盧川， 王肅靜， 張妍， 游慶瑜*， 戴靠山

1 中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室， 北京 100029 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 同濟大學， 上海 200092

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用于微動探測的低成本自存儲式數(shù)字地震檢波器

盧川1,2， 王肅靜1,2， 張妍1， 游慶瑜1*， 戴靠山3

1 中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室， 北京 100029 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 同濟大學， 上海 200092

微動探測是利用地球表面的天然震動信號進行探測的被動源探測方法.相對于傳統(tǒng)的物探方法，微動探測野外施工靈活，陣列形狀多樣，受施工場地限制小，對施工環(huán)境影響小.目前進行微動探測所用的地震檢波器大多成本較高、重量和體積大，不便于運輸與大規(guī)模布設.本文由微動探測方法的特點出發(fā)，優(yōu)化改造了自行研發(fā)的低成本自存儲式數(shù)字地震檢波器，使其性能滿足微動探測的需要.通過對地震計系統(tǒng)噪聲的詳細分析、微動探測原理的討論，結合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，探討了該檢波器應用于大規(guī)模微動探測的可行性.

地震檢波器； 微動勘探； 噪聲； 低成本

1 引言

1.1 微動探測的原理及方法

無論何時，地球表面都存在著非地震引起的微弱震動信號，稱為“微動”(Microtremor)(Okada and Suto，2003).其中，頻率小于1 Hz的微動信號通常因天氣、氣壓、風速、海浪等自然現(xiàn)象的變化而產(chǎn)生，頻率大于1 Hz的微動信號則主要由交通運輸、機械振動等人類活動產(chǎn)生 (孫勇軍等，2009).微動沒有特定的震源，觀測點記錄到的振動信號來自四面八方，含有豐富的地球內(nèi)部信息.對微動性質的研究表明，微動是由體波(P波與S波)，面波-瑞雷(Rayleigh)波和勒夫(Love)波組成的復雜震動，其中面波能量占信號總能量的70%以上(Toks?z and Lacoss，1968).瑞雷波具有如下幾個基本性質：(1)瑞雷波的相速度與橫波速度相近，故可利用瑞雷波的波速求取巖土層的各種力學參數(shù).(2)瑞雷波振幅隨深度按指數(shù)衰減，影響深度約一個波長，其能量主要集中在半個波長范圍內(nèi) (Rayleigh，1885；楊成林，1993；丁連靖和冉偉彥，2005).對于某一特定波長，其相速度基本等于半個波長內(nèi)各地層的橫波相速度的加權平均.所以，同一波長瑞雷波的傳播特性反映了地層在水平方向上的情況，不同波長瑞雷波的傳播特性則反映了地層在垂直方向上的情況.(3)瑞雷波在不均勻介質中傳播會發(fā)生頻散現(xiàn)象，而體波在傳播過程中以極化群形式出現(xiàn)，不會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象.微動信號的振幅及形態(tài)隨時空的變化而變化，但是在一定的時空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，因此可以使用平穩(wěn)隨機過程對其進行描述 (Aki，1957).微動勘查方法(The Microtremor Survey Method，簡稱MSM)就是基于以上的研究成果，以平穩(wěn)隨機過程為理論基礎，從微動信號中提取瑞雷波的頻散曲線，再通過對頻散曲線的反演，獲得地下介質的橫波速度結構的勘探方法.

