張衡， 張文濤， 黃穩(wěn)柱， 裴順平， 恩和得力海，李云月， 趙俊猛

1 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083 4 新加坡國(guó)立大學(xué)土木與環(huán)境工程系， 新加坡 117576 5 普度大學(xué)地球大氣行星科學(xué)系， 西拉法葉， 美國(guó) 47907

0 引言

地震層析成像作為一種有效的地下結(jié)構(gòu)探測(cè)手段，近幾十年來(lái)取得了飛速發(fā)展.按照震源的不同，地震層析成像主要分為主動(dòng)源和被動(dòng)源.主動(dòng)源以爆破、氣槍、電火花等人為產(chǎn)生的震源為主，主要用于工程勘探領(lǐng)域，可以獲得高精度的地下淺層結(jié)構(gòu)；被動(dòng)源則以天然地震和背景噪聲(地球內(nèi)部存在的微弱振動(dòng))為主.背景噪聲源通常被認(rèn)為是多種震源經(jīng)地下介質(zhì)散射而被地震儀器記錄到的一種信號(hào).利用頻率低于1 Hz的長(zhǎng)周期信號(hào)和互相關(guān)技術(shù)提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的辦法，科學(xué)家們可以進(jìn)行大尺度的殼幔結(jié)構(gòu)地震成像研究(Shapiro et al., 2005; Yao et al., 2008).得益于成像方法的進(jìn)步和計(jì)算條件的不斷完善、地震數(shù)據(jù)的積累和采集方式的更新，我們得到了越來(lái)越精確的地下結(jié)構(gòu)圖像(Liu，2022).但要想進(jìn)一步提高地下結(jié)構(gòu)的探測(cè)精度，尤其是極端環(huán)境下(本文中的極端環(huán)境特指青藏高原地區(qū)內(nèi)無(wú)穩(wěn)定電力供應(yīng)以及常規(guī)地震儀器難以布設(shè)的區(qū)域)的地下結(jié)構(gòu)，獲取更加豐富的數(shù)據(jù)仍然是至關(guān)重要的條件.

對(duì)于野外環(huán)境極端的青藏高原地區(qū)，雖然科學(xué)家們已經(jīng)利用傳統(tǒng)電學(xué)地震儀器采集到了數(shù)據(jù)，并采用地震學(xué)方法獲得了一系列重大突破(Liang et al., 2016; Owens and Zandt, 1997; Tian et al., 2015; Tilmann et al., 2003; Zhao et al., 1993; Zhang et al., 2021)，但是由于傳統(tǒng)地震儀器在極端環(huán)境中的應(yīng)用面臨諸多技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致該區(qū)數(shù)據(jù)采集密度仍然很低.傳統(tǒng)地震儀內(nèi)部有大量電子器件在工作時(shí)是需要供電的，而在青藏高原野外不僅供電困難且多冰雪天氣，導(dǎo)致儀器穩(wěn)定性難以保障，且無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)期連續(xù)工作的需求；另一方面，傳統(tǒng)地震儀安裝一般要求傾斜角度±2.5°以?xún)?nèi)，這給在該區(qū)大量架設(shè)和維護(hù)儀器帶來(lái)了極大的困難，且成本高昂.由于傳統(tǒng)水下地震儀器的價(jià)格昂貴、不易維護(hù)、難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸，導(dǎo)致整個(gè)青藏高原地區(qū)雖有數(shù)量龐大的湖泊和河流(姜加虎和黃群, 2004; 朱大崗等, 2007)，但水下地震學(xué)研究卻幾近空白.較之非極端環(huán)境地區(qū)，該區(qū)地下結(jié)構(gòu)的探測(cè)范圍和精度明顯不足.因此，我們需要不斷嘗試使用新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，布控和加密數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，使之填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白區(qū).

