河北赤城可控震源主動監(jiān)測實驗

董一兵，胡 斌，楊 銳，尹康達(dá)

（1.河北省地震局，石家莊 050021；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

0 引言

在地震孕育的過程中，震源區(qū)介質(zhì)的性質(zhì)會隨時間變化，對這種時變的監(jiān)測是地震預(yù)測研究的重要思路和具有潛力的研究方向［1］。目前研究地下介質(zhì)變化所采用的震源主要為地震和噪聲等被動震源，由于受到源位置和時間等因素制約，這些觀測結(jié)果的時空分辨率有限。為了克服這一不足，學(xué)者們開始嘗試?yán)酶咝阅苋斯ふ鹪磳崿F(xiàn)地下介質(zhì)變化高精度監(jiān)測［2］。常用的人工震源可分為脈沖震源和連續(xù)震源，其中，脈沖震源是將能量瞬間釋放產(chǎn)生一個脈沖信號激發(fā)地震波，而連續(xù)震源是通過持續(xù)的激勵向地下發(fā)射信號［3］。精密可控主動震源是20世紀(jì)90年代從日本發(fā)展起來的一種電驅(qū)動連續(xù)震源，具有相位控制精確、噪音小、重復(fù)性高、無破壞性、可移動使用等特點，以它為基礎(chǔ)構(gòu)成的精密主動地震監(jiān)測系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用于多種環(huán)境的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)與物性四維探測［4］。國內(nèi)外不少學(xué)者開展了基于可控震源的地下介質(zhì)主動監(jiān)測研究，Ikuta 等［5］觀測到由一個6.6 級地震引起的波速變化，王洪體等［4］在河北沽源計算出了地震波的走時變化，楊微等［6］監(jiān)測到了四川綿竹M5.6地震前后波速變化。為了驗證介質(zhì)變化主動監(jiān)測技術(shù)的可行性、探索實用化的途徑和方法，我們采用北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CASS－40精密可控主動震源系統(tǒng)，于2014年8月11日至11月24日和2015年7月23日至8月6日在張家口赤城地區(qū)開展了2次主動震源監(jiān)測實驗。在實驗中分別采用5～10～5 Hz、4～10～4Hz線性調(diào)頻信號，布設(shè)了赤城—張家口、赤城—張北2 條測線，對發(fā)射信號進(jìn)行連續(xù)記錄。用短時Fourier變換、反褶積和WHT 變換等方法對觀測記錄進(jìn)行了處理，并對處理結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 實驗

1.1 CASS－40系統(tǒng)簡介

CASS－40由機(jī)械系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)3部分組成（圖1）。機(jī)械系統(tǒng)中的振動體由2個機(jī)械特性完全一樣的偏心塊組成，在電機(jī)的帶動下2個偏心塊相向旋轉(zhuǎn)，其離心力相互作用合成垂直方向的作用力。這個力作用在發(fā)射平臺上，發(fā)射平臺與地面耦合共同產(chǎn)生振動，將發(fā)射信號傳入地下［7］。為保證發(fā)射信號的一致性，對實驗場地進(jìn)行了如下處理：挖槽并用混凝土筑底，地基上鋪設(shè)鋼板，用螺栓將震源與鋼板、地基可靠連接，保證震源與大地的緊密耦合，再用輕鋼結(jié)構(gòu)搭建活動板房，將震源保護(hù)起來，減少不利氣象條件對實驗運行的影響。

圖1 CASS－40系統(tǒng)

1.2 發(fā)射信號的調(diào)頻模式

CASS支持單頻、線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻多種調(diào)頻模式。實驗期間我們選用的是線性調(diào)頻信號（Linear Frequency Modulated，LFM）。LFM 是一種頻率隨時間線性增大／減小的的非平穩(wěn)信號，瞬時頻率f（t）呈線性變化：

式中，f（0）為初始頻率，k為調(diào)頻斜率，k＞0時頻率遞增，k＜則遞減。

實驗1的運行模式（圖2a）：采用LFM，每小時的600s至1 800s運行1個大周期，每個大周期內(nèi)連續(xù)運行2 個600s的小周期；每個小周期的前300s，震源的工作頻率由5 Hz線性上升至10 Hz；后300s再由10Hz線性下降至5 Hz。實驗期間，震源從周一至周五每天分早中晚3個時段運行，分別是北京時間的9—11時、15—17時和21—23時。實驗2 的運行模式有所調(diào)整（圖2b）：仍然采用LFM，每小時的600s至2 400s運行1個大周期，每個大周期內(nèi)相比增加1個600s的小周期，并調(diào)整每個小周期的調(diào)頻帶寬為4～10～4 Hz，增加了調(diào)頻信號的低頻成分，實驗期間，震源24h連續(xù)運行。

