本書是一本經(jīng)典地震學(xué)教程,它系統(tǒng)地闡述了走時(shí)估計(jì)和背景噪聲互相關(guān)成像的原理與方法,內(nèi)容涵蓋了格林函數(shù)估計(jì)的噪聲互相關(guān)方法、走時(shí)估計(jì)的駐相法、傳統(tǒng)檢波器陣列成像方法、背景噪聲反射體成像、背景噪聲成像分辨率分析、弱散射介質(zhì)中背景噪聲走時(shí)估計(jì)、弱散射介質(zhì)中背景噪聲互相關(guān)成像、均勻介質(zhì)中的虛源成像、散射介質(zhì)中的虛源成像、光強(qiáng)度互相關(guān)成像、隨機(jī)介質(zhì)中波傳播回顧及數(shù)值分析與概率論的基本理論等。

寫在前面的話

檢波器陣列所記錄到的由隨機(jī)源或背景噪聲源產(chǎn)生的波,可用于對(duì)其穿過(guò)的介質(zhì)進(jìn)行成像。地震干涉測(cè)量研究取得了豐碩的成果,為聲學(xué)、電磁學(xué)及光學(xué)研究開辟了新的領(lǐng)域。作者首次以專著的形式對(duì)基于互相關(guān)的背景噪聲成像進(jìn)行自洽而統(tǒng)一的描述。為了便于理解一些核心知識(shí),作者在該書中介紹了大量與傳統(tǒng)陣列成像、復(fù)雜介質(zhì)中地震波傳播及波傳播的高頻漸近分析有關(guān)的內(nèi)容。本書寫作采用了跨學(xué)科方式,采用的數(shù)學(xué)工具包括概率論、偏微分方程、漸近分析及其與波傳播物理本質(zhì)及數(shù)值模擬的結(jié)合。本書適用于應(yīng)用數(shù)學(xué)及地球物理工作者,也可作為應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)及地球物理學(xué)專業(yè)研究生和科研人員的重要參考。

若斯蘭·加尼耶（Josselin Garnier）是法國(guó)巴黎狄德羅大學(xué)數(shù)學(xué)系教授。他的專業(yè)是應(yīng)用概率論,在隨機(jī)介質(zhì)中地震波傳播與成像領(lǐng)域具有多年的研究經(jīng)驗(yàn)。他在2007年獲得法國(guó)科學(xué)院的布萊斯帕斯卡獎(jiǎng)（Blaise Pascal Prize）,在2008年獲得歐洲數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)的菲利克斯克萊恩獎(jiǎng)（Felix Klein Prize）。

喬治·帕帕尼古勞（George Papanicolaou）是美國(guó)斯坦福大學(xué)數(shù)學(xué)系教授。他擅長(zhǎng)于應(yīng)用和計(jì)算數(shù)學(xué)、偏微分方程、隨機(jī)過(guò)程研究。他在2006年獲得了工業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)頒發(fā)的約翰·馮·諾依曼獎(jiǎng),在2010年獲得了應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的威廉本特獎(jiǎng)（William Benter Prize）。他于2000年當(dāng)選為美國(guó)科學(xué)院院士,并于2012年當(dāng)選為美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士。

原書序

陣列成像的目標(biāo)就是利用地震波探測(cè)未知介質(zhì)特性,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要兩個(gè)步驟:數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)采集階段,接收陣列記錄由激發(fā)陣列發(fā)出且穿過(guò)介質(zhì)到達(dá)接收陣列的波;而在數(shù)據(jù)處理階段,則是從采集到的數(shù)據(jù)中提取關(guān)于介質(zhì)特性的信息,比如介質(zhì)中反射體的位置等。近期在復(fù)雜介質(zhì)成像及被動(dòng)源成像研究的進(jìn)展中,背景噪聲成像技術(shù)在許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,恰恰是這些進(jìn)展激起了我們寫這本書的興致。

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)復(fù)雜、散射介質(zhì)中地震波傳播的研究一直是一個(gè)活躍的領(lǐng)域。對(duì)介質(zhì)進(jìn)行成像研究的許多領(lǐng)域都與此有關(guān),如利用地震成像方法探測(cè)地球巖石圈結(jié)構(gòu),對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),利用醫(yī)學(xué)CT檢查病人身體,大氣湍流的光學(xué)成像或利用聲學(xué)成像方法對(duì)淺表水環(huán)境成像等。這些介質(zhì)往往非常復(fù)雜,然而我們通常只是對(duì)介質(zhì)的某些特定屬性成像。事實(shí)證明,當(dāng)背景介質(zhì)存在散射時(shí),本書中描述的已經(jīng)確立的一些成像方法就不成立了。僅僅在最近,利用隨機(jī)介質(zhì)模擬地震波在復(fù)雜介質(zhì)中的傳播才得以成型,這為發(fā)展可以弱化隨機(jī)散射效應(yīng)的地震成像方法提供了一種可能的途徑。

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái),人們?cè)谠S多研究領(lǐng)域中對(duì)陣列成像方法進(jìn)行了研究。傳感器技術(shù)的進(jìn)步、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本的降低,以及計(jì)算能力的提升使得人們可以布設(shè)大規(guī)模的地震陣列。尤其是,由于被動(dòng)源陣列探測(cè)技術(shù)具有巨大的潛在應(yīng)用市場(chǎng),該項(xiàng)技術(shù)成為了近期研究的熱點(diǎn)。這里被動(dòng)源的意思是我們只利用接收器陣列,而不是傳統(tǒng)意義上的激發(fā)源/檢波器陣列,僅僅由未知的、不可控的、非同時(shí)發(fā)生的或隨機(jī)源提供照明信息。這本書的主題就是背景噪聲成像。當(dāng)然,被動(dòng)源陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與主動(dòng)源陣列迥異,這也需要發(fā)展新的成像技術(shù)。

