著增强

作者贡献声明

白廷宇：撰写 – 审稿与编辑。黄忠：撰写 – 审稿与编辑。杨雅梅：撰写 – 审稿与编辑，监督。陈荣辉：数据管理。刘家伟：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿，方法论，调查，概念化

未引用的参考文献

Foti等人，2018年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了能源管理局和经济事务部的支持，资助编号为114-D0216。作者还感谢台中电厂的工作人员在部署和数据收集过程中的协助。