趙瑞勝 危自根 閆新義 黃瑜

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局喀什地震監(jiān)測中心站，新疆喀什 844000

2)中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院，大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077

3)中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動力學重點實驗室，北京 100037

4)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

隨著新疆地震背景場探測項目的實施，為彌補塔里木盆地及其東南部監(jiān)測能力不足的問題，在喀什布設(shè)了井下地震計。為了觀測高頻地聲與微震，延伸出了一系列的觀測技術(shù)，其中最為成熟的便是井下地震觀測技術(shù)。19世紀30年代，美國便對井下地震觀測進行過實驗室和野外的觀測實驗，以改善遠震P波的信噪比為目的，美國海岸與大地測量局首先進行了井下地震儀的觀測實驗； 19世紀60年代，日本為了提高當時的觀測臺網(wǎng)監(jiān)測地震的能力，也開始著手進行井下地震觀測的研究(馮德益等，1986)。井下觀測技術(shù)解決了由于地質(zhì)狀況限制所導(dǎo)致的問題，使地震監(jiān)測不受具體臺址的限制，且能提高信噪比和微震監(jiān)測能力，臺網(wǎng)布局更加合理(仇中陽等，2014)。

對井下地震計和地表地震計觀測系統(tǒng)進行對比研究，能夠更加深入地了解井下和地表地震計的儀器特性，并進行相關(guān)的地震學研究。張壽康等(1986)通過利用儀器進行實證分析，研究井下與地面地震計的差異，研究成果表明前者的監(jiān)測能力遠大于后者； 在震級方面，井下地震計所測定的震級普遍較低。薛志照(1987)對比分析天津地區(qū)地震記錄特征，得出井下地震觀測比較接近基巖臺，是改善平原地區(qū)地震記錄情況的有效方法。李彥林等(1989)發(fā)現(xiàn)對于P波首波到時，地面地震計相比井下地震計滯后0.3s； 對于記錄的地震震級，地面地震計與井下地震計有0.7級的偏差。仇中陽等(2014)則通過對蘇北地面與井下的地震波形頻譜進行分析，研究二者之間的具體差異，結(jié)果表明在地震波拐角頻率這一指標上，前者比后者大0.28Hz左右，但波峰的頻率卻小0.22Hz。朱音杰等(2017)對比分析地表與深井地震計，發(fā)現(xiàn)深井地震計觀測在避免噪聲及提高地震監(jiān)測能力范圍方面具有更大優(yōu)勢，觀測精度更高。李雷等(2018、2019)通過昆明地震臺的數(shù)據(jù)研究地面和井下記錄之間的區(qū)別，得到井下地震記錄可以降低高頻信號的干擾，通過對比一系列數(shù)據(jù)，結(jié)果表明二者在頻譜特性、震級等方面的差異明顯。

喀什基準臺麥蓋提井下地震計作為中國地震背景場探測項目新疆測震分項新建區(qū)域測震臺之一(圖1)，于2015年3月安裝并試運行。該井深度283m，套管外徑146mm、內(nèi)徑135mm，井下觀測系統(tǒng)采用北京港震公司的GL-S60B井下寬頻帶地震計和24位數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN。為了對比研究井下地震計和地表地震計記錄波形的特征差異，在麥蓋提井下地震計旁5m處布設(shè)了一個寬頻帶地震計，并進行了2個月的連續(xù)觀測。地表觀測系統(tǒng)采用北京港震公司的GL-S60寬頻帶地震計和24位數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN(表1)。本文對比分析該井下地震計和相鄰地表地震計記錄到的背景噪聲、近震和遠震波形以及相關(guān)的地震學結(jié)構(gòu)成像研究，進而分析井下地震計和地表地震計記錄資料的相似性和差異性，并初步研究臺站下方的地殼厚度和淺表的速度結(jié)構(gòu)。

圖1 麥蓋提井下(a)和地表(b)地震計

表1 地表與井下地震計的儀器情況

1 背景噪聲對比

背景噪聲通常被稱為地脈動，指存在于地球表面的微小震動。引起背景噪聲的原因有許多，其中自然因素諸如風、海浪等，人為因素則是人的生產(chǎn)勞動、交通運輸?shù)?，這些因素所引起的振動信號即為背景噪聲。背景噪聲往往會干擾地震有效信息，進而對地震定位以及地震學結(jié)構(gòu)成像研究產(chǎn)生影響。基于地震計頻帶特征，本文選取了喀什基準臺麥蓋提井下地震計和地表地震計2019年10月31日0時至5時夜間平靜時間段記錄的6個小時無天然地震和人為活動的波形數(shù)據(jù)，在60s～50Hz內(nèi)對比分析其波形特征和功率譜(圖2)。從時域圖(圖2(a))可以看出，地表地震計記錄到的噪聲信息更加豐富、毛刺更多，其振幅也比井下地震計大，水平分量振幅為井下地震計記錄到噪聲的2～3倍。

