楊振鵬， 崔政東， 程 程， 張志宏， 杜琳琳

（1. 遼寧省地震局， 遼寧 沈陽(yáng) 110034； 2. 鐵嶺地震臺(tái)， 遼寧 鐵嶺 112000；3. 吉林大學(xué)， 吉林 長(zhǎng)春 130012； 4. 遼寧開(kāi)放大學(xué)（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院）， 遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

郯廬斷裂帶北段（遼寧段） 是中國(guó)大陸歷史強(qiáng)震活躍區(qū)和現(xiàn)今地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)之一。 從事地震學(xué)研究的前輩們從地震地質(zhì)、 地球物理及地震活動(dòng)性等方面開(kāi)展基礎(chǔ)性工作， 獲得過(guò)相應(yīng)的成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。 但是關(guān)鍵構(gòu)造部位地質(zhì)資料較少、 速度結(jié)構(gòu)分辨率不高、 強(qiáng)震孕育動(dòng)力學(xué)模型不清楚等問(wèn)題值得我們研究。 利用密集臺(tái)陣觀測(cè)進(jìn)行噪聲成像、 接收函數(shù)等地震學(xué)方法開(kāi)展地下探測(cè)研究是當(dāng)下研究地震學(xué)的熱門(mén)方法。 即穿透物質(zhì)來(lái)探索研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 更好的揭示地下精細(xì)結(jié)構(gòu)。 地震臺(tái)陣始建于20 世紀(jì)50 年代末， 用于檢測(cè)、 區(qū)分核爆炸信號(hào)和地震信號(hào)[1-3]。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 對(duì)地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力的要求越來(lái)越高[4]。地震波在其傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)不同的巖層界面， 其中一部分能量被反射， 另一部分能量通過(guò)界面而繼續(xù)傳播。 地下的地層面不整合面和斷層面等都可能產(chǎn)生反射波， 以反射波振幅和反射系數(shù)可以推算出地下波阻抗的變化， 然后對(duì)地層巖性做出預(yù)測(cè)。 沿地表傳播的面波淺層折射波和各種雜亂振動(dòng)波與目的層無(wú)關(guān)的反射波信號(hào)形成干擾， 我們稱(chēng)之為噪聲[5]。 地震波在地表下傳播的時(shí)候會(huì)基于不同的介質(zhì)發(fā)生具有特殊性的反射或者是折射， 接收器在接收到地震波的反射或者是折射信號(hào)之后能夠基于震源的位置以及震波檢測(cè)地點(diǎn)的位置等對(duì)地下巖層的具體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等做判斷[8]。

近年來(lái)， 基于噪聲成像和密集臺(tái)陣觀測(cè)是地震學(xué)研究技術(shù)和方法的重要變革， 該方法已經(jīng)成為探測(cè)研究地球深部精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要手段[7]。百米級(jí)臺(tái)間距的短周期密集臺(tái)陣所記錄的遠(yuǎn)震射線在地殼內(nèi)相對(duì)均勻、 密集， 適合于研究地殼速度結(jié)構(gòu)[6]。 地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急和科學(xué)探測(cè)臺(tái)陣的流動(dòng)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中也包括不少的短周期地震儀[9-10]。目前噪聲成像和密集臺(tái)陣觀測(cè)在探測(cè)城市地下空間、 活動(dòng)構(gòu)造帶、 火山、 大型建筑結(jié)構(gòu)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究， 以及大陸動(dòng)力學(xué)等相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[7]。 密集臺(tái)陣觀測(cè)存在著4 個(gè)方向的顯著特點(diǎn)。 第一是專(zhuān)業(yè)性。 短周期和寬頻帶儀器信號(hào)接收都利用的是專(zhuān)業(yè)的設(shè)備， 所以方法利用的專(zhuān)業(yè)性顯著； 第二是方法利用具有規(guī)律性。 因?yàn)榈卣鸩ǖ膫鞑ビ刑囟ǖ囊?guī)律， 所以在數(shù)據(jù)分析中， 基于規(guī)律分析效果會(huì)更加顯著； 第三是回報(bào)率高， 這種方法利用的準(zhǔn)確性非常突出，能夠在最低投入基礎(chǔ)上獲得最大產(chǎn)出； 第四是有利于地質(zhì)細(xì)節(jié)確定， 更好揭示地下精細(xì)結(jié)構(gòu)[8]。

