江蘇東海深井觀測地震波形及其信噪比研究＊

徐紀人李海兵曾祥芝趙志新

1） 中國江蘇東海 222300 江蘇東海大陸深孔地殼活動國家野外科學觀測研究站

2） 中國北京 100037 自然資源部深部地球動力學重點實驗室

3） 中國北京 100037 中國地質科學院地質研究所

前言

微小地震活動觀測和研究對于了解地殼的原位實時地應力狀態(tài)、研究地球內部結構和地殼及斷裂活動、理解地球動力學過程和地震預測等均具有極為重要的意義（Liuet al，1992；Ito，Zoback，2000）.利用寬頻地震儀進行地震觀測已取得了顯著的成效，遠距離傳輸?shù)卣鹩^測也可以在非地震噪聲干擾小的場所進行.然而，遠距離傳輸?shù)卣鹩^測難以觀測到遠離地震儀設置場所的研究區(qū)域的微小地震，且利用遠距離傳播的地震學方法解釋地球構造特征的能力會隨距離的增加而減弱.遠距離傳播的面波也會導致高頻成分的丟失，而高頻成分正是推測地殼和上地幔結構不可或缺的信息.

在研究區(qū)域安裝地震儀進行微小地震活動監(jiān)測，可在一定程度上彌補上述遠距離地震觀測的不足，然而許多研究區(qū)域卻是觀測地震的背景噪聲高值區(qū)域.近年來的高頻地震學研究也需要在人類活動頻繁的都市背景噪聲高值地區(qū)監(jiān)測地震活動，因此地震學者一直在艱難地探索著如何在高噪聲背景的地震活動區(qū)域觀測地震才能獲取高信噪比的地震波形.深井下安裝地震儀進行地震觀測可以減少地表的非地震噪聲干擾影響，實現(xiàn)背景噪聲高值地區(qū)微小地震活動的近距離觀測，從而有效地提高觀測波形信噪比（徐紀人，趙志新，2009；Zeng，Yang，2021），因而深井地震學與地球物理學相結合的觀測研究逐漸發(fā)展成為多學科的前沿性科學研究（涂毅敏，陳運泰，2002；Baischet al，2002；Ishiiet al，2003；Okuboet al，2004）.深部地震觀測方興未艾（Tembeet al，2009；龔正等，2020；滕吉文，2021），其成果已被廣泛地應用于地球科學諸多領域，極大地推進了現(xiàn)代地震學和地球物理學以及深井鉆孔板塊構造學等多學科的研究（李海兵等，2018）.近年來，斷層井下地震觀測研究在斷層應力狀態(tài)、震源過程及地震預報研究領域取得了前沿性成果（Chavarriaet al，2003）.鉆孔地震觀測有利于建立三維地表地震波速度模型（Layet al，2020），從而推進速度結構與地震關系等的研究（Jeppson，Tobin，2015）.

深井地震儀記錄到大量M?0.5——0.5的微小地震事件，其中包括與中強地震相關的前震和余震，這些微小地震的記錄促進了地震序列活動及其震源位置的研究（Lellouchet al，2019），其精確定位的地震活動對于構造研究具有重大意義 （Maet al，2012；Shashidharet al，2020；Hunget al，2022）.區(qū)域性深井長期地震觀測廣泛地應用于地震預測研究（Asaiet al，2005；Fujimotoet al，2007），且在地震斷層活動機制分析中發(fā)揮了重要作用（Ikariet al，2015）.此外，利用井下地震觀測資料進行震源機制反演求得微小地震群震源的斷層平面解，有助于建立地殼應力不均勻性模型（Langetet al，2020；Luttrell，Hardebeck，2021）.

利用井下地震波測量資料結合巖石物理模型可為地震斷裂特性的探索提供理論基礎（Xuet al，2020）.井孔內微震波研究顯示，應力場的方向與巖石脆性破裂特征有關（Pierdominiciet al，2020）.使用鉆井地震資料可進行裂谷構造的地球動力學研究（Leiet al，2020）.深井地震觀測數(shù)據(jù)結合巖芯信息的地震波數(shù)值模擬研究，可以提高復雜地下結構非均質性解釋的準確度（Zhaoet al，2012；Jeonget al，2020）.深井地震觀測記錄因受場地和衰減效應的影響比較小，能夠為震源譜分析提供更直接的約束（Shearer，Abercrombie，2021）.根據(jù)井中入射波與反射波之間的傳遞函數(shù)與頻率相關的衰減進行場地近地表剪切波衰減特性研究，有利于預測地震動特征（Rigaet al，2019）.井下地震應變波的研究也將促進高頻地震學的發(fā)展（Zhanget al，2019）.

