北京时间2019年9月30日，浙江大学地球科学学院陈阳康课题组在《Nature Communications》在线发表题为 “Obtaining free USArray data by multi-dimensional seismic reconstruction”的研究论文，该研究基于开源的密集地震台网USArray的数据，提出了一种迭代降秩的方法来同时重建缺失台站地震数据和抑制噪声，推动了天然地震阵列成像技术的发展。
USArray是美国国家地球科学项目EarthScope的地震学部分，其在北美地区布置密集的宽带地震阵列，为科学家提供开源的地震数据。虽然近年来阵列数据量在不断增长，但由于噪声的存在以及由于地震震源和台站非均匀性而导致的偏置空间采样，数据质量的提高受到了阻碍。
该研究利用有限差分法求解三维弹性波动方程，合成记录的波场；通过上地幔平面内多点源同时能量入射，模拟了远震入射平面波。利用实际地震记录的叠加P波作为有效的震源时间函数，以保证合成震源的频谱和能量与实际地震记录的相似性。




图1 区域阵列下平面波入射的Moho约束和弹性参数设置(a,b,c)、波场模拟结果(d)
以及观测系统示意图(e)

该研究建立了一套有效重建USArray三维地震数据的框架，提出了一种局部降秩的方法以同时重建缺失台站数据和改善弱幅震相。与常规的全局降秩方法相比，该方法在保持台站阵列数据的小尺度特征方面有着明显的优势，对于高分辨率的图像处理有重要意义。


图2 USArray台站分布情况以及震源相对方位示意

该方法被应用于2009年1月18日Kermadec群岛发生的6.4级地震的USArray地震记录，通过地震层析成像的实例说明重建波场对地震台阵成像质量有大幅提高。通过测量原始波场和重建后波场的P波走时残差，发现得益于高信噪比且相干性更好的重建波场，P波走时的测量结果相较直接利用原始波场有了很大提升。这主要体现在三方面，第一，重建波场不仅很好的填补了缺失的地震数据，并且提高了已有数据空间采样的规则度；第二，相比原始波场，基于重建波场的测量结果更为准确，测量误差显著减小；第三，重建波场的走时残差空间分布更为连续，其空间特征与现有高分辨率北美大陆上地幔速度构造模型高度一致。重建波场对提升小尺度构造成像效果尤为明显，小尺度的速度异常体在原始波场中特征并不明显，受噪声干扰严重，因此其走时分布往往显得杂乱无章，而重建波场则很好地捕捉到这些微小的空间速度变化，并通过走时残差体现出来。该研究提出的重建方法能够有效地提升地震台站数据的质量，这对于推动天然地震阵列成像技术的发展，提高对地球内部构造的认知有着重要意义。


图3 不同时间切片的重建结果比较（ab为t=1200s的实际数据与重建数据，cd为t=2100s的实际数据与重建数据）

浙江大学为该文的第一署名作者和通讯作者单位，陈阳康研究员为该文第一作者以及通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12405-0