短周期密集臺陣在郯廬帶北段（遼寧段）的架設

楊振鵬， 崔政東， 程 程， 張志宏， 杜琳琳

（1. 遼寧省地震局， 遼寧 沈陽 110034； 2. 鐵嶺地震臺， 遼寧 鐵嶺 112000；3. 吉林大學， 吉林 長春 130012； 4. 遼寧開放大學（遼寧裝備制造職業技術學院）， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

郯廬斷裂帶北段（遼寧段） 是中國大陸歷史強震活躍區和現今地震重點危險區之一。 從事地震學研究的前輩們從地震地質、 地球物理及地震活動性等方面開展基礎性工作， 獲得過相應的成果和寶貴經驗。 但是關鍵構造部位地質資料較少、 速度結構分辨率不高、 強震孕育動力學模型不清楚等問題值得我們研究。 利用密集臺陣觀測進行噪聲成像、 接收函數等地震學方法開展地下探測研究是當下研究地震學的熱門方法。 即穿透物質來探索研究物質內部結構， 更好的揭示地下精細結構。 地震臺陣始建于20 世紀50 年代末， 用于檢測、 區分核爆炸信號和地震信號[1-3]。 隨著社會經濟的飛速發展， 對地震臺網監測能力的要求越來越高[4]。地震波在其傳播過程中遇到介質不同的巖層界面， 其中一部分能量被反射， 另一部分能量通過界面而繼續傳播。 地下的地層面不整合面和斷層面等都可能產生反射波， 以反射波振幅和反射系數可以推算出地下波阻抗的變化， 然后對地層巖性做出預測。 沿地表傳播的面波淺層折射波和各種雜亂振動波與目的層無關的反射波信號形成干擾， 我們稱之為噪聲[5]。 地震波在地表下傳播的時候會基于不同的介質發生具有特殊性的反射或者是折射， 接收器在接收到地震波的反射或者是折射信號之后能夠基于震源的位置以及震波檢測地點的位置等對地下巖層的具體結構和性質等做判斷[8]。

近年來， 基于噪聲成像和密集臺陣觀測是地震學研究技術和方法的重要變革， 該方法已經成為探測研究地球深部精細結構的重要手段[7]。百米級臺間距的短周期密集臺陣所記錄的遠震射線在地殼內相對均勻、 密集， 適合于研究地殼速度結構[6]。 地震現場應急和科學探測臺陣的流動測震臺網中也包括不少的短周期地震儀[9-10]。目前噪聲成像和密集臺陣觀測在探測城市地下空間、 活動構造帶、 火山、 大型建筑結構等內部結構研究， 以及大陸動力學等相關研究中得到了廣泛應用， 國內外學者開展了大量的研究工作[7]。 密集臺陣觀測存在著4 個方向的顯著特點。 第一是專業性。 短周期和寬頻帶儀器信號接收都利用的是專業的設備， 所以方法利用的專業性顯著； 第二是方法利用具有規律性。 因為地震波的傳播有特定的規律， 所以在數據分析中， 基于規律分析效果會更加顯著； 第三是回報率高， 這種方法利用的準確性非常突出，能夠在最低投入基礎上獲得最大產出； 第四是有利于地質細節確定， 更好揭示地下精細結構[8]。

1 臺陣概況

郯廬斷裂帶北段（遼寧段） 是中國大陸歷史強震活躍區和現今地震重點危險區之一。 我們的前輩從地震地質、 地球物理及地震活動性等方面開展基礎性工作， 獲得過相應的成果和寶貴經驗。 但是關鍵構造部位地質資料較少、速度結構分辨率不高、 強震孕育動力學模型不清楚等問題值得我們研究。 利用架設密集臺陣進行反演地下地質速度結構是當下研究地震學的熱門方法。 通過這樣的方法來揭示研究區域地下精細結構。 數據采集作為第一步， 也是最關鍵的一步， 因為原始數據有缺陷， 數據沒有連續， 沒有任何辦法可以修補， 因此高質量的野外工作是科學研究成功的基礎。

本文是基于局所合作項目所產生， 通過郯廬帶北段（撫順地區、 沈陽地區） 布設短周期密集臺陣， 利用接收函數和背景噪聲成像方法獲取郯廬帶北延段地下速度結構。 本文主要論述的內容為密集抬陣的布設方案、 布設流程、布設過程中的注意事項等。 密集臺陣布設觀測共兩期， 兩期都使用同型號短周期儀器， 布設儀器數量為60 套。

2 布設方案特點及預期產出效果

一期采用線型設計， 兩條線各30 套儀器，每條線長度約15km， 臺間距400m-600m， 連續觀測時間近一個月； 采用線性設計主要是短周期地震計包圍水庫和容易發生礦震地段， 通過水庫蓄水和發生礦震被短周期儀器接收信號，提取蓄水和發生礦震對地下介質影響， 同時對地震進行定位。

