河北赤城可控震源主动监测实验

董一兵，胡 斌，杨 锐，尹康达

（1.河北省地震局，石家庄 050021；2.中国科学技术大学，合肥 230026）

0 引言

在地震孕育的过程中，震源区介质的性质会随时间变化，对这种时变的监测是地震预测研究的重要思路和具有潜力的研究方向［1］。目前研究地下介质变化所采用的震源主要为地震和噪声等被动震源，由于受到源位置和时间等因素制约，这些观测结果的时空分辨率有限。为了克服这一不足，学者们开始尝试利用高性能人工震源实现地下介质变化高精度监测［2］。常用的人工震源可分为脉冲震源和连续震源，其中，脉冲震源是将能量瞬间释放产生一个脉冲信号激发地震波，而连续震源是通过持续的激励向地下发射信号［3］。精密可控主动震源是20世纪90年代从日本发展起来的一种电驱动连续震源，具有相位控制精确、噪音小、重复性高、无破坏性、可移动使用等特点，以它为基础构成的精密主动地震监测系统，可以广泛应用于多种环境的地下介质结构与物性四维探测［4］。国内外不少学者开展了基于可控震源的地下介质主动监测研究，Ikuta 等［5］观测到由一个6.6 级地震引起的波速变化，王洪体等［4］在河北沽源计算出了地震波的走时变化，杨微等［6］监测到了四川绵竹M5.6地震前后波速变化。为了验证介质变化主动监测技术的可行性、探索实用化的途径和方法，我们采用北京港震机电技术有限公司生产的CASS－40精密可控主动震源系统，于2014年8月11日至11月24日和2015年7月23日至8月6日在张家口赤城地区开展了2次主动震源监测实验。在实验中分别采用5～10～5 Hz、4～10～4Hz线性调频信号，布设了赤城—张家口、赤城—张北2 条测线，对发射信号进行连续记录。用短时Fourier变换、反褶积和WHT 变换等方法对观测记录进行了处理，并对处理结果进行了分析。

1 实验

1.1 CASS－40系统简介

CASS－40由机械系统、伺服控制系统和监测系统3部分组成（图1）。机械系统中的振动体由2个机械特性完全一样的偏心块组成，在电机的带动下2个偏心块相向旋转，其离心力相互作用合成垂直方向的作用力。这个力作用在发射平台上，发射平台与地面耦合共同产生振动，将发射信号传入地下［7］。为保证发射信号的一致性，对实验场地进行了如下处理：挖槽并用混凝土筑底，地基上铺设钢板，用螺栓将震源与钢板、地基可靠连接，保证震源与大地的紧密耦合，再用轻钢结构搭建活动板房，将震源保护起来，减少不利气象条件对实验运行的影响。

图1 CASS－40系统

1.2 发射信号的调频模式

CASS支持单频、线性调频和非线性调频多种调频模式。实验期间我们选用的是线性调频信号（Linear Frequency Modulated，LFM）。LFM 是一种频率随时间线性增大／减小的的非平稳信号，瞬时频率f（t）呈线性变化：

式中，f（0）为初始频率，k为调频斜率，k＞0时频率递增，k＜则递减。

实验1的运行模式（图2a）：采用LFM，每小时的600s至1 800s运行1个大周期，每个大周期内连续运行2 个600s的小周期；每个小周期的前300s，震源的工作频率由5 Hz线性上升至10 Hz；后300s再由10Hz线性下降至5 Hz。实验期间，震源从周一至周五每天分早中晚3个时段运行，分别是北京时间的9—11时、15—17时和21—23时。实验2 的运行模式有所调整（图2b）：仍然采用LFM，每小时的600s至2 400s运行1个大周期，每个大周期内相比增加1个600s的小周期，并调整每个小周期的调频带宽为4～10～4 Hz，增加了调频信号的低频成分，实验期间，震源24h连续运行。