圖2 2次實驗的調(diào)頻模式

1.3 布設(shè)測線

基于觀測的需要，臨時臺站都建在野外，為了兼顧觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和儀器安全，我們設(shè)計了臨時臺網(wǎng)建設(shè)流程：

1）準(zhǔn)備工作。主要完成測線規(guī)劃、儀器選型和儀器一致性檢測工作。根據(jù)觀測需要在地圖上繪制測線，在測線上均勻布點，確定每個點的地理坐標(biāo)。實驗1的規(guī)劃布局是沿震源至張家口固定臺一線建設(shè)10個臨時臺站（臺站代碼st1＿1～st1＿10），測線總長度75km；實驗2的規(guī)劃布局是沿震源至張北固定臺一線建設(shè)21個臨時臺站（臺站代碼st2＿1～st2＿21），測線總長度116km，臺站分布見圖3。根據(jù)觀測信號的頻譜特征進(jìn)行儀器選型，選擇英國GURALP 公司的短周期一體化地震計CMG－40TD，靈敏度為2 000V／m／s，頻帶范圍為1～100 Hz，該儀器在1～100 Hz頻段的速度響應(yīng)曲線平坦，適合用于主動源地震臺陣觀測。為了保證儀器的一致性，使用前檢查了所有儀器的脈沖標(biāo)定結(jié)果。

圖3 震源與測線分布圖

2）臺基處理。臺基對于觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用，以1m 見方表面平整的裸露基巖為佳。對于裸露的基巖，表面較平整的，可清理表面雜物后用工具將表面打磨水平，即可作為臺基（圖4a）；表面不平整的，則需要在原基礎(chǔ)上用水泥砂漿澆筑一個10～30cm 厚的擺墩，并將表面打磨水平，養(yǎng)護(hù)24h，保證擺墩與巖體緊密耦合；對于土層臺基，需要預(yù)挖一個1m 見方、0.5m 見深的基坑，并在基坑頂部四周設(shè)置簡易擋水堤防止泡槽，然后用水泥砂漿筑底，將基底打磨水平，養(yǎng)護(hù)24h（圖4b）。

3）安裝儀器（圖5a）。儀器安裝步驟如下：①用尋北儀確定方位角；②安放地震計，調(diào)至水平；③安裝GPS天線；④安裝蓄電池；⑤加電，連接計算機(jī)；⑥檢查儀器狀態(tài)，包括三分向的極性、GPS運行狀態(tài)、機(jī)械零位、自振周期、阻尼和靈敏度，確保儀器狀態(tài)正常［8－9］。

圖4 臺基處理

4）安裝防護(hù)罩（圖5b）。儀器安裝調(diào)試無誤后即可安裝防護(hù)罩。防護(hù)罩是1個1m 見方的箱體，采用聚苯乙烯泡沫塑料制成，具有保溫、防水、隔風(fēng)、隔音、減震的作用，安裝后可對儀器形成保護(hù)層，并抑制背景噪聲對觀測數(shù)據(jù)的影響。防護(hù)罩安裝后應(yīng)用土石填埋四周使其牢固。

圖5 安裝儀器和防護(hù)罩

2 數(shù)據(jù)

2.1 發(fā)射信號的重復(fù)性

利用人工震源進(jìn)行波速變化測量是通過重復(fù)測量相同路徑上的地震波走時來實現(xiàn)的，只有保證震源的重復(fù)性，才能進(jìn)行有效的波速變化測量［6－7］。震源的重復(fù)性是指震源激發(fā)位置和激發(fā)波形的可重復(fù)性。赤城震源固定安裝在實驗室內(nèi)，每次激發(fā)時的耦合條件完全一致，因此激發(fā)位置具有完全可重復(fù)性。重點考察震源激發(fā)波形的重復(fù)性，震源信號的重復(fù)性主要受震源與地基和大地的耦合、降雨等因素的影響。通常用相關(guān)系數(shù)來定量表示波形相似程度，相關(guān)系數(shù)越接近1，則表明波形就越相似。以實驗2為例，CASS在每個小時的固定時間開始啟動，運行頻率為4～10～4Hz，固定運行3個上升周期和3個下降周期，因此用4～10Hz的帶通濾波器對全部臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，選擇參考臺站1h的數(shù)據(jù)作為參考信號，再與其它小時數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析。結(jié)果顯示在本次實驗的337h運行結(jié)果中，所有信號的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，除了2h有機(jī)械故障小于0.985外，其余335h數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.985（圖6），表明CASS每次激發(fā)產(chǎn)生的振動信號具有很好的重復(fù)性。