1 臺(tái)陣概況

郯廬斷裂帶北段（遼寧段） 是中國(guó)大陸歷史強(qiáng)震活躍區(qū)和現(xiàn)今地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)之一。 我們的前輩從地震地質(zhì)、 地球物理及地震活動(dòng)性等方面開(kāi)展基礎(chǔ)性工作， 獲得過(guò)相應(yīng)的成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。 但是關(guān)鍵構(gòu)造部位地質(zhì)資料較少、速度結(jié)構(gòu)分辨率不高、 強(qiáng)震孕育動(dòng)力學(xué)模型不清楚等問(wèn)題值得我們研究。 利用架設(shè)密集臺(tái)陣進(jìn)行反演地下地質(zhì)速度結(jié)構(gòu)是當(dāng)下研究地震學(xué)的熱門(mén)方法。 通過(guò)這樣的方法來(lái)揭示研究區(qū)域地下精細(xì)結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)采集作為第一步， 也是最關(guān)鍵的一步， 因?yàn)樵紨?shù)據(jù)有缺陷， 數(shù)據(jù)沒(méi)有連續(xù)， 沒(méi)有任何辦法可以修補(bǔ)， 因此高質(zhì)量的野外工作是科學(xué)研究成功的基礎(chǔ)。

本文是基于局所合作項(xiàng)目所產(chǎn)生， 通過(guò)郯廬帶北段（撫順地區(qū)、 沈陽(yáng)地區(qū)） 布設(shè)短周期密集臺(tái)陣， 利用接收函數(shù)和背景噪聲成像方法獲取郯廬帶北延段地下速度結(jié)構(gòu)。 本文主要論述的內(nèi)容為密集抬陣的布設(shè)方案、 布設(shè)流程、布設(shè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)等。 密集臺(tái)陣布設(shè)觀測(cè)共兩期， 兩期都使用同型號(hào)短周期儀器， 布設(shè)儀器數(shù)量為60 套。

2 布設(shè)方案特點(diǎn)及預(yù)期產(chǎn)出效果

一期采用線型設(shè)計(jì)， 兩條線各30 套儀器，每條線長(zhǎng)度約15km， 臺(tái)間距400m-600m， 連續(xù)觀測(cè)時(shí)間近一個(gè)月； 采用線性設(shè)計(jì)主要是短周期地震計(jì)包圍水庫(kù)和容易發(fā)生礦震地段， 通過(guò)水庫(kù)蓄水和發(fā)生礦震被短周期儀器接收信號(hào)，提取蓄水和發(fā)生礦震對(duì)地下介質(zhì)影響， 同時(shí)對(duì)地震進(jìn)行定位。

二期采用矩形設(shè)計(jì)10km*10km 范圍內(nèi)布設(shè)60 套儀器設(shè)計(jì)， 連續(xù)觀測(cè)時(shí)間三個(gè)月左右。 在依蘭—依通斷裂（遼寧段） 和密山敦化斷裂（遼寧段） 兩支主干分支斷裂布設(shè)； 其中依蘭—依通斷裂從沈陽(yáng)西部穿過(guò)， 走向NE-NNE， 長(zhǎng)度200km； 密山敦化斷裂從沈陽(yáng)南部穿過(guò)， 走向NEE， 長(zhǎng)度200km 左右。 采用矩形設(shè)計(jì)是短周期地震計(jì)包圍所研究的區(qū)域， 通過(guò)面型覆蓋，擬利用噪聲成像方法反演該區(qū)域地下速度結(jié)構(gòu)。獲得郯廬斷裂帶分叉區(qū)域的高精度地下介質(zhì)模型（圖1）。