图2 2次实验的调频模式

1.3 布设测线

基于观测的需要，临时台站都建在野外，为了兼顾观测数据质量和仪器安全，我们设计了临时台网建设流程：

1）准备工作。主要完成测线规划、仪器选型和仪器一致性检测工作。根据观测需要在地图上绘制测线，在测线上均匀布点，确定每个点的地理坐标。实验1的规划布局是沿震源至张家口固定台一线建设10个临时台站（台站代码st1＿1～st1＿10），测线总长度75km；实验2的规划布局是沿震源至张北固定台一线建设21个临时台站（台站代码st2＿1～st2＿21），测线总长度116km，台站分布见图3。根据观测信号的频谱特征进行仪器选型，选择英国GURALP 公司的短周期一体化地震计CMG－40TD，灵敏度为2 000V／m／s，频带范围为1～100 Hz，该仪器在1～100 Hz频段的速度响应曲线平坦，适合用于主动源地震台阵观测。为了保证仪器的一致性，使用前检查了所有仪器的脉冲标定结果。

图3 震源与测线分布图

2）台基处理。台基对于观测数据的质量具有至关重要的作用，以1m 见方表面平整的裸露基岩为佳。对于裸露的基岩，表面较平整的，可清理表面杂物后用工具将表面打磨水平，即可作为台基（图4a）；表面不平整的，则需要在原基础上用水泥砂浆浇筑一个10～30cm 厚的摆墩，并将表面打磨水平，养护24h，保证摆墩与岩体紧密耦合；对于土层台基，需要预挖一个1m 见方、0.5m 见深的基坑，并在基坑顶部四周设置简易挡水堤防止泡槽，然后用水泥砂浆筑底，将基底打磨水平，养护24h（图4b）。

3）安装仪器（图5a）。仪器安装步骤如下：①用寻北仪确定方位角；②安放地震计，调至水平；③安装GPS天线；④安装蓄电池；⑤加电，连接计算机；⑥检查仪器状态，包括三分向的极性、GPS运行状态、机械零位、自振周期、阻尼和灵敏度，确保仪器状态正常［8－9］。

图4 台基处理

4）安装防护罩（图5b）。仪器安装调试无误后即可安装防护罩。防护罩是1个1m 见方的箱体，采用聚苯乙烯泡沫塑料制成，具有保温、防水、隔风、隔音、减震的作用，安装后可对仪器形成保护层，并抑制背景噪声对观测数据的影响。防护罩安装后应用土石填埋四周使其牢固。

图5 安装仪器和防护罩

2 数据

2.1 发射信号的重复性

利用人工震源进行波速变化测量是通过重复测量相同路径上的地震波走时来实现的，只有保证震源的重复性，才能进行有效的波速变化测量［6－7］。震源的重复性是指震源激发位置和激发波形的可重复性。赤城震源固定安装在实验室内，每次激发时的耦合条件完全一致，因此激发位置具有完全可重复性。重点考察震源激发波形的重复性，震源信号的重复性主要受震源与地基和大地的耦合、降雨等因素的影响。通常用相关系数来定量表示波形相似程度，相关系数越接近1，则表明波形就越相似。以实验2为例，CASS在每个小时的固定时间开始启动，运行频率为4～10～4Hz，固定运行3个上升周期和3个下降周期，因此用4～10Hz的带通滤波器对全部台站数据进行滤波后，选择参考台站1h的数据作为参考信号，再与其它小时数据进行互相关分析。结果显示在本次实验的337h运行结果中，所有信号的相关系数均在0.98以上，除了2h有机械故障小于0.985外，其余335h数据的相关系数均大于0.985（图6），表明CASS每次激发产生的振动信号具有很好的重复性。

图6 CASS发射信号的重复性

2.2 临时台站的背景噪声

观测资料的噪声主要来自2方面：仪器自噪声和环境噪声。而地震计在工作频带内的自噪声水平要远低于环境背景噪声，因此背景噪声成为影响观测质量的关键因素。流动地震观测中，自然噪声和人为噪声是主要噪声来源。自然噪声是指自然因素引起的噪声，如风、急流（瀑布和河流）、温度变化、地倾斜等，主要导致长周期噪声（周期大于10s），也可能形成高频噪声。风是自然噪声的主要来源，风与粗糙的地面摩擦、树或高大建筑物随风摇摆以及地震计周围的空气流动都会引起长周期噪声。人为噪声是指由人类活动引起的环境噪声（如城镇附近公路、铁路、工厂等引起的噪声），主要集中于高频频段（频率大于5 Hz）［10］。人为噪声的频段与CASS的调频频段相重合，是我们实验的主要噪声来源。