圖6 CASS發(fā)射信號的重復(fù)性

2.2 臨時臺站的背景噪聲

觀測資料的噪聲主要來自2方面：儀器自噪聲和環(huán)境噪聲。而地震計在工作頻帶內(nèi)的自噪聲水平要遠(yuǎn)低于環(huán)境背景噪聲，因此背景噪聲成為影響觀測質(zhì)量的關(guān)鍵因素。流動地震觀測中，自然噪聲和人為噪聲是主要噪聲來源。自然噪聲是指自然因素引起的噪聲，如風(fēng)、急流（瀑布和河流）、溫度變化、地傾斜等，主要導(dǎo)致長周期噪聲（周期大于10s），也可能形成高頻噪聲。風(fēng)是自然噪聲的主要來源，風(fēng)與粗糙的地面摩擦、樹或高大建筑物隨風(fēng)搖擺以及地震計周圍的空氣流動都會引起長周期噪聲。人為噪聲是指由人類活動引起的環(huán)境噪聲（如城鎮(zhèn)附近公路、鐵路、工廠等引起的噪聲），主要集中于高頻頻段（頻率大于5 Hz）［10］。人為噪聲的頻段與CASS的調(diào)頻頻段相重合，是我們實驗的主要噪聲來源。

2.3 觀測系統(tǒng)的鐘差

觀測儀器的高精度時間服務(wù)是精確測量速度的前提。為檢查觀測系統(tǒng)的授時精度，收集了臨時臺站的鐘差數(shù)據(jù)并計算了算術(shù)平均值（圖7），結(jié)果顯示，所有臺站的鐘差都分布在2.0μs左右，時間精度滿足觀測要求。

圖7 臨時臺站鐘差的均值分布

3 信號處理方法

3.1 短時Fourier變換［11］

短時Fourier 變換（Short Time FourierTransform，STFT ）是研究非平穩(wěn)信號最廣泛使用的方法。它的基本思想是把信號劃分成許多小的時間間隔，用Fourier變換分析每1個時間間隔，以便確定在該時間間隔上的頻率，這些頻譜的總體就表示了頻譜在時間上的變化情況。為了研究信號在時間上的特征，可以加強(qiáng)t時刻的信號，衰減其它時刻的信號，通過用中心在t的窗函數(shù)h（t）乘以信號來實現(xiàn)St（τ）＝S（τ）h（τ－t），St（τ）是2個時間的函數(shù)，即所關(guān)心的時間和執(zhí)行時間t。加窗信號的Fourier變換將反映t時刻頻率分布，即：

3.2 WHT 變換［12］

WHT 變換對LFM 信號有壓縮和聚焦的作用，LFM 信號的 Wigner 分布為背鰭狀、直線型，Hough 變換是圖像處理中用于直線檢測的方法。因此2種方法結(jié)合，即在時頻平面上對Wigner變換的結(jié)果再進(jìn)行Hough 變換，必然能夠得到LFM信號的特征量。WHT 變換的定義是：給定能量有限信號s（t），定義WHT為時域到（f，g）參數(shù)域的映射