綜上，高精度微小地震觀測是未來地球科學發(fā)展的必然趨勢.本文將主要探索高地震背景噪聲的江蘇東海深井觀測站處于不同深度的地震儀記錄微小地震的觀測能力，以及近距離監(jiān)測區(qū)域微小地震活動的有效途徑，藉此分析地下不同深度地震儀觀測到的地震波形信噪比的差異，研究不同深度地震波形的保真度，以期通過深井地震觀測資料研究結果來促進地球科學的發(fā)展.

1 東海深井觀測站的地震儀器安裝及地球物理環(huán)境

東海深井地殼活動觀測站鄰近郯廬斷裂帶（圖1）.在東海中國大陸科學鉆探的5 158 m深井中的不同深度安裝地震儀進行觀測，以便于中國大陸構造運動的研究（徐紀人等，2016）.造山運動時期形成的左旋走滑的郯廬斷裂帶不僅古地震活躍，當代地震活動性也很強（徐紀人等，2008）.1668年山東郯城M8.5地震就發(fā)生在郯廬斷裂帶上.現(xiàn)代震源機制解結果顯示郯廬斷裂帶的當代構造活動呈右旋走滑運動（周翠英等，2013；Xuet al，2021）.在復雜構造活動帶進行地殼活動的監(jiān)測研究，對于提高郯廬斷裂帶附近地震活動及我國東部地殼構造斷裂帶活動的監(jiān)視能力具有重要意義.

圖1 江蘇東海地殼活動國家野外科學觀測研究站周緣地質構造圖（引自徐紀人等，2016）Fig.1 Geological structure around the Jiangsu Donghai Crustal Activity in Continental Deep Hole National Observation and Research Station in China （after Xu et al，2016）

江蘇東海地殼活動觀測研究站周圍多有水晶采石活動及水晶巖石加工廠等，位于觀測深井東南約3 km處的采石場時有爆破工程，附近的公路交通等也很繁忙.這些均會對地震觀測造成背景噪聲高值干擾，屬于常規(guī)地面地震觀測的不利因素.在該地區(qū)開展地面和井下地震活動觀測，探索在背景噪聲高值干擾地區(qū)地震觀測的有效途徑，有助于研究地殼活動和郯廬斷裂帶構造運動的特征.

江蘇東海地殼活動觀測研究站位于5 000 m深井中，井下最高溫度達142.4 ℃ （何麗娟等，2006），井孔中的壓力高達 50 MPa.第一期觀測分別在井下 544.5 m，1 559.5 m，2 545.5 m三處不同深度安裝了美國Sondi公司制造的主頻為 4.5 Hz的高精度數(shù)字三分量地震儀，分別記為L1，L2和L3.該儀器無供電要求，可以在深井高溫高壓環(huán)境下連續(xù)工作.同時，在地表淺處設置了一臺英國Guralp公司制造的3ESP型寬頻三分量地震儀L0，該儀器的頻寬為50 Hz——60 s，連同深處的三臺地震儀組成了深井地震觀測網(wǎng)（Xuet al，2016）.基于此觀測網(wǎng)進行地面與井下不同深度地震儀記錄到的地震波形特征及其各自的地震波形信噪比特征的研究.表1列出了各深度處地震儀參數(shù)及其圍巖巖性等物理參數(shù)，其中地震波速為實驗室?guī)r心測量結果.

表1 深井中的地震儀參數(shù)及工作環(huán)境巖性和地球物理參數(shù)Table 1 Seismograph parameters and lithologic and geophysical parameters around the seismographs in the borehole

2 地震波形的信噪比分析方法

本文分析研究地震波形信噪比，采用了如下公式：

式中，r為地震波形信噪比，S為信號能量，N為噪聲能量.噪聲能量計算是截取初至波到時之前100 s的數(shù)據(jù)計算平均值，信號能量是截取橫波到時之后記錄中的最大振幅能量，噪聲N或信號S各自的能量計算公式為

式中：E表示式（1）中計算的噪聲N或信號S的能量；AEW，ANS和AU分別為噪聲N或者信號S的東西、南北和垂直分量的振幅.