1.2 微動探測研究現(xiàn)狀

1957年，Aki使用空間自相關法(SPAC法)首次從微動信號中提取出了面波頻散曲線(Aki, 1957).1994年，凌甦群突破了由SPAC法計算頻散曲線的傳統(tǒng)方式，將擴展的空間自相關法(ESPAC法)應用于復雜陣型中，提高了微動數(shù)據(jù)處理效率 (Ling and Okada, 1993).20世紀90年代初，王振東與冉偉彥將微動探測技術引入我國，微動探測在國內(nèi)開始逐步發(fā)展，被運用于多種領域 (王振東，1986；冉偉彥和王振東，1994).由于微動探測方法設備簡單，施工方便快捷，對環(huán)境無破壞且無特殊要求，在實際的勘探應用中越來越受到重視.2003年，馮少孔探討了將微動探測用于土木工程領域的可能性 (馮少孔，2003).試驗結果顯示，雖然微動探測的分辨率較差，但其獲得的地下橫波速度結構與傳統(tǒng)測井結果具有很好的一致性.葉太蘭與何正勤等人首次在北京多個地區(qū)完成了微動試驗，為地熱資源的開發(fā)提供了依據(jù) (何正勤等，2007).徐佩芬等人于2008年使用微動探測技術首次應用于對煤礦礦區(qū)陷落柱的探測，效果顯著 (徐佩芬等，2009)，又于2012年完成了對深圳地鐵地下“孤石”的探測，獲得了較好結果 (徐佩芬等，2012).同年，張維與何正勤等人將微動探測與人工源探測結合起來，對地下淺部速度結構進行了面波聯(lián)合勘探，增加了面波勘探的能力 (張維等，2012).

1.3 微動探測設備現(xiàn)狀

自20世紀90年代被引入我國以來，微動探測均使用各型通用地震探測儀器，如各型地震儀或地震探測系統(tǒng)，并無其專用設備.目前使用的設備主要分為三類：第一類關注較低頻率的微動信號，進行中深層勘探的各型地震檢波器，如我國重慶地質儀器廠生產(chǎn)的CDJ-Z1地震計與日本的MTKV-1C地震計.第二類為各種有纜檢波器系統(tǒng)，主要用于淺層微動探測，如法國CGG Seceral公司生產(chǎn)的428系列地震采集系統(tǒng)與德國DMT公司生產(chǎn)的SUMMIT地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).第三類為目前較新型的各種一體化地震計，如英國GURALP公司的CMG系列一體化地震儀.第一類設備固有頻率較低，制造成本高昂，價格昂貴，單臺價格萬元人民幣以上，并且重量大，均為10 kg以上，且需要裝備獨立的GPS模塊、記錄儀及配套電源才能使用，運輸攜帶不便，野外布設時可靠性難以保證，難以進行大區(qū)域高密度探測.第二類探測系統(tǒng)使用具有較高固有頻率成本較低的地震計，但其以纜線作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，其占據(jù)儀器重量70%以上，極大降低了儀器布設的便利性，加大了大尺度布設的難度.第二類設備價格與第一類設備相比有一定程度的降低，整套系統(tǒng)約五萬至十萬人民幣，使用單套系統(tǒng)即能完成多臺通用地震計才能完成的探測任務，但仍達不到大規(guī)模布設的低成本要求.第三類探測系統(tǒng)為通用一體化地震計，無需外部電源、記錄儀與GPS，為第一類儀器與其配套模塊的集成.集成化雖然解決了第一類儀器的布設可靠性問題，但由于其仍為通用地震觀測儀器，并非專為微動探測而設計，雖其性能指標完全能夠滿足微動探測，但綜合其便攜性，易用性以及儀器成本，仍不適用于微動探測.綜上，由于大規(guī)模微動探測需要探測系統(tǒng)具有良好的可靠性、便攜性、易用性以及較低的成本，而目前所使用的三類微動探測設備均無法完全滿足上述要求，故研制適于大規(guī)模微動探測的新型低成本數(shù)字地震檢波器具有重要的意義.

2 適用于微動探測的低成本數(shù)字檢波器的研制

由于用于微動探測的數(shù)字地震檢波器只是在其可靠性、便攜性、易用性以及成本控制上有特殊需求，本質上與通用地震檢波器及各型地震計并無不同，故本研究利用研究室已研發(fā)的低成本數(shù)字地震檢波器，通過對核心部件地震計的重新選型、匹配運放以及A/D轉換模塊的選擇，優(yōu)化多項性能指標，以滿足大規(guī)模微動探測對儀器的特殊需求.