2.3 观测系统的钟差

观测仪器的高精度时间服务是精确测量速度的前提。为检查观测系统的授时精度，收集了临时台站的钟差数据并计算了算术平均值（图7），结果显示，所有台站的钟差都分布在2.0μs左右，时间精度满足观测要求。

图7 临时台站钟差的均值分布

3 信号处理方法

3.1 短时Fourier变换［11］

短时Fourier 变换（Short Time FourierTransform，STFT ）是研究非平稳信号最广泛使用的方法。它的基本思想是把信号划分成许多小的时间间隔，用Fourier变换分析每1个时间间隔，以便确定在该时间间隔上的频率，这些频谱的总体就表示了频谱在时间上的变化情况。为了研究信号在时间上的特征，可以加强t时刻的信号，衰减其它时刻的信号，通过用中心在t的窗函数h（t）乘以信号来实现St（τ）＝S（τ）h（τ－t），St（τ）是2个时间的函数，即所关心的时间和执行时间t。加窗信号的Fourier变换将反映t时刻频率分布，即：

3.2 WHT 变换［12］

WHT 变换对LFM 信号有压缩和聚焦的作用，LFM 信号的 Wigner 分布为背鳍状、直线型，Hough 变换是图像处理中用于直线检测的方法。因此2种方法结合，即在时频平面上对Wigner变换的结果再进行Hough 变换，必然能够得到LFM信号的特征量。WHT 变换的定义是：给定能量有限信号s（t），定义WHT为时域到（f，g）参数域的映射

3.3 反褶积［13］

在地震波的传播过程中，大地滤波的作用使得震源激发的尖脉冲变成有一定时间延续的地震子波。无噪地震记录的地震褶积模型可用下式表示：

式中，x（t）表示地震记录，w（t）为基本子波，r（t）为地层脉冲响应。

反褶积仍然是一个滤波过程，把震源子波看作大地滤波器的脉冲响应，定义滤波算子

滤波器将基本子波在t＝0时转换为尖脉冲。

4 结果分析

4.1 CASS发射信号的时频特征

对CASS监测系统记录进行短时Fourier变换可得到震源的时间—频率关系曲线（图8）。在上升周期，随着频率的线性增加，能量越来越强，折线的亮度也越来越高，在10 Hz处达到峰值；在下降周期，随着频率的线性减小，能量越来越弱，折线的亮度也越来越低。选取信噪比较高的台站记录，先进行4～10 Hz带通滤波，然后进行短时Fourier变换，得到每个台站记录的时间—频率关系曲线，曲线的形态与参考信号一致，曲线越清晰表示台站记录的信噪比越高。信噪比与台基噪声和偏移距有关：一般为基岩台好于土层台、近台好于远台。图9是实验期间几个典型台站观测记录的时频曲线。张北固定台监测到发射信号，说明CASS发射信号传播距离达到116km。

图8 CASS调频信号的时间—振幅曲线与时间—频率曲线

4.2 提取地震波走时曲线

用反褶积和WHT 变换2种方法处理了赤城—张家口测线数据，分别得到了震源激发的地震波走时曲线（图10a和图10b）。通过对比可以发现：①2种方法均能提取到有效信号；②反褶积处理获得的波形主峰不明显，波形旁瓣收敛较差，震相识别及其走时精确拾取难度大，即使在距离震源最近的st1＿1台站记录上，也难以可靠地进行震相识别和到时拾取；③WHT 变换的波形主峰较为明显，波形旁瓣收敛较好，视觉信噪比优于反褶积。这应当与2种因素有关：一是CASS发射信号的频谱特征。实验信号的扫频范围较窄且集中在高频频段（5～10 Hz），低频能量不足，不利于子波旁瓣的收敛；二是观测记录的信噪比。高频分量随着传播距离的增加快速衰减，且与人为噪声的频谱重叠，导致非基岩台站和远台记录的信噪比不高。

