李 維，郭高源，王 赟，張丁凡，曹瑜珈，吳志芳，張寶劍，錢榮毅

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué) “MWMC”研究組，北京 100083；3.杭州友孚科技有限公司，杭州 浙江 311200；4.中國地震局 地球物理研究所，北京 100081；5.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 廣東 510225；6.福建省地震局，福州 福建 350001)

1 引 言

三維固體空間中任意一點(diǎn)在受外力作用情況下發(fā)生變形和位移，除產(chǎn)生平移位移外(記錄在平動(dòng)三分量上)，還會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，記錄在旋轉(zhuǎn)三分量上[1,2]，一般稱之為六分量記錄。傳統(tǒng)檢波儀器只記錄了平動(dòng)三分量，旋轉(zhuǎn)地震儀可記錄旋轉(zhuǎn)三分量。由于地震動(dòng)的旋轉(zhuǎn)分量較弱，對(duì)觀測儀器靈敏度要求較高，早期由于旋轉(zhuǎn)地震儀發(fā)展并不成熟，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并未引起人們的足夠重視[3,4]。隨著近些年現(xiàn)代傳感和信息技術(shù)的發(fā)展，多種旋轉(zhuǎn)地震儀獲得了較快的發(fā)展，觀測和利用地震動(dòng)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)成為當(dāng)前地震學(xué)研究的熱點(diǎn)[5]。

近20年來，旋轉(zhuǎn)地震觀測在天然地震與火山活動(dòng)監(jiān)測、勘探地震和淺層地震工程勘查以及地震對(duì)建筑影響評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注、試驗(yàn)和應(yīng)用[6]。其中，與淺層工程勘查相關(guān)的，Igel等[7]給出了利用六分量地震的水平向平動(dòng)加速度與垂直旋轉(zhuǎn)率速近似求取水平相速度的新方法，成為工程地震中利用六分量觀測反演淺層橫波速度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[8]。Barak等[9]提出利用奇異值分解可實(shí)現(xiàn)不同分量上面波和體波的識(shí)別與提取，以用于不同的勘探目的。在Igel等人工作的基礎(chǔ)上，Lin等[10]利用天然遠(yuǎn)震六分量地震記錄獲得瑞雷波相速度，進(jìn)而反演上地殼淺層橫波速度；Moro等[11，12]和討論了利用單點(diǎn)或排列上觀測的六分量地震記錄，聯(lián)合Rayleigh和Love面波進(jìn)行淺層橫波速度結(jié)構(gòu)的反演；Schmelzbach等[13]則進(jìn)一步提出利用稀疏的六分量觀測替代密集排列觀測，可大幅度降低采集成本，實(shí)現(xiàn)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性反演。Sollerger等[14]證明了在單一臺(tái)站平動(dòng)三分量偏振分析法無法分離時(shí)域重合的波場，聯(lián)合利用旋轉(zhuǎn)分量有利于有效分離時(shí)域重合的波場。

由于城市地震勘查特殊環(huán)境的要求，除傳統(tǒng)的重錘和機(jī)械式可控震源車外，電火花和甲烷氣爆震源在國內(nèi)不同地區(qū)的淺層工程勘查中進(jìn)行了有益的嘗試[15-18]。由于頻帶寬，主頻高，且相對(duì)綠色環(huán)保，國內(nèi)曾在廣州城區(qū)的淺層速度調(diào)查試驗(yàn)了這兩種震源；地震觀測中，除記錄了傳統(tǒng)的平動(dòng)三分量加速度外[19]，還利用北京大學(xué)研制的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀[20,21]記錄了旋轉(zhuǎn)三分量記錄。盡管天然地震領(lǐng)域已對(duì)六分量記錄特征進(jìn)行了詳細(xì)的觀測、分析和研究，但在主動(dòng)源激發(fā)條件下，不同類型震源及其激勵(lì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征研究較少。因此，有必要從不同源類型以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征差異的角度探索兩種源和旋轉(zhuǎn)觀測應(yīng)用于淺層勘查的適用性與可行性。

2 觀測試驗(yàn)