圖1 一期和二期密集臺(tái)陣布設(shè)圖Fig.1 Intensive stage array layout in two stages

3 流動(dòng)臺(tái)設(shè)備的構(gòu)成

3.1 地震檢波器

架設(shè)密集臺(tái)陣首選是儀器， 儀器選用一體化短周期地震計(jì)（圖2）， 內(nèi)置正交三分量高靈敏度短周期地震檢波器， 頻率響應(yīng)范圍1Hz～150Hz， 尺寸14cm*16cm， 重量2.4kg， 固態(tài)存儲(chǔ)32G， 工作溫度范圍-40℃～70℃， 收據(jù)回收方式采用數(shù)據(jù)回收電纜+無(wú)線數(shù)據(jù)回傳， 工作模式自主采集+工業(yè)級(jí)平板電腦現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線質(zhì)控，內(nèi)置鋰電池可以反復(fù)充電。

圖2 短周期地震計(jì)Fig.2 Short-period seismometer

該儀器產(chǎn)品的特點(diǎn)是全內(nèi)置一體化短周期地震計(jì)， 實(shí)現(xiàn)在固定測(cè)位上按照預(yù)先設(shè)定的采集參數(shù)， 對(duì)內(nèi)置正交三分量高靈敏度短周期地震檢波器通道進(jìn)行連續(xù)的數(shù)字化同步采集， 并將采集記錄存儲(chǔ)的采集站內(nèi)部的大容量非易失性存儲(chǔ)器中； 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 高精度數(shù)字化采集與記錄， 瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍≥124dB； 內(nèi)置高靈敏度衛(wèi)星定位與授時(shí)模塊， 配合內(nèi)置+外置高靈敏度有源天線， 支持埋置應(yīng)用， 最大程度上減小衛(wèi)星授時(shí)失鎖概率； 衛(wèi)星授時(shí)連續(xù)馴服策略配合高穩(wěn)定度內(nèi)部時(shí)鐘源， 實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)經(jīng)度的廣域系統(tǒng)同步采集； 內(nèi)置無(wú)線模塊， 支持采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自檢、 無(wú)線狀態(tài)查詢(xún)、 采集數(shù)據(jù)的回讀及實(shí)時(shí)回傳； 內(nèi)部160Wh 可充電鋰電池組， 連續(xù)記錄大于600 小時(shí)； 可選配外接大容量電池單元， 工況下外電池為主， 內(nèi)電池為輔， 由內(nèi)置電源管理單元自動(dòng)切換， 實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集與記錄； 防水耐腐蝕高強(qiáng)度工程塑料外殼。 體積?。?4cm*16cm）， 重量輕2.4kg。

3.2 GPS 授時(shí)

GPS 時(shí)鐘是一種接受GPS 衛(wèi)星發(fā)射的低功率無(wú)線電信號(hào)， 通過(guò)計(jì)算得出GPS 時(shí)間的接受裝置。 為獲得準(zhǔn)確的GPS 時(shí)間， GPS 時(shí)鐘必須先接受到至少4 顆GPS 衛(wèi)星的信號(hào)， 計(jì)算出自己所在的三維位置。 GPS 授時(shí)系統(tǒng)是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的計(jì)算核心、 控制裝置等進(jìn)行校時(shí)的高科技產(chǎn)品， GPS 授時(shí)產(chǎn)品它從衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)， 將這些信息通過(guò)各種接口類(lèi)型來(lái)傳輸給短周期地震計(jì)， 這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步， 如圖3 所示。

圖3 短周期地震計(jì)連接的GPS 裝置Fig.3 GPS device connected by a short-period seismometer

3.3 電源供電

檢波器本身自帶電源， 在沖滿(mǎn)電情況下可以記錄20 余天數(shù)據(jù)。 一期布臺(tái)并未使用額外電源。 二期布臺(tái)結(jié)合東北地區(qū)秋冬溫度低、 耗電量快的特點(diǎn)， 采用短周期地震計(jì)連接蓄電池的供電方式， 保證短周期地震計(jì)數(shù)據(jù)記錄達(dá)到三個(gè)月， 蓄電池為12v， 60Ah， 具有雙耳手拎式，把手可以折疊， 方便攜帶和轉(zhuǎn)移。 同檢波器連接一起埋入地下。 蓄電池如圖4 所示。

圖4 短周期地震計(jì)連接供電的蓄電池Fig.4 Short-period seismometer connecting the supplied battery