圖2 地表與井下地震計背景噪聲波形及功率譜對比

對原始波形數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到該時間段的地動噪聲功率譜密度(何彥等，2006)。結(jié)果表明，地表地震計的數(shù)據(jù)功率譜整體高于井下地震計，井下地震計數(shù)據(jù)功率譜幾乎均位于低噪聲模型(NLNM)和高噪聲模型(NHNM)之間，在1s～3Hz之間地表地震計功率譜高于NHNM(圖2(b)、2(c))。井下地震計和地表地震計噪聲功率譜在各頻段的具體表現(xiàn)為：低頻10～60s部分，水平分量井下地震計的噪聲功率比地表地震計小10dB左右，垂直分量大致相同； 在6～10s頻段內(nèi)，井下和地表地震計功率譜曲線同時出現(xiàn)小幅波動，走向基本一致，其中在9s處井下與地表地震計功率譜曲線同時出現(xiàn)一個峰值，應(yīng)該為Ⅱ類海洋噪聲導(dǎo)致； 地表地震計數(shù)據(jù)功率譜在3Hz和10Hz左右有一個明顯峰值，疑似為觀測系統(tǒng)電源干擾引起； 在5s～1Hz頻段內(nèi)，井下地震計噪聲功率比地表地震計小10dB左右； 在1～20Hz頻段內(nèi)，井下地震計噪聲功率比地表地震計小20dB左右； 在20～40Hz頻段內(nèi)，水平分量井下地震計噪聲功率比地表地震計小10dB左右。井下地震計在高頻段(20～40Hz)也有噪聲影響，特別是垂直向反應(yīng)更突出； 井下地震計記錄波形數(shù)據(jù)質(zhì)量整體優(yōu)于地表地震計。一般認為地表背景噪聲主要為面波，其隨深度增加而衰減，衰減量與頻率有關(guān)，頻率越高，衰減越大，這與高頻段井下地震計噪聲功率譜比地表地震計小很多的結(jié)論一致。葛洪魁等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，2m深臺基數(shù)據(jù)功率譜各分量的高頻頻段和長周期頻段分別比地表地震計數(shù)據(jù)小5dB和10dB，該結(jié)論與本文觀測結(jié)果一致，表明增加臺基深度能有效地降低長周期噪聲和高頻噪聲。此外，本文研究發(fā)現(xiàn)高達20dB的功率譜差異可能與深達283m的井下地震計有關(guān)。

2 近震波形對比

在共址觀測期間，井下和地表地震計均清晰記錄到了2019年10月31日麥蓋提ML3.1地震(77.95°E，38.68°N)。中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，該地震的方位角為279.0°，震中距為17.5km，震源深度為6km。對比近震波形(圖3(a))發(fā)現(xiàn)，地表地震計水平速度振幅約為井下地震計的3倍，而垂直分量振幅幾乎達到10倍。井下波形數(shù)據(jù)更為清晰明了，直達P波、S波震相清晰、易識別； 地表波形數(shù)據(jù)中NS水平分量的P波震相幅度較弱、不清晰。對原始波形進行傅里葉變換，得到地震事件的功率譜(圖3(b)、3(c))，發(fā)現(xiàn)井下地震計和地表地震計記錄波形的功率譜均有類似的變化特征，地表地震計功率譜幅值普遍高于井下地震計。在1～50Hz內(nèi)，地表地震計功率譜曲線的峰值出現(xiàn)在9Hz左右，而井下地震計功率譜曲線的峰值出現(xiàn)在6Hz左右，且峰值處井下地震計比地表地震計小10dB左右。在60s～1Hz內(nèi)，地表地震計的功率譜曲線大致逐漸增大，而井下地震計兩水平分量功率譜曲線在6～10s增大不明顯，且垂直分量功率譜曲線在6～60s變化不明顯。