2.1 地震計的分析與選型

現(xiàn)有微動探測系統(tǒng)價格高昂，攜帶布設不便，而檢波器改造的首要問題是減小微動探測對具有較低固有頻率地震計的依賴性，使用較高固有頻率的地震計進行探測.已研發(fā)的低成本數(shù)字地震檢波器為主動源勘探設計，其地震計固有頻率為10 Hz，其性能可滿足主動源勘探.但其是否也適用于微動探測并未得到理論或實驗上的驗證.由于地震計性能直接關系到微動信號是否能夠被有效拾取，故選型是本研究的關鍵，其自噪聲性能是選型最重要的依據(jù).

地震計自噪聲主要由兩個互不相關的噪聲源組成 (Jon, 1993)，一是由于空氣分子不斷撞擊檢波器芯體產(chǎn)生的布朗熱噪聲，其平方加速度噪聲譜為

(1)

式中Kb為波爾茲曼常數(shù)，Te為開爾文溫度，Q為擺體的品質因素，T0為擺體自振周期，ms為擺體質量.

二是由檢波器芯體線圈內(nèi)阻而產(chǎn)生的熱噪聲.其計算公式為

(2)

地震計的總體自噪聲為上述兩種不同來源噪聲的矢量和.

根據(jù)探測深度的不同，微動探測通常需要地震計能夠有效記錄頻率低至1Hz以下，高至幾十Hz頻帶范圍內(nèi)的微動信號.為了選出適于低成本微動探測的地震計，我們將新的全球高噪聲模型(NHNM)及低噪聲模型(NLNM)(Jon, 1993)與地震計總體自噪聲進行比較.

為了比較不同地震計性能，本研究繪制了多種具有不同固有頻率與帶寬地震計的自噪聲曲線、全球噪聲模型以及在安靜環(huán)境下地震臺站所記錄的地動噪聲曲線，用來對比在接收信號能量相同的情況下，不同地震計具有的信噪比能否滿足微動探測的需要.由圖1可知，在安靜環(huán)境下由地震臺站所記錄的微動信號曲線在整個頻帶內(nèi)均高于全球低噪聲模型，而放置于地表復雜噪聲環(huán)境下的檢波器所記錄的微動信號必定高于地震臺站的微動噪聲曲線，故只要檢波器自噪聲曲線低于全球低噪聲模型則一定能夠對微動信號進行記錄.在微動探測所關注的頻帶內(nèi)，所有檢波器及地震計的自噪聲曲線均低于NHNM曲線，各型儀器均能記錄一定能量范圍內(nèi)的地動噪聲.隨檢波器固有頻率升高，其低頻段的自噪聲逐漸增大.在0.1Hz附近，固有頻率4.5Hz的地震計與地震臺微動噪聲相當，固有頻率10Hz的地震計自噪聲已高于地震臺噪聲，固有頻率2Hz的地震計自噪聲低于地震臺噪聲但高于NLNM曲線，僅固有頻率1Hz的地震計以及寬帶地震計(以野外使用最多的CMG-40T寬帶地震計為例)的自噪聲低于NLNM曲線.故由圖1可知，在微動關注的低頻附近，固有頻率為2Hz與1Hz的地震計以及寬帶地震計的自噪聲較小，能夠對微動信號進行觀測，而固有頻率為4.5Hz及10Hz的地震計此時已無法用于觀測微動噪聲.換言之，固有頻率為2Hz及以下的地震計或地震計具有足夠的信噪比以拾取較低頻段的微動信號.

雖然儀器信噪比隨固有頻率的降低而增大，但其體積、重量等本研究關注的儀器屬性也隨其固有頻率的降低而改變.表1中列出了上文中信噪比滿足微動探測的三種儀器的物理屬性及價格.由表中數(shù)據(jù)可知，與固有頻率為1 Hz的地震計以及CMG-40T寬帶地震計相比，固有頻率為2 Hz的地震計具有以下多項優(yōu)勢：(1)重量輕，不及其他兩種儀器重量的1/10；(2)體積遠小于其他兩種儀器；(3)價格較低，僅為1 Hz固有頻率地震計的1/10，CMG-40T寬帶地震計的1%.另外，在實際的野外探測作業(yè)中，固有頻率1 Hz的地震計與CMG-40T地震計需要進行調平才能正常工作，工作環(huán)境的適應性不及固有頻率為2 Hz的地震計.綜上，雖然固有頻率為2 Hz的地震計在0.1 Hz附近探測性能不如固有頻率更低的地震計，但其信噪比能夠滿足大多數(shù)微動探測需求，且成本較低，方便野外施工，故在性能、成本及微動探測儀器野外適用性的綜合考慮下，本研究選擇固有頻率2 Hz的地震計用于微動探測.