3 高背景噪聲下井下與地面地震儀記錄波形分析

3.1 地面高噪聲背景下的微小地震觀測

圖2為東海觀測站的地面和深井地震儀記錄到的2013年2月3日江蘇灌云ML0.8地震的波形圖.該震震中位于（34.4°N，119.7°E），震中距為 97.2 km，震源深度為 5 km.由圖2a的原始地震圖記錄可見東海觀測站周圍地面干擾有時相當嚴重，以至于從地面寬頻地震儀L0記錄中難以識別地震波形.干擾造成了微小地震的漏記現(xiàn)象，顯示了地面設置的地震儀在高噪聲背景條件下記錄微小地震的局限性.為了與井下地震儀記錄波形進行比較，圖2b給出了圖2a中原始地震圖記錄經(jīng)過中通濾波的波形，可見濾波后的波形中濾掉了低頻干擾，在時間軸大約07 ∶ 27處隱約可辨認出地震事件，但是P波和S波震相皆不清晰，整個波形序列中非地震信號干擾仍十分嚴重.而圖2c中深井下2 554 m處的L3地震儀在同樣噪聲背景下能夠記錄到低噪聲地震波形圖，P波初動和S波波形清晰，顯示出井下地震儀在高噪聲地區(qū)近距離記錄微小地震的優(yōu)越性.

圖2 東海觀測站地面與井下地震儀記錄的2013年2月3日江蘇灌云ML0.8地震（震中距 97.2 km，方位角 80°）的三分量波形圖（a） 地面寬頻地震儀 L0記錄波形；（b） 圖（a）波形經(jīng)中通濾波后的波形；（c） 井下地震儀 L3記錄波形Fig.2 Three-component waveforms of the ML0.8 earthquake （epicentral distance is 97 km，azimuth is 80°） in Guanyun，Jiangsu on February 3，2013 recorded by the seismographs on the ground and in the borehole of the Donghai station（a） Waveforms recorded by the broadband seismograph L0 on the ground；（b） Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.（a）；（c） Waveforms recorded by the seismograph L3 in the borehole underground

3.2 地面與井下地震儀記錄波形保真度分析

圖3 顯示了2013年5月24日安徽利辛附近ML2.7地震地面和井下不同深處地震儀記錄波形.該地震位于（33.0°N，116.3°E），震中距為 271.5 km.圖3 中井下地震儀L1和L3記錄中基本無噪聲干擾，地震波形三分量的P波初動及P波和S波波形震相都清晰可辨，各分量P波波形和S波波形分別相似.圖3a中地面寬頻地震儀L0的記錄在震前和震后都有明顯的長周期噪聲干擾，這反映了東海觀測站不時處于地面高噪聲狀態(tài).本文觀測資料顯示，東海觀測站非地震干擾強弱程度是無規(guī)則的.地面地震儀記錄的垂直分量和近南北分量的P波初動及S波雖可辨，但波形與井下兩地震儀的相應波形差別較大，尤其是其近南北分量振幅很小，近于畸變.該地震震中位于東海觀測站西南方向，方位角為56°.畸變原因除與觀測方位有關外，可能是受到了場地效應或者路徑衰減的影響，也可能是受到地面噪聲干擾的影響.這就意味著井下地震觀測記錄受場地或者淺層噪聲的影響較地表地震儀小.為了進一步與井下主頻為4.5 Hz的地震儀記錄波形比較，圖3b給出了圖3a地面寬頻地震儀波形經(jīng)中通濾波后的波形，可見圖3a中的低頻干擾雖被濾掉，但與井下地震儀記錄波形（圖3c和3d）相較，其近南北分量的振幅仍然很小，近于畸變.結合上述井下不同深度地震儀波形的相似性分析可知，井下地震儀觀測的微小地震波形具有良好的保真度，其觀測質量明顯優(yōu)于地面臺站，這可能給地震觀測學帶來啟示.綜合分析井下和地面地震觀測也有益于推進地殼淺層結構特征和地面震動動力學方面的研究.