圖3 地表與井下地震計近震記錄波形及功率譜對比

3 近震RZ比研究

研究發(fā)現(xiàn)，入射P波的徑向分量(R)和垂向分量(Z)的比值與自由表面剪切波的速度有關(guān)。在沉積層區(qū)域，近震資料的RZ比能被有效用來反演沉積層表層的剪切波速度(β)，并已應(yīng)用于研究美國中東部盆地(Li et al，2014)和松遼盆地(馬海超等，2020)的沉積層結(jié)構(gòu)中。一般來說，對于3級的近震，用RZ比方法估計的速度為剪切波速度β深度范圍內(nèi)的平均值的1/10(Ni et al，2014)，具體公式為

(1)

其中，p為射線參數(shù)。

2019年10月31日麥蓋提ML3.1地震直達P波到時前1s及到時后1.5s的井下與地表地震計R和Z分量的波形如圖4 所示。分析該地震的RZ比結(jié)果表明，井下地震計記錄的地震RZ比為0.195，反演的剪切波速度為 0.59km/s； 地表地震計記錄的地震RZ比為0.154，反演的速度為 0.47km/s。基于該地震特征和前人研究結(jié)果(Ni et al，2014)，認為本文獲得的速度值 0.59km/s和 0.47km/s可能表示井下地震計下方59m和地表地震計下方47m深度范圍內(nèi)的平均速度。幾百米的S波速度值和麥蓋提井下地震計下方更高的速度與該臺站下方厚的土層以及速度大致隨著深度逐漸增加趨勢是一致的。

圖4 地表與井下地震計記錄的近震垂直和徑向分量

4 遠震對比研究

圖5 地表與井下地震計遠震記錄波形及功率譜對比

5 遠震接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果對比

接收函數(shù)方法被廣泛用于反演殼幔速度和間斷面結(jié)構(gòu)，接收函數(shù)H-κ疊加方法基于莫霍面的Ps轉(zhuǎn)換波和PpPs及PpSs+PsPs地表多次波，共同約束地殼厚度和平均波速比信息(Zhu et al，2000；Wei et al，2011、2015、2016)。該方法在一維水平均勻地殼模型的假設(shè)前提下，構(gòu)造一個H-κ平面內(nèi)的疊加函數(shù)S(H，κ)

S(H，к)=wpsr(tps)+wpppsr(tppps)-wppss+pspsr(tppss+psps)

(2)

其中，H和κ分別為地殼厚度和平均vp/vs比值；r(t)為徑向接收函數(shù)；tPs、tPpPs、tPpSs+PsPs分別為不同震相的理論到時；wPs、wPpPs、wPpSs+PsPs為滿足該三者之和等于1的加權(quán)系數(shù)。

基于井下地震計和地表地震計記錄到的菲律賓棉蘭老島MS6.6 地震的波形，提取徑向接收函數(shù)，并進一步在H-κ域內(nèi)對比研究二者臺站下方地殼厚度和波速比值。在遠震波形截取上，截取P波到時前20s和到時后80s，并設(shè)置高斯系數(shù)為2，采用時間域迭代反褶積方法(吳慶舉等，1998)計算接收函數(shù)(圖6)。接收函數(shù)波形表明，莫霍面直達P波受到淺表沉積層震相的干擾發(fā)生了延遲，地表地震計記錄的PpPs震相由一連串波形組成，無法區(qū)分。進一步采用H-κ疊加發(fā)現(xiàn)，井下地震計得到的地殼厚度為49.9km，波速比為1.865，而地表地震計得到的地殼厚度為37.9km，波速比為2.05。井下地震計得到的厚度與全球模型crust1.0(Laske et al，2013)在該區(qū)的厚度(50.6km)較為一致，這與井下地震計記錄到的地震事件波形數(shù)據(jù)更加清晰簡潔的結(jié)論一致。

圖6 井下與地表地震計遠震波形記錄得到的接收函數(shù)H-κ疊加對比

6 井下地震計和地表地震計近震、遠震震級差異

上述近震、遠震波形對比表明，井下地震計和地表地震計記錄到的地震振幅存在一定差異，這必將影響地震震級的確定?；诰碌卣鹩嫼偷乇淼卣鹩嫻仓酚^測期間共同記錄到的近震和遠震事件，采用新國標的震級量算公式來計算地方性震級ML和面波震級MS，并對比2種數(shù)據(jù)得到的震級差異。ML震級差計算公式為dML=lg(As)-lg(Ab)，其中As和Ab分別為地表地震計和井下地震計記錄到最大振幅；As/Ab=(AN+AE)/2，單位為微米，其中AN為NS向S波最大振幅，AE為EW向S波最大振幅?；谏鲜龉?，對井下地震計和地表地震計共址觀測期間記錄到的近震事件波形濾波到1Hz以上，獲得了4個近震的震級差(表2)。