二期采用矩形設計10km*10km 范圍內布設60 套儀器設計， 連續觀測時間三個月左右。 在依蘭—依通斷裂（遼寧段） 和密山敦化斷裂（遼寧段） 兩支主干分支斷裂布設； 其中依蘭—依通斷裂從沈陽西部穿過， 走向NE-NNE， 長度200km； 密山敦化斷裂從沈陽南部穿過， 走向NEE， 長度200km 左右。 采用矩形設計是短周期地震計包圍所研究的區域， 通過面型覆蓋，擬利用噪聲成像方法反演該區域地下速度結構。獲得郯廬斷裂帶分叉區域的高精度地下介質模型（圖1）。

圖1 一期和二期密集臺陣布設圖Fig.1 Intensive stage array layout in two stages

3 流動臺設備的構成

3.1 地震檢波器

架設密集臺陣首選是儀器， 儀器選用一體化短周期地震計（圖2）， 內置正交三分量高靈敏度短周期地震檢波器， 頻率響應范圍1Hz～150Hz， 尺寸14cm*16cm， 重量2.4kg， 固態存儲32G， 工作溫度范圍-40℃～70℃， 收據回收方式采用數據回收電纜+無線數據回傳， 工作模式自主采集+工業級平板電腦現場無線質控，內置鋰電池可以反復充電。

圖2 短周期地震計Fig.2 Short-period seismometer

該儀器產品的特點是全內置一體化短周期地震計， 實現在固定測位上按照預先設定的采集參數， 對內置正交三分量高靈敏度短周期地震檢波器通道進行連續的數字化同步采集， 并將采集記錄存儲的采集站內部的大容量非易失性存儲器中； 24 位模數轉換器， 高精度數字化采集與記錄， 瞬時動態范圍≥124dB； 內置高靈敏度衛星定位與授時模塊， 配合內置+外置高靈敏度有源天線， 支持埋置應用， 最大程度上減小衛星授時失鎖概率； 衛星授時連續馴服策略配合高穩定度內部時鐘源， 實現微秒量級經度的廣域系統同步采集； 內置無線模塊， 支持采集現場設備自檢、 無線狀態查詢、 采集數據的回讀及實時回傳； 內部160Wh 可充電鋰電池組， 連續記錄大于600 小時； 可選配外接大容量電池單元， 工況下外電池為主， 內電池為輔， 由內置電源管理單元自動切換， 實現超長時間連續采集與記錄； 防水耐腐蝕高強度工程塑料外殼。 體積小（14cm*16cm）， 重量輕2.4kg。

3.2 GPS 授時

GPS 時鐘是一種接受GPS 衛星發射的低功率無線電信號， 通過計算得出GPS 時間的接受裝置。 為獲得準確的GPS 時間， GPS 時鐘必須先接受到至少4 顆GPS 衛星的信號， 計算出自己所在的三維位置。 GPS 授時系統是針對自動化系統中的計算核心、 控制裝置等進行校時的高科技產品， GPS 授時產品它從衛星上獲取標準的時間信號， 將這些信息通過各種接口類型來傳輸給短周期地震計， 這樣就可以達到整個系統的時間同步， 如圖3 所示。

圖3 短周期地震計連接的GPS 裝置Fig.3 GPS device connected by a short-period seismometer

3.3 電源供電

檢波器本身自帶電源， 在沖滿電情況下可以記錄20 余天數據。 一期布臺并未使用額外電源。 二期布臺結合東北地區秋冬溫度低、 耗電量快的特點， 采用短周期地震計連接蓄電池的供電方式， 保證短周期地震計數據記錄達到三個月， 蓄電池為12v， 60Ah， 具有雙耳手拎式，把手可以折疊， 方便攜帶和轉移。 同檢波器連接一起埋入地下。 蓄電池如圖4 所示。

圖4 短周期地震計連接供電的蓄電池Fig.4 Short-period seismometer connecting the supplied battery

4 儀器配置

（1） 在巡線平板電腦中， 進行現場質控軟件（ALLSEIS Manangement Unit-3CH） 參數配置。 設置Configure.ini 文件中Repeater_IP 參數， 講地址配置為所使用中繼單元IP 地址； 中繼單元后面有IP 地址為： 110.***.140.196。

