精密控制機械震源在地下介質變化監測中的應用研究現狀*

楊　微，王寶善，葛洪魁，袁松湧，賈玉華，段家楊

(1.中國地震局地球物理研究所 地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京，100081；2.中國石油大學(北京)非常規天然氣研究院，北京 102249；3.云南省大理州賓川縣地震局，云南 大理 671600)

精密控制機械震源在地下介質變化監測中的應用研究現狀*

楊微1，王寶善1，葛洪魁2，袁松湧1，賈玉華1，段家楊3

(1.中國地震局地球物理研究所 地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京，100081；2.中國石油大學(北京)非常規天然氣研究院，北京 102249；3.云南省大理州賓川縣地震局，云南 大理 671600)

闡述了精密控制機械震源(ACROSS)的工作原理、發展歷程、工作模式及信號檢測等，介紹了國際上利用ACROSS開展觀測實驗的研究現狀，并針對地震危險區域，提出可利用ACROSS進行地下精細結構探測及其動態變化監測研究，增強孕震環境和發震機理的認識水平，為地震物理預報研究提供了一種潛在的技術途徑。

精密控制機械震源；大功率人工震源；掃描信號；結構探測；動態監測

0引言

地震波是“照亮地球內部的一盞明燈”(傅承義等，1985；陳颙，朱日祥，2005)，它能夠穿過地球內部傳播，攜帶了豐富的地下介質物性的信息，是獲取地球內部結構、物質組成及狀態等最重要的研究手段。要想利用地震波來獲取和研究地下介質的信息，首先要有能產生地震波的源。根據地震波傳播的距離范圍，地震學研究可分為全球尺度、區域尺度和局部尺度，不同研究尺度所采用的源也不同。

全球尺度研究的是深至下地幔或地核的地球深部結構，主要利用天然地震信息，已獲得了較為清楚的地殼、地幔和地核的大致結構；局部尺度研究的是地球淺部或極淺部的沉積層結構，屬于勘探地震學的范疇，目前技術較為成熟，是探測地球內部油氣、礦藏等資源的重要途徑(Mooney，1989)；區域尺度研究的是深至地下幾十千米的地殼及上地幔頂部，對于了解和研究地殼和上地幔的結構構造、物質組成、認識地球演化、強震分布規律和潛在震源區的定量化判別等都具有重要的研究意義(梁慧云，張先康，1996；陳颙等，2007)。

目前可利用的源主要有天然地震源、人工震源和環境噪聲源等(王寶善等，2011)，在區域尺度的地震學研究中，天然地震在發震時間和位置上具有極大的不確定性、分布不均勻、震源特征復雜等使其在區域尺度的探測方面存在局限性，而噪聲源能量弱，需要長時間的疊加才能獲得可靠的測量，限制了開展區域尺度研究的時間和空間精度及分辨率。人工震源的位置和激發時間是已知的，探測精度較高(陳颙，朱日祥，2005；王寶善等，2011)，但傳統人工震源達不到區域尺度研究對探測尺度和精度的要求，這就需要尋求合適的大功率震源來開展區域尺度研究。本文針對20世紀末期發展起來的一種新型連續震源(Yamaokaetal.，2001；莊燦濤，2002；廖成旺等，2003)，即精密控制機械震源(Accurately Controlled Routinely Operated Seismic Source，簡稱ACROSS)，論述其工作原理、發展歷程、工作模式以及應用等方面的研究現狀。

1ACROSS工作原理

ACROSS是一種旋轉式的震源，其設計和工作原理是利用伺服電機精密控制兩個完全相同的偏心輪塊體，沿同一轉動軸作相反方向的不平衡圓周轉動，合成垂直方向或水平方向的振動力(圖1)，沖擊地面產生地震波(莊燦濤，2002；廖成旺等，2003；Ikutaetal.，2002，2004；Alekseevetal.，2005；王洪體等，2009a)。

在震源運轉時，由于偏心輪的旋轉塊體質量是不變的，轉動速度是影響和控制震源機械特征的唯一參數，而偏心輪的轉動可以通過伺服電機進行精密控制，因此ACROSS具有高度可重復性和精密可控等特點。當伺服馬達帶動偏心輪塊體作恒定旋轉，如果偏心輪塊體的質量為M，轉動頻率為f，偏心輪重心到轉軸的距離(偏心半徑)為R，那么它產生的徑向力大小為MR(2πf)2，這個離心力通過震源與地面的耦合接觸面而作用在地面上。

