井下、地表地震計記錄波形對比
——以松原地震臺為例

陳闖 危自根 張 璇 高金哲

1） 中國長春 130117 吉林省地震局吉林地震臺

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

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

0 引言

井下地震計一般布設(shè)在地下幾十到幾百米深處，受到的環(huán)境噪聲影響比地表地震計小，能較清晰地記錄地震事件信息（郭德順等，2014）。因此，井下地震計記錄的地震波形能用來較準(zhǔn)確地反演震源參數(shù)信息。井下地震觀測技術(shù)，最初是為了探測與巖石微破裂有關(guān)的高頻地聲或超微震而發(fā)展起來的。19 世紀(jì)30 年代，美國就進(jìn)行過實驗室和野外的井下地震觀測實驗；19 世紀(jì)60 年代，日本為了提高地震臺網(wǎng)監(jiān)測能力，也開始進(jìn)行井下地震觀測研究（馮德益等，1986）。1987 年以來，中國地震局開始進(jìn)行深井地震觀測。觀測結(jié)果表明，與地面地震觀測相比，深井觀測能提高1—2 個數(shù)量級的觀測精度，并已成為沉積層較厚的城市及附近地區(qū)地震監(jiān)測的有效手段。目前，國內(nèi)井下地震觀測臺站已有近200 個，主要分布在吉林、內(nèi)蒙古、北京、天津、河南、河北、湖北、新疆、浙江、江蘇、黑龍江、遼寧等20 多個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。吉林省有8 個井下地震觀測臺站，其分布在雙遼、長嶺、乾安、松原、安廣、通榆、雙目峰、長白山山門等地。

已有研究通過分析涿縣地震臺（張壽康等，1986；李彥林等，1989）、昆明地震臺（李雷等，2018）地面、井下地震計記錄的地震波形發(fā)現(xiàn)，井下地震計記錄波形的背景噪聲較小，振幅普遍偏小。薛志照（1987）、仇中陽等（2014）分別分析了天津、蘇北地區(qū)井下、地表地震計記錄的波形資料，發(fā)現(xiàn)地表、井下地震計記錄的地震波頻譜特性間存在一定差異，地震波拐角頻率地表地震計較井下地震計的約大0.28 Hz，地震波峰值頻率前者較后者約小0.22 Hz。

為了進(jìn)一步對比井下、地表地震計記錄波形的差異，2006 年4 月在松原地震臺井下地震計旁0.5 m 處布設(shè)了1 個寬頻帶地震儀，同時進(jìn)行觀測。井深243 m，地震計為北京港震儀器設(shè)備有限公司FSS-3DBH 型，數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP3 型。寬頻帶地震儀為英國Guralp 公司生產(chǎn)的3ESPCDE 一體機。本文擬研究2 套儀器記錄波形的背景噪聲、近震與遠(yuǎn)震波形之間的振幅和頻譜差異，以及提取的近/遠(yuǎn)震接收函數(shù)的異同。鑒于2 套儀器頻帶不同，對原始波形在同一頻段內(nèi)（2 s—8 Hz）采用butterworth 濾波器進(jìn)行帶通濾波，然后再進(jìn)行對比。

1 背景噪聲

為了對比地震計記錄的自然現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲，選取2018 年8 月12 日2—4 時的波形記錄進(jìn)行研究。圖1 為地表、井下地震計記錄的三分量波形。由圖1 可見，波形振幅隨時間變化較小，表明該時間段內(nèi)沒有人為或機器等產(chǎn)生的顯著震動事件。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，井下地震計記錄波形的振幅主要為10-7數(shù)量級，比地表地震計約小1 個數(shù)量級，表明井下地震計記錄到的背景噪聲較小。對原始波形進(jìn)行傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，井下、地表地震儀記錄波形的振幅譜存在一定差異，前者三分量在2 Hz 左右有1 個峰值，大部分能量分布在1—3 Hz 內(nèi)；后者除垂直分量大致顯示在2 Hz 附近有1 個峰值外，水平向沒有明顯的峰值，能量分布范圍較廣，在2—6 Hz 范圍內(nèi)振幅相對較大。

圖1 地表、井下地震計記錄到的背景噪聲三分量波形（a）和傅里葉變換振幅譜（b）Fig.1 Waveforms of three components (a) and amplitude spectrum(b) for ambient noise recorded by the borehole and ground seismometers