圖1 多種地震計自噪聲與peterson曲線及典型地震臺噪聲范圍(陰影部分，數(shù)字化于國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心)的比較Fig.1 Comparison of self noise of multiple seismometers, perterson curves and the range of seismic noise records (shaded area, digitized from China Earthquake Data Center)

儀器型號重量體積(直徑×高度)價格固有頻率2Hz地震計0．5kg40mm×47mm千元左右固有頻率1Hz地震計8．15kg160mm×138mm萬元以上CMG-40T6．9kg168mm×230mm十萬元以上

2.2 運算放大器的匹配選型

由于微動信號的幅度極小，大約為10-4～10-2mm，拾取后需通過運算放大器放大才能進行后續(xù)處理.不同性能的地震計具有不同的源阻抗，需要選擇合適的運算放大器與其配合，使運放噪聲顯著小于地震計自噪聲，才能最大限度地保證檢波器系統(tǒng)的信噪比不會因為運算放大器的選擇不當而受到限制.故運算放大器是檢波器系統(tǒng)中極其重要并需慎重選擇的首要器件.

圖2 常用運算放大器指標比較Fig.2 Comparison of common operational amplifiers

2.3A/D轉換模塊的選型

微動信號由地震計拾取放大后，必須經(jīng)A/D轉換模塊將其數(shù)字化以進行存儲并方便后續(xù)計算機處理.目前主流地震檢波器使用的A/D轉換模塊為高性能的AD7766-2,、ADS1281/2和CS5371/76A，其共同特點是支持多通道、高采樣率與模塊內(nèi)置濾波器，適于三軸地震儀或者多通道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).這些A/D轉換模塊功能強大多樣，導致其功耗巨大(視其時鐘頻率而異，從幾十mW至數(shù)百mW不等)價格高昂(數(shù)百元至上千元)，無法滿足大規(guī)模微動儀器所需要的低成本要求.微動探測無需多通道采集以及過高的采樣率，故可以在滿足數(shù)據(jù)轉換質量的前提下，使用采樣率較低、功能較為簡單、價格相對低廉的A/D轉換模塊，即夠滿足微動探測的需要.本研究選擇Texas Instruments公司的ADS1251作為檢波器采集系統(tǒng)的A/D轉換模塊.它為上述主流A/D轉換模塊中ADS1281的廉價版本，具有較低的采樣率，但在同一采樣頻率下的功耗可降至使用ADS1281的二分之一，CS5371/76A的1/4.表2詳細列出了上述幾種A/D轉換模塊的指標.

2.4 改造后的低成本地震檢波器

本研究利用的是已研制的地震檢波器進行優(yōu)化改造，使其適用于微動探測.在優(yōu)化改造地震檢波器之前，其制造成本，儀器尺寸及工作功耗已得到很好的控制.同時，其模塊化設計以及高度的集成化也保證了檢波器的易用性與可靠性.檢波器已去除如外部GPS、外接電源、外接數(shù)據(jù)記錄器等獨立外部設備，同時取消數(shù)據(jù)大線，進行數(shù)據(jù)本地存儲，使其能靈活方便地進行大規(guī)模野外布設.

如圖3所示，由于無需具備通用地震計系統(tǒng)繁多的功能，改造后的檢波器系統(tǒng)使用了低成本ARM(Advanced RISC Machine)控制器作為主控制器，固有頻率為2 Hz的地震計通過A/D轉換模塊將地面震動轉換為數(shù)字信號.ARM控制器為A/D轉換器提供控制邏輯與時鐘，將轉換后的數(shù)字信號存儲于本地TF卡.系統(tǒng)使用GPS模塊對A/D時鐘進行校準，同時記錄下檢波器的經(jīng)緯度，以日志形式保存于TF卡，方便后期進行數(shù)據(jù)處理.系統(tǒng)還可進行無線通訊模塊擴展，通過無線通訊方式對其進行數(shù)據(jù)讀取或對地震計系統(tǒng)進行設置.此外使用可充電鋰電池為地震計系統(tǒng)供電，取消了外接電源.