震源可以通過沿不同的旋轉軸旋轉組合成不同類型的震源。若兩個偏心輪塊體沿同一水平軸旋轉作相反方向的轉動，合成的結果就只有在垂直方向的力，形成垂直震源，且作用力為

(1)

若兩個偏心輪塊體沿垂直方向旋轉作相反方向的轉動，合成的結果就只有在垂直于偏心輪圓心連線方向的水平力，形成水平震源，且作用力是

(2)

2ACROSS發展歷程

ACROSS是20世紀末期發展起來的一種新型震源，目前正逐步走向實用化，國際上研發、生產ACROSS和開展野外試驗研究的國家主要是俄羅斯、日本、美國和中國等(圖2)。

ACROSS的原理建立比較早，在19世紀70年代，前蘇聯科學院在新西伯利亞市的計算數學和數字地球物理研究所就提出了這一設想(Alekseevet al.，2005)。早期在技術上有一定的制作難度，如高精度可控穩頻電機、大直徑耐磨軸承、高性能地震計和實時處理機等(莊燦濤，2002；楊光亮，朱元清，2007)。隨著科技的發展，相關技術難題都逐漸得到較好的解決，逐步研制出不同類型的ACROSS，前蘇聯的這項研究一直沒有公開，直到2000年以后俄羅斯科學院西伯利亞分院的試驗基地才對國外開放，并在2004年日本召開的國際固體地球物理有源監控工作會上發表了相應的進展和成果(Anatolyet al.，2004)。

日本的研究人員也利用相似原理，在20世紀90年代開始研制ACROSS，核心為一個伺服電機驅動偏心輪轉動，分別按相反的旋轉方向各自旋轉一次，然后進行疊加、相關或反褶積等處理(Ikutaet al.，2002，2004)。由日本富士電機株式會社形成產品，于1998年在Nojima斷裂帶附近開始試運行，該套技術系統在現場實驗中得到了檢驗和進一步的完善，并在2003年11月至2004年6月在日本中部的土歧市正式運行，產生的地面振動可在周圍百公里范圍記錄到(Kunitomo，Kumazawa，2004a，b)，這一成果引起了世界同行的關注。不少地震專家認為這是有希望攻克地震預測科學難關的一個突破點。日本的研究人員利用其精密可控的優點，大力發展ACROSS主動監測技術(Kasaharaet al.，2010，2012；Yoshidaet al.，2012)，并應用到石油、天然氣的開采，CO2氣體注入地層的動態監測等。在數據處理分析方面，日本發展了一套相應的處理技術，主要采取倒譜技術、AIC統計提取技術、傳遞函數法和自適應加權匹配濾波等。

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校(UniversityofCalifornia，LosAngeles，簡稱UCLA)土木工程系的研究人員也利用偏心輪旋轉產生離心力的原理，在21世紀初期，為應用于地震工程中建筑物的健康診斷和監測研究(Whangetal.，2004a，b；Stewartetal.，2005；Skolniketal.，2007)，研制出水平式旋轉震源。Sliver等(2009a，b)和Niu等(2010)與UCLA相關人員開展合作研究，利用ACROSS分別在Cascadia和Parkfield開展了現場試驗研究，在震中距90 km處的流動臺站檢測到了水平旋轉震源(MK15)產生的有效信號，其初步成果在美國地震年會(SSA)和美國地球物理聯合會(AGU)上進行展示，但后續的成果未見報道。

在國內，中國地震局地震預測研究所、北京港震機電技術有限公司和一些單位的研究人員(莊燦濤，2002；廖成旺等，2003；王洪體，2009b)自2000年以來開始跟蹤國際相關的動態，對ACROSS開展相關技術的研發，2002年成功研制了水平向作用力的功能性樣機(單個旋轉偏心輪)，開展了大量的測試與試驗，驗證了控制震源控制系統和起震系統的工作原理，并逐步進行完善和優化，發展到垂直向作用力的小型化ACROSS(兩個旋轉偏心輪)，2006年北京港震機電技術有限公司開始進行40 t垂直向作用力ACROSS的研發，并在一年后成功研發生產出國內第一臺大噸位的垂直向作用力ACROSS。

