喀什基準(zhǔn)臺(tái)寬頻帶井下和地表地震計(jì)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比研究

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(cè)中心站，新疆喀什 844000

2)中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施，為彌補(bǔ)塔里木盆地及其東南部監(jiān)測(cè)能力不足的問題，在喀什布設(shè)了井下地震計(jì)。為了觀測(cè)高頻地聲與微震，延伸出了一系列的觀測(cè)技術(shù)，其中最為成熟的便是井下地震觀測(cè)技術(shù)。19世紀(jì)30年代，美國(guó)便對(duì)井下地震觀測(cè)進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)室和野外的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，以改善遠(yuǎn)震P波的信噪比為目的，美國(guó)海岸與大地測(cè)量局首先進(jìn)行了井下地震儀的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)； 19世紀(jì)60年代，日本為了提高當(dāng)時(shí)的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)地震的能力，也開始著手進(jìn)行井下地震觀測(cè)的研究(馮德益等，1986)。井下觀測(cè)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(cè)不受具體臺(tái)址的限制，且能提高信噪比和微震監(jiān)測(cè)能力，臺(tái)網(wǎng)布局更加合理(仇中陽等，2014)。

對(duì)井下地震計(jì)和地表地震計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，能夠更加深入地了解井下和地表地震計(jì)的儀器特性，并進(jìn)行相關(guān)的地震學(xué)研究。張壽康等(1986)通過利用儀器進(jìn)行實(shí)證分析，研究井下與地面地震計(jì)的差異，研究成果表明前者的監(jiān)測(cè)能力遠(yuǎn)大于后者； 在震級(jí)方面，井下地震計(jì)所測(cè)定的震級(jí)普遍較低。薛志照(1987)對(duì)比分析天津地區(qū)地震記錄特征，得出井下地震觀測(cè)比較接近基巖臺(tái)，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(duì)于P波首波到時(shí)，地面地震計(jì)相比井下地震計(jì)滯后0.3s； 對(duì)于記錄的地震震級(jí)，地面地震計(jì)與井下地震計(jì)有0.7級(jí)的偏差。仇中陽等(2014)則通過對(duì)蘇北地面與井下的地震波形頻譜進(jìn)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(biāo)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(duì)比分析地表與深井地震計(jì)，發(fā)現(xiàn)深井地震計(jì)觀測(cè)在避免噪聲及提高地震監(jiān)測(cè)能力范圍方面具有更大優(yōu)勢(shì)，觀測(cè)精度更高。李雷等(2018、2019)通過昆明地震臺(tái)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(hào)的干擾，通過對(duì)比一系列數(shù)據(jù)，結(jié)果表明二者在頻譜特性、震級(jí)等方面的差異明顯。

喀什基準(zhǔn)臺(tái)麥蓋提井下地震計(jì)作為中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目新疆測(cè)震分項(xiàng)新建區(qū)域測(cè)震臺(tái)之一(圖1)，于2015年3月安裝并試運(yùn)行。該井深度283m，套管外徑146mm、內(nèi)徑135mm，井下觀測(cè)系統(tǒng)采用北京港震公司的GL-S60B井下寬頻帶地震計(jì)和24位數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN。為了對(duì)比研究井下地震計(jì)和地表地震計(jì)記錄波形的特征差異，在麥蓋提井下地震計(jì)旁5m處布設(shè)了一個(gè)寬頻帶地震計(jì)，并進(jìn)行了2個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)。地表觀測(cè)系統(tǒng)采用北京港震公司的GL-S60寬頻帶地震計(jì)和24位數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN(表1)。本文對(duì)比分析該井下地震計(jì)和相鄰地表地震計(jì)記錄到的背景噪聲、近震和遠(yuǎn)震波形以及相關(guān)的地震學(xué)結(jié)構(gòu)成像研究，進(jìn)而分析井下地震計(jì)和地表地震計(jì)記錄資料的相似性和差異性，并初步研究臺(tái)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(jì)