與現(xiàn)有的微動探測儀器相比，專為微動探測改造的新型地震計系統(tǒng)具有三大顯著優(yōu)勢：(1)質量輕.單個地震計總重量不超過600 g，而現(xiàn)有的微動勘探儀器集成方案(CDJ-Z1地震計及數(shù)據(jù)采集器、MTKV-1C地震計及數(shù)據(jù)采集器、428地震采集系統(tǒng))總重量均超過10 kg；(2)成本低廉.地震計選用千元左右的2 Hz地震計作為地震傳感器，所用模具易于大批量生產(chǎn)，單個地震計成本不超過5000，而上述系統(tǒng)價格均10萬元以上；(3)功耗更低.地震計系統(tǒng)使用低功耗元器件，軟件采用低功耗設計，工作狀態(tài)下最大功耗小于100 mW，休眠狀態(tài)下功耗小于1 mW，使用較小容量的電池即可滿足地震計長時間運行的需要.而現(xiàn)有的微動探測儀器均需攜帶具有較大體積與重量的大容量電池以保證儀器長時工作.綜上，數(shù)字地震檢波器完全根據(jù)微動探測的要求進行了優(yōu)化改造.為檢驗進行優(yōu)化改造后檢波器的可靠性，我們進行了24 h的長時記錄測試.如圖4所示，檢波器工作穩(wěn)定.

表2 A/D轉換模塊指標比較

圖3 新型低成本自存儲檢波器系統(tǒng)結構圖Fig.3 System structure of new digital geophone

圖4 檢波器長時間工作記錄(a) 檢波器剛開始工作; (b) 已工作24 h.Fig.4 Records of digital geophone(a) Start； (b) After 24 hours.

2.5 新型地震計與寬帶地震計對比試驗

由于微動探測所關注頻帶的低頻部分低于2 Hz地震計的固有頻率，為驗證新型數(shù)字檢波器在工作頻帶之外是否依然能夠記錄地動噪聲，將其與寬帶地震計放置在一處，對記錄進行比較.如圖5所示，新型數(shù)字地震檢波器與寬帶地震計在1 Hz左右至2 Hz帶寬內(nèi)所記錄的信號依然具有很高(大于0.8)的相關性.在更低頻率上數(shù)據(jù)的相關性降低，在數(shù)據(jù)處理上通常作選擇性的濾除處理.對比實驗的結果印證了對地震計探測能力的分析，證明了其確實有能力記錄下在工作頻帶之外的低頻微動信號，可對中淺層地層(數(shù)百米)進行微動探測.更深地層的微動探測有賴于更低頻微動信號的拾取，2 Hz固有頻率的地震計已無法滿足.

3 低成本地震計用于微動探測的實例

為驗證新型地震計在野外工作的能力，我們分別在山西柳林地區(qū)、北京北郊天通苑地區(qū)、上海某發(fā)電場及徐州市某煤礦采空區(qū)進行了實地微動探測.

3.1 臺陣布設

三次實地微動探測中，山西柳林、北京北郊天通苑及徐州賈汪區(qū)試驗按空間自相關法(Spatial Autocorrelation Method，簡稱SPAC法)及其擴展(ESPAC法)的要求對地震計進行多重圓形陣列的布設，如圖6a所示，僅檢波器陣列半徑r有所不同.其中山西柳林與徐州賈汪區(qū)布設的檢波器陣列半徑為30 m，北京北郊天通苑布設的檢波器陣列半徑為45 m.上海崇明島風場由于河堤地形狹長，無法布設圓陣，故探測陣列采用間隔為5 m的直線型陣列，如圖6b所示，所得數(shù)據(jù)依然可使用ESPAC法進行處理.