近年來(lái)，隨著光電子技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型的光纖地震儀.根據(jù)光學(xué)原理和設(shè)計(jì)方案的不同，主要分為分布式光纖地震儀(亦稱(chēng)為分布式聲波傳感技術(shù)，Distributed Acoustic Sensing, DAS)和陣列式光纖地震儀.分布式光纖地震儀基于光纖的彈光效應(yīng)，通過(guò)探測(cè)由彈光效應(yīng)產(chǎn)生的光信號(hào)的光強(qiáng)、該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光信號(hào)的偏振狀態(tài)、相位、波長(zhǎng)等參量，可以間接獲得該點(diǎn)處的振動(dòng)頻率、溫度、應(yīng)力改變量等參量(Rajan et al., 2016).國(guó)際上利用分布式光纖地震儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展地震學(xué)研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，包括主動(dòng)源和被動(dòng)源研究(Parker et al., 2018; 宋政宏等, 2020; Yu et al., 2019; Zeng et al., 2017; 張衡等, 2021).國(guó)內(nèi)的分布式光纖地震學(xué)研究相對(duì)起步較晚(劉德明和孫琪真, 2009; 徐團(tuán)偉等, 2016)，現(xiàn)有研究主要集中于油氣勘探(Yu et al., 2016; 李彥鵬等，2020; 周小慧等, 2021)和城市區(qū)域淺層探測(cè)(林融冰等, 2020; 宋政宏等, 2020).現(xiàn)階段的分布式光纖地震儀尚存缺點(diǎn)，比如數(shù)據(jù)均為單分量，傳遞函數(shù)不清晰，靈敏度較低以及對(duì)光纖線(xiàn)纜的布設(shè)要求較高等.特別是光纖線(xiàn)纜的布設(shè)需要與地面有較高的耦合度，該條件在極端野外環(huán)境中(尤其是水下環(huán)境)難以得到充分保障.

與分布式光纖地震儀相比，陣列式光纖地震儀具有更低的噪聲水平與更寬的測(cè)量頻帶，能夠?qū)崿F(xiàn)三分量測(cè)量，并且對(duì)安裝條件要求不高(Ajo-Franklin et al., 2019)，這有助于在極端野外環(huán)境中獲得更多的數(shù)據(jù)，從而提高地下結(jié)構(gòu)成像分辨率和填補(bǔ)研究空白區(qū).目前，國(guó)際上各大油氣公司引領(lǐng)了陣列式低噪聲光纖地震儀研究，法國(guó)CGG Sercel公司(Nakstad and Kringlebotn, 2008)、美國(guó)Geospace Technologies公司(Ampilov et al., 2019)、英國(guó)Stringray Geophysical(Crickmore et al., 2004)、美國(guó)Paulsson公司(Paulsson et al., 2013)等均研發(fā)了千道級(jí)以上的陣列式光纖地震儀器.近年來(lái)，美國(guó)(Zumberge et al., 2018)、意大利(Gagliardi et al., 2010)、法國(guó)(Bernard et al., 2019)、中國(guó)(Huang et al., 2018)等還開(kāi)展了低噪聲、寬頻帶光纖地震儀器研究，進(jìn)一步拓展了光纖地震儀的測(cè)量頻帶.

中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所聯(lián)合研制了針對(duì)極端野外環(huán)境的高精度陣列式光纖地震儀器.利用該自主研發(fā)的儀器，我們?cè)谖鞑匾棕暫貐^(qū)獲得了兩條測(cè)線(xiàn)的數(shù)據(jù)，其中一條測(cè)線(xiàn)直接布設(shè)于易貢湖湖底.本文利用首次獲得的西藏地區(qū)光纖地震數(shù)據(jù)，對(duì)該區(qū)域的近地表構(gòu)造進(jìn)行了背景噪聲成像，該研究成果為光纖地震儀器在極端野外環(huán)境的應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 陣列式光纖地震儀

圖1 基于干涉式外差相位探測(cè)技術(shù)的陣列式光纖地震傳感原理FC：光纖耦合器，CIR：光纖環(huán)形器，PD：光電探測(cè)器，DAQ：數(shù)據(jù)采集模塊，F(xiàn)PGA：數(shù)字門(mén)陣列信號(hào)處理模塊.Fig.1 The principle of array Fiber-Optic seismic sensing is based on interferometric heterodyne phase detection technologyFC: Fiber-Optic Coupler, CIR: Fiber-optic circulator, PD: Photoelectric detector, DAQ: Data acquisition card, FPGA: Field Programmable Gate Array.