表1 地表與井下地震計(jì)的儀器情況

1 背景噪聲對(duì)比

背景噪聲通常被稱為地脈動(dòng)，指存在于地球表面的微小震動(dòng)。引起背景噪聲的原因有許多，其中自然因素諸如風(fēng)、海浪等，人為因素則是人的生產(chǎn)勞動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)?，這些因素所引起的振動(dòng)信號(hào)即為背景噪聲。背景噪聲往往會(huì)干擾地震有效信息，進(jìn)而對(duì)地震定位以及地震學(xué)結(jié)構(gòu)成像研究產(chǎn)生影響?；诘卣鹩?jì)頻帶特征，本文選取了喀什基準(zhǔn)臺(tái)麥蓋提井下地震計(jì)和地表地震計(jì)2019年10月31日0時(shí)至5時(shí)夜間平靜時(shí)間段記錄的6個(gè)小時(shí)無天然地震和人為活動(dòng)的波形數(shù)據(jù)，在60s～50Hz內(nèi)對(duì)比分析其波形特征和功率譜(圖2)。從時(shí)域圖(圖2(a))可以看出，地表地震計(jì)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(jì)大，水平分量振幅為井下地震計(jì)記錄到噪聲的2～3倍。

圖2 地表與井下地震計(jì)背景噪聲波形及功率譜對(duì)比

對(duì)原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到該時(shí)間段的地動(dòng)噪聲功率譜密度(何彥等，2006)。結(jié)果表明，地表地震計(jì)的數(shù)據(jù)功率譜整體高于井下地震計(jì)，井下地震計(jì)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(jì)功率譜高于NHNM(圖2(b)、2(c))。井下地震計(jì)和地表地震計(jì)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(jì)的噪聲功率比地表地震計(jì)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(jì)功率譜曲線同時(shí)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，走向基本一致，其中在9s處井下與地表地震計(jì)功率譜曲線同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，應(yīng)該為Ⅱ類海洋噪聲導(dǎo)致； 地表地震計(jì)數(shù)據(jù)功率譜在3Hz和10Hz左右有一個(gè)明顯峰值，疑似為觀測(cè)系統(tǒng)電源干擾引起； 在5s～1Hz頻段內(nèi)，井下地震計(jì)噪聲功率比地表地震計(jì)小10dB左右； 在1～20Hz頻段內(nèi)，井下地震計(jì)噪聲功率比地表地震計(jì)小20dB左右； 在20～40Hz頻段內(nèi)，水平分量井下地震計(jì)噪聲功率比地表地震計(jì)小10dB左右。井下地震計(jì)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(jì)記錄波形數(shù)據(jù)質(zhì)量整體優(yōu)于地表地震計(jì)。一般認(rèn)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(jì)噪聲功率譜比地表地震計(jì)小很多的結(jié)論一致。葛洪魁等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，2m深臺(tái)基數(shù)據(jù)功率譜各分量的高頻頻段和長(zhǎng)周期頻段分別比地表地震計(jì)數(shù)據(jù)小5dB和10dB，該結(jié)論與本文觀測(cè)結(jié)果一致，表明增加臺(tái)基深度能有效地降低長(zhǎng)周期噪聲和高頻噪聲。此外，本文研究發(fā)現(xiàn)高達(dá)20dB的功率譜差異可能與深達(dá)283m的井下地震計(jì)有關(guān)。