3.3 反褶積［13］

在地震波的傳播過程中，大地濾波的作用使得震源激發(fā)的尖脈沖變成有一定時間延續(xù)的地震子波。無噪地震記錄的地震褶積模型可用下式表示：

式中，x（t）表示地震記錄，w（t）為基本子波，r（t）為地層脈沖響應(yīng)。

反褶積仍然是一個濾波過程，把震源子波看作大地濾波器的脈沖響應(yīng)，定義濾波算子

濾波器將基本子波在t＝0時轉(zhuǎn)換為尖脈沖。

4 結(jié)果分析

4.1 CASS發(fā)射信號的時頻特征

對CASS監(jiān)測系統(tǒng)記錄進(jìn)行短時Fourier變換可得到震源的時間—頻率關(guān)系曲線（圖8）。在上升周期，隨著頻率的線性增加，能量越來越強(qiáng)，折線的亮度也越來越高，在10 Hz處達(dá)到峰值；在下降周期，隨著頻率的線性減小，能量越來越弱，折線的亮度也越來越低。選取信噪比較高的臺站記錄，先進(jìn)行4～10 Hz帶通濾波，然后進(jìn)行短時Fourier變換，得到每個臺站記錄的時間—頻率關(guān)系曲線，曲線的形態(tài)與參考信號一致，曲線越清晰表示臺站記錄的信噪比越高。信噪比與臺基噪聲和偏移距有關(guān)：一般為基巖臺好于土層臺、近臺好于遠(yuǎn)臺。圖9是實驗期間幾個典型臺站觀測記錄的時頻曲線。張北固定臺監(jiān)測到發(fā)射信號，說明CASS發(fā)射信號傳播距離達(dá)到116km。

圖8 CASS調(diào)頻信號的時間—振幅曲線與時間—頻率曲線

4.2 提取地震波走時曲線

用反褶積和WHT 變換2種方法處理了赤城—張家口測線數(shù)據(jù)，分別得到了震源激發(fā)的地震波走時曲線（圖10a和圖10b）。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：①2種方法均能提取到有效信號；②反褶積處理獲得的波形主峰不明顯，波形旁瓣收斂較差，震相識別及其走時精確拾取難度大，即使在距離震源最近的st1＿1臺站記錄上，也難以可靠地進(jìn)行震相識別和到時拾取；③WHT 變換的波形主峰較為明顯，波形旁瓣收斂較好，視覺信噪比優(yōu)于反褶積。這應(yīng)當(dāng)與2種因素有關(guān)：一是CASS發(fā)射信號的頻譜特征。實驗信號的掃頻范圍較窄且集中在高頻頻段（5～10 Hz），低頻能量不足，不利于子波旁瓣的收斂；二是觀測記錄的信噪比。高頻分量隨著傳播距離的增加快速衰減，且與人為噪聲的頻譜重疊，導(dǎo)致非基巖臺站和遠(yuǎn)臺記錄的信噪比不高。

圖9 典型臺站的時間—頻率曲線

繼續(xù)使用WHT 變換處理了赤城—張北測線的數(shù)據(jù)（圖10c）。在圖10b中，主要震相有直達(dá)縱波Pg、直達(dá)橫波Sg，Pg、Sg在0～60km 范圍內(nèi)比較清晰，Pg較好的臺站有st1＿2、st1＿3、st1＿5、st1＿6、st1＿7，Sg較好的臺站有st1＿1、st1＿2、st1＿3、st1＿4、st1＿7、st1＿8；在圖10c中，主要震相有直達(dá)縱波Pg、直達(dá)橫波Sg，圖上僅繪制了震相清晰的臺站記錄?？梢钥闯?，Pg、Sg在0～50km 范圍內(nèi)比較清晰，Pg較好的臺站有：st2＿1、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7，st2＿9、st2＿10、st2＿11；Sg較好的臺站有：st2＿1、st2＿2、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7、st2＿8。

圖10 地震波走時曲線

2次實驗結(jié)果的對比分析：①2次實驗都提取到了的Pg、Sg震相，證明WHT 變換對于本次實驗是有效的；②震相存在旁瓣干擾，影響走時判讀。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因：一是線性調(diào)頻信號的主旁瓣振幅比較低，二是臺站記錄的信噪比不高；③遠(yuǎn)臺記錄（偏移距大于60km）的信噪比很低，這是由于震源信號掃頻帶寬較窄、低頻部分能量不足，以及臺基噪聲對記錄的干擾較大；④赤城—張北測線的Sg 震相多于赤城—張家口測線，這與2個因素有關(guān)：一是赤城—張北測線的信號頻帶略寬，且低頻分量相對較多、掃描時間較長，使得S波走時的時間分辨率有所提高；二是赤城—張北測線記錄的信噪比略好于赤城—張家口測線。這是因為：調(diào)頻周期的增加增強(qiáng)了疊加信號的能量，以及基巖臺背景噪聲水平較低。實驗結(jié)果表明：在信號源方面，現(xiàn)有的精密控制人工震源激發(fā)的振動信號頻帶還比較窄，處理結(jié)果的相關(guān)峰不夠突出，旁瓣抑制效果差，后續(xù)震相有可能相互重疊在一起等，這些問題需要改進(jìn)。在信號檢測方面，要提高信號的信噪比，尤其是遠(yuǎn)臺記錄的信噪比，必須做好臺基勘選，盡量選擇遠(yuǎn)離人為噪聲源的裸露基巖。