4 儀器配置

（1） 在巡線平板電腦中， 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控軟件（ALLSEIS Manangement Unit-3CH） 參數(shù)配置。 設(shè)置Configure.ini 文件中Repeater_IP 參數(shù)， 講地址配置為所使用中繼單元IP 地址； 中繼單元后面有IP 地址為： 110.***.140.196。

（2） 開(kāi)啟電腦， 通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接中繼單位（軟件界面中繼連接狀態(tài)為綠色連接顯示成功）；

（3） 用巡線平板電腦連接檢波器， 在界面Status 里搜索設(shè)備， 然后連接設(shè)備， 連上以后設(shè)置臺(tái)站號(hào)碼， 設(shè)置采樣率， 統(tǒng)一頻率是100Hz。

（4） 點(diǎn)擊開(kāi)始采集， 進(jìn)行采集數(shù)據(jù)， 界面顯示數(shù)據(jù)采集中， 儀器開(kāi)始記數(shù)。

（5） 完成設(shè)備采集參數(shù)設(shè)置后， 在Status菜單欄中選中該設(shè)備， 點(diǎn)擊斷開(kāi)設(shè)備。 儀器配置完成， 如圖5 所示。

圖5 儀器配置界面Fig.5 Instrument configuration interface

5 野外工作施工

地震檢波器野外采集的數(shù)據(jù)是后續(xù)科學(xué)研究和分析的最主要依據(jù)， 所以嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化的野外施工是獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的前提和保障。

在野外工作中， 為保障采集到真實(shí)有效的地震數(shù)據(jù)， 精準(zhǔn)定位至儀器架設(shè)位置， 檢查周邊壞境， 選擇合適的臺(tái)站點(diǎn)位。 環(huán)境背景噪聲是野外環(huán)境中最突出的信號(hào)干擾源。 臺(tái)站位置的選擇， 首先要注重選擇低噪聲背景位置。 一般采用如下選址標(biāo)準(zhǔn)： 第一， 遠(yuǎn)離公路、 鐵路、采礦施工和其他連續(xù)噪聲信號(hào)源， 避開(kāi)高壓線路、 變電站等電磁干擾； 第二， 考慮到儀器安全問(wèn)題， 包括儀器看護(hù)、 交通道路和綠化挖掘、野生動(dòng)物啃食、 導(dǎo)致設(shè)備老化等可能發(fā)生的情況； 第三， 避開(kāi)樹(shù)下、 河道等地點(diǎn)， 防止雷擊、水淹事件發(fā)生， 遠(yuǎn)離周?chē)谶M(jìn)行施工或即將施工的區(qū)域。 項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中為保證數(shù)據(jù)采集連續(xù)性應(yīng)提前計(jì)算好儀器更換頻率， 在每個(gè)點(diǎn)位的儀器布設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟（主要是調(diào)平指北） 留存一張以上的照片為依據(jù)， 特別是儀器埋設(shè)周?chē)h(huán)境參照物照片， 做好標(biāo)記以便取回。 完成布設(shè)前通過(guò)儀器配置， 設(shè)好樁位號(hào)、采集頻率、 檢查GPS 連接情況等， 儀器進(jìn)入采集模式并顯示實(shí)時(shí)波形后方可掩埋。 施工人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到地震儀在勘探工作中所起到的重要作用， 要了解與掌握設(shè)備類(lèi)型、 性能以及野外操作等， 并按照實(shí)地勘察要求， 合理選擇與運(yùn)用設(shè)備。 野外采樣的觀測(cè)流程見(jiàn)圖6 所示。

圖6 野外采樣觀測(cè)流程圖Fig.6 Flow chart of field sampling observations

6 常見(jiàn)問(wèn)題與注意事項(xiàng)

（1） 檢波器要放置空曠場(chǎng)地， 不要放置大樹(shù)下等有遮擋物的下面， 以免GPS 信號(hào)不好，影響數(shù)據(jù)授時(shí)。

（2） 下載檢波器數(shù)據(jù)時(shí)候， 將檢波器關(guān)閉，否則與電腦連接時(shí)， 雖然有電腦提示音， 但是不顯示硬盤(pán)符號(hào)， 讀取不到數(shù)據(jù)。