圖2 陣列式光纖地震儀Fig.2 The picture of array Fiber-Optic seismometers

圖3 陣列式光纖探頭測(cè)量(a) 儀器硬件測(cè)量； (b) 儀器頻率響應(yīng)曲線(xiàn). 單位pm/g表示每一個(gè)重力加速度(g)作用下光學(xué)地震計(jì)產(chǎn)生的光學(xué)波長(zhǎng)變化為1皮米(pm).Fig.3 The calibration of the fiber seismometer(a) The actual picture of comparative measurement; (b) The measurement result of the frequency response. The unit pm/g indicates that the 1 pico meter (pm) optical wavelength variation generated by the fiber seismometer for each gravity acceleration (g).

2 數(shù)據(jù)和方法

2020年9月，中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所與半導(dǎo)體研究所聯(lián)合在西藏易貢湖地區(qū)開(kāi)展了陣列式光纖地震儀的野外試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地為易貢湖內(nèi)和非常濕潤(rùn)的湖岸(圖4a).我們?cè)诤缀秃斗謩e布設(shè)了8個(gè)光纖地震探頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)探頭，探頭編號(hào)見(jiàn)圖4b)，探頭間距5 m(圖4b，紅色測(cè)線(xiàn)1在湖底，綠色測(cè)線(xiàn)2在湖岸)，湖中測(cè)線(xiàn)距離湖岸大約5 m.每個(gè)探頭的采樣率設(shè)置為1000 Hz.光纖解調(diào)儀距離1號(hào)探頭約12 m，供電設(shè)備為12 V蓄電池 (圖4c).為了能夠進(jìn)一步測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量與儀器布設(shè)環(huán)境(如探頭傾斜角度以及探頭與地面的耦合程度)的關(guān)系，我們僅在探頭上增加了三枚固定長(zhǎng)釘，而沒(méi)有對(duì)探頭進(jìn)行掩埋(圖4d).置于湖岸上的光纖地震儀探頭直接插入泥土中；而對(duì)于湖底的光纖地震儀探頭的安裝，我們只是將其以添加配重的方式沉入湖底.同時(shí)，為了便于比較信號(hào)質(zhì)量，我們?cè)诠愤吋茉O(shè)了一臺(tái)傳統(tǒng)的電學(xué)地震儀器(圖4b中藍(lán)色方框處).

圖4 西藏易貢湖地區(qū)野外試驗(yàn)(a) 研究區(qū)域； (b) 試驗(yàn)區(qū)測(cè)線(xiàn)分布；FS：光纖地震儀，五角星代表單次敲擊位置，藍(lán)色方框標(biāo)示出安裝在公路邊的傳統(tǒng)電學(xué)地震儀位置； (c) 野外布設(shè)光纖信號(hào)解調(diào)儀； (d) 湖岸探頭布設(shè).Fig.4 The field experiment in the Yigong lake, Tibet(a) The study area; (b) The Yigong lake and location of the profiles. FS: Fiber-Optic Seismometer, stars: The locations of two single shots, blue rectangle: The location of the traditional electronic seismometer near the road; (c) The interrogator in the field; (d) The No.12 FS deployed in the riparian.