4.3 波速比分析

波速比（Vp／Vs）可以反映斷層活動情況及地下介質(zhì)流變性質(zhì)等的改變。劉繼祿等［14］計算得到京西北地區(qū)平均波速比的基值與正常波動范圍是1.73±0.03，同時指出張北6.2級地震前波速比低值異常明顯，形成下降—低值—恢復(fù)—發(fā)震的過程，異常持續(xù)時間27個月；張學(xué)民等［15］研究得到了赤城臺的S波速度結(jié)構(gòu)及波速比結(jié)構(gòu)，從波速比值來看，赤城臺僅在28～34km 深度處波速比值達(dá)到1.80，其它各層都在1.7 左右，整個分層結(jié)構(gòu)的波速比平均值為1.72。

利用天然地震波形記錄計算地震波速的主要難點是震相判讀精度的提高和可靠性判定，CASS－40的應(yīng)用克服了這一缺點，使用WHT 變換可以得到高分辨率的震相走時曲線。選擇Pg、Sg震相均比較清晰的臺站st1＿2、st1＿3和st1＿7，用Sg走時除以Pg走時得到波速比；同理選擇Pg、Sg震相均比較清晰的臺站st2＿1、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7 和st2＿8分別計算波速比Sg／Pg（表1）。

表1 震相走時表

計算結(jié)果的精度受到以下因素的影響：1）GPS的授時精度；2）計算方法的誤差；3）觀測記錄的信噪比。根據(jù)前文對觀測系統(tǒng)鐘差的統(tǒng)計結(jié)果，臺站GPS時間服務(wù)誤差集中分布在2μs左右，比觀測到的震相走時精度小3個數(shù)量級，影響可以忽略不計。劉希康等［16］對WHT變換用于精密可控震源信號檢測的性能進(jìn)行了分析，認(rèn)為震相出現(xiàn)規(guī)律與理論震相一致，滿足精密主動地震監(jiān)測對震源數(shù)據(jù)處理的需要。從圖10可以看出，計算波速比所選臺站的震相比較清晰，主峰比較突出，視覺信噪比較好。因此，本文的波速比計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)是可靠的。從表1上看，所選臺站的波速比都在1.73±0.05以內(nèi)，與已有的研究結(jié)論基本相符；同時，觀測得到的震相走時精確到1ms，波速比計算結(jié)果與已有研究的精度相當(dāng)［17］，證明利用CASS－40進(jìn)行波速比監(jiān)測是可行的。

5 結(jié)論與討論

本實驗取得了以下成果：1）建立了精密可控主動震源實驗觀測系統(tǒng)，實驗確定使用線性調(diào)頻信號，并采用先升頻再降頻的模式，設(shè)計了臨時臺網(wǎng)的建設(shè)流程，積累了4個月的觀測資料；2）驗證了線性調(diào)頻信號的處理方法，對比了反褶積和WHT 變換2種方法的處理效果，利用WHT 變換獲得了高時間分辨率的震相走時；3）驗證了利用CASS－40監(jiān)測波速比的可行性，探測距離可達(dá)116km，利用高時間分辨率的地震波走時可計算臺站的波速比，計算結(jié)果與已有的研究結(jié)論基本相符。

需要解決的問題：1）目前CASS－40的掃頻帶寬仍然嫌窄，希望下一步能夠?qū)崿F(xiàn)2～10Hz的線性調(diào)頻，以提高探測距離、探測深度和震相的時間分辨率；2）臺基類型對于臨時臺站記錄的信噪比影響很大，以完整的裸露基巖為佳；3）要實現(xiàn)對研究區(qū)域地震波走時變化的主動監(jiān)測，在改進(jìn)可控震源觀測系統(tǒng)的同時，還需要繼續(xù)積累觀測資料、繼續(xù)改進(jìn)目前的信號處理方法，以獲得高信噪比、高時間分辨率的地震波走時記錄。

致謝：感謝北京港震劉明輝工程師提供技術(shù)支持，感謝中國地震局地球物理研究所王寶善研究員提供指導(dǎo)意見，感謝河北省地震局邯鄲中心臺張新東研究員的辛苦工作！

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