2.1 地質(zhì)背景

本次試驗(yàn)主要位于廣州市區(qū)。廣州市區(qū)以第四系海陸沖積層為主，淤泥與砂層厚度大，一般大于20～50 m，沖積層主要由粗砂、沙礫堆積物組成；市區(qū)珠江兩岸和南沙區(qū)淤泥及砂層厚度大，在南沙區(qū)，淤泥及夾砂淤泥層厚達(dá)25～45 m；珠江三角洲的平原區(qū)沉積土厚度一般為20～60 m，最厚83 m，軟土厚度在中、北部地區(qū)多為5～20 m，南部濱海平原區(qū)達(dá)25～45 m；基巖為白堊系、第三系紅色碎屑巖沉積，屬于軟質(zhì)巖；膠結(jié)物為鈣鐵硅質(zhì)的碎屑巖屬硬質(zhì)巖；低丘地區(qū)含花崗巖、變質(zhì)巖、隱伏灰?guī)r等硬質(zhì)巖，巖溶土洞發(fā)育；沿海還存在填土結(jié)構(gòu)[22,23]。廣州地處亞熱帶，雨量充沛，地下水發(fā)育，是復(fù)雜地質(zhì)條件產(chǎn)生次生災(zāi)害的主要因素之一[24]，因此，探明市區(qū)淺層速度結(jié)構(gòu)是城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)工作。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次甲烷爆炸震源共采集了12震源點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，編號(hào)如表1所示，震源埋深均為10 m，引爆能量6.7MJ,每處震源點(diǎn)設(shè)置了1或2個(gè)觀測點(diǎn)，其中3個(gè)震源點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)位于佛山市，9個(gè)震源點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)位于廣州市區(qū)(圖1a)，其中S25和S15的觀測系統(tǒng)如圖1(b)、圖1(d)所示。電火花震源試驗(yàn)只有1個(gè)震源點(diǎn)和1個(gè)接收點(diǎn)，位于廣州市南沙區(qū)；進(jìn)行信號(hào)激發(fā)時(shí)，將電極放置在小河底固定的位置，進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的多次激發(fā)，均使用相同震源參數(shù)，在距震源約141 m遠(yuǎn)處的固定觀測點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)接收(圖1c)。甲烷爆炸震源和電火花震源的每一個(gè)觀測點(diǎn)都采集了南北向、東西向和垂直向下方向的平動(dòng)加速度以及繞這三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)速率，共六個(gè)分量的數(shù)據(jù)，其中平動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采樣頻率200 Hz，旋轉(zhuǎn)速率采樣頻率為250 Hz。

圖1 工區(qū)概況和測線布置Fig.1 Geographic map of work area注：圖(a)黃色虛線外點(diǎn)位于廣州市，其余位于佛山市；圖(b)、(d)中紅色為源點(diǎn)，藍(lán)色為檢波點(diǎn);圖(c)中紅色為檢波點(diǎn)，藍(lán)色為源點(diǎn)

表1 甲烷震源及對(duì)應(yīng)觀測點(diǎn)情況

2.3 數(shù)據(jù)處理

將10次電火花震源信號(hào)從長時(shí)間的地震記錄中截取出來，并從這10次地震信號(hào)數(shù)據(jù)在主頻帶的相位譜，圖2中，可以看出10次數(shù)據(jù)在5～20 Hz的一致性較好，高頻較差，與實(shí)際電火花震源的主頻是20 Hz有關(guān)，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，以獲得信噪比較高的目標(biāo)信號(hào)。同時(shí)對(duì)甲烷爆炸震源和電火花震源激發(fā)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去均值、去線性趨勢和波形尖滅以及RT旋轉(zhuǎn)，將采集到的南北向(North-South, NS)、東西向(East-West, EW)和地向(Underground, UD)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為徑向(Radial,R)、切向(Transverse,T)和垂向(Vertical,Z)數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)一步的分析使用。

圖2 電火花震源10次采集數(shù)據(jù)的相位譜Fig.2 Phase spectra of observed data for 10 times by electric spark source

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 建模與模擬參數(shù)