圖2給出了目前國際上較成熟并用于野外觀測研究的不同ACROSS類型。俄羅斯注重于大噸位的垂直線性震源研制(圖2a、b)，主要有固定式(CV-100)和移動式(CV-40)兩類震源，這兩類設備的特點是功率很大，其中CV-100型對地面的最大作用力為100 t，CV-40型為40 t，信號頻率低，所以信號傳播很遠。CV-100型振動源的單頻信號傳播距離可超過1 000 km，信噪比較高的信號可達312 km，CV-40型的單頻信號傳播距離可達430 km，信噪比較高的信號可達100 km，探測深度能達到莫霍面(Alekseevetal.，2005；Kovalevskiyetal.，2012)，這樣的震源對于探測地殼精細結構及其動態變化研究是非常有用的。

日本側重于小型化的震源，垂直向和水平向震源均有，震源體只有一個偏心輪(圖2c、d)，美國主要以水平振動震源為主(圖2e、f)，國內成功研制了垂直旋轉震源，有固定式(CCAS-40)和移動式(CCAS-10)兩種(圖2g、h)，其中CCAS-40型對地面的最大垂向作用力為40 t，CCAS-10型的垂向力為10 t，信號頻率范圍為2～10 Hz。各震源的頻率特征和出力大小見表1。

表1　現有ACROSS類型及特征

3工作模式及信號檢測

掃描技術是連續可控源的重要組成部分(林君，2004；崔仁勝，王洪體，2011a)，由于ACROSS具有相位精密可控的特點，目前采用的工作模式主要有單頻掃描模式、線性掃描模式、非線性掃描模式等。為利用ACROSS進行地殼結構探測和地下介質變化的監測分析提供技術手段，針對不同工作模式下掃描信號的特征，不同研究人員采用的信號檢測方法也不同(楊微等，2013)。

3.1單頻掃描模式

單頻掃描是指在掃描時間內，震源掃描的頻率呈單一頻率保持不變。單頻掃描信號的能量都累積到該頻率上，在頻率域里呈現單一峰值，易于檢測和辨認。在單頻信號檢測上，日本的研究人員采用自定義的“存否”倒譜分析方法，得到時間域的地震波形記錄，再采用常規地震資料處理方法來進一步分析和計算地殼介質參數等。俄羅斯的研究人員采用互相關處理和諧波分析(Kasaharaetal.，2010)，獲得二次諧波與基波的振幅比隨時間的變化關系，利用其敏感系數重構地球殼內介質微弱的應力變化，并觀測到了由日潮和半日潮引起的線應變。

3.2線性掃描模式

線性掃描是指掃描的頻率隨時間呈單調變化，且是時間的線性函數。在采用線性掃描過程中，結合震源的工作原理，產生的作用力與激發頻率呈二次方線性增加，一般采用先升頻再降頻的掃描模式。在信號檢測方面，俄羅斯的研究人員采用匹配濾波相關法(Alekseevetal.，2005)，日本學者采用相干和反褶積法(Ikutaetal.，2002，2004；Saigaetal.，2006)，美國學者采用反褶積法(Sliveretal.，2009a，b；Niuetal.，2010)，在國內，崔仁勝和王洪體等(2009b，2011)采用匹配濾波相關法進行檢測分析。

由于線性調頻信號的Wigner-Ville分布在時頻域內呈一條直線，且在霍夫(Hough)變換后表現為一個峰值，Li等(2012)和劉希康等(2013)采用維格納—霍夫變換(Wigner-Hough Transform)檢測ACROSS線性掃描信號。圖3給出了Li等(2012)利用ACROSS(CASS-40)在廣東省新豐江水庫東南的大壩峽谷區至河源一帶的探測資料采用維格納—霍夫變換法分析的結果，在40 km內Pg和Sg波很明顯(圖3a、b)，在80～120 km的偏移距上也檢測到了清晰PmP和SmS震相(圖3c、d)，而且與擬合波形(圖3e、f)一致。

3.3非線性掃描模式

非線性掃描是指掃描信號的頻率與掃描時間不呈線性關系。ACROSS在采用線性掃描模式時，高頻段信號掃描產生的能量較強，而在低頻段掃描的能量較弱，為了讓掃描信號的自相關函數盡可能的接近脈沖函數，要求在低頻段和高頻段信號的能量盡量保持一致，則在掃描周期里，低頻段信號掃描時間要比高頻段的長，以增強低頻信號的能量，降低自相關函數的旁瓣。楊微等(2013)對互相關、短時相關、相干和反褶積方法進行了對比分析研究，認為大噸位的ACROSS產生的信號頻帶范圍窄，在信號檢測和震相識別上，相干和反褶積法優于互相關和短時相關法。

4應用現狀

由于ACROSS具有高度可重復性和相位精密可控等特征，俄羅斯、日本、美國和中國等分別將ACROSS應用于地殼精細結構的探測和地震危險區斷裂帶介質應力狀態的動態監測等。