2 近震波形對(duì)比

在共址觀測(cè)期間，井下和地表地震計(jì)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(guó)地震臺(tái)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(duì)比近震波形(圖3(a))發(fā)現(xiàn)，地表地震計(jì)水平速度振幅約為井下地震計(jì)的3倍，而垂直分量振幅幾乎達(dá)到10倍。井下波形數(shù)據(jù)更為清晰明了，直達(dá)P波、S波震相清晰、易識(shí)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(duì)原始波形進(jìn)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(jì)和地表地震計(jì)記錄波形的功率譜均有類似的變化特征，地表地震計(jì)功率譜幅值普遍高于井下地震計(jì)。在1～50Hz內(nèi)，地表地震計(jì)功率譜曲線的峰值出現(xiàn)在9Hz左右，而井下地震計(jì)功率譜曲線的峰值出現(xiàn)在6Hz左右，且峰值處井下地震計(jì)比地表地震計(jì)小10dB左右。在60s～1Hz內(nèi)，地表地震計(jì)的功率譜曲線大致逐漸增大，而井下地震計(jì)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(jì)近震記錄波形及功率譜對(duì)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(guó)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(duì)于3級(jí)的近震，用RZ比方法估計(jì)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(dá)P波到時(shí)前1s及到時(shí)后1.5s的井下與地表地震計(jì)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(jì)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(jì)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(rèn)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(jì)下方59m和地表地震計(jì)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(jì)下方更高的速度與該臺(tái)站下方厚的土層以及速度大致隨著深度逐漸增加趨勢(shì)是一致的。

圖4 地表與井下地震計(jì)記錄的近震垂直和徑向分量

4 遠(yuǎn)震對(duì)比研究

圖5 地表與井下地震計(jì)遠(yuǎn)震記錄波形及功率譜對(duì)比

5 遠(yuǎn)震接收函數(shù)H-κ疊加結(jié)果對(duì)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(gè)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(shí)；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(jì)和地表地震計(jì)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(jìn)一步在H-κ域內(nèi)對(duì)比研究二者臺(tái)站下方地殼厚度和波速比值。在遠(yuǎn)震波形截取上，截取P波到時(shí)前20s和到時(shí)后80s，并設(shè)置高斯系數(shù)為2，采用時(shí)間域迭代反褶積方法(吳慶舉等，1998)計(jì)算接收函數(shù)(圖6)。接收函數(shù)波形表明，莫霍面直達(dá)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(jì)記錄的PpPs震相由一連串波形組成，無法區(qū)分。進(jìn)一步采用H-κ疊加發(fā)現(xiàn)，井下地震計(jì)得到的地殼厚度為49.9km，波速比為1.865，而地表地震計(jì)得到的地殼厚度為37.9km，波速比為2.05。井下地震計(jì)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(jì)記錄到的地震事件波形數(shù)據(jù)更加清晰簡(jiǎn)潔的結(jié)論一致。

圖6 井下與地表地震計(jì)遠(yuǎn)震波形記錄得到的接收函數(shù)H-κ疊加對(duì)比

6 井下地震計(jì)和地表地震計(jì)近震、遠(yuǎn)震震級(jí)差異

上述近震、遠(yuǎn)震波形對(duì)比表明，井下地震計(jì)和地表地震計(jì)記錄到的地震振幅存在一定差異，這必將影響地震震級(jí)的確定?；诰碌卣鹩?jì)和地表地震計(jì)共址觀測(cè)期間共同記錄到的近震和遠(yuǎn)震事件，采用新國(guó)標(biāo)的震級(jí)量算公式來計(jì)算地方性震級(jí)ML和面波震級(jí)MS，并對(duì)比2種數(shù)據(jù)得到的震級(jí)差異。ML震級(jí)差計(jì)算公式為dML=lg(As)-lg(Ab)，其中As和Ab分別為地表地震計(jì)和井下地震計(jì)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剑瑢?duì)井下地震計(jì)和地表地震計(jì)共址觀測(cè)期間記錄到的近震事件波形濾波到1Hz以上，獲得了4個(gè)近震的震級(jí)差(表2)。

表2 井下地震計(jì)和地表地震計(jì)共址觀測(cè)期間記錄的近震、遠(yuǎn)震信息和震級(jí)差(dM)

