陳海潮

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

絕大部分破壞性地震都發(fā)生在活動(dòng)斷裂帶上，地震的孕育、發(fā)生、震后恢復(fù)都伴隨著地震斷裂帶上應(yīng)力和介質(zhì)物性的變化。監(jiān)測這種變化對(duì)于理解地震發(fā)生的機(jī)理和規(guī)律具有重要意義。在斷裂帶所有物性中，因地震波的深穿透和技術(shù)發(fā)展的成熟度，地震波速和衰減是反映斷裂帶性質(zhì)變化最可行的參數(shù)。然而由于斷裂帶上介質(zhì)變化非常緩慢，變化量很小，目前從觀測技術(shù)到分析處理的理論和方法都需要進(jìn)一步深入研究。

本文結(jié)合地震斷裂帶介質(zhì)物性變化監(jiān)測的需要，圍繞提高斷裂帶介質(zhì)變化探測精度這一關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，開展了地震波速和衰減變化檢測理論與方法研究。利用人工主動(dòng)震源和自然噪聲被動(dòng)源，構(gòu)建了斷裂帶介質(zhì)變化監(jiān)測的高性能主被動(dòng)源聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。在汶川地震斷裂帶開展了流動(dòng)地震臺(tái)陣降噪、跨越斷裂帶主動(dòng)源監(jiān)測、主動(dòng)源與被動(dòng)源（自然噪聲）對(duì)比監(jiān)測實(shí)驗(yàn)；形成了斷裂帶介質(zhì)變化監(jiān)測的方法，獲得了汶川地震斷裂帶介質(zhì)速度和衰減隨時(shí)間的變化規(guī)律，探討了介質(zhì)物性變化的物理機(jī)制。本論文的工作主要包括以下5個(gè)方面：

（1）流動(dòng)地震觀測背景噪聲特征與降噪技術(shù)。流動(dòng)地震臺(tái)站可以根據(jù)觀測需要靈活布置，可以跨越地震斷裂帶進(jìn)行密集觀測，而背景噪聲是影響流動(dòng)地震觀測質(zhì)量的關(guān)鍵因素。我們開展了流動(dòng)地震觀測臺(tái)站對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算不同頻段噪聲的加速度功率譜密度，研究了不同場地條件和環(huán)境噪聲下流動(dòng)地震臺(tái)站的噪聲特征，分析了不同臺(tái)基處理方式對(duì)噪聲的抑制效果。結(jié)果表明，高頻人為噪聲和長周期自然噪聲是影響流動(dòng)地震觀測質(zhì)量的主要噪聲來源，觀測目的不同，噪聲控制策略不同。通過增加臺(tái)基深度和改善臺(tái)基處理方式能有效降低噪聲水平。提出了不同場地條件和噪聲環(huán)境下的臺(tái)基處理建議和流動(dòng)地震臺(tái)站建設(shè)參考方案，為降低流動(dòng)臺(tái)站噪聲水平，提高觀測質(zhì)量，開展跨斷裂帶微弱信號(hào)監(jiān)測以及大規(guī)模流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測打下基礎(chǔ)。

（2）斷裂帶介質(zhì)物性變化分析方法。從地震信號(hào)接收、震源信號(hào)提取以及物性參數(shù)變化信號(hào)分析等方面入手，構(gòu)建了一整套斷裂帶物性變化監(jiān)測系統(tǒng)及其相應(yīng)的分析方法。地震信號(hào)的信噪比是提高斷裂帶介質(zhì)變化探測精度的核心，而時(shí)間分辨率是地震前后介質(zhì)變化分析的關(guān)鍵問題。信號(hào)接收方面，采用經(jīng)過高標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)基處理的流動(dòng)地震臺(tái)陣，連續(xù)監(jiān)測感興趣的目標(biāo)斷層；震源信號(hào)提取方面，根據(jù)連續(xù)型和脈沖型人工震源信號(hào)以及背景噪聲源的不同特點(diǎn)，發(fā)展了基于互相關(guān)和疊加處理的信號(hào)處理方法，以得到震源與觀測臺(tái)站（或臺(tái)站對(duì)）之間的高信噪比經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)；信號(hào)分析方面，根據(jù)不同震相的特點(diǎn)（體波、面波和尾波），采用波形互相關(guān)時(shí)延檢測方法（滑動(dòng)窗互相關(guān)和延展法）以獲得精確的波速相對(duì)變化，采用單臺(tái)站頻譜比法，獲得高精度的衰減相對(duì)變化，編制了相應(yīng)的全套算法和處理程序。

