主成分分析法_主成分分析法在地震学领域的新应用

远震接收函数是包含台站下方地壳-上地幔速度间断面Ps转换波及其多次反射波的时间序列，现已成为研究地壳结构的重要观测数据。在单个地震台站的接收函数分析中, 既可以利用不同接收函数Ps转换震相以及地表多次反射震相的共性特征获得台站下方一维平均地壳结构信息, 也可以基于Ps转换震相随方位的变化特征提取地壳结构的变化信息(如倾斜界面或各向异性)。然而，由于噪声干扰，加之倾斜结构或各向异性这些次级信号多湮没于反映间断面速度跳变的主体信号中，对于倾斜结构或各向异性的相关研究往往存在困难。因此，如何压制噪声提高信噪比，同时有效分离反映不同结构特征的信号成分，成为了相关研究的前沿问题。

中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员担任通讯作者的研究论文“基于接收函数主成分分析法的地壳结构研究”，成功将主成分分析法引入至地震资料的分析中，以获取地震台站下方地壳结构的三维空间变化特征。文章发表在《中国科学：地球科学》中文版2019年第5期。研究者采用主成分分析法，研究单个地震台站记录的远震接收函数波形随方位变化的特征，发展了一种约束台站下方地壳结构的新方法，并利用该方法获取了四川盆地中部的地壳结构特征信息。

该项研究将主成分分析法引入单台接收函数研究中，通过大量理论测试分析并总结多种复杂结构模型对应的不同主成分所反映的结构特征，选择恰当的主成分重构接收函数。结果表明：(1)该方法能够有效压制噪声，提高信噪比；(2)可以有效分离接收函数中反映结构主体特征与结构变化特征的信号成分，其中径向接收函数第一主成分代表结构主体特征，径向接收函数第二主成分并辅以第三主成分以及切向接收函数第一主成分则反映结构变化信息；(3)通过对径向接收函数第二、三主成分的单独重构，能够区分各向同性单一倾斜结构与对称轴倾斜各向异性结构(图1)。

图1 各向同性倾斜模型与对称轴倾斜各向异性模型对应径向接收函数主成分分析结果

该方法不仅显著提高了接收函数数据的信噪比，而且弥补了传统方法难以有效分离结构主体特征与变化信息的不足。此外，该方法提供了区分各向同性倾斜结构和对称轴倾斜各向异性结构的新思路。这对地壳结构相关研究具有重要的科学意义。

该项研究得到了国家自然科学基金项目(41688103)和中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室基金项目(SKLZ201704-11712180)的资助。

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中文版：张建勇，陈凌，王旭. 2019. 基于接收函数主成分分析法的地壳结构研究. 中国科学: 地球科学, 49(5)：822-837, doi: 10.1360/N072018-00227

英文版：Zhang J Y, Chen L, Wang X. 2019. Crustal structure study based on principal component analysis of receiver functions. Science China Earth Sciences, 62, https://doi.org/10.1007/s11430-018-9341-9

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