不論是在復(fù)雜介質(zhì)波成像還是在基于背景噪聲的被動(dòng)源成像領(lǐng)域,理論分析表明記錄信號(hào)的互相關(guān)分析均具有重要作用。這是因?yàn)榛ハ嚓P(guān)信號(hào)中不僅攜帶著波傳播介質(zhì)的重要信息,而且這種互相關(guān)還可降低偽噪聲效應(yīng)。干涉成像是另一個(gè)常用的相關(guān)成像術(shù)語(yǔ)。波場(chǎng)相關(guān)性研究是本書的核心內(nèi)容。基于背景噪聲的相關(guān)成像方法的出現(xiàn)對(duì)地震學(xué)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。以往,對(duì)地球內(nèi)部成像的唯一手段就是利用地震記錄。借助于相關(guān)成像技術(shù),由地表分布式地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的視地震噪聲可以提供有關(guān)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大量信息。除了地震學(xué)研究,相關(guān)成像方法還在許多新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如,被動(dòng)源合成孔徑雷達(dá)或通信領(lǐng)域的光色斑強(qiáng)度相關(guān)和成像,這些都將在本書的最后一章進(jìn)行介紹。

本書是跨學(xué)科的,采用的數(shù)學(xué)工具包括概率論及隨機(jī)過(guò)程、偏微分方程、漸近分析及其與復(fù)雜介質(zhì)中波傳播的物理本質(zhì)和影像學(xué)模擬的結(jié)合。然而,本書的主要結(jié)果都可以在初級(jí)水平上通過(guò)多維駐相法獲得。本書的讀者群體廣泛,包括對(duì)跨學(xué)科知識(shí)有興趣的人員,尤其是從事波傳播和傳感器陣列有關(guān)研究的學(xué)生和科研工作者。

譯者前言

地震干涉技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代,該技術(shù)將光的干涉特性應(yīng)用到地震波的研究中,被動(dòng)源地震成像就是在干涉技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新的地震成像方法。被動(dòng)源是指地下存在的非人工激發(fā)的天然地震和微震等地質(zhì)活動(dòng),由這些地質(zhì)活動(dòng)激發(fā)的震動(dòng)不斷地向地表傳播,通過(guò)在地表接收這些振動(dòng)響應(yīng),應(yīng)用地震干涉技術(shù),可以將地表檢波器中的一個(gè)模擬成為虛擬震源,來(lái)合成反射波記錄(又稱虛炮集記錄),該記錄等價(jià)于地表地震剖面記錄。同時(shí)由地質(zhì)活動(dòng)激發(fā)的震動(dòng)在常規(guī)地震勘探中被視為噪聲,應(yīng)用地震干涉技術(shù)可以從噪聲中提取有用信息。長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)復(fù)雜、散射介質(zhì)中的被動(dòng)源成像研究一直是一個(gè)活躍的領(lǐng)域。僅僅在最近,利用隨機(jī)介質(zhì)模擬地震波在復(fù)雜介質(zhì)中的傳播才得以成型,這為發(fā)展可以弱化隨機(jī)散射效應(yīng)的地震成像方法提供了一種可能的途徑。

Passive Imaging with Ambient Noise是一本經(jīng)典地震學(xué)教程,它系統(tǒng)地闡述了走時(shí)估計(jì)和背景噪聲互相關(guān)成像的原理與方法,內(nèi)容涵蓋了格林函數(shù)估計(jì)的噪聲互相關(guān)方法、走時(shí)估計(jì)的駐相法、傳統(tǒng)檢波器陣列成像方法、背景噪聲反射體成像、背景噪聲成像分辨率分析、弱散射介質(zhì)中背景噪聲走時(shí)估計(jì)、弱散射介質(zhì)中背景噪聲互相關(guān)成像、均勻介質(zhì)中的虛源成像、散射介質(zhì)中的虛源成像、光強(qiáng)度互相關(guān)成像、隨機(jī)介質(zhì)中波傳播回顧及數(shù)值分析與概率論的基本理論等。該書內(nèi)容全面,深入淺出,既是地震科技工作者從事背景噪聲互相關(guān)成像或面波成像基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理想教材,也是開展地震學(xué)研究的重要參考書。為尊重原著,本譯著的變量及公式表述、參考文獻(xiàn)格式均與原版書保持一致。

檢波器陣列反射界點(diǎn)成像示意圖

γ處點(diǎn)源發(fā)出短脈沖被環(huán)繞該源的檢波器陣列記錄[圖 （ａ）]。逆時(shí)成像函數(shù)以數(shù)字形式反傳逆時(shí)記錄信號(hào)[圖 （ｂ）]。逆時(shí)偏移圖像是一個(gè)以原始源位置為中心、寬度為λ/２、sinc函數(shù)形式的峰[圖 （ｃ）繪制了該成像函數(shù)的模，其中和是主波長(zhǎng)λ的倍數(shù)]

均勻背景介質(zhì)中差分互相關(guān)被動(dòng)源成像示意圖

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本書內(nèi)容全面,深入淺出,既可以作為高校地震學(xué)專業(yè)研究生的教材,也可以作為地震科技工作者背景噪聲互相關(guān)成像或面波成像基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理論教材,更是開展地震學(xué)研究的重要參考書。

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本文摘自科學(xué)出版社2024年11月出版《背景噪聲被動(dòng)源成像方法》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：崔妍cuiyan@mail.sciencep.com）

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