將廣佛地區(qū)的地質(zhì)資料、巖土地層的歸一性劃分方案[23]與在廣州市進(jìn)行的地質(zhì)調(diào)查獲得的地震橫波勘探結(jié)果，結(jié)合波速測井劃分的第四紀(jì)松散層層序劃分的結(jié)果[25]，設(shè)置數(shù)值模擬的地層模型介質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬淺層模型參數(shù)

在震源能量設(shè)置時(shí)，由于地下介質(zhì)實(shí)際情況復(fù)雜且未知，且甲烷震源具有一定的埋深，因此爆炸做功能力參數(shù)[26]無法確定，本文數(shù)值模擬時(shí)，直接將甲烷震源引爆的總能量6.7 MJ視為震源處的震源振幅系數(shù)與模擬中的地震子波相乘。

根據(jù)表2的地層劃分以及震源的能量設(shè)置，進(jìn)行二維各向同性半空間介質(zhì)中的數(shù)值模擬。在模型的上邊界采用自由表面條件，模擬自由地表[27]；在左、下和右邊界采用人工吸收邊界條件，吸收地震波能量，模擬半無限空間。設(shè)置數(shù)值模擬的時(shí)間差分精度為2階，空間差分精度為6階，時(shí)間采樣間隔0.1 ms，X和Z方向網(wǎng)格間距均為2 m。震源子波使用Ricker子波，通過將子波加載在X和Z方向的應(yīng)力分量上的爆炸震源來模擬甲烷爆炸震源；由于電火花震源的方向性較好，將子波加載到Z向速度分量的Z向集中力源來模擬電火花震源；根據(jù)實(shí)際震源激發(fā)時(shí)的情況，將爆炸震源點(diǎn)設(shè)置于自由地表以下10 m處，Z向集中力源設(shè)置于自由地表以下4 m處，接收線放置在自由地表處，采用單邊觀測系統(tǒng)。

3.2 理論波場與觀測記錄對(duì)比

3.2.1 甲烷震源

選擇甲烷震源的震源點(diǎn)S15的兩個(gè)接收點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其中，S15的近源觀測點(diǎn)與震源相距約97 m，遠(yuǎn)源觀測點(diǎn)與震源點(diǎn)距離約335 m，觀測系統(tǒng)如圖1 (d)所示。

將實(shí)測數(shù)據(jù)與二維三分量模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行比較的分量為實(shí)測數(shù)據(jù)的R、Z方向平動(dòng)分量和T向旋轉(zhuǎn)分量(RT)，對(duì)應(yīng)模擬數(shù)據(jù)的X、Z方向平動(dòng)分量和Y方向旋轉(zhuǎn)分量(RY)。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行減采樣至與實(shí)測數(shù)據(jù)頻率相同，并將數(shù)值模擬中直接記錄的平動(dòng)分量速度(m·s-1)進(jìn)行一階時(shí)間求導(dǎo)計(jì)算,得到與實(shí)測數(shù)據(jù)物理單位一致的加速度(m·s-2)，記錄的旋轉(zhuǎn)分量均為旋轉(zhuǎn)速率(rad·s-1)。

進(jìn)行爆炸源數(shù)值模擬時(shí)，將子波主頻設(shè)置為20 Hz，理論地震記錄如圖3所示。從圖3可以看出：X、Z、RY三個(gè)分量上都有能量較弱的直達(dá)、折射和反射波以及能量較強(qiáng)的面波。從模擬的結(jié)果中抽取與甲烷震源S15近、遠(yuǎn)觀測點(diǎn)相同偏移距的單道記錄，與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)域波形，結(jié)果如圖4與圖5所示。可以看出，實(shí)際記錄以面波為主，幾乎看不見弱能量的反射波，說明實(shí)際地層對(duì)地震波吸收衰減作用很強(qiáng)。

圖4 甲烷震源S15近源點(diǎn)單道記錄Fig.4 Single trace waveform records by methane source in near receiver of source No.15

圖5 甲烷震源S15遠(yuǎn)源點(diǎn)單道記錄Fig.5 Single trace waveform records by methane source in far receiver of source No.15