圖3 東海觀測站地面與井下不同深度地震儀記錄的2013年5月24日安徽利辛ML2.7地震（震中距 271.5 km，方位角 56°）的三分量波形圖（a） 地面 L0 地震儀記錄波形；（b） 圖（a）中波形經(jīng)中通濾波后所得波形；（c） 井下 544.5 m 深處地震儀 L1 記錄波形；（d） 井下 2 545.5 m 深處地震儀 L3 記錄波形Fig.3 Three-component seismic waveforms of the ML2.7 event in Lixin，Anhui on May 24，2013 recorded by seismometers on the ground and at different depths in the borehole underground of the Donghai station（a） Waveforms recorded by seismograph L0 on the ground；（b） Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.（a）；（c） Waveforms recorded by seismograph L1 at 544.5 m depth in the borehole；（d） Waveforms recorded by seismograph L3 at 2 545.5 m depth in the borehole

3.3 井下地震儀微小地震觀測能力探索

微小地震是深井地震學的重要觀測研究對象.圖4給出了東海站深井地震儀L3觀測到的三個微小地震事件的波形，其中：圖4a 為 2013年2月4日江蘇徐圩臺附近（34.2°N，119.3°E）ML?1.3地震（震中距為 64 km）的波形，其信噪比為 55.08 dB；圖4b為 2013年 1月21 日江蘇灌云（34.2°N，119.4°E）ML?0.5 地震（震中距為 71 km）的波形，其信噪比為 52.84 dB；圖4c為2013年6月12日江蘇漣水ML0.3地震（震中距為112 km）的波形，其信噪比為67.13 dB.從圖中均可見清晰的P波和S波波形，無明顯的噪聲擾動；這兩個負震級地震波形圖中的波形雖然存在不同程度的噪聲，但都觀測到了可供分析的清楚的P波初動和S波波形；在背景噪聲水平比較大的東海深井地震觀測站能夠高質量地觀測到周圍0震級或者負震級的微小地震.因此，東海深井地震觀測站延展了高噪聲地區(qū)觀測微小地震的能力，可促進深井地震學的發(fā)展.目前進行中的深井長期觀測可以進一步探索東海觀測站觀測微小地震下限的能力.

圖4 東海觀測站深井地震儀L3觀測的微小地震三分量波形Fig.4 Three-component waveforms of the earthquakes recorded by seismograph L3 in the borehole underground of the Donghai station

4 觀測波形的信噪比統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析地面和井下不同深度地震儀記錄的地震波形信噪比，是探索避免地面噪聲干擾、獲取零噪聲波形的深井地震學觀測研究的新途徑.本文分析了2012年上半年期間L0，L1，L2和L3四套地震儀記錄到的116個地震事件的地震波形信噪比，如圖5所示.可見，深井下不同深度地震儀觀測到的地震波形信噪比大多在40 dB以上變化，深井地震儀L1，L2和L3的地震波形信噪比的平均值分別為65.33，69.20和74.15 dB，相較地面地震儀L0，其觀測的近震地震波形的平均信噪比有明顯的提高.圖5中不同深度的地震儀觀測到的波形信噪比變化范圍雖然不同，但是井下三處不同深度地震儀的波形信噪比曲線的變化趨勢基本一致，僅變化幅度大小有別.深井中三組地震儀信噪比平均值以及觀測到優(yōu)良地震波形的數(shù)量也均隨儀器安裝深度的增加而增加，這意味著地震噪聲源主要來自地面，表明井下地震觀測具有較好的抗地面噪聲干擾的能力，是在地面高噪聲環(huán)境中實現(xiàn)高精度觀測微小地震活動的可行途徑.因此深井中地震觀測對避免地面噪聲具有顯著的積極效應.如圖5中的觀測結果所示，在東海觀測站安裝的深度大于1 500 m的地震儀L2和L3觀測到的地震波形平均信噪比都接近或大于70 dB，觀測結果比較理想.