試驗(yàn)期間，我們使用夯地機(jī)在湖岸邊的公路進(jìn)行了敲擊(圖4b中16號(hào)探頭附近)，主要用于比較主動(dòng)震源與被動(dòng)震源的信號(hào)強(qiáng)弱，從而判斷光纖地震儀器的信噪比.本次試驗(yàn)總記錄時(shí)長(zhǎng)167 min.對(duì)于背景噪聲成像而言，增加噪聲互相關(guān)函數(shù)的疊加時(shí)間長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)地增加信號(hào)的信噪比，但是該效果隨著疊加時(shí)間長(zhǎng)度的增加會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定(林融冰等, 2020).經(jīng)過(guò)不同疊加時(shí)間長(zhǎng)度的對(duì)比，并且由于整個(gè)數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中同時(shí)記錄了主動(dòng)源數(shù)據(jù)，因此本文選取了90 min包含較少?gòu)?qiáng)震動(dòng)信號(hào)的連續(xù)數(shù)據(jù)用于背景噪聲成像.圖5a—d展示了光纖儀器和傳統(tǒng)電學(xué)地震儀在水中、湖岸和公路邊記錄到的主動(dòng)震源信號(hào)(0.5～500 Hz帶通濾波)及其相應(yīng)的頻譜特征.圖5e和5f則分別展示了光纖儀器和傳統(tǒng)地震儀在水中、湖岸和公路邊記錄到的背景噪聲信號(hào)(0.5～500 Hz帶通濾波)及其相應(yīng)的頻譜特征.低于50 Hz處的背景噪聲迅速增加，說(shuō)明該地區(qū)的背景噪聲頻帶主要集中于50 Hz以下.比較背景噪聲和主動(dòng)震源的頻譜特征可以發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)源信號(hào)水平至少比背景噪聲高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明了該儀器具有較高信噪比，因此可以在水下記錄到清楚的主動(dòng)源信號(hào).在距離30 m以外的水下依然能夠識(shí)別明顯的震動(dòng)信號(hào)，甚至可以清晰地識(shí)別出夯地機(jī)的敲擊次數(shù).不僅如此，從頻譜分析上可以看出，陣列式光纖儀器的信號(hào)和噪聲水平與傳統(tǒng)電學(xué)地震儀器非常接近(噪聲水平在50 Hz以下較高是因?yàn)楣饫w儀器布置在湖邊和水下，而傳統(tǒng)儀器布設(shè)在相對(duì)易貢湖較遠(yuǎn)的公路邊).

圖5 湖岸與湖底的主動(dòng)源數(shù)據(jù)、背景噪聲數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)頻譜(a) 夯地機(jī)主動(dòng)源數(shù)據(jù)； (b) 夯地機(jī)主動(dòng)源數(shù)據(jù)頻譜； (c) 單次敲擊主動(dòng)源數(shù)據(jù)，敲擊位置見(jiàn)圖3； (d) 單次敲擊主動(dòng)源數(shù)據(jù)頻譜； (e) 背景噪聲數(shù)據(jù)； (f) 背景噪聲數(shù)據(jù)頻譜.圖中綠色線(xiàn)條為湖岸探頭記錄數(shù)據(jù)，紅色線(xiàn)條為湖底探頭記錄數(shù)據(jù)，黑色線(xiàn)條為布設(shè)于公路的電學(xué)儀器記錄數(shù)據(jù).Fig.5 Active source data, ambient noise data and their corresponding frequency spectrum in the riparian and bottom of the lake(a) Active source data from the rammer. Green and red colors show the records in the riparian and at the bottom of the lake, respectively; (b) The spectrum of the rammer data; (c) A single shot, the location is shown in Fig.3; (d) The spectrum of the single shot; (e) The ambient noise data; (f) The spectrum of the ambient noise data. The green line is the data recorded by the FS in the riparian, the red line is the data recorded by the FS in the lake, and the black line is the data recorded by a traditional electronic seismometer near the road.

本次研究使用了背景噪聲成像方法分別對(duì)湖岸和湖底的兩條光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要流程：(1)根據(jù)頻譜圖分析(圖5f)，主要的噪聲頻段集中在100 Hz以下，因此將記錄到的90 min原始數(shù)據(jù)降采樣至100 Hz；(2)采用“one-bit”法將降采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行0.5～50 Hz的帶通濾波處理；(3)利用時(shí)頻域相位加權(quán)疊加算法將長(zhǎng)時(shí)間的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行疊加(Bensen et al., 2007)，圖6a和圖6c分別展示了以探頭9和12為虛擬源，其余探頭為接收源的噪聲互相關(guān)函數(shù)；(4)采用廣義反射透射系數(shù)法(Chen, 1993)進(jìn)行正演計(jì)算，獲取相速度頻散曲線(xiàn)(圖6b和圖6d)；(5)采用基于Particle Swarm Optimization的反演算法(Song et al., 2012)獲取沿測(cè)線(xiàn)的S波速度結(jié)構(gòu)，圖7和圖8展示了最終的反演結(jié)果.分層模型總厚度為60 m，每層厚度為10 m.在反演過(guò)程中，由于研究區(qū)域內(nèi)缺乏湖底淺層速度模型，我們使用的初始S波速度結(jié)構(gòu)參照了海底沉積層的速度結(jié)構(gòu)(Essen et al., 1998).同時(shí)，由于本研究中的相速度明顯低于該文獻(xiàn)中得到的海底沉積層相速度，我們進(jìn)一步降低S波初始速度至120 m·s-1.P波速度通過(guò)P波和S波的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，密度則根據(jù)Brocher經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算(Brocher, 2005).以第9號(hào)光纖地震儀為例，當(dāng)反演次數(shù)達(dá)到18次時(shí)已經(jīng)基本達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解(圖7a)，且最終頻散曲線(xiàn)反演結(jié)果與拾取頻散曲線(xiàn)的吻合度較高(圖7b).