從S15近源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比(圖4)中可以發(fā)現(xiàn)：二者的地震波震相吻合較好；模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)都是平動(dòng)Z分量能量最強(qiáng)，X分量次之；模擬和實(shí)際觀測的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)分量振幅相差2個(gè)數(shù)量級(jí)，能量差較大。主要原因有兩個(gè)：一是模擬中使用的震源子波振幅系數(shù)為震源的引爆能量，但實(shí)際震源引爆能量絕大部分都會(huì)在源區(qū)損耗，小部分以彈性波的能量向外傳播，振幅傳播能量轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)小于1，但模擬中設(shè)置為1；二是數(shù)值模擬假設(shè)均勻彈性介質(zhì)，未考慮實(shí)際介質(zhì)的黏彈性對(duì)地震波的吸收衰減。

圖5為S15遠(yuǎn)源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比。除與圖4顯示相同的規(guī)律外，不同的是，遠(yuǎn)源點(diǎn)的平動(dòng)分量實(shí)測數(shù)據(jù)較模擬數(shù)據(jù)弱了3個(gè)數(shù)量級(jí)，旋轉(zhuǎn)分量弱了2個(gè)數(shù)量級(jí)。與近源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對(duì)比，振幅均進(jìn)一步衰減，但平動(dòng)分量振幅減小了1個(gè)數(shù)量級(jí)，而旋轉(zhuǎn)分量振幅衰減非常少，并且近源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的頻率明顯高于遠(yuǎn)源觀測點(diǎn)的頻率，這與地震波傳播時(shí)的幾何擴(kuò)散和吸收衰減作用相關(guān)。需要特別說明的是：近、遠(yuǎn)源點(diǎn)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的對(duì)比特點(diǎn)——平動(dòng)分量衰減較快，旋轉(zhuǎn)分量衰減較慢，與天然地震領(lǐng)域已有的認(rèn)識(shí)[5,28]是相反的。這說明甲烷爆炸震源作為淺層工程地震中的人工可控震源，在300多米的距離也可以激發(fā)足夠強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)分量的觀測是可行的。

上述分析的結(jié)論也可以從功率譜的對(duì)比中得到佐證。圖6為S15近、遠(yuǎn)接收點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的六分量功率譜，顯然，平動(dòng)分量的高頻信號(hào)功率衰減了許多，三個(gè)分量的功率大幅減??；旋轉(zhuǎn)分量除了高頻信號(hào)衰減較明顯外，整體功率衰減較少，并且在10～30 Hz頻帶內(nèi)的功率增強(qiáng)，由于在平動(dòng)分量上該頻帶的功率幾乎沒有增強(qiáng)，因此可能是地層的不均勻性引起的。

圖6 S15近、遠(yuǎn)接收點(diǎn)的六分量功率譜Fig.6 Six-component power spectra of observed data in near and far receivers of source No.15

3.2.2 電火花震源

根據(jù)電火花震源實(shí)際地震記錄的頻譜特征，設(shè)子波主頻為15 Hz。鑒于實(shí)際采集過程中震源能量未知，因此模擬時(shí)使用與甲烷震源相同的能量參數(shù)。模擬獲得如圖7所示的三分量記錄，圖中主要能量明顯為面波，反射波與直達(dá)波能量較弱。

圖7 Z向集中力源理論地震記錄Fig.7 Theoretical seismic records by Z-directional concentrated force source

抽取偏移距140 m的單道記錄，與疊觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)波形、震相、走時(shí)特征差異均很大，這是由于電火花震源在水中激發(fā)，實(shí)際記錄為多次連續(xù)激發(fā)疊加的結(jié)果，而數(shù)值模擬為固體層模型中的單次激發(fā)結(jié)果。由于采用相同震源能量，因此電火花理論模擬結(jié)果與爆炸震源模擬結(jié)果的振幅量級(jí)近似；但在141 m觀測的電火花信號(hào)能量比甲烷震源335 m的遠(yuǎn)源點(diǎn)的能量更弱，比理論模擬能量進(jìn)一步減弱了一個(gè)量級(jí)。因此，與甲烷爆炸震源激發(fā)的六分量記錄相比，電火花震源激發(fā)的平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)分量弱了許多，電火花震源激發(fā)能量有限。