（3） 回收設(shè)備后一定要關(guān)機(jī)， 否則設(shè)備還是默認(rèn)記錄數(shù)據(jù)， 在電源允許情況下， 直至存儲(chǔ)空間存滿(mǎn)， 不利于再次使用。

（4） 檢波器存儲(chǔ)存在虛擬刪除， 在與電腦連接后， 即使刪除數(shù)據(jù)， 頁(yè)面空白也不是真正數(shù)據(jù)清空， 當(dāng)手持電腦連接時(shí)數(shù)據(jù)還是有剩余，記住要清除數(shù)據(jù)選擇格式化。

（5） 遼寧地區(qū)氣候地處歐亞大陸東岸、 中緯度地區(qū)， 境內(nèi)雨熱同季， 日照豐富， 積溫較高， 冬長(zhǎng)夏暖， 春秋季短， 四季分明。 雨量不均， 東濕西干。 盡量避開(kāi)冬季布設(shè)和架臺(tái)， 冬季溫度時(shí)間長(zhǎng)， 平均溫度處于-5℃～6℃。 由于冬季氣溫低， 晝夜溫差較大， 電池電量損耗快，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間短。 另外回收設(shè)備時(shí)候容易被凍住， 儀器不好回收， 在挖掘時(shí)檢波器和GPS 線路也容易受到損壞。

（6） 每次布臺(tái)前做好準(zhǔn)備工作， 逐一檢查設(shè)備電量， 確保電量充足； 逐一檢查設(shè)備存儲(chǔ)空間， 確認(rèn)設(shè)備內(nèi)存充足。

（7） 遼寧大部分位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)， 喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)形成了遼寧境內(nèi)的東、 西部大型隆起和中部凹陷的構(gòu)造格局[11]。 中間平原居多， 布設(shè)儀器繞開(kāi)干擾源即可布設(shè)。 而遼寧東、 西部排除干擾源外， 山區(qū)和農(nóng)田地貌居多， 勘選布設(shè)稍有難度。

（8） 檢波器設(shè)備掩埋地方一定要做好標(biāo)記，同時(shí)拍好掩埋處參照物照片， 以便于回收時(shí)候?qū)ふ摇?建議做兩處標(biāo)記， 一個(gè)是掩埋處地上標(biāo)記， 另一個(gè)是掩埋處高處的標(biāo)記。 掩埋處地上標(biāo)記方便尋找準(zhǔn)確位置， 掩埋處高處標(biāo)記方便迅速鎖定掩埋區(qū)域。

7 結(jié)論與討論

（1） 密集臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)采集作為項(xiàng)目研究的第一步， 也是最關(guān)鍵的一步， 原始數(shù)據(jù)有缺陷， 數(shù)據(jù)沒(méi)有連續(xù)， 無(wú)任何辦法可以修補(bǔ)， 因此高質(zhì)量的野外工作是科學(xué)研究成功的基礎(chǔ)。

（2） 密集臺(tái)陣布設(shè)方案與研究對(duì)象有關(guān)，本文主要是線型和面型布設(shè)， 線型布設(shè)研究水庫(kù)蓄水和發(fā)生礦震對(duì)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的影響；面型布設(shè)主要研究郯廬斷裂帶（沈陽(yáng)地區(qū)） 分叉定位成像。

（3） 該項(xiàng)目將短周期密集臺(tái)陣引入到殼幔結(jié)構(gòu)的深部探測(cè)， 豐富了殼幔結(jié)構(gòu)的探測(cè)手段。

（4） 密集地震臺(tái)陣探測(cè)這類(lèi)方法抗干擾能力強(qiáng)， 特別適于在人口密集的城市地區(qū)開(kāi)展工作。

（5）短周期密集地震臺(tái)陣探測(cè)一次性可以投入大量的儀器設(shè)備， 觀測(cè)點(diǎn)距可達(dá)百米級(jí)， 在高精度地球深部結(jié)構(gòu)探測(cè)中有明顯的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

（6） 在大中城市周邊建設(shè)地震臺(tái)陣， 可解決城市內(nèi)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站建設(shè)不便和背景噪聲高等問(wèn)題， 增強(qiáng)人口密集區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力。