結(jié)果表明，這些地震震級(jí)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(jí)差計(jì)算公式為dMS=lg(Ag/T)-lg(Au/T)，其中T為A對(duì)應(yīng)周期，Ag和Au分別為地表地震計(jì)和井下地震計(jì)記錄到的水平向面波最大質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位移。基于MS震級(jí)差計(jì)算公式，對(duì)井下地震計(jì)和地表地震計(jì)共址觀測(cè)期間記錄到的遠(yuǎn)震事件波形窄帶濾波到20s周期，獲得了4個(gè)遠(yuǎn)震的震級(jí)差(表2)。結(jié)果表明，這些地震震級(jí)差變化較大，在 0.004～0.064 范圍內(nèi)變化，平均值為0.025。對(duì)RZ比進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，井下地震計(jì)下方速度比地表地震計(jì)高。地表地震計(jì)下方更低的速度會(huì)導(dǎo)致記錄到的地震波形振幅變大，進(jìn)而導(dǎo)致采用高頻數(shù)據(jù)得到地表地震計(jì)近震震級(jí)比井下地震計(jì)高約0.518。而在計(jì)算遠(yuǎn)震時(shí)，由于采用的是20s長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于井下地震計(jì)和地表地震計(jì)的距離，進(jìn)而兩者得到的震級(jí)差差異較小。

7 討論與結(jié)論

本文對(duì)比分析了喀什基準(zhǔn)臺(tái)麥蓋提井下地震計(jì)和緊鄰的地表地震計(jì)記錄到的背景噪聲、近震和遠(yuǎn)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(jì)記錄到的噪聲和近震振幅能量大致比地表地震計(jì)記錄到的波形振幅小一個(gè)數(shù)量級(jí)，井下地震計(jì)記錄到的遠(yuǎn)震振幅和地表地震計(jì)記錄到的相差不大。相比地表地震計(jì)，井下地震計(jì)記錄到的麥蓋提ML3.1地震和遠(yuǎn)震波形的直達(dá)P波震相更清晰，波形記錄更為簡(jiǎn)潔。對(duì)于井下地震計(jì)和地表地震計(jì)記錄到的噪聲，近震和遠(yuǎn)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(jì)數(shù)據(jù)功率譜整體高于井下地震計(jì)，在高頻段差異最高達(dá)到20dB，低頻段接近10dB?；诰碌卣鹩?jì)和地表地震計(jì)記錄到的近震波形記錄，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(jì)下方59m和地表地震計(jì)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(jì)下方更高的速度，與麥蓋提臺(tái)站下方厚的土層以及速度大致隨深度逐漸增加的趨勢(shì)一致。基于井下地震計(jì)和地表地震計(jì)記錄到的遠(yuǎn)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(jì)臺(tái)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(jì)成像結(jié)果卻偏離真實(shí)值，這與井下地震計(jì)比地表地震計(jì)記錄到的遠(yuǎn)震波形更加清晰簡(jiǎn)潔的結(jié)論一致。基于地表地震計(jì)和井下地震計(jì)共址觀測(cè)期間記錄到的近震和遠(yuǎn)震資料，計(jì)算了兩者得到的地震震級(jí)差，發(fā)現(xiàn)近震震級(jí)差平均值為0.518，遠(yuǎn)震震級(jí)差平均值為0.025。因此，在計(jì)算近震震級(jí)時(shí)需要考慮到井下地震計(jì)和地表地震計(jì)波形差異帶來的影響。

與地表地震計(jì)相比，井下地震計(jì)的安裝對(duì)場(chǎng)地和經(jīng)濟(jì)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(jì)所記錄的地震波形能更精準(zhǔn)地反演地下結(jié)構(gòu)信息。本文對(duì)井下和地表地震計(jì)記錄到的波形和相關(guān)的地震學(xué)結(jié)構(gòu)成像的對(duì)比研究，能對(duì)地表和井下地震計(jì)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。