圖8 電火花震源單道記錄Fig.8 Single trace waveform records by spark source

3.3 兩種可控震源分析

3.3.1 電火花震源

對(duì)電火花震源激發(fā)的六分量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻譜與振幅譜分析，結(jié)果見圖9、圖10，圖中顯示電火花震源的主能量以20 Hz以下的低頻為主，頻帶較窄，且平動(dòng)分量比旋轉(zhuǎn)分量強(qiáng)近40 dB；低頻信號(hào)存在頻散現(xiàn)象，應(yīng)是以面波為主。在時(shí)頻譜圖9中，各個(gè)分量的能量團(tuán)位于不同的低頻帶中：平動(dòng)的R、T分量以較高頻為主，Z分量以低頻為主；旋轉(zhuǎn)分量中的R分量以低頻能量較強(qiáng)，T分量以高頻為主，而Z分量由低頻至高頻都有較強(qiáng)能量。平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)分量的不同的時(shí)頻特點(diǎn)提示利用旋轉(zhuǎn)分量可能提供額外的不同于平動(dòng)分量的有效信息。

圖9 電火花觀測數(shù)據(jù)時(shí)頻譜Fig.9 Time-frequency spectra of observed data by spark source

圖10 電火花震源六分量振幅譜Fig.10 Six-component amplitude spectra of observed data by spark source注：實(shí)線為平動(dòng)分量；虛線為旋轉(zhuǎn)分量

利用平動(dòng)R、T、Z三分量數(shù)據(jù)繪制質(zhì)點(diǎn)矢端偏振圖，通過質(zhì)點(diǎn)在三個(gè)平面上的偏振特點(diǎn)判斷地震波的類型。將電火花震源記錄分為0～0.7 s、0.7～1.4 s、1.4～2.0 s三個(gè)時(shí)窗，根據(jù)其時(shí)頻特點(diǎn)對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波再繪制矢端圖。圖11為0.7～1.4 s的矢端圖，從圖11中看到質(zhì)點(diǎn)的橢圓偏振較強(qiáng)，地震信號(hào)在10 Hz以下頻帶中含有能量很強(qiáng)的Rayleigh面波；1.4 s以后，如圖12所示，8 Hz以下面波能量減弱，體波較強(qiáng)，在8～14 Hz存在較強(qiáng)面波信號(hào)。從各時(shí)窗的矢端圖推斷電火花震源的頻帶中，有能量較強(qiáng)的是Rayleigh面波，除此之外，R、T分量上較強(qiáng)的能量說明還存在Love面波。

圖11 0.7～1.4 s時(shí)窗濾波后矢端圖Fig.11 Particle polarization diagram after band-pass filtering from 0.7 seconds to 1.4 seconds

圖12 1.4～2.0 s時(shí)窗的濾波后矢端圖Fig.12 Particle polarization diagrams after band-pass filtering from 1.4 seconds to 2.0 seconds

3.3.2 甲烷震源

甲烷震源S25的兩個(gè)接收點(diǎn)分別位于珠江兩側(cè)，源檢距分別約為212 m和727 m，觀測系統(tǒng)如圖1(b)所示，其中近源點(diǎn)與震源在珠江的同側(cè)，遠(yuǎn)源點(diǎn)位于另一側(cè)。從兩個(gè)觀測點(diǎn)的六分量時(shí)頻譜圖13和圖14可以看出：甲烷震源激發(fā)的地震信號(hào)頻率豐富，與電火花震源明顯不同。近、遠(yuǎn)源點(diǎn)時(shí)頻譜特征對(duì)比顯示：近源點(diǎn)旋轉(zhuǎn)分量上高頻信號(hào)能量突出，遠(yuǎn)源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)除了整個(gè)頻段的能量衰減外，10 Hz以下的低頻信號(hào)能量相比近源點(diǎn)減弱非常明顯，高頻信號(hào)也有所減弱，估計(jì)是珠江河道對(duì)面波傳播產(chǎn)生的影響。

圖13 S25近源接收點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)時(shí)頻譜Fig.13 Time-frequency spectra of observed data in near receiver of source No.25

圖14 S25遠(yuǎn)源接收點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)時(shí)頻譜Fig.14 Time-frequency spectra of observed data in far receiver of source No.25