3.2 數(shù)據(jù)處理

微動探測的數(shù)據(jù)處理方法基于平穩(wěn)隨機理論，使用數(shù)字信號處理技術從地動噪聲中提取基階面波，測定其相速度頻散曲線，以此獲得測區(qū)下方的S波速度結構或視S波速度結構.觀測要求臺陣中各測點的觀測同步進行，相對位置需要精確定位以保證探測結果的精度.

一段時間的微動記錄可以看作是平穩(wěn)隨機過程，則圓周上每一點的微動記錄與圓心處微動記錄空間自相關系數(shù)ρ(f,r)的方位平均值為

(3)

其中S0(f,0)與Sr(f,r)分別為圓心處微動信號的功率譜與半徑為r圓周上微動信號的功率譜，S(f,r,θ)為圓心處記錄的微動信號與圓周上(r,θ)點處記錄微動信號的互功率譜.J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)，c(f)為面波傳播速度.

將各地震計取得的微動記錄分為若干數(shù)據(jù)段，除去干擾明顯的部分，之后完成對各地震計之間空間自相關函數(shù)的計算，得出不同距離地震計的空間自相關系數(shù)ρ(f,r).通過對同一頻率而不同距離的地震計空間自相關系數(shù)的擬合，即可得此陣列下方地層的相速度頻散曲線(Ling，1994).通過得到的地下介質的頻散曲線，可計算視S波速度Vx，將Vr-f曲線轉換為Vx-H曲線 (LingandMiwa, 2006).計算公式為

圖5 寬帶地震計與新型自存儲數(shù)字地震檢波器記錄比較Fig.5 Comparison between broadband seismometer record and new digital geophone

圖6 微動探測陣型排列方式(a) 圓形陣； (b) 直線陣.Fig.6 Geophone arrays of microtremor survey(a) Circular array； (b) Linear array.

(4)

式中，Vr為瑞雷波速度，ti為周期.最后將計算所得的Vx-H曲線通過擬合及插值進行平滑處理.新型地震計在三次實地微動探測中所采集的數(shù)據(jù)均以上述方式進行處理.

3.3 山西柳林煤礦采空區(qū)試驗

山西柳林地區(qū)地下因煤礦開采而存在大量采空區(qū).選擇在采空區(qū)上方進行微動探測試驗即可將試驗結果與礦區(qū)已有采空區(qū)深度資料進行對比，以此驗證新型地震計進行微動探測的可靠性.此次試驗所得空間自相關曲線、頻散曲線及探測圓陣下方視S波速度曲線如下圖7中所示.視S波速度曲線顯示出兩處明顯低速區(qū)分別與礦區(qū)地層資料中的廢舊采煤巷道與8號采空區(qū)深度一致.

3.4 北京北郊天通苑試驗

北京北郊天通苑地區(qū)存在大量地質鉆孔，可以為微動探測提供可進行對比的鉆孔資料.此次試驗所得空間自相關曲線、頻散曲線及探測圓陣下方視S波速度曲線與地勘資料對比如下圖8中所示.圖中視S波速度結構曲線深度50 m處低速區(qū)指示了細沙層，深度80 m處低速區(qū)指示了細沙及粘土層，因為非均勻混合的細沙及粘土會表現(xiàn)出S波低速的特性.

3.5 上海某風場試驗

上海某風力發(fā)電場為濕地灘涂環(huán)境，具有與山西柳林地區(qū)及北京北郊地區(qū)完全不同的地質結構.試驗所得空間自相關曲線、頻散曲線以及直線陣下方視S波速度曲線與地勘資料對比如下圖9所示.圖中視S波速度結構曲線深度15 m及30 m處低速區(qū)指示了較為松散的砂質粉土和含水量高的淤泥質粘土.

3.6 徐州某煤礦采空區(qū)試驗

徐州某煤礦采空區(qū)是20世紀50至60年代開采形成，在不同深度均有分布，具有典型的多層層狀結構.試驗所得空間自相關曲線，頻散曲線以及探測圓陣下方視S波速度曲線與已有采空區(qū)資料對比如圖10中所示.當?shù)夭煽諈^(qū)資料顯示，檢波器陣列下方有煤1、煤3及煤7三個采空區(qū)，其深度分別約為55 mm、75 m及160 m，與試驗所得視S波速度曲線中三個低速區(qū)對應深度一致.為進一步驗證實驗結果，我們使用商業(yè)面波處理軟件Geogiga Seismic Pro對數(shù)據(jù)進行處理，結果如圖10d所示，也得到了較為一致的結果.

