斷裂帶介質物性變化及其主動與被動監(jiān)測方法

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)生在活動斷裂帶上，地震的孕育、發(fā)生、震后恢復都伴隨著地震斷裂帶上應力和介質物性的變化。監(jiān)測這種變化對于理解地震發(fā)生的機理和規(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發(fā)展的成熟度，地震波速和衰減是反映斷裂帶性質變化最可行的參數(shù)。然而由于斷裂帶上介質變化非常緩慢，變化量很小，目前從觀測技術到分析處理的理論和方法都需要進一步深入研究。

本文結合地震斷裂帶介質物性變化監(jiān)測的需要，圍繞提高斷裂帶介質變化探測精度這一關鍵科學和技術問題，開展了地震波速和衰減變化檢測理論與方法研究。利用人工主動震源和自然噪聲被動源，構建了斷裂帶介質變化監(jiān)測的高性能主被動源聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。在汶川地震斷裂帶開展了流動地震臺陣降噪、跨越斷裂帶主動源監(jiān)測、主動源與被動源（自然噪聲）對比監(jiān)測實驗；形成了斷裂帶介質變化監(jiān)測的方法，獲得了汶川地震斷裂帶介質速度和衰減隨時間的變化規(guī)律，探討了介質物性變化的物理機制。本論文的工作主要包括以下5個方面：

（1）流動地震觀測背景噪聲特征與降噪技術。流動地震臺站可以根據(jù)觀測需要靈活布置，可以跨越地震斷裂帶進行密集觀測，而背景噪聲是影響流動地震觀測質量的關鍵因素。我們開展了流動地震觀測臺站對比觀測實驗。通過計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)境噪聲下流動地震臺站的噪聲特征，分析了不同臺基處理方式對噪聲的抑制效果。結果表明，高頻人為噪聲和長周期自然噪聲是影響流動地震觀測質量的主要噪聲來源，觀測目的不同，噪聲控制策略不同。通過增加臺基深度和改善臺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)境下的臺基處理建議和流動地震臺站建設參考方案，為降低流動臺站噪聲水平，提高觀測質量，開展跨斷裂帶微弱信號監(jiān)測以及大規(guī)模流動地震臺陣觀測打下基礎。

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

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

（4）斷裂帶波速變化主動源與被動源對比觀測。結合汶川地震斷裂帶科學鉆探項目，在灌縣—安縣斷裂帶進行了跨斷裂帶動態(tài)監(jiān)測實驗研究，測線長度約為10km。我們利用ACROSS主動震源信號和背景噪聲互相關函數(shù)，分別獨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。結果表明：①雖然使用不同的震相和信號頻段，主動和被動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%）要遠高于圍巖（＜0.1%）；③波速變化與實驗地點的大氣壓良好的正相關性，說明大氣加載可能是波速變化的主要原因，波速應力敏感系數(shù)為10－6Pa－1數(shù)量級；④與落錘主動震源實驗的觀測結果類似，大氣壓的遠場效應起主導作用，斷裂帶內部分布著大量微裂隙，大氣壓增加會提高施加在斷裂帶介質上的圍壓，使裂隙閉合，波速增加。

（5）提高監(jiān)測精度和時間分辨率的技術途徑。研究表明，利用主動源和被動源可以獲得斷裂帶介質隨時間的變化，具有重要的發(fā)展前景。發(fā)展介質變化動態(tài)監(jiān)測技術的核心是提高監(jiān)測精度和可靠性，提高波速變化監(jiān)測的時間分辨率。本研究中主動源與被動源獲得的季節(jié)性變化具有良好的一致性，且主動源監(jiān)測誤差相對較小，監(jiān)測結果比基于噪聲的被動源更為可靠。并且通過提高主動源性能，如增大主動源激發(fā)能量、拓展頻帶寬度和保證信號的重復性等，可進一步提高監(jiān)測精度和時間分辨率。

地震斷裂帶；人工震源；被動干涉成像；介質物性變化；監(jiān)測實驗