（3）斷裂帶淺層介質(zhì)衰減變化的主動(dòng)源探測。汶川地震后，在汶川地震主斷裂汶川—映秀斷裂帶的東北端，建立了一套主動(dòng)震源觀測系統(tǒng)，利用電動(dòng)落錘震源對(duì)斷裂帶開展了近一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。利用主動(dòng)震源激發(fā)波形的高度可重復(fù)性，分別獲得了斷裂帶淺層介質(zhì)波速和衰減的連續(xù)變化。結(jié)果表明：①斷裂帶淺層主要由未固結(jié)的沉積層和破碎巖石組成，波速較低，衰減強(qiáng)，品質(zhì)因子為10左右；②波速和衰減變化趨勢一致，并且和當(dāng)?shù)氐拇髿鈮鹤兓哂泻芎玫南嚓P(guān)性，大氣壓變化導(dǎo)致淺層介質(zhì)的裂隙密度變化可能是波速與衰減變化的主要原因，并且遠(yuǎn)場效應(yīng)占主導(dǎo)作用，大氣壓增加引起淺層介質(zhì)中有效應(yīng)力增大，降低了介質(zhì)中的裂隙密度，引起介質(zhì)波速增大，衰減減??；③實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)附近的一次強(qiáng)余震（ML4.7）引起明顯的同震波速下降和衰減增加，并在震后逐漸恢復(fù)到震前水平，可能是由強(qiáng)余震的強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的淺層介質(zhì)破壞引起的。

（4）斷裂帶波速變化主動(dòng)源與被動(dòng)源對(duì)比觀測。結(jié)合汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目，在灌縣—安縣斷裂帶進(jìn)行了跨斷裂帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究，測線長度約為10km。我們利用ACROSS主動(dòng)震源信號(hào)和背景噪聲互相關(guān)函數(shù)，分別獨(dú)立獲得了斷裂帶及其附近區(qū)域2009～2012年的連續(xù)波速變化。結(jié)果表明：①雖然使用不同的震相和信號(hào)頻段，主動(dòng)和被動(dòng)方法獲得的波速變化趨勢非常一致，都呈現(xiàn)出振幅約為0.2%的季節(jié)性波速變化，冬天波速高，夏天波速低；②波速變化主要發(fā)生于斷裂帶內(nèi)部，裂縫密度較高的斷裂破壞帶附近的波速變化幅度（約0.2%）要遠(yuǎn)高于圍巖（＜0.1%）；③波速變化與實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的大氣壓良好的正相關(guān)性，說明大氣加載可能是波速變化的主要原因，波速應(yīng)力敏感系數(shù)為10－6Pa－1數(shù)量級(jí)；④與落錘主動(dòng)震源實(shí)驗(yàn)的觀測結(jié)果類似，大氣壓的遠(yuǎn)場效應(yīng)起主導(dǎo)作用，斷裂帶內(nèi)部分布著大量微裂隙，大氣壓增加會(huì)提高施加在斷裂帶介質(zhì)上的圍壓，使裂隙閉合，波速增加。

（5）提高監(jiān)測精度和時(shí)間分辨率的技術(shù)途徑。研究表明，利用主動(dòng)源和被動(dòng)源可以獲得斷裂帶介質(zhì)隨時(shí)間的變化，具有重要的發(fā)展前景。發(fā)展介質(zhì)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)的核心是提高監(jiān)測精度和可靠性，提高波速變化監(jiān)測的時(shí)間分辨率。本研究中主動(dòng)源與被動(dòng)源獲得的季節(jié)性變化具有良好的一致性，且主動(dòng)源監(jiān)測誤差相對(duì)較小，監(jiān)測結(jié)果比基于噪聲的被動(dòng)源更為可靠。并且通過提高主動(dòng)源性能，如增大主動(dòng)源激發(fā)能量、拓展頻帶寬度和保證信號(hào)的重復(fù)性等，可進(jìn)一步提高監(jiān)測精度和時(shí)間分辨率。

地震斷裂帶；人工震源；被動(dòng)干涉成像；介質(zhì)物性變化；監(jiān)測實(shí)驗(yàn)