圖6 背景噪聲互相關(guān)函數(shù)及其面波相速度頻散曲線(xiàn)(a) 湖岸9號(hào)探頭的噪聲互相關(guān)函數(shù)(黃色透明實(shí)線(xiàn)表示平均視速度)； (b) 湖岸9號(hào)探頭的面波相速度頻散曲線(xiàn)；(c) 湖岸12號(hào)探頭的噪聲互相關(guān)函數(shù)； (d) 湖岸12號(hào)探頭的面波相速度頻散曲線(xiàn).Fig.6 Noise cross-correlation functions and dispersion curves for phase velocity(a) The noise cross-correlation function of No.9 FS, and the yellow transparent line represents the average apparent velocity; (b) Dispersion curve of the No.9 FS; (c) The noise cross-correlation function of No.12 FS; (d) Dispersion curve of the No.12 FS.

圖7 單點(diǎn)反演迭代次數(shù)與頻散曲線(xiàn)反演結(jié)果(a) 目標(biāo)函數(shù)與反演次數(shù)曲線(xiàn)圖； (b) 拾取頻散曲線(xiàn)(綠色虛線(xiàn))、根據(jù)初始模型正演計(jì)算得到的頻散曲線(xiàn)(黑色虛線(xiàn))以及反演后得到的最佳頻散曲線(xiàn)(紅色實(shí)線(xiàn)).Fig.7 The iteration time for No.9 FS and the inversion result of the dispersion curve(a) Curve graph of objective function and iteration times of inversion; (b) Picking dispersion curve (green dashed line), the calculated dispersion curve (black dashed line) according to the initial model, and the optimal dispersion curve (red solid line) obtained from inversion.

圖8 反演結(jié)果與9號(hào)探頭處地表裂隙(a) 湖岸9號(hào)探頭處的S波速度反演結(jié)果和反演搜索范圍(紅色實(shí)線(xiàn)表示最佳反演模型，灰色實(shí)線(xiàn)表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约熬G色虛線(xiàn)表示反演時(shí)采用的速度邊界)； (b) 研究區(qū)域內(nèi)沿河岸的二維速度剖面； (c) 湖岸9號(hào)探頭處的地面布設(shè)情況(地表裂隙規(guī)模明顯小于圖3d中12號(hào)探頭處的地表裂隙).Fig.8 The inversion results and the cracks near No.9 FS in the riparian(a) The S-wave velocity inversion result and the inversion search range at the No.9 FS in the riparian. The red solid line represents the optimal inversion model, the gray solid line represents the trial model, and the green dashed line represents the velocity boundary adopted in the inversion; (b) Two-dimensional velocity profile along the riparian in the study area; (c) The ground layout of the No.9 FS in the riparian. The scale of the surface fissures is significantly smaller than that of the No.12 FS in Fig.1d.