圖7 山西柳林微動探測試驗結果(a) 不同距離的空間自相關系數(shù)； (b)頻散曲線； (c)視速度結構與地勘資料對比.Fig.7 Microtremor survey results in the Liulin area, Shanxi Province(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b) Dispersion curves；(c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

圖8 北京北郊天通苑微動探測試驗結果(a) 不同距離的空間自相關系數(shù)； (b)頻散曲線； (c)視速度結構與地勘資料對比.Fig.8 Microtremor survey results in the Tiantongyuan area, northern Beijing(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b) Dispersion curves；(c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

圖9 上海崇明島風力發(fā)電場微動探測實驗結果(a) 不同距離的空間自相關系數(shù)； (b) 頻散曲線； (c) 視速度結構與地勘資料對比.Fig.9 Results of test in Chongmin Island, Shanghai(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b)Dispersion curves； (c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

圖10 徐州市賈汪區(qū)微動探測實驗結果(a)不同距離的空間自相關系數(shù)； (b)頻散曲線； (c)視速度結構與地勘資料對比； (d)使用Grogiga Seismic Pro軟件處理結果.Fig.10 Results of test in the Jiawang area, Xuzhou City(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b)Dispersion curves； (c)Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data； (d)Processing results of Geogiga Seismic Pro.

4 討論

由圖7—10可見，四次試驗所得的視S波速度結構與對應地層資料吻合，空間自相關系數(shù)在1 Hz左右具有最大值，高于1 Hz信號的空間自相關系數(shù)則按距離的不同有規(guī)律地衰減，相距越遠則衰減越快，其形態(tài)為具有不同宗量的第一類零階貝塞爾函數(shù)族，完全符合SPAC理論預期.低于1 Hz的信號在不同距離上雖也具有與距離成正相關的衰減關系，但空間自相關系數(shù)均較低，其原因有：(1) 固有頻率為2 Hz的地震計在低頻段的自噪聲增加，靈敏度迅速降低；(2) 與地震計埋設場地的表層土質具有很大關系，土質較松的沙土對低頻面波信號的衰減作用明顯，在較大距離上難以對低頻面波信號進行有效觀測；(3) 2 Hz地震計在此頻帶的響應一致性降低.

圖11 大規(guī)模高密度檢波器布設示意圖Fig.11 Sketch showing large-scale high-density deploy ment of geophones

由于新型檢波器成本遠低于現(xiàn)有微動探測設備，使大規(guī)模高密度的微動探測成為可能.如圖11所示，新型檢波器大規(guī)模布設進行微動探測時：(1) 可按需求選擇不同檢波器作為陣列中心，提取探測場地下方不同位置的視S波速度曲線，即可獲得地下結構的三維視S波速度模型，如圖中選擇多列檢波器組成探測陣列；(2) 可按需求選擇不同距離檢波器組成不同尺寸的探測陣列，以滿足不同探測任務需求，如圖中選擇更多檢波器組成大型陣列以獲得更大的探測深度與更高的探測精度.可見，新型低成本檢波器為目前難以開展的大規(guī)模高密度的微動探測提供了可能，特別為目前較為困難的采空區(qū)勘查提供了新的手段與方法，具有極好的應用前景.

綜上，2 Hz地震計能夠有效拾取其工作頻帶外的一部分低頻信號以獲取較深地層的信息，同時具備了廉價、便攜、易用以及低能耗等便于大規(guī)模高密度布設的多項優(yōu)勢，為微動探測開辟了新的方向.