图9 典型台站的时间—频率曲线

继续使用WHT 变换处理了赤城—张北测线的数据（图10c）。在图10b中，主要震相有直达纵波Pg、直达横波Sg，Pg、Sg在0～60km 范围内比较清晰，Pg较好的台站有st1＿2、st1＿3、st1＿5、st1＿6、st1＿7，Sg较好的台站有st1＿1、st1＿2、st1＿3、st1＿4、st1＿7、st1＿8；在图10c中，主要震相有直达纵波Pg、直达横波Sg，图上仅绘制了震相清晰的台站记录。可以看出，Pg、Sg在0～50km 范围内比较清晰，Pg较好的台站有：st2＿1、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7，st2＿9、st2＿10、st2＿11；Sg较好的台站有：st2＿1、st2＿2、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7、st2＿8。

图10 地震波走时曲线

2次实验结果的对比分析：①2次实验都提取到了的Pg、Sg震相，证明WHT 变换对于本次实验是有效的；②震相存在旁瓣干扰，影响走时判读。导致这种现象的原因：一是线性调频信号的主旁瓣振幅比较低，二是台站记录的信噪比不高；③远台记录（偏移距大于60km）的信噪比很低，这是由于震源信号扫频带宽较窄、低频部分能量不足，以及台基噪声对记录的干扰较大；④赤城—张北测线的Sg 震相多于赤城—张家口测线，这与2个因素有关：一是赤城—张北测线的信号频带略宽，且低频分量相对较多、扫描时间较长，使得S波走时的时间分辨率有所提高；二是赤城—张北测线记录的信噪比略好于赤城—张家口测线。这是因为：调频周期的增加增强了叠加信号的能量，以及基岩台背景噪声水平较低。实验结果表明：在信号源方面，现有的精密控制人工震源激发的振动信号频带还比较窄，处理结果的相关峰不够突出，旁瓣抑制效果差，后续震相有可能相互重叠在一起等，这些问题需要改进。在信号检测方面，要提高信号的信噪比，尤其是远台记录的信噪比，必须做好台基勘选，尽量选择远离人为噪声源的裸露基岩。

4.3 波速比分析

波速比（Vp／Vs）可以反映断层活动情况及地下介质流变性质等的改变。刘继禄等［14］计算得到京西北地区平均波速比的基值与正常波动范围是1.73±0.03，同时指出张北6.2级地震前波速比低值异常明显，形成下降—低值—恢复—发震的过程，异常持续时间27个月；张学民等［15］研究得到了赤城台的S波速度结构及波速比结构，从波速比值来看，赤城台仅在28～34km 深度处波速比值达到1.80，其它各层都在1.7 左右，整个分层结构的波速比平均值为1.72。

利用天然地震波形记录计算地震波速的主要难点是震相判读精度的提高和可靠性判定，CASS－40的应用克服了这一缺点，使用WHT 变换可以得到高分辨率的震相走时曲线。选择Pg、Sg震相均比较清晰的台站st1＿2、st1＿3和st1＿7，用Sg走时除以Pg走时得到波速比；同理选择Pg、Sg震相均比较清晰的台站st2＿1、st2＿4、st2＿5、st2＿6、st2＿7 和st2＿8分别计算波速比Sg／Pg（表1）。

表1 震相走时表

计算结果的精度受到以下因素的影响：1）GPS的授时精度；2）计算方法的误差；3）观测记录的信噪比。根据前文对观测系统钟差的统计结果，台站GPS时间服务误差集中分布在2μs左右，比观测到的震相走时精度小3个数量级，影响可以忽略不计。刘希康等［16］对WHT变换用于精密可控震源信号检测的性能进行了分析，认为震相出现规律与理论震相一致，满足精密主动地震监测对震源数据处理的需要。从图10可以看出，计算波速比所选台站的震相比较清晰，主峰比较突出，视觉信噪比较好。因此，本文的波速比计算结果应当是可靠的。从表1上看，所选台站的波速比都在1.73±0.05以内，与已有的研究结论基本相符；同时，观测得到的震相走时精确到1ms，波速比计算结果与已有研究的精度相当［17］，证明利用CASS－40进行波速比监测是可行的。