2 近震波形

由于小地震能量較弱，傳播距離較短，往往近臺才能清晰地記錄到小地震。圖2 為2018 年9 月15 日9 點12 分發(fā)生在松原地震臺西南方向9 km 深處、震中距為9.8 km 的1 個2.0 級地震事件在井下、地表地震計上的波形記錄。由于震中距較小，故井下、地表地震儀記錄波形的振幅范圍基本一致[圖2（a）]。但是，井下地震計記錄到的波形相對更簡潔。井下地震計清晰地記錄到了EW 分量的初至P 波震相，而該震相在地表地震儀波形記錄上則不明顯。對三分量原始波形進(jìn)行傅里葉變化后發(fā)現(xiàn)，井下、地表地震計記錄波形的振幅譜存在一定差異[圖2（b）]。井下地震計EW 分量波形記錄在1 Hz、2 Hz 處都存在波峰，而地表地震計僅在1 Hz 處有1 個波峰；井下地震計NS 分量波形記錄在2 Hz 左右出現(xiàn)波峰，而地表地震計在3 Hz 左右；井下地震計UD 分量波形記錄在1 Hz 左右出現(xiàn)波峰，而地表地震計則沒有顯示出明顯波峰。基于UD 分量直達(dá)P 波較清晰的特征，對該分量在0.5—2.0 Hz 內(nèi)濾波，發(fā)現(xiàn)地表地震計記錄到的直達(dá)P 波到時比井下地震計慢0.12 s。基于井下地震計深度為243 m，推測0—243 m 深處P 波平均速度約為2 km/s。按照如下新國標(biāo)地方性震級ML計算公式，進(jìn)一步分析了地表、井下地震計震級差

圖2 井下、地表地震計記錄到的近震三分量波形（a）和傅里葉變換振幅譜（b）Fig.2 Waveforms of three components (a) and amplitude spectrum(b) for local earthquake recorded by the borehole and ground seismometer

其中，Ab、As分別為井下、地表地震計記錄到波形的最大振幅。A=(AN+AE)/2，單位μm，其中，AN為NS 向S 波最大振幅；AE為EW 向S 波最大振幅。結(jié)果顯示，由地表地震計記錄波形計算的震級比井下地震計大0.12 級。

3 近震接收函數(shù)

接收函數(shù)是地震波形記錄水平分量與垂直分量反褶積得到的由間斷面轉(zhuǎn)換波和多次反射波組成的時間域波形序列，被廣泛用于反演臺站下方間斷面的厚度和速度信息（Langston，1979）。研究表明，當(dāng)臺站下方沉積層與基底面波阻抗存在較大差異時，可以提取出近震接收函數(shù)（Li et al，2014；Ni et al，2014）。危自根等（2017）采用近震接收函數(shù)成功提取出四川理縣西山村滑坡體上臺站下方的接收函數(shù)，并獲得了該滑坡體厚度和S 波速度等信息?；诖耍疚倪x取高斯系數(shù)為10，在P 波到時前5 s 和后10 s 內(nèi)采用最大熵譜反褶積方法提取接收函數(shù)（吳慶舉等，1998）（圖3）。由圖3 可見，由井下、地表地震計波形記錄提取的接收函數(shù)波形均較復(fù)雜，且提取出的徑向、切線接收函數(shù)波形都存在明顯差異，這表明了沉積層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，由井下地震計波形記錄提取的徑向接收函數(shù)初始P 波震相為正，而地表地震計的為負(fù)，表明在井下地震計與地表之間存在低速的薄層。

圖3 井下、地表地震計近震接收函數(shù)徑向、切向波形對比Fig.3 Comparison of radial and tangential receiver functions for local earthquake recorded by the borehole and ground seismometer