圖5 東海站地面L0與深井下L1，L2和L3地震儀觀測地震信噪比計算結果Fig.5 Signal-to-noise ratio curves of seismic waveforms observed by seismometers L0 on the surface and L1，L2 and L3 in the borehole underground in Donghai station

本文分析的地震均為中小地震事件，震中距均在1 000 km以內，其優(yōu)良地震波形幾乎全部是由500 m以下的深井地震儀所記錄，其中深度為2 545.5 m的地震儀L3記錄到的優(yōu)良地震波形最多.圖5中地面安裝的地震儀L0所記錄到的1 000 km之內的中小事件的地震波形信噪比大多不足40 dB，平均值也較低，對于2012年3月16日江蘇新沂ML1.1地震（震中距為34 km），地震儀L0觀測到的地震波形的信噪比僅為11.27 dB.此外，圖5中地面地震儀L0記錄的地震波形信噪比變化與深井地震儀L1，L2和L3三者的信噪比曲線變化形態(tài)差別也很大.雖然地面寬頻地震儀可以記錄到遠處大震的波形，但是在避免地面噪聲干擾能力方面遠不如深井地震儀.

5 討論與結論

本文分析了東海地殼活動觀測研究站在地面和井下不同深度安裝的四套地震儀所記錄波形的特征及其信噪比隨深度的變化，以探索深井地震儀觀測微小地震的能力.由于東海深井觀測站周圍常出現(xiàn)強烈的非地震干擾，地面地震儀記錄中無法識別微小地震的波形，而井下地震儀卻可以記錄到良好的地震波形，深井地震觀測是創(chuàng)新深井地震學發(fā)展的必然趨勢（Oyeet al，2004）.東海觀測站井下地震儀可以記錄到零震級或負震級微小地震的波形，記錄中也可檢測到明顯的P波和S波震相.相對于地表觀測，井下地震觀測延拓了高噪聲背景區(qū)域觀測微小地震的下限，不僅提高了高噪聲背景區(qū)域地震活動性的研究水平，而且為地殼和上地幔結構研究提供了重要資料（沈偉森等，2010；王芳等，2017）.深井地震臺網(wǎng)觀測可以有效地避開地面噪聲，接收更多高精度的地球內部信息，因此可以促進郯廬斷裂及其周圍地區(qū)的地殼活動監(jiān)測研究.

東海深井地震觀測獲得了高保真波形.觀測期間不同深度井下地震儀記錄到的三分量P波和S波波形都清晰，背景噪聲小，信噪比高，而且相對應的三分量波形彼此相似，這意味著深井地震觀測受地面噪聲干擾以及場地效應的影響小，波形保真度高.地面地震儀記錄到的地震波形經(jīng)常出現(xiàn)噪聲擾動，甚至有的分量波形畸變，振幅異常，且與深井地震儀記錄的相應三分量波形相似性差，這可能是受到地面噪聲干擾或場地衰減的影響所致（羅誠等，2018）.因此，地面及深井下記錄波形可用于場地效應等研究，與地面地震觀測記錄相比，基于井下地震儀記錄的高保真波形所獲得的介質運動學與動力學參數(shù)能更好地反映基巖的物理特征（王俊國等，1988）.深井觀測地震波形為震源研究和震源譜分析提供了更直接的約束，這也是深井地震學的優(yōu)勢之一.

本文地震波形信噪比的統(tǒng)計結果表明，深井地震儀觀測波形的信噪比明顯高于地面地震儀的信噪比，且信噪比平均值隨地震儀安裝深度的增大而增加.觀測結果進一步表明，深井地震儀觀測可有效地獲取高信噪比、高保真度的觀測波形.深井中1559.5 m深處地震儀觀測波形的平均信噪比為69.2dB，接近70 dB，2545.5 m深處觀測波形的信噪比達到74.15 dB，二者都基本達到了良好地震波形的保真度和信噪比值.這表明，1500 m深處進行的深井地震觀測基本可以避開地面噪聲的干擾.深井地震學觀測研究將有力地促進地球科學的基礎理論研究和實際應用.

此外，觀測資料顯示，對于少數(shù)事件而言，井下較淺地震儀記錄的地震波形信噪比高于深處的地震波形信噪比，這可能暗示了東海地區(qū)及周邊地區(qū)巖石的非線性效應.地面寬頻地震儀L0有時能夠記錄到可識別的大的遠震波形，顯示了在環(huán)境高噪聲背景地區(qū)觀測遠處大地震的優(yōu)勢；井下4.5 Hz主頻地震儀記錄到的遠震的P波或S波初動清晰.因此可以考慮進行深井與地面地震儀聯(lián)合觀測研究，這將會取得更好的觀測結果.

十分感謝三位審稿人對本文提出的寶貴意見和建議.