4.1結構探測研究

俄羅斯科學院的科研人員首先對ACROSS信號記錄與人工爆破(5 t TNT)的記錄進行了對比分析，在地震剖面上兩種震源產生的震相一致，然后利用型號為CV-40的ACROSS，從Pevek到Anadyr，再到Hatyrta進行了殼幔結構探測(Kovalevskiy，2012)，發現新的探測結果與以前的地質—地球物理剖面存在著明顯的差異(圖4)：(1)新的探測結果顯示界面K與以前的探測結果有差異；(2)在剖面540～600 km處，地殼厚度約為33 km，莫霍面比其他區域的深度要淺，分析認為可能與該區域的油氣聚集區或者礦石區有關。

王洪體等(2009a)聯合北京港震機電技術有限公司利用其生產的40 t固定式ACROSS，在河北省沽源縣布設了150 km的流動測線進行連續監測試驗研究，在150 km范圍內取得有效的數據記錄，從其中可以提取多種地震震相的走時，采用震相波組全波互相關的方法，走時精度可以達到1 ms以上，并將126次疊加的記錄與中國地震局地球物理勘探中心1996年實施的爆破記錄進行了對比分析，二者初至震相的基本特征一致，從80～150 km都能看到比較明顯的莫霍面反射波，垂直向ACROSS記錄中也有明顯的S波，似乎還可識別更多的后續震相。

4.2地震相關介質變化研究

ACROSS震源的另一個優點是可以重復進行。俄羅斯地震學家在新西伯利亞的貝斯特羅夫卡實驗場和貝加爾湖實驗場都使用了這種震源，研究區域深部地殼介質結構，類似于人工地震探測方法。他們與日本合作，在地質復雜的西伯利亞地區建立一條深度達50 km的波速剖面，還在貝加爾湖實驗場布設了一條長達125 km的連續觀測剖面，以連續檢測波速隨時間的變化，相關成果還未見報道。

1995年Kobe 7.2級地震后，Yamaoka等(2001)等利用水平向ACROSS，在Nojima斷裂帶附近建立一套監測系統，動態監測精度為0.02 ms，在1 km的震中距上觀測到相對走時變化為0.1 ms，相對波速變化約為0.1%。該系統在2000年1月后又進行了為期15個月的連續觀測，在實驗期間，2000 年發生TottoriMw6.6地震和2001 年發生GeiyoMw6.4地震，兩次地震震中離震源位置分別為170和215 km，在同震期間，觀測到S波相對走時突然延遲約為0.4%和0.1%(圖5)，延遲的S波震相偏振方向垂直于Nojima斷裂帶，S波的相對變化幅度比P波的變化大，分析其原因主要是由于斷裂帶裂隙流體填充增加所引起(Ikutaetal.，2004)。在試驗期間，日本科學家同時也注意到震源與基板的耦合情況對觀測結果有較大的影響，在數據處理過程中采用反褶積和疊加的方法來降低其影響。同時，Saiga等(2006)分析認為震源近場環境因素(大氣壓、溫度、降雨等)的變化對觀測動態變化存在著影響，在去除掉15～20 Hz頻率范圍的信號后，環境因素的影響明顯減小。

美國的地震科學家為了監測周期性的震顫和滑移由微弱的應力變化而觸發(Silveretal.，2009；Niuetal.，2010)，利用ACROSS(MK15)在Cascadia和San Andreas Fault開展主動監測試驗，以研究震顫和滑移的觸發機制。首先與ACROSS產生的信號記錄與炸藥震源的記錄進行了震相對比分析，然后進行單頻掃描模式驗證主動監測系統的可行性，在90 km外的流動觀測臺站檢測到了清晰的直達Pg和Sg震相，但后續的連續觀測結果還未見到報道。

2008年汶川MS8.0地震后，楊微等(2010)在龍門山斷裂帶前山斷裂帶附近利用ACROSS(CASS-10)進行連續監測試驗，在試驗觀測期間綿竹發生了一次MS5.6地震，地震前后觀測數據的對比分析表明(Yangetal.，2012，2013)，穿過斷裂帶的直達P波的相對走時延遲了5～9 ms，而未跨過斷裂帶的臺站未觀測到變化，通過建模分析表明，該時延主要是同震效應引起的120 m斷裂帶內應力改變，變化幅度約為2.0%(圖6)。Chen等(2014)利用連續監測的試驗數據，通過噪聲互相關和ACROSS主動探測方法進行分析，發現獲得的連續波速變化非常一致，且與大氣壓力變化呈明顯的正相關性。