5 結論

本文研發(fā)了一種用于微動探測的新型自存儲式數(shù)字地震檢波器，并對系統(tǒng)噪聲、微動探測原理與數(shù)據(jù)處理方法進行了探討.通過多個不同地區(qū)的微動勘查試驗，驗證了該檢波器應用于大規(guī)模微動探測的可行性.同時，已有的研究表明在傳統(tǒng)地球物理勘探方法受到限制的區(qū)域開展微動探測的優(yōu)越性，包括施工方便快捷、對環(huán)境無破壞、勘探成本較低等，并且已證實其對采空區(qū)、煤層陷落柱等多種速度異常區(qū)反映敏感.使用固有頻率為2 Hz的地震計用于微動探測能夠滿足對從較低頻率(1 Hz以下)至較高頻率(10 Hz以上)地動信號的拾取而同時獲取地下淺部及中深部速度結構，無需使用低頻及高頻多套檢波器系統(tǒng)，具有極大的技術優(yōu)勢及廣闊的應用前景.同時，由于其具價格低廉，對其探測能力的進一步挖掘也已成為檢波器研制的新熱點.

致謝 本研究得到了徐錫強碩士、趙春蕾工程師、同濟大學土木工程學院結構工程與防災研究所多名老師及同學的幫助，胡鵬翔博士也對本文的撰寫提出了寶貴的意見，在此一并致謝.

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(本文編輯 張正峰)

A new low-cost no-cable digital geophone for microtremor survey

LU Chuan1,2, WANG Su-Jing1,2, ZHANG Yan1, YOU Qing-Yu1*, DAI Kao-Shan3

1KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3TongjiUniversity,Shanghai200092,China

Microtremor survey is a kind of passive-source methods which uses ambient ground tremors for geological investigation. Compared with traditional geophysical methods, it is more flexible, cost-efficient, and environmentally friendly. Most currently used geophones are expensive and bulky, and therefore inconvenient to large-scale deployment. In this study, a no-cable low-cost geophone was optimized to suit for large-scale microtremor survey.The method of optimization is based on the following four points: First, it selects a sensor through the analysis of the self-noise of to meet the needs of microtremor survey.Second,it chooses the right operational amplifier and AD conversion module.Third, it integrates design of the entire system without using external module.And fourth,it makes a low-cost design of the geophone system, including selection of low-cost hardware components and reducing the amount of software code. Finally, the optimized geophone was used in three areas with different geological conditions in order to verify the rationality of the improvement and the possibilities for large-scale microtremor survey.The purpose of optimization has been achieved in this research. The no-cable geophone wrights only 600 g, and the maximum average power cost does not exceed 0.1 mW. The entire system costs less than 2000 RMB. The most important thing is the optimized geophone can record the microtremor signal from 0.5 to 20 Hz effectively. Experiments show that in different geological conditions the geophone can be setup quickly and work smoothly and reliably. The results of microtremor survey experiments are consistent with the existing geological data.Because the new geophone is much cheaper than the existing microtremor survey equipment, it is possible to use it in low-cost large-scale survey. The optimized geophone has a very small volume and light weight, and can be rapidly emplacedinto a variety of detector arrays. After the emplacement of large number of geophones, it can easily and quickly conduct survey to two- dimensional or three-dimensional velocity structure of the area. Such microtremor survey with environment-friendly and low-cost advantages has broad application prospects.

Geophone； Microtremor survey； Noise； Low-cost

10.6038/cjg20150628.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)(2013CB733204)和國家自然科學基金(41304045)聯(lián)合資助.

盧川，男，1985年生，中國科學院地質與地球物理研究所在讀博士，研究方向為地球物理探測儀器研發(fā). E-mail: luchuan@mail.iggcas.ac.cn

*通訊作者 游慶瑜，男，1973年生，中國科學院地質與地球物理研究所研究員，博士生導師，主要從事地震儀器裝備的研制與地震數(shù)據(jù)處理工作.E-mail: qyyou0880@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20150628

P631

2014-05-13，2015-03-26收修定稿

盧川， 王肅靜， 張妍等. 2015. 用于微動探測的低成本自存儲式數(shù)字地震檢波器.地球物理學報，58(6):2148-2159,

Lu C, Wang S J, Zhang Y, et al. 2015. A new low-cost no-cable digital geophone for microtremor survey.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):2148-2159,doi:10.6038/cjg20150628.