表2 井下地震計和地表地震計共址觀測期間記錄的近震、遠震信息和震級差(dM)

結(jié)果表明，這些地震震級差比較接近，在0.446～0.567范圍內(nèi)變化，平均值為0.518。MS震級差計算公式為dMS=lg(Ag/T)-lg(Au/T)，其中T為A對應(yīng)周期，Ag和Au分別為地表地震計和井下地震計記錄到的水平向面波最大質(zhì)點運動位移。基于MS震級差計算公式，對井下地震計和地表地震計共址觀測期間記錄到的遠震事件波形窄帶濾波到20s周期，獲得了4個遠震的震級差(表2)。結(jié)果表明，這些地震震級差變化較大，在 0.004～0.064 范圍內(nèi)變化，平均值為0.025。對RZ比進行研究發(fā)現(xiàn)，井下地震計下方速度比地表地震計高。地表地震計下方更低的速度會導(dǎo)致記錄到的地震波形振幅變大，進而導(dǎo)致采用高頻數(shù)據(jù)得到地表地震計近震震級比井下地震計高約0.518。而在計算遠震時，由于采用的是20s長周期數(shù)據(jù)，其波長遠大于井下地震計和地表地震計的距離，進而兩者得到的震級差差異較小。

7 討論與結(jié)論

本文對比分析了喀什基準臺麥蓋提井下地震計和緊鄰的地表地震計記錄到的背景噪聲、近震和遠震三分量波形以及相關(guān)的功率譜。結(jié)果表明，井下地震計記錄到的噪聲和近震振幅能量大致比地表地震計記錄到的波形振幅小一個數(shù)量級，井下地震計記錄到的遠震振幅和地表地震計記錄到的相差不大。相比地表地震計，井下地震計記錄到的麥蓋提ML3.1地震和遠震波形的直達P波震相更清晰，波形記錄更為簡潔。對于井下地震計和地表地震計記錄到的噪聲，近震和遠震不同分量的功率譜既存在相似性又存在一定的差異，地表地震計數(shù)據(jù)功率譜整體高于井下地震計，在高頻段差異最高達到20dB，低頻段接近10dB?；诰碌卣鹩嫼偷乇淼卣鹩嬘涗浀降慕鸩ㄐ斡涗?，提取了入射P波的徑向分量和垂向分量比值，反演得到井下地震計下方59m和地表地震計下方47m深度范圍內(nèi)的S波平均速度分別為 0.59km/s和 0.47km/s。幾百米的S波速度值和井下地震計下方更高的速度，與麥蓋提臺站下方厚的土層以及速度大致隨深度逐漸增加的趨勢一致?；诰碌卣鹩嫼偷乇淼卣鹩嬘涗浀降倪h震波形記錄，采用接收函數(shù)H-κ疊加方法得到井下地震計臺站下方的地殼厚度為49.9km，與全球模型crust1.0的結(jié)果更加接近，而地表地震計成像結(jié)果卻偏離真實值，這與井下地震計比地表地震計記錄到的遠震波形更加清晰簡潔的結(jié)論一致?；诘乇淼卣鹩嫼途碌卣鹩嫻仓酚^測期間記錄到的近震和遠震資料，計算了兩者得到的地震震級差，發(fā)現(xiàn)近震震級差平均值為0.518，遠震震級差平均值為0.025。因此，在計算近震震級時需要考慮到井下地震計和地表地震計波形差異帶來的影響。

與地表地震計相比，井下地震計的安裝對場地和經(jīng)濟的要求均明顯要高，但其能記錄到高清晰的地震波形數(shù)據(jù)，且井下地震計所記錄的地震波形能更精準地反演地下結(jié)構(gòu)信息。本文對井下和地表地震計記錄到的波形和相關(guān)的地震學結(jié)構(gòu)成像的對比研究，能對地表和井下地震計的合理安裝及其記錄數(shù)據(jù)的正確使用起到一定指示意義。