4 遠(yuǎn)震波形

中強地震往往可被震中距為千米以上的地震計清晰地記錄到。對比分析了2018 年9 月6 日23 點49 分發(fā)生在松原地震臺東南方向8 956 km 處、震源深度為670 km 的1 個7.9 級地震事件（圖4）。由圖4（a）可見，井下、地表地震計三分量波形記錄的波形振幅范圍大致相同，但是井下地震計波形記錄更加清晰和簡潔。由井下地震計波形水平記錄能識別出初至P 波震相，但地表地震計波形記錄的P 波震相則受噪聲干擾而無法識別。對原始波形進(jìn)行傅里葉變化后發(fā)現(xiàn)[圖4（b）]，井下、地表地震計波形記錄振幅譜顯示類似的特征，主頻能量均集中在1 Hz 左右。但是，與井下地震計波形記錄振幅譜不同，地表地震計波形水平記錄振幅譜在2—8 Hz 也存在一定的能量?；诖怪狈至恐边_(dá)P 波較清晰的特點，在0.5—2.0 Hz 內(nèi)濾波，識別出地表地震計直達(dá)P 波到時比井下地震計慢0.1 s，接近于上文由近震得到的0.12 s 的時差。地表、井下地震計記錄到的近、遠(yuǎn)震直達(dá)P 波震相到時差的一致性，表明研究結(jié)果是可靠的，并進(jìn)一步支持了井下地震計到地表的P 波平均速度約為2 km/s 的結(jié)論。由于該遠(yuǎn)震震源深度達(dá)670 km，幾乎不發(fā)育面波，同時井下地震計頻帶最低只有2 s 的周期，因此，無法采用新國標(biāo)面波震級MS計算公式（20 s 周期）來計算二者間的震級差。

圖4 井下、地表地震計記錄到的遠(yuǎn)震三分量波形（a）和傅里葉變換振幅譜（b）Fig.4 Waveforms of three components (a) and amplitude spectrum (b)for teleseismic recorded by the borehole and ground seismometer

5 遠(yuǎn)震接收函數(shù)

目前，遠(yuǎn)震接收函數(shù)被廣泛用于求取間斷面和速度結(jié)構(gòu)特征，已成為研究區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)的常規(guī)數(shù)據(jù)分析工具。選取高斯系數(shù)為2，在P 波到時前20 s 和后80 s 內(nèi)采用最大熵譜反褶積方法提取接收函數(shù)（吳慶舉等，1998）（圖5）。由圖5 可見，由井下、地表地震計波形記錄提取出的徑向接收函數(shù)波形具有較好的一致性，而切向接收函數(shù)波形差異則較大。對于徑向接收函數(shù)，由于沉積層的低速特征，P 波震相相對于0 時刻有明顯的偏移，Moho 面的Ps 震相在4.1 s 左右，未受到其他震相的干擾，Moho 面PpPs 多次反射波震相在13.2 s左右，也相對較清晰。

圖5 井下、地表地震儀遠(yuǎn)震接收函數(shù)徑向、切向波形對比Fig.5 Comparison of radial and tangential receiver functions for teleseismic recorded by the borehole and ground seismometer

6 討論與結(jié)論

對比分析了松原地震臺井下地震計和緊鄰的寬頻帶地震計在相同時間內(nèi)記錄波形的背景噪聲及近震、遠(yuǎn)震EW、NS、UD 三分量波形特征，并研究了這些波形的振幅譜及提取的近震、遠(yuǎn)震接收函數(shù)。結(jié)果表明，井下地震計主要記錄到10-7數(shù)量級的噪聲振幅，比地表地震儀約小1 個數(shù)量級；井下地震計波形記錄的振幅譜峰值在2 Hz 左右，而地表地震計振幅譜則沒有明顯的峰值。井下地震計記錄的近震、遠(yuǎn)震三分量波形記錄比地表地震計更清晰和簡潔，能識別出初始P 波震相；井下、地表地震計波形記錄遠(yuǎn)震振幅譜顯示類似的特征，主頻能量都集中在 1 Hz 左右；井下、地表地震計波形記錄近震振幅譜差異較明顯，沒有一致的峰值。由井下、地表地震計波形記錄提取的近震接收函數(shù)波形均較復(fù)雜，且提取出的徑向、切向接收函數(shù)波形都存在明顯差異。由井下、地表地震計波形記錄提取的遠(yuǎn)震徑向接收函數(shù)波形具有較好的一致性，能識別出Moho 面的轉(zhuǎn)換和多次反射波震相，而切向接收函數(shù)波形差異則較大。

與地表地震計觀測相比，井下地震計建設(shè)場地要求較高，成本較大。因此，合理有效地規(guī)劃、安裝井下、地表地震計較重要。對于常用的遠(yuǎn)震徑向接收函數(shù)成像方法等有關(guān)殼幔結(jié)構(gòu)、震源參數(shù)的研究來說，利用地表地震計觀測記錄即可滿足需要。而對于地震預(yù)測中與振幅相關(guān)的震級研究來說，由于淺層精細(xì)速度結(jié)構(gòu)往往不清楚，采用地表地震計容易導(dǎo)致震級放大，此時需要利用井下地震計觀測數(shù)據(jù)。