3 結(jié)果與討論

圖5a中互相關(guān)函數(shù)的面波平均視速度約為120 m·s-1，該數(shù)值與主動(dòng)源得到的面波平均視速度(圖5a，116 m·s-1)非常接近.由于互相關(guān)函數(shù)表現(xiàn)出了非常清楚的頻散現(xiàn)象，我們得到了效果很好的相速度頻散曲線(xiàn).圖6b中的相速度呈現(xiàn)出明顯的正頻散，可用頻段為2～20 Hz.在部分工程類(lèi)項(xiàng)目研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)退賹哟嬖谟诟咚賹酉路綍r(shí)，頻散曲線(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)情況，即相速度隨頻率的增加而增加，這與我們的頻散曲線(xiàn)(頻率低于6 Hz時(shí)，圖6d)和最終反演結(jié)果類(lèi)似(圖8b中探頭12的速度結(jié)構(gòu)，低速層上方存在高速層).通過(guò)正演模擬計(jì)算，我們可以在模擬頻散曲線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)類(lèi)似特征(圖9).值得注意的是，湖底測(cè)線(xiàn)的主動(dòng)源面波平均視速度比湖岸測(cè)線(xiàn)的面波平均視速度高出約50%(圖5a).我們認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是湖底物質(zhì)(如流沙或者碎石)受到湖水的壓力，不會(huì)出現(xiàn)規(guī)模較大的裂隙，物質(zhì)平均密度高于湖岸.相反，湖岸上可以直接觀(guān)測(cè)到許多裂隙(圖4d)，這些裂隙的存在降低了湖岸淺層物質(zhì)的平均密度.大量裂隙的存在也可以解釋為什么我們得出的近地表速度明顯低于常規(guī)的浮土層速度(地震波在浮土層的傳播速度約為200 m·s-1).

通過(guò)互相關(guān)函數(shù)的平均視速度以及頻散曲線(xiàn)的差異(圖6)，初步反映了研究區(qū)的淺層結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的橫向不均勻性.圖8b的最終反演結(jié)果更加直觀(guān)地體現(xiàn)出橫向結(jié)構(gòu)的明顯差異.在深度小于10 m的S波速普遍低于110 m·s-1，該速度明顯低于浮土層速度，說(shuō)明在這個(gè)位置裂隙沿測(cè)線(xiàn)普遍存在.該結(jié)果與地表觀(guān)測(cè)到的裂隙分布高度吻合(圖4d和圖8c).隨著深度的增加，與9號(hào)探頭處的速度結(jié)構(gòu)相比，第12號(hào)探頭處15～35 m深度表現(xiàn)為低S波速異常.結(jié)合地表環(huán)境來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)9號(hào)探頭處的裂隙規(guī)模明顯弱于12號(hào)探頭的布設(shè)區(qū)域(圖4d和圖8c).這種現(xiàn)象說(shuō)明這些地表裂隙的成因可能與較深處的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而不僅僅是由于地表溫度變化造成了這些裂隙規(guī)模的不同.但是，由于缺乏地表裂隙尺度的量化數(shù)據(jù)，并且頻散曲線(xiàn)在低頻處的能量擾動(dòng)較大(受限于測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度以及記錄時(shí)間)，裂隙成因與地下低速異常體的具體聯(lián)系有待進(jìn)一步深入研究.

利用單次敲擊產(chǎn)生的面波信號(hào)(圖5c)，我們同樣能夠得到效果較好的頻散曲線(xiàn)(圖10a和10b)，并且岸邊主動(dòng)源和噪聲源的頻散曲線(xiàn)(9號(hào)探頭)具有高度相似性，關(guān)于主動(dòng)源信號(hào)的詳細(xì)處理和解釋將在后期開(kāi)展具體工作.遺憾的是，利用與湖岸測(cè)線(xiàn)相同的噪聲數(shù)據(jù)處理流程和方法，易貢湖底測(cè)線(xiàn)互相關(guān)函數(shù)的頻散現(xiàn)象相對(duì)較弱(圖10c)，只能得到部分探頭的頻散曲線(xiàn)，且可用頻率范圍較小(2～4 Hz，圖10d)，因此在現(xiàn)階段我們暫時(shí)未對(duì)湖底測(cè)線(xiàn)的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理.鑒于布設(shè)于湖底的探頭能夠記錄到清晰的主動(dòng)源信號(hào)以及與湖岸測(cè)線(xiàn)相似的噪聲頻譜記錄，我們認(rèn)為無(wú)法得到效果良好的互相關(guān)函數(shù)與儀器本身無(wú)關(guān)，而是由于：易貢湖是具有較快流動(dòng)速度的湖泊(測(cè)線(xiàn)布設(shè)處的平均流量為1500 m3·s-1)，并且考慮到探頭在湖底的安裝并未進(jìn)行掩埋，因此流動(dòng)的湖水對(duì)儀器本身造成了一定程度的沖擊，這種湖水沖擊信號(hào)的頻率高于背景噪聲(從主動(dòng)源信號(hào)的頻譜來(lái)看，這種湖水沖擊信號(hào)的頻率應(yīng)該低于主動(dòng)源，如圖5b和5f)，所以對(duì)湖底原始數(shù)據(jù)的處理不能簡(jiǎn)單地使用湖岸數(shù)據(jù)的處理流程.在未來(lái)研究中，我們將在西藏地區(qū)選擇有鉆孔巖心采樣和速度測(cè)井的地點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，這樣一方面可以將反演結(jié)果與鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，另一方面可以對(duì)結(jié)果解釋加以檢驗(yàn).

