溫燕林方國慶趙文舟于海英馬欽忠上海市地震局，上海 2000622）同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 2000923）中國科技大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

微震監(jiān)測：彌補巖石聲發(fā)射到天然地震間的空白

溫燕林1,2）方國慶1）趙文舟1,3）于海英1）馬欽忠1）
1）上海市地震局，上海 200062
2）同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092
3）中國科技大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

通常把巖體微小破裂會伴隨產(chǎn)生強度較弱的地震波稱為微地震（Microseismic)。大多數(shù)微地震事件震動能量一般為102～1010J，頻率范圍介于50～1500 Hz之間，持續(xù)時間通常小于1 s，微震的地震矩震級MW介于0～4之間。

地震具有非線性多尺度特性。實驗室?guī)r石壓裂試驗產(chǎn)生的聲發(fā)射（AE）為微尺度現(xiàn)象（微米-毫米級），頻段達到超聲波頻率（MHz），能量換算成震級范圍為M－12～－6；微震為小尺度巖石破裂（米級），頻率幾百至上千赫茲(聲波頻段)，震級范圍M－4～0；天然構(gòu)造地震為中尺度到大尺度巖石破裂現(xiàn)象（千米級，幾千米到幾百千米），產(chǎn)生的地震波頻率低（10-3Hz～102Hz），震級范圍M 0～9。微震波是地下巖層微破裂產(chǎn)生的聲波，其頻段已屬于可聽聲頻段，可稱之為“微弱地聲”。微震與實驗室?guī)r石破裂聲發(fā)射及天然地震波的頻率范圍、對應(yīng)的震級關(guān)系見圖1。實驗室?guī)r石聲發(fā)射研究成果已用于礦震和油田壓裂裂縫監(jiān)測，但很多無法應(yīng)用到天然地震觀測結(jié)果。天然地震監(jiān)測領(lǐng)域需要打通實驗室?guī)r石聲發(fā)射（AE）實驗到構(gòu)造地震間的鴻溝，覆蓋巖石破裂發(fā)出全部聲波（高頻部分為可聽聲，低頻為地震波），填補100 Hz-1 KHz觀測的空隙，以彌補現(xiàn)有寬頻帶地震觀測范圍空白。

大量實驗研究和生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力作用下巖石出現(xiàn)“微小破裂萌生（微尺度、微能量）-裂縫擴展、貫通（小尺度、小能量的破裂）-巖體局部失穩(wěn)（中尺度、中能量的沖擊）-巖體結(jié)構(gòu)破壞、大范圍失穩(wěn)（大尺度、大能量的礦震）”的發(fā)展過程。利用微震監(jiān)測能夠?qū)崟r觀察巖石破裂形成的裂縫延伸情況，對礦山和隧道巖爆進行有效監(jiān)測預(yù)警。煤巖瓦斯復(fù)合動力災(zāi)害具有微破裂前兆，災(zāi)變過程經(jīng)歷從微小破裂萌生-擴展-集結(jié)和從無序到有序發(fā)展過程，聲發(fā)射/微震監(jiān)測技術(shù)可以很好地監(jiān)測整個過程。

圖1 不同地震觀測系統(tǒng)的頻段（A. Baig,2010)

根據(jù)實驗室?guī)r石破裂聲發(fā)射試驗研究，聲發(fā)射事件的演化過程是：在主破裂發(fā)生前，聲發(fā)射源在未來主破裂區(qū)周圍分布，形成一個空區(qū)，當(dāng)空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)聲發(fā)射事件并達到一定數(shù)量后（成核），才發(fā)生主破裂（失穩(wěn)）。主破裂形成于臨震階段成核期以后，在成核期以前的中短階段處于微破裂平靜的硬化空區(qū)狀態(tài)。一些地震學(xué)家據(jù)此提出了強震震源硬化模型，將震源破裂分成成核階段和失穩(wěn)階段，而聲發(fā)射（微破裂）就反映了巖石（震源）的亞失穩(wěn)狀態(tài)。因此有必要開展天然地震震源微破裂時的微震波監(jiān)測，才有可能觀測到震源成核到亞失穩(wěn)狀態(tài)。但是在天然震源領(lǐng)域，目前的地震臺網(wǎng)卻難以觀測到其亞失穩(wěn)狀態(tài)，因現(xiàn)有國家和省市區(qū)域地震臺網(wǎng)對0級以下微震監(jiān)測定位基本無能為力。由于微震能量非常弱，頻率很高，衰減快，很大部分超出寬頻帶地震儀的監(jiān)測范圍，且傳統(tǒng)的基于P、S波震相到時拾取再定位的方法很多時候難以識別出震相，需要發(fā)展新的觀測系統(tǒng)（超高靈敏三分量檢波器陣列）和非常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法（如能量反演定位法等）?？梢越栌卯?dāng)前已在礦山和油氣工業(yè)發(fā)展起來的微震監(jiān)測系統(tǒng)和定位技術(shù)，選擇重點危險區(qū)開展深鉆高密度微震儀監(jiān)測，實現(xiàn)對0級以下天然微地震有效監(jiān)測和分析。類似油田水力壓裂過程中通過微地震監(jiān)測技術(shù)可以實時觀測人造裂縫的發(fā)展與延伸情況，天然微震監(jiān)測也可以監(jiān)視斷裂帶巖層微小破裂長期發(fā)展演化過程，對地層破裂發(fā)展程度連續(xù)成像，探索大破裂（大地震）發(fā)生機理，進而推動“（有感）小震（中尺度）預(yù)報大震”向“（無感）微震（小尺度）預(yù)報大震”邁進，以提高地震預(yù)測水平。