（2） 開啟電腦， 通過無線網絡連接中繼單位（軟件界面中繼連接狀態為綠色連接顯示成功）；

（3） 用巡線平板電腦連接檢波器， 在界面Status 里搜索設備， 然后連接設備， 連上以后設置臺站號碼， 設置采樣率， 統一頻率是100Hz。

（4） 點擊開始采集， 進行采集數據， 界面顯示數據采集中， 儀器開始記數。

（5） 完成設備采集參數設置后， 在Status菜單欄中選中該設備， 點擊斷開設備。 儀器配置完成， 如圖5 所示。

圖5 儀器配置界面Fig.5 Instrument configuration interface

5 野外工作施工

地震檢波器野外采集的數據是后續科學研究和分析的最主要依據， 所以嚴格標準化的野外施工是獲得高質量數據的前提和保障。

在野外工作中， 為保障采集到真實有效的地震數據， 精準定位至儀器架設位置， 檢查周邊壞境， 選擇合適的臺站點位。 環境背景噪聲是野外環境中最突出的信號干擾源。 臺站位置的選擇， 首先要注重選擇低噪聲背景位置。 一般采用如下選址標準： 第一， 遠離公路、 鐵路、采礦施工和其他連續噪聲信號源， 避開高壓線路、 變電站等電磁干擾； 第二， 考慮到儀器安全問題， 包括儀器看護、 交通道路和綠化挖掘、野生動物啃食、 導致設備老化等可能發生的情況； 第三， 避開樹下、 河道等地點， 防止雷擊、水淹事件發生， 遠離周圍正在進行施工或即將施工的區域。 項目進行過程中為保證數據采集連續性應提前計算好儀器更換頻率， 在每個點位的儀器布設過程中的關鍵步驟（主要是調平指北） 留存一張以上的照片為依據， 特別是儀器埋設周圍環境參照物照片， 做好標記以便取回。 完成布設前通過儀器配置， 設好樁位號、采集頻率、 檢查GPS 連接情況等， 儀器進入采集模式并顯示實時波形后方可掩埋。 施工人員應認識到地震儀在勘探工作中所起到的重要作用， 要了解與掌握設備類型、 性能以及野外操作等， 并按照實地勘察要求， 合理選擇與運用設備。 野外采樣的觀測流程見圖6 所示。

圖6 野外采樣觀測流程圖Fig.6 Flow chart of field sampling observations

6 常見問題與注意事項

（1） 檢波器要放置空曠場地， 不要放置大樹下等有遮擋物的下面， 以免GPS 信號不好，影響數據授時。

（2） 下載檢波器數據時候， 將檢波器關閉，否則與電腦連接時， 雖然有電腦提示音， 但是不顯示硬盤符號， 讀取不到數據。

（3） 回收設備后一定要關機， 否則設備還是默認記錄數據， 在電源允許情況下， 直至存儲空間存滿， 不利于再次使用。

（4） 檢波器存儲存在虛擬刪除， 在與電腦連接后， 即使刪除數據， 頁面空白也不是真正數據清空， 當手持電腦連接時數據還是有剩余，記住要清除數據選擇格式化。

（5） 遼寧地區氣候地處歐亞大陸東岸、 中緯度地區， 境內雨熱同季， 日照豐富， 積溫較高， 冬長夏暖， 春秋季短， 四季分明。 雨量不均， 東濕西干。 盡量避開冬季布設和架臺， 冬季溫度時間長， 平均溫度處于-5℃～6℃。 由于冬季氣溫低， 晝夜溫差較大， 電池電量損耗快，數據記錄時間短。 另外回收設備時候容易被凍住， 儀器不好回收， 在挖掘時檢波器和GPS 線路也容易受到損壞。

（6） 每次布臺前做好準備工作， 逐一檢查設備電量， 確保電量充足； 逐一檢查設備存儲空間， 確認設備內存充足。

（7） 遼寧大部分位于中朝準地臺， 喜馬拉雅運動形成了遼寧境內的東、 西部大型隆起和中部凹陷的構造格局[11]。 中間平原居多， 布設儀器繞開干擾源即可布設。 而遼寧東、 西部排除干擾源外， 山區和農田地貌居多， 勘選布設稍有難度。

（8） 檢波器設備掩埋地方一定要做好標記，同時拍好掩埋處參照物照片， 以便于回收時候尋找。 建議做兩處標記， 一個是掩埋處地上標記， 另一個是掩埋處高處的標記。 掩埋處地上標記方便尋找準確位置， 掩埋處高處標記方便迅速鎖定掩埋區域。

7 結論與討論

（1） 密集臺站觀測數據采集作為項目研究的第一步， 也是最關鍵的一步， 原始數據有缺陷， 數據沒有連續， 無任何辦法可以修補， 因此高質量的野外工作是科學研究成功的基礎。

（2） 密集臺陣布設方案與研究對象有關，本文主要是線型和面型布設， 線型布設研究水庫蓄水和發生礦震對地下介質速度結構的影響；面型布設主要研究郯廬斷裂帶（沈陽地區） 分叉定位成像。

（3） 該項目將短周期密集臺陣引入到殼幔結構的深部探測， 豐富了殼幔結構的探測手段。

（4） 密集地震臺陣探測這類方法抗干擾能力強， 特別適于在人口密集的城市地區開展工作。

（5）短周期密集地震臺陣探測一次性可以投入大量的儀器設備， 觀測點距可達百米級， 在高精度地球深部結構探測中有明顯的優勢和廣闊的應用前景。

（6） 在大中城市周邊建設地震臺陣， 可解決城市內地震監測臺站建設不便和背景噪聲高等問題， 增強人口密集區的地震監測能力。