5 结论与讨论

本实验取得了以下成果：1）建立了精密可控主动震源实验观测系统，实验确定使用线性调频信号，并采用先升频再降频的模式，设计了临时台网的建设流程，积累了4个月的观测资料；2）验证了线性调频信号的处理方法，对比了反褶积和WHT 变换2种方法的处理效果，利用WHT 变换获得了高时间分辨率的震相走时；3）验证了利用CASS－40监测波速比的可行性，探测距离可达116km，利用高时间分辨率的地震波走时可计算台站的波速比，计算结果与已有的研究结论基本相符。

需要解决的问题：1）目前CASS－40的扫频带宽仍然嫌窄，希望下一步能够实现2～10Hz的线性调频，以提高探测距离、探测深度和震相的时间分辨率；2）台基类型对于临时台站记录的信噪比影响很大，以完整的裸露基岩为佳；3）要实现对研究区域地震波走时变化的主动监测，在改进可控震源观测系统的同时，还需要继续积累观测资料、继续改进目前的信号处理方法，以获得高信噪比、高时间分辨率的地震波走时记录。

致谢：感谢北京港震刘明辉工程师提供技术支持，感谢中国地震局地球物理研究所王宝善研究员提供指导意见，感谢河北省地震局邯郸中心台张新东研究员的辛苦工作！

［1］ 王林瑛，郭永霞，刘芳，等.文安地震前后首都圈分区波速比时变特征［J］.地震学报，2008，30（3）：240－253.

［2］ 王宝善，王伟涛，葛洪魁，等.人工震源地下介质变化动态监测［J］.地球科学进展，2011，26（3）：249－256.

［3］ 陈颙，王宝善，葛洪魁，等.建立地震发射台的建议［J］.地球科学进展，2007，22（5）：441－446.

［4］ 王洪体，庄灿涛，薛兵，等.2009.精密主动震源监测.地球物理学报，52（7）：1808－1815.

［5］ Ikuta R，Yamaoka K，Miyakawa K，et al.Continuous monitoring of propagation velocity of seismic wave using ACROSS［J］.Geophysical Research Letters，2002，29（13）：1627.doi：10.1029／2001GL013974.

［6］ 杨微，葛洪魁，王宝善，等.由精密控制人工震源观测到的绵竹5.6级地震前后波速变化［J］.地球物理学报，2010，53（5）：1149－1157.－

［7］ 刘希康.精密可控震源信号提取新方法研究［D］.中国地震局地震预测研究所，2013.

［8］ 李垚奇，古云鹤，马世虎，等.陀螺寻北仪快速定向划线装置的设计［J］.华北地震科学，2014，32（4）：50－52，59.

［9］ 张磊，张新东，谭青，等.地震计位置校正［J］.华北地震科学，2014，32（4）：57－59.

［10］ 葛洪魁，陈海潮，欧阳飚，等.流动地震观测背景噪声的台基响应［J］.地球物理学报，2013，58（4）：857－868.

［11］ 赵淑红，张文波.短时傅立叶变换在研究沉积旋回地质体中的应用［J］.长安大学学报（地球科学版），2003，25（2）：59－62.

［12］ 曹磊.基于Gabor变换的反褶积方法研究及应用［D］.吉林大学，2009.

［13］ 孙晓昶，皇甫堪.基于Wigner－Hough 变换的多分量LFM 信号检测及离散计算方法［J］.电子学报，2003，31（2）：241－244.

［14］ 刘继禄，张从珍，李雪英，等.张北6.2级地震前京西北地区地震波速比的异常变化［J］.地震地磁观测与研究，2000，21（1）：7－11.

［15］ 张学民，刁桂苓，束沛镒，等.华北地区地下介质波速比值（Vp／Vs）研究［J］.地震地质，2004，26（2）：305－317.

［16］ 刘希康，崔仁胜，王洪体，等.用Wigner－Hough变换检测精密可控震源信号［J］.地震，2013，33（3）：33－42.

［17］ 赵明淳，刁桂苓，张学民.首都圈平均波速比分析［J］.西北地震学报，2005，27（3）：246－254.