從近、遠(yuǎn)接收點(diǎn)的六分量振幅譜(圖15)可以看出：平動(dòng)與旋轉(zhuǎn)分量上的主頻能量在近、遠(yuǎn)接收點(diǎn)處存在近20 dB的衰減；近源點(diǎn)的高頻成分在遠(yuǎn)源點(diǎn)上明顯衰減，旋轉(zhuǎn)分量上的高頻成分衰減更明顯，與時(shí)頻特點(diǎn)相同；在近源點(diǎn)50～90 Hz的高頻段平動(dòng)與旋轉(zhuǎn)分量均存在較強(qiáng)能量，說明甲烷氣爆震源頻帶較寬。

圖15 S25的六分量振幅譜Fig.15 Six-component amplitude spectra of observed data by source No.25

分別對(duì)S25的近、遠(yuǎn)源點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)做40 Hz以上的高通濾波，繪制矢端圖，如圖16所示，近源點(diǎn)結(jié)果中看不到明顯的橢圓偏振或線性偏振，應(yīng)該是面波和體波產(chǎn)生了混疊；遠(yuǎn)源點(diǎn)則是以線性偏振的體波為主，估計(jì)是河流造成面波衰減，使遠(yuǎn)源點(diǎn)的體波得到凸顯。而在近源點(diǎn)時(shí)頻譜圖14中，40 Hz以上高頻信號(hào)在旋轉(zhuǎn)分量中能量非常強(qiáng)，結(jié)合矢端圖分析可以認(rèn)為高頻面波在旋轉(zhuǎn)分量更加明顯，說明旋轉(zhuǎn)分量有助于提供高頻面波信息。

圖16 S25觀測數(shù)據(jù)40 Hz高通濾波后矢端圖Fig.16 Particle polarization diagrams of observed data of source No.25 after 40 Hz high-pass filtering

從S25近源點(diǎn)的記錄中截取出1.0～3.0 s時(shí)窗。從帶通濾波后的矢端圖(圖17)結(jié)合其時(shí)頻譜圖13和圖14可看出：質(zhì)點(diǎn)的橢圓偏明顯，說明近源點(diǎn)1.0 s之后10 Hz以下為能量非常強(qiáng)的面波，該信號(hào)在近源點(diǎn)時(shí)頻譜上能量很強(qiáng)，在遠(yuǎn)源點(diǎn)時(shí)頻譜上能量非常弱，河道減弱了該頻段的面波信號(hào)。

圖17 S25近源點(diǎn)1.0～3.0 s時(shí)窗濾波后矢端圖Fig.17 Particle polarization diagram after band-pass filtering from 1 second to 3 seconds in near receiver of source No.25

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬以及野外現(xiàn)場的兩種震源試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以獲得如下結(jié)論：

1)甲烷爆炸震源激發(fā)的六分量地震信號(hào)，頻帶寬、能量強(qiáng)，在300多米距離內(nèi)可觀測到平動(dòng)分量衰減較快，旋轉(zhuǎn)分量衰減較慢的特點(diǎn)，且旋轉(zhuǎn)分量具有足夠能量，因此在淺層工程地震中，旋轉(zhuǎn)分量的觀測是可行的；

2)河道會(huì)使六分量地震信號(hào)中10 Hz以下的面波信號(hào)大幅衰減，也會(huì)一定程度上使在旋轉(zhuǎn)分量上更為凸顯的高頻信號(hào)能量衰減；

3)電火花震源激發(fā)的地震信號(hào)，頻帶窄、能量較弱，其中平動(dòng)與旋轉(zhuǎn)分量的頻率響應(yīng)差異較大，因此旋轉(zhuǎn)分量的觀測能夠提供平動(dòng)分量以外的有效信息；并且信號(hào)包含較強(qiáng)的面波信號(hào)，旋轉(zhuǎn)分量可在面波信息發(fā)掘中發(fā)揮作用；

致謝 感謝北京大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院李正斌教授團(tuán)隊(duì)和中國地震局地球物理研究所李彩華研究團(tuán)隊(duì)提供的六分量觀測數(shù)據(jù)。