4.3油氣相關介質變化研究

俄羅斯的科學家在北高加索和東西伯利亞油氣地區利用多臺固定式的ACROSS(CV-100)，開展油氣聚集和運移特征的連續監測研究，發現位于油區外的環境噪聲功率譜在1～10 Hz內低于油區上方的觀測幅值，分析認為在低頻段的差異特征可能成為油氣藏的經驗性指示標志。

同時，日本和美國的科學家也將ACROSS應用于CO2注入地層動態監測研究中，發現在CO2注入前后注入井周圍介質存在著明顯的地震波速度變化。Kasahara 等(2012)在Awaji Island地區觀測到CO2注入前后地震波速度在有些地方是快速變化，有些是逐漸緩慢的變化，且波速變化幅度較大的是后續震相而不是P波和S波的初至。

4.4建筑物結構健康診斷

除監測地下構造應力變化以外，UCLA研究人員還將ACROSS應用于其他方面，他們研制ACROSS的初衷就是將其應用于建筑物的健康損傷檢測(Whangetal.，2004；Stewartetal.，2005；Skolniketal.，2007)，對建筑物施以微弱的振動信號，測量不同時間各部位振幅和相位的變化來推斷損傷部位和損傷情況，目前已圍繞高架橋梁、大壩、鋼筋混凝土多層房屋等建筑物開展試驗研究。

5總結

隨著ACROSS技術系統的關鍵問題逐漸得到改進和完善，為人工地震探測方面提供了一種新的選擇，其應用主要有：

(1)地殼精細結構探測。大噸位的ACROSS具有功率大、頻率低、相位精密可控等特點，一個幾十噸量級的ACROSS的作用范圍可達百公里量級，其探測深度可穿透整個地殼，為地殼精細結構探測提供了一條新的技術路線。

(2)地震危險區斷裂帶動態監測。ACROSS的綠色環保和高度可重復性，可達到主動源動態監測的技術要求，在地震危險區開展地下結構探測及其動態變化監測，為了解地震孕育和發生機理以及余震趨勢的判斷提供了潛在的途徑。

(3)S波分裂研究。ACROSS水平震源能產生S波震相，分析剪切波偏振方向和斷裂帶性質的關系，獲取S波分裂隨時間變化的規律，進而反映地下介質應力的動態變化，為地震物理預測探索提供了可靠的物理途徑。

在其他應用領域方面，俄羅斯、日本和美國等國家已逐步開展工作，如俄羅斯利用ACROSS在北高加索和東西伯利亞油氣地區開展監測，日本將ACROSS應用于CO2注入地層的監測，美國也將ACROSS應用于CO2注入地層和建筑物健康診斷分析等監測研究。

利用重復人工震源獲得地下介質波速結構和時間演化特征，是4D地震學研究中一個新的發展方向，尤其開展區域尺度的研究，對于探測地殼結構的物質組成、了解巖石圈演化及成礦過程、認識地震的孕育和發生過程、進行大陸動力學研究和對地震進行物理預報都具有重要的意義。

在開展野外試驗探索中，得到了四川省地震局、北京市地震局、北京港震機電技術有限公等多家單位相關研究人員的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝。

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Research Status of Application of Accurately Controlled Routinely Operated Seismic Source on Monitoring Subsurface Medium Variation

YANG Wei1， WANG Bao-shan1， GE Hong-kui2， YUAN Song-yong1， JIA Yu-hua1， DUAN Jia-yang3

(1. Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging， Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China) (2. Unconventional Natural Gas Institute， China University of Petroleum， Beijing 102249， China) (3. Binchuan Seismological Bureau， Dali 671600， Yunnan，China)

The working principle， developing history， operation mode and signal detection of Accurately Controlled Routinely Operated Seismic Source (ACROSS) is described， and the current status of experiment research with ACROSS on international is introduced. Aiming at the risk zone with potential earthquake， we put forward to detect the subsurface structure and its dynamic monitoring using ACROSS to improve the understanding on the seismogenic mechanism and environment， and provide a potential technology for physical forecast of earthquake.

ACROSS;superpaver artificial seismic source; scanning signal; structure detection; dynamic monitoring

1000-0666(2015)01-0025-10

2014-08-18.

地震行業科研專項(201208004)和國家科技支撐計劃“汶川地震斷裂帶科學鉆探—主動震源探測及發震斷裂的走時變化監測”聯合資助.

P315.33

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