圖9 正演模擬結(jié)果(a) S波速度初始模型；每一層的模型參數(shù)顯示在圖右側(cè)，第一列為P波速度，第二列為S波速度，第三列為每層厚度；(b) 模擬波形； (c) 模擬頻散曲線(xiàn).Fig.9 The results of forward simulation(a) The initial model of S-wave velocity; The model parameters of each layer are shown on the right side of the figure, and the first column is P-wave velocity, the second column is S-wave velocity, and the third column is the thickness of each layer; (b) The simulated waveform; (c) The simulated dispersion curve.

圖10 易貢湖地區(qū)光纖數(shù)據(jù)結(jié)果(a) 水下主動(dòng)源面波頻散曲線(xiàn)； (b) 岸邊主動(dòng)源面波頻散曲線(xiàn)； (c) 水下噪聲互相關(guān)函數(shù)； (d) 水下噪聲頻散曲線(xiàn).Fig.10 The results from the FS deployed in the Yigong lake(a) Dispersion curve beneath the water extracted from the active source; (b) Dispersion curve in the riparian extracted from the active source; (c) The cross-correlation function derived from the FS deployed in the lake; (d) Dispersion curve extracted from the ambient noise data.

4 結(jié)論

利用本次野外試驗(yàn)獲得了該研究區(qū)的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)其中90 min的連續(xù)背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，提取出具有明顯頻散的互相關(guān)函數(shù).采用廣義反射透射系數(shù)法，拾取了頻段范圍在2～20 Hz間的高質(zhì)量面波頻散曲線(xiàn).最后，參照海相沉積層的速度結(jié)構(gòu)和面波相速度構(gòu)建了初始模型，利用基于Particle Swarm Optimization的反演算法得到了沿湖岸測(cè)線(xiàn)的近地表S波速度.通過(guò)面波相速度和最終反演得到的S波速度，均反映出研究區(qū)域存在強(qiáng)烈的橫向速度不均勻性.通過(guò)對(duì)湖底測(cè)線(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然湖底的背景噪聲數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步處理分析，但是湖底探頭的主動(dòng)源信號(hào)具有良好的信噪比.本次極端環(huán)境野外試驗(yàn)結(jié)果初步表明，自主研發(fā)的陣列式光纖地震儀器可用于特殊自然環(huán)境的淺層結(jié)構(gòu)成像.在后續(xù)的研究中，我們將著重開(kāi)展以下工作：(1)利用陣列式光纖儀器的三分量數(shù)據(jù)，進(jìn)行更多地震成像方法的探索；(2)對(duì)湖岸和湖底的主動(dòng)源數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致處理，使用主動(dòng)源成像方法對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)研究；(3)對(duì)湖底的背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，找出其與湖岸數(shù)據(jù)的異同；(4)后續(xù)的試驗(yàn)應(yīng)同時(shí)布設(shè)海底地震儀與光纖地震儀，以期取得兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究.

致謝在此對(duì)中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的劉紅兵副研究員、王信國(guó)副研究員、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的張建祥博士以及其他野外工作者提供的大力幫助表示誠(chéng)摯的感謝.感謝編輯以及評(píng)審人對(duì)文章提出